Brevet FR2665046A1 — publié le 19920124

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE MONTAGE EN PARALLELE DE COMPOSANTS DE PUISSANCE A SEMI CONDUCTEURS La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour le montage en parallèle de composants de puissance à semi-conducteurs. En électricité ou électronique de puissance, où les intensités de courant mises en jeu peuvent atteindre plusieurs centaines d'ampères, la conversion d'énergie se réalise très souvent à l'aide de commutateurs, ou interrupteurs, commandables à semi-conducteurs du genre thyristors de puissance, transistors bipolaires, ou autres. Typiquement, ces commutateurs de puissance sont classiquement utilisés dans les bras d'onduleurs, les convertisseurs DC/DC (continu/continu) du genre alimentation à découpage par exemple, les convertisseurs DC/AC (continu/alternatif), les convertisseurs de fréquence, la commande des moteurs, et les pontsredresseurs commandables. Dans de nombreuses applications, ce sont les commutateurs de fort ampérage qui posent le plus de problèmes et/ou rendent les mises au point difficiles. Les intensités mises en jeu sont souvent trop élevées pour un seul composant actif, même si celui-ci est choisi parmi les plus puissants disponibles dans le commerce, de sorte que la mise en parallèle de plusieurs composants devient nécessaire si l'on souhaite pouvoir additionner les courants pour augmenter la puissance totale. Les composants utilisés sont souvent volumineux et imposent des contraintes mécaniques de montage. C'est le cas en particulier pour les composants en boîtier du type "disque" (par exemple la série "ESM 4000" de la firme SGS THOMSON) qu'il faut monter individuellement dans un boîtier de serrage ayant 4 vis de fixation et contenant trois rondelles-ressort tronconiques en acier précontraint de type rondelles "BELLEVILLE" pour maintenir le composant sous une pression mécanique permanente après un serrage en butée du boîtier. En adoptant, à partir d'un même support (plaque conductrice ou radiateur), ce montage individuel comportant, comme le préconise le constructeur, un boîtier de fixation par composant, la mise en parallèle de ces composants s'effectue simplement par câblage à l'aide de fils épais, barres, ou plaques conductrices. Il s'ensuit que les composants se trouvent relativement éloignés, de sorte que les inductances parasites de câblage sont importantes : ces inductances parasites provoquent, aux bornes des composants, des surtensions souvent inacceptables dans la mesure où elles risquent d'entraîner le claquage de ces composants. Par ailleurs, ces montages connus engendrent un encombrement souvent prohibitif, des risques de déséquilibre électrique et thermique, et un refroidissement par contact mécanique qui a l'inconvénient de ne s'effectuer que sur une seule face des composants. Il a bien été proposé d'utiliser seulement les pastilles de ces composants (c'est à dire les "puces" à semi-conducteurs elles-mêmes) sans leur boîtier "disque" de protection et d'enrobage, et de réaliser le refroidissement par circulation de fluide sur les deux faces de chaque pastille, mais cette solution, si elle est techniquement très satisfaisante, a pour inconvénient , du fait qu'elle relève de la micro-mécanique de haute technicité, de demander un outillage spécifique, onéreux et pas toujours disponible, et d'être somme toute particulièrement coûteuse. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à un procédé et à un dispositif pour le montage en parallèle de composants de puissance à semi-conducteurs, ce procédé consistant à prendre chaque composant dans son boîtier de protection et d'enrobage, en laissant de côté le boîtier de fixation qui est éventuellement fourni par le constructeur, et à le monter, côte à côte avec d'autres composants semblables à brancher en parallèle, entre deux supports métalliques rigides communs, du genre radiateurs ou plaques épaisses, avec interposition, entre chaque composant et l'un de ces deux supports rigides, des rondelles-ressort nécessaires à la mise en pression (ou "clamping") de ce composant, et à prévoir, afin en particulier d'assurer, malgré la faible surface de contact de ces rondelles-ressort, la continuité électrique des électrodes qu'elles maintiennent en pression, de loger ces rondelles-ressort dans un boîtier métallique apte à constituer une interface mécanique et électrique souple, la partie interne de ce boîtier étant, après mise en pression, en contact électrique avec chacun ou au moins un des deux bords de chaque rondelle, et ses deux faces, supérieure et inférieure respectivement, étant conformées pour venir, sur la quasi-totalité de leur surface, en contact ferme avec le boîtier du composant pour l'une de ces faces et avec un desdits supports métalliques rigides pour l'autre de ces deux faces. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante d'un exemple non-limitatif de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel - Figure 1 est une vue d'ensemble, en coupe transversale partielle et très simplifiée, d'un dispositif de mise en parallèle de composants de puissance - Figure 2 représente pareillement un des ensembles de rondelles-ressort dans son logement, avant mise en pression de ces rondelles ; et - Figure 3 montre de même façon une réalisation d'un montage en demi-pont qui utilise les dispositions selon les figures 1 et 2. En se reportant à la figure 1, le montage de puissance représenté réalise la mise en parallèle de plusieurs composants identiques 1, 2, 3..., chacun étant dans son boîtier-disque 4 de protection et d'enrobage. Il convient de rappeler à ce sujet que le constructeur livre chacun de ces composants dans un emballage comportant le composant dans son boîtier-disque à pourtour latéral en céramique des rondelles-ressort (trois en général) de type "BELLEVILLE" destinées au montage sous-pression, ou camping, de ce composant ; et un boîtier de fixation et de serrage ayant quatre points de fixation. Conformément à l'invention, ces boîtiers de fixation et de serrage ne sont pas utilisés pour ce montage, et les boîtiers-disque 4 sont placés très près l'un de l'autre et entre deux plaques métalliques parallèles rigides et épaisses, 5 et 6, identiques et à section rectangulaire, qui sont avantageusement profilées en radiateurs, et qui servent également de cosses électriques d'entrée et de sortie. Une des faces métalliques 7 de chaque boîtier disque 4 est en appui contre la face lisse du radiateur inférieur 5, tandis que son autre face métallique 8 est reliée à la face lisse du radiateur supérieur 6 par interposition d'un boîtier métallique télescopique 9 de mise en pression, qui contient le jeu 10 de rondelles "BELLEVILLE" fournies par le constructeur. Le serrage nécessaire au "clamping" (c'est à dire au contact électrique des électrodes par mise en pression du composant) est obtenu simultanément pour l'ensemble des composants 1, 2, 3..., au moyen de quatre tirants, ou tiges de serrage 11, qui sont chacune isolées électriquement des radiateurs 5 et 6 par interposition de solides rondelles isolantes 12 entre un épaulement 13 de la tige 11 et un écrou de serrage correspondant 14. L'espacement entre les deux épaulements 13 de chaque tige de serrage 11 est déterminé avec précision pour réaliser, au moment du montage de l'ensemble, un serrage en butée. Cet espacement est défini en fonction des tolérances maximales et minimales des côtes des composants qui sont données par le constructeur. Dans cet exemple de réalisation, la tige 11 est une tige usinée. Bien entendu, cette tige peut être remplacée par une tige filetée entourée, pour réaliser les épaulements 13, d'une entretoise métallique dont les dimensions correspondent à la partie élargie (entre épaulements 13) de la tige 11 représentée au dessin. La figure 2 montre plus en détails, et avant mise en pression, la structure du boîtier télescopique 9 qui loge et guide en translation le jeu 10 de trois rondelles "BELLEVILLE" 15, 16, 17 identiques, fournies par le constructeur. Il est bien évident que, ne serait-ce que par leurs faibles surfaces de contact, les rondelles de type "BELLEVILLE" ne peuvent par elles-mêmes pas assurer la continuité électrique des électrodes qu'elles maintiennent en pression. Il faut cependant pouvoir utiliser l'électrode virtuelle commune que constitue le radiateur 6 dans les meilleurs conditions électriques et thermiques. Par ailleurs, cet ensemble de trois rondelles a besoin d'être guidé en translation. Ce boîtier 9 est constitué de deux pièces télescopiques à faces extérieures de pourtour circulaire et de même diamètre, ou "médaillons", dont un médaillon inférieur 18 destiné à être plaqué contre la face supérieure 8 du boîtier-disque 4 du composant, et pourvu en conséquence d'un téton de centrage 20 ; et un médaillon supérieur 19 destiné à être plaqué contre la face lisse inférieure de la plaque-radiateur supérieure 6. L'ensemble est conformé pour constituer un boîtier de logement et de guidage métallique et télescopique, ce boîtier venant par ailleurs en contact mécanique et électrique ferme avec chacun ou au moins un des deux bords 21, 22 de chaque rondelle-ressort telle que la rondelle 16 par exemple. Dans ce but, le médaillon inférieur 18 comporte une excroissance cylindrique centrale 23 orientée vers l'intérieur du boîtier et de diamètre égal ou très légèrement inférieur à celui du pourtour interne 24 de chaque rondelle-ressort en position totalement aplatie, tandis que le médaillon supérieur 19 possède un perçage central circulaire 25 de diamètre juste supérieur à celui du cylindre plein 23 pour qu'il puisse coulisser le long de ce dernier. Par ailleurs, la face interne de ce médaillon 19 est ménagée en forme de logement 26 pour au moins la rondelle supérieure 17, le diamètre de ce logement étant choisi pour être égal ou très légèrement supérieur au pourtour extérieur de cette rondelle.Enfin, ce boîtier 9 possède une paroi latérale souple et métallique 32 du genre soufflet ou tube réalisé par une tresse métallique, qui assure en particulier la continuité électrique entre les deux médaillons 18 et 19, auxquels elle est soudée, ainsi que l'interface mécanique souple entre ces médaillons. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, et en particulier ce concept peut facilement évoluer vers une structure à plusieurs étages superposée de composants en parallèle. A ce sujet, la figure 3 montre, à titre d'exemple, l'application de l'invention à la réalisation d'un montage en demi-pont (ou bras d'onduleur) qui adopte une structure à deux niveaux superposés 27, 28 de composants, séparés par une épaisse plaque centrale métallique rectangulaire et rigide 29 qui forme également radiateur bien qu'étant à faces 30, 31 toutes deux lisses, cette plaque 29 constituant la sortie électrique flottante du demi-pont. Cette plaque médiane 29 est conformée pour livrer passage aux quatre tiges de serrage 11 du montage, dont elle est séparée par un espace e suffisant pour en être électriquement isolée. Dans l'exemple considéré, cette plaque métallique 29 est située en conséquence à l'intérieur du périmètre défini par ces quatre tiges 11. En variante, elle pourrait aussi être de mêmes dimensions que les radiateurs 5 et 6, mais être pourvue de quatre larges orifices de passage de ces tiges 11. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le montage en parallèle de composants de puissance (1, 2, 3) à semi-conducteurs, caractérisé en ce qu'il consiste à prendre chaque composant dans son boîtier (4) de protection et d'enrobage, en laissant de côté le boîtier de fixation éventuellement fourni par le constructeur, et à le monter, côte à côte avec d'autres composants semblables à brancher en parallèle entre deux supports métalliques rigides communs, du genre radiateurs (5, 6) ou plaques épaisses (29), avec interposition, entre chaque composant (1, 2, 3) et l'un (6) de ces deux supports rigides, des rondellesressort (10) nécessaires à la mise en pression de ce composant, et à prévoir de loger ces rondelles-ressort (15, 16, 17) dans un boîtier métallique télescopique (9) apte à constituer une interface mécanique et électrique souple, la partie interne de ce boîtier (9) étant, après mise en pression, en contact électrique avec chacun ou au moins un des deux bords (22, 21) de chaque rondelleressort, et ses deux faces, supérieure et inférieure respectivement, étant conformées pour venir, sur la quasitotalité de leur surface, en contact ferme avec le boîtier (4) du composant pour l'une de ces faces et avec un desdits supports métalliques rigides (6) pour l'autre de ces deux faces. 2 - Dispositif pour le montage en parallèle de composants de puissance, ce dispositif mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au minimum . une plaque rigide supérieure (6) et une plaque rigide inférieure (5) . des moyens (11) de liaison mécanique entre ces deux plaques rigides (5, 6), ces moyens étant aptes à entraîner leur rapprochement forcé et précis, contre la force de répulsion des rondelles-ressort (10) associées à chaque boîtier (4) de composant (1, 2, 3,...), et ces mêmes moyens garantissant l'isolement électrique entre les plaques rigides ; et un desdits boîtiers (9) télescopiques de logement des rondelles-ressort (10) associé à chaque composant (1, 2, 3...). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce boîtier (9) comporte deux médaillons télescopiques (18, 19) conformés (23, 24) pour assurer le guidage en translation des rondelles-ressort (15, 16, 17) ainsi que le contact électrique de ces rondelles-ressort avec ces médaillons, et en ce qu'il possède une paroi latérale (26) métallique souple, du genre soufflet ou tresse, qui est reliée mécaniquement et électriquement à ces deux médaillons (18, 19). 4 - Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs étages superposés (27, 28) de composants en parallèle, chaque étage (27) étant séparé de l'étage supérieur (28) par une plaque rigide (29) du type précité.