Brevet FR2747876A1 — publié le 19971024

La présente invention se rapporte à un circuit de commande électronique et, plus particulièrement à un régisseur de moteur ayant un agencement perfectionné de division du train de puissance. En particulier dans le cas des produits de grande série, il est évident qu'il est souhaitable de réaliser des circuits qui demandent moins d'espace sur une carte de circuit et qui puissent être conditionnés dans des 1 0 boîtiers plus petits et de préférence modulaires pouvant s'adapter à une gamme variée d'exigences. La présente invention concerne directement des circuits de trains de puissance pour régisseurs de moteurs et analogues qui comprennent des composants de puissance montés en surface (SNID) et des cartes de support formées d'un substrat métallique isolé (INIS) qui sont plus compacts et d'une construction et d'un entretien plus efficaces et, point important, ont un nombre de pièces réduit. Un objet clé de la présente invention est de proposer un module d'alimentation pour des applications telles que des circuits d'attaque de 2 o moteurs qui ne demandent qu'un plus petit nombre de composants électriques et qui puissent être de construction modulaire et plus facile à adapter à différentes spécifications. Les objets de l'invention qui ont été cités ainsi que d'autres sont atteints par un module d'alimentation qui a une organisation soigneusement étudiée et répartit ses différents composants entre une carte sur substrat métallique isolé (IMNIS) et une carte de circuit imprimé. La répartition des éléments entre le INIS et la carte de circuit imprimé optimise les connexions électriques. de sorte que les connexions sont réalisées autant que possible dans la carte de circuit imprimé. La division des éléments de circuit réduit la dimension du IMNIS et en conséquence les coûts et se traduit par un module d'alimentation standardisé dans lequel les différences spécifiques aux applications du client résident dans la carte de circuit imprimé. Selon l'invention, l'ensemble de train de puissance destiné à fournir une alimentation électrique à un dispositif entraîné comprend: 2 2747876 une carte IMS (substrat métallique isolé) destinée à porter et à interconnecter électriquement des composants de puissance et une carte de circuit imprimé destinée à maintenir des composants de commande et d'attaque; la carte IMS sur laquelle sont montés exclusivement des transistors de puissance servant à former un circuit onduleur, des diodes formant redresseur d'entrée, une thermistance et un connecteur servant à établir la connectivité avec la carte de circuit imprimé, en réalisant ainsi une carte IMS standardisée d'une surface de substrat comparativement plus petite; la carte de circuit imprimé comprenant lesdits composants de commande et d'attaque, lesquels composants comprennent des éléments d'attaque, un détecteur d'intensité, un connecteur aboutissant à la carte IMS, et des bornes servant à réaliser des connections électriques sur le dispositif attaqué; et la carte de circuit imprimé pouvant être montée directement au- dessus de la carte IMS et les connecteurs respectifs de la carte IMS et de la carte de circuit imprimé s'accouplant entre eux verticalement. Selon des caractéristiques additionnelles: - les composants situés sur la carte IMS sont exclusivement des 2 0 composants montés en surface. - l'ensemble de train de puissance comprend en outre un puits de chaleur servant à évacuer la chaleur de l'ensemble de train de puissance et à dissiper la chaleur dans l'environnement; - les composants de la carte de circuit imprimé comprennent deux 2 5 condensateurs de liaison en série; les composants de la carte de circuit imprimé comprennent un condensateur d'amortissement; - la carte de circuit imprimé comprend une pluralité de transformateurs d'intensité; 3 0 - la carte de circuit imprimé comprend une pluralité de varistances à oxyde métallique; - la carte de circuit imprimé comprend une résistance de mise sous tension sans appel de courant; la carte de circuit imprimé comprend un relais de mise sous tension 3 5 sans appel de courant; 3 2747876 - les bornes servant à effectuer la connexion avec le dispositif attaqué comprennent une bande de connecteurs pour les lignes de courant alternatif et les lignes du moteur; - la carte de circuit imprimé comprend un module de frein - la carte IMS est standardisée pour le fonctionnement à 10 chevaux-vapeur; - la carte IMS est exempte de produits d'enrobage et comprend au contraire un revêtement de surface mince sur les composants portés par cette carte; - la surface spécifique de la carte IMS est d'environ 122,58 cm2 (19 pouces carrés), en réalisant ainsi une réduction de plus de 50 % de la taille de la surface de la carte - la carte IMS possède une surface d'environ 96,77 cm2 (15 pouces carrés), en réalisant ainsi une réduction de plus de 40 % de la taille de la surface de la carte; - la carte IMS a une dimension en hauteur de l'ordre d'environ 1,27 cm (0,50 pouce). Le module d'alimentation de la présente invention, selon un mode préféré de réalisation, comprend exclusivement l'onduleur (qui comprend six copak SMD10), un redresseur d'entrée (qui comprend six diodes SMD dans un boitier de style TO220) et une thermistance sur la carte IMS. Il comprend aussi, plusieurs connecteurs verticaux aboutissant à la carte de circuit imprimé du circuit d'attaque, qui est placé au-dessus. Le copak SMD10 est constitué par une puce IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) et une diode à court temps de transition montée dans un boîtier commun de montage en surface. La combinaison totale IMS/carte de circuit imprimé élimine dix (10) grandes bornes M5 et quatre (4) transformateurs d'intensité de la carte IMS. Ce qui précède est combiné à une optimisation additionnelle du 3 o circuit comprenant un boîtier simple ou un boîtier double qui ramène la dimension du substrat IMS d'environ 235,48 cm2 (36,5 pouces carrés) à 1) 121,94 cm2 (18,9 pouces carrés) pour un IMS à boîtiers simples (pour réaliser une économie de 52 %) ou 2) 94,83 cm2 (14,7 pouces carrés) (économie de 40 % de la carte de circuit) pour un IMS à boîtiers doubles. Il ramène aussi la hauteur du module IMS de 2,54 cm (1,00 pouce) à 0,81 cm (0,320 pouce). Enfin, avec une dimension réduite, l'invention supprime la nécessité d'un produit d'enrobage classique habituellement nécessaire pour ces ensembles, en recourant au contraire à un revêtement superficiel mince. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description de l'invention qui va suivre, qui se rapporte aux dessins annexés. La figure 1 est uin dessin d'assemblage d'une carte IMS selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure la montre la carte IMS de la figure 1, vue selon les lignes la- 1 a. La figure 2 est un dessin d'assemblage de la carte de circuit imprimé. La figure 3 est uin dessin d'assemnblage de la carte IMS selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention pour un dispositif de montage en surface à boîtiers doubles. La figure 3a montre la carte IMNIS de la figure 3. vue selon les lignes 3a-3a de cette figure. Les figures 4a-4b 5a-5d 6a-6e et 7a-7b sont d'autres dessins d'assemblage pour différents modes de réalisation de l'invention. On se reportera maintenant aux figures. On y a représenté une carte de circuit imprimé qui est destinée à réaliser des circuits d'attaque sur mesure, circuits détecteurs d'intensité et connexions à une autre carte qui comprend la carte d'alimentation qui renferme le bloc à bornes de courant alternatif et du moteur et le connecteur du régisseur. Les figures 1 et 2 représentent toutes deux un ensemble d'alimentation 10 SMD/IMS/carte de circuit imprimé pour un régisseur de moteur de 7.4 kW (10 hp), comprenant une carte ou ensemble IMS 12 et une carte de circuit imprimé 14. L'ensemble IMS 12 comprend (figure la) un puits de chaleur 16, un substrat SMD/IMS 18. un circuit d'attaque et de division 20, deux condensateurs de liaison en série et un condensateur d'amortissement optionnel. Comme on le voit en se reportant encore aux figures 1 et la, l'ensemble IMS 12 est un module d'alimentation SMNID/IMS de 7,4 kW qui comprend un onduleur, un redresseur et une thermistance. qui sont réalisés avec des transistors Q1-Q6 et des diodes D1-D6. Les transistors Q 1-Q6 peuvent être des nouveaux composants simples ou composants doubles à conducteurs bas. Les diodes Dl1-D6 peuvent être des composants SMD 220. La surface du IMNIS, qui mesure 12, 95 x 9,40 cm (5,1 x 3,7 pouces), est de 121,94 cm2 (18.9 pouces carrés). Comme représenté sur la figure la, la hauteur de l'ensemble comportant les composants 20 est d'environ 0,81 cm (0,320 pouce). Comme on le voit sur la figure 2. quatre transformateurs d'intensité sont prévus en combinaison avec trois varistances à oxyde métallique (MOV), une résistance de mise sous tension sans appel de courant et un relais de mise sous tension sans appel de courant. Le connecteur aboutissant au régisseur est représenté en liaison avec une bande de connecteurs pour lignes de courant alternatif 13 et des lignes de moteur 15. L'élément 17 est un puits de chaleur. Y sont aussi inclus un module de frein 30; une puce IGBT. une diode FRED (diode à court temps de transition) et une résistance (facultative). Les avantages de l'organisation des composants de la présente invention dérivent de 1. un substrat IMS plus petit et moins coûteux 2. l'élimination des produits d'enrobage 3. une inductance plus faible 4. un substrat IMNIS standard de 7.4 kW et 5. un circuit qui est facile à adapter spécialement aux spécifications du client au niveau de la carte de circuit imprimé (y compris les circuits d'attaque, la protection, la varistance à oxyde métallique, la mise sous tension sans appel de courant, le condensateur d'amortissement, le frein, le condensateur et le frein et les connecteurs extérieurs). Le concept de la présente invention est essentiellement basé sur la nouvelle division des composants de puissance et de commande et l'attribution de ces composants au IMNIS 12 et à la carte de circuit imprimé 14. L'invention assure aussi, d'une façon nouvelle, l'utilisation de connecteurs centraux verticaux de 2.54 mm (100 millièmes de pouce) pour transporter la puissance et le signal du niveau inférieur du IMS au niveau supérieur de la carte de circuit imprimé (la commande) qui est utilisée uniquement pour le signal et les connecteurs d'alimentation. Il convient de noter que tous les connecteurs sont identiques. Sur la figure 1, Q1-Q6 représentent des transistors simples ou doubles à conducteurs bas. D1-D6 constituent des SNID 220. Ici aussi la surface totale du IMS est de 121,94 cm2 (18,9 pouces carrés), puisque le IMS mesure 12,95 x 9,40 cm (5,1 x 3,7 pouces). La hauteur du substrat est de 0,30 cm (0,120 pouce). Les dimensions correspondantes de la carte de circuit imprimé 14 sont 18.54 x 14,99 cm (7,3 x 5,9 pouces). A remarquer le module 24 qui mesure 12,45 x 7.62 x 0.76 cm (4,9 x 3,0 x 0,3 pouces). Dans le mode de réalisation de la figure 3, Ql-Q6 comprennent des composants doubles munis de conducteurs hauts (les émetteurs en bas). La dimension de la carte de circuit imprimé est de 12,45 x 7,62 cm (4,9 x 3, 000 pouces), ce qui a pour résultat une plus petite surface de IMS, de seulement 94.84 cm (14.7 pouces carrés). La hauteur de la carte IMS, avec ses composants 20, est représentée sur la figure 3a. Les autres figures 4a-7b sont des dessins d'assemblage et connexes de divers modes de réalisation et de diverses spécifications de la présente invention. Plus précisément, la figure 4a montre l'ensemble de substrat IMS pour une construction SMID de 0.74 kW mesurant 6.99 x 10,41 cm (2, 750 x 4,100 pouces). La figure 4b présente une information supplémentaire sur les dimensions. Les composants électriques qui peuvent être utilisés avec le mode de réalisation de la figure 4a sont énumérés ci-dessous. 7 2747876 Elément Pièce n Identification Description Fournisseur 401 IRGBC30KD2-S Q1 à Q6 IGBT SMD-220 IR 402 IRGBC40K-S Q7 IGBT SMD-220 IR 403 LM50C Q8 SOT-23 capteur de National température Semi- centigrade à Conductor alimentation unique 404 20ETS16S D1 à D6 diode SMD-220 IR 405 IOBF60 D7 diode SMD IR 406 6179-6 J1 à J4 cavalier, laiton avecZeirick Sn/Pb 407 RW2RODARO50F R1 et R2 Résistance SM Ohmite ou 0,050 OHM, 2 RW2RODARO5O J watts, Tol. 1 % ou RW2RODAR050J 57 % 408 50281-2-68 CN1 Connecteur. monta- Comcon ge en surface, 34 broches. double** 409 50281-1-30 CN2 Connecteur monte Comcon en surface 30 broches, simple** 410 IKS821KT TH 1 thermistance* Thermo Disc 411 X43-9256 substrat. IMS 412 SN62RM92BAS88 pâte de soudure Multicore Sn62/Pb35,7/2 Ag/0,3 Sb * Utiliser exclusivement les éléments 403 ou 410. En d'autres termes, ces articles sont interchangeables. ** Les broches inutilisées doivent être enlevées avant l'assemblage. La surface de la carte IMS de la figure 4a est de 72,74 cm (11,275 pouces carrés). La figure Sa est un autre dessin d'assemblage d'un mode de réalisation de IMS qu'on peutit faire travailler jusqu'à 600 volts. D'autres détails des paramètres dimensionnels de la plaque de base du dispositif de la figure Sa sont indiqués sur la figure 5b. La figure Sc est le dessin de conducteurs du dispositif de la figure Sa et la figure Sd montre le dessin d'isolant de soudure du dessin de conducteurs. D'autres caractéristiques 1 0 de la carte IMS de la figure Sa sont indiqués ci-après. 1. Les dimensions sont indiquées en pouces sauf spécification contraire. 2. Dimension de commande pouces. sauf spécifications contraires. 3. Plaque de base 3.1) la matière est l'alunminium A5052H34. 3.2) épaisseur 3.00 + 0.11 mm [0, 118 + 0.004] 3.3) bavures sur le tour des trous 0.15 mm [0.006] maximum. 4. Film isolant 4.1) rigidité diélectrique 3KV CA pendant 1 minute 4.2) épaisseur 125 - 25 mm [0.005 + 0.001]. 4.3) conductibilité thermique 8.4 x 10- CAL/ C x cm-s.mn 4.4) résistance au décollement 1.3 kg/cm minimum à 25 C après exposition à 260 C pendant 60 minutes. 4.5) constante diélectrique 7.7 (100 kHz à 23 C). 4.6) résistivité spécifique i x 1016 ohm-cm à 23 C. 5. Métallisation des conducteurs 5.1) la matière est le cuivre OFHC 5.2) épaisseur 105 + 10 /m [0.0041 + 0,0004] 5.3) définition des lignes + 300 um [ 0.012 pouce] 5.4) planéité des plots soudables 0.04 mm [0.006] 5.5) la surface doit être soudable avec 62Sn/36Pb/2Ag avec flux RMA à 200 C. La figuire 6a est l'assemblage d'une autre carte IMS qui est conçue pour l'utilisation à 7.4 kW. 600 volts ou 1200 volts. Il mesure 9 2747876 13,46 x 9,39 cm (5,3 x 3,7 pouces) pour une surface totale de 126,52 cm2 (19,61 pouces carrés). La plaque de base, le conducteur, l'isolant de soudure (600 volts) et l'isolant de soudure (1200 volts) sont respectivement représentés sur les figures 6b, 6c, 6d et 6e. D'autres paramètres de ce mode de réalisation sont indiqués ci-dessous. 1. Les dimensions sont indiquées en pouces sauf spécification contraire. 2. Dimension de commande pouces, sauf spécifications contraires. l0 3. Plaque de base 3.1) la matière est l'aluminium A5052H34. 3.2) épaisseur 3,00 + 0.11 mm [0,118 + 0,004] 3.3) bavures sur le tour des trous 0,15 mm [0,006] maximum. 4. Film isolant: (600 V) _s 4.1) rigidité diélectrique 3KV CA pendant 1 minute 4.2) épaisseur 125 + 25,um [0,005 + 0,001]. 4.3) conductibilité thermique 8,4 x 10-3 CAL/ C x cm-s.mn 4.4) résistance au décollement 1,3 kg/cm minimum à 25 C après exposition à 260 C pendant 60 minutes. 4.5) constante diélectrique 7,7 (100 kHz à 23 C). 4.6) résistivité spécifique 1 x 1016 ohm-cm à 230C. 5. Film isolant: (1200 V) 5.1) rigidité diélectrique 5KV CA pendant 1 minute 5.2) épaisseur 170 + 30 pim [0,007 + 0,001 pouce]. 5.3) conductibilité thermique 8,4 x 10-3 CAL/ C x cm-s.mn 5.4) résistance au décollement 1,3 kg/cm minimum à 25 C après exposition à 260 C pendant 60 minutes. 5.5) constante diélectrique 7,7 (100 kH-Iz à 23 C). 5.6) résistivité spécifique 1 x 1016 ohm-cm à 23 C. 6. Métallisation des conducteurs 6.1) la matière est le cuivre OFHC 6.2) épaisseur 105 + 10 um [0,0004 + 0,0004] 6.3) définition des lignes + 300 grm [ + 0,012 pouce] 6.4) planéité des plots soudables 0,04 mm [0,006] 6.5) la surface doit être soudable avec 62Sn/36Pb/2Ag avec flux RMA à 200 C. Un ensemble de train de puissance pour une application à 7,4 kW, 1200 volts est illustré sur la figure 7a. Les critères de production et de caractéristique pour cet ensemble sont représentés sur la figure 7b. D'autres spécifications de ce mode de réalisation sont indiquées ci- dessous. 11 2747876 Elément Pièce n Identification Description Fournisseur 701 X43-9249-2 Substrat, IMS, Denka/Mitsui CV13 702 Q1 a Q6 SM10/marque II IR CoPAK IGBT- 7/FRED 51 703 20ETS16S D1 à D6 Diode SMD 220 IR 0,180 x 0,180 704 50335-2-26 CN1 connecteur, 24 Comcon broches, double 705 50335-1-18 CN2 connecteur. 30 Comcon broches, simple |706 50335-2-18 CN3 connecteur, 25 Comcon broches. double 707 50335- 2-16 CN4 connecteur. 10 Comcon broches, double 708 1KS821KT T1 thermistance MCTA 709 LM50C Q7 capteur de Temp. National Semi- SOT-23 (facultatif Conductor pour la thermistance) 710 séparation 711 SN62RM92BAS8 pâte de soudure Multicore 8 Sn62/Pb36/2Ag 712 ECCOCOATrevêtement de Grace S7013 conformation. silicone 12 2747876 Le concept de la présente invention donne la possibilité de réaliser une carte IMS avec seulement l'onduleur (6 copaks SMD 10), des redresseurs d'entrée (6 diodes SMD 220) ainsi qu'une thermistance sur le substrat IMS. Un connecteur vertical central établit la connectivité avec la carte de circuit imprimé placée au-dessus. L'invention élimine 10 grandes bornes M5 et quatre transformateurs d'intensité du substrat IMS. Ceci, combiné avec l'utilisation du nouveau boîtier simple ou du boîtier double ramène la dimension du substrat de l'IMS de la surface classique de 235,48 cm2 (36,5 pouces carrés) à: 1) une IMS avec le boîtier simple 121,94 cm2 - (18,9 pouces carrés) (50 %); ou 2) une IMS avec le boîtier double 94,84 cm2 (14,7 pouces carrés) (40 %). Bien que la présente invention ait été décrite à propos de modes particuliers de réalisation de l'invention, de nombreuses autres variantes et modifications ou d'autres utilisations viendront à l'esprit de l'homme de l'art. Il est donc préféré que la présente invention ne soit pas limitée par la description particulière donnée ici. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant 2 0 sortir du cadre de l'invention. 13 2747876 REVENDICATIONS 1. Ensemble de train de puissance destiné à fournir une alimentation électrique à un dispositif entraîné, l'ensemble comprenant: une carte IMS (substrat métallique isolé) (12) destinée à porter et à interconnecter électriquement des composants de puissance et une carte de circuit imprimé (14) destinée à maintenir des composants de commande et d'attaque; la carte IMS (12) sur laquelle sont montés exclusivement des transistors de puissance servant à former un circuit onduleur, des diodes formant redresseur d'entrée, une thermistance et un connecteur servant a établir la connectivité avec la carte de circuit imprimé (14), en réalisant ainsi une carte IMS standardisée d'une surface de substrat comparativement plus petite; la carte de circuit imprimé (14) comprenant lesdits composants de commande et d'attaque, lesquels composants comprennent des éléments d'attaque, un détecteur d'intensité, un connecteur aboutissant à la carte IMS (12), et des bornes servant à réaliser des connections électriques sur le dispositif attaqué; et la carte de circuit imprimé (14) pouvant être montée directement au- dessus de la carte IMS (12) et les connecteurs respectifs de la carte IMS (12) et de la carte de circuit imprimé (14) s'accouplant entre eux verticalement. 2. Ensemble de train de puissance selon la revendication 1, dans lequel les composants situés sur la carte IMS sont exclusivement des composants montés en surface. 3. Ensemble de train de puissance selon la revendication 2, comprenant en outre un puits de chaleur servant à évacuer la chaleur de l'ensemble de train de puissance et à dissiper la chaleur dans l'environnement. 3 0 4. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel les composants de la carte de circuit imprimé (14) comprennent deux condensateurs de liaison en série. 5. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel les composants de la carte de circuit imprimé (14) comprennent un condensateur d'amortissement. 6. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte de circuit imprimé (14) comprend une pluralité de transformateurs d'intensité. 7. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte de circuit imprimé (14) comprend une pluralité de varistances à oxyde métallique. 8. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte de circuit imprimé (14) comprend une résistance de mise sous tension sans appel de courant. 9. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte de circuit imprimé (14) comprend un relais de mise sous tension sans appel de courant. 10. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel les bornes servant à effectuer la connexion avec le dispositif attaqué comprennent une bande de connecteurs pour les lignes de courant alternatif et les lignes du moteur. 11. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte de circuit imprimé (14) comprend un module de frein. 12. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte IMS (12) est standardisée pour le fonctionnement à 7,4 kW. 13. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte IMS (12) est exempte de produits d'enrobage et comprend au contraire un revêtement de surface mince sur les composants portés par cette carte. 14. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la surface spécifique de la carte IMS (12) est d'environ 122.58 cm2 (19 pouces carrés), en réalisant ainsi une réduction de plus de 50 % de la taille de la surface de la carte. 15. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte IMS (12) possède une surface d'environ 96,77 cm2 (15 pouces carrés), en réalisant ainsi une réduction de plus de 40 % de la taille de la surface de la carte. 2747876 16. Ensemble de train de puissance selon la revendication 3, dans lequel la carte IMS (12) a une dimension en hauteur de l'ordre d'environ 1,27 cm (0,50 pouce).