Brevet FR2765068A1 — publié le 19981224

DISPOSITIF D'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE A SYSTEME DE REFROIDISSEMENT AMELIORE L'invention concerne un dispositif d'électronique de puissance à système de refroidissement amélioré. Il est connu que les performances des dispositifs d'électronique de puissance sont limitées par la température atteinte par les composants électroniques de puissance en fonctionnement. Cette température provient d'un échauffement dû à la dissipation de puissance par effet Joule. Par exemple, au-delà de 1500C, une puce en silicium voit ses performances fortement dégradées, voire définitivement altérées. De ce fait il est très important de disposer de systèmes de refroidissement destinés à évacuer la chaleur produite, de façon à maintenir, dans les composants, une température de fonctionnement optimale, et ainsi pouvoir augmenter les puissances utilisables. Avec certains dispositifs comme les IGBT le courant maximal admissible est approximativement proportionnel à la quantité de chaleur que le dispositif est capable d'évacuer. Divers systèmes de refroidissement ont été utilisés on connaît des systèmes basés sur le brasage du composant sur un échangeur de chaleur traversé par un fluide de refroidissement. Pour isoler électriquement l'échangeur de chaleur, il est nécessaire de prévoir une couche intermédiaire d'isolant électrique. La plupart des isolants électriques est inutilisable car ils sont, en général, mauvais conducteur de chaleur. le nitrure d'aluminium est l'un des isolants électriques les plus utilisés car il possède une conductivité thermique moins mauvaise que la moyenne (45k de la conductivité du cuivre). Cependant cela est loin d'être suffisant. En outre le nitrure d'aluminium est difficilement façonnable (très dur) et il faut prévoir des couches d'accrochages car il se soude très mal. Du fait de l'existence de ces nombreuses interfaces entre le composant à refroidir et échangeur de chaleur, constituant chacune une résistance thermique, le coefficient de transfert thermique est très faible (environ 1,3W/OC pour un composant de 1 cm2). De plus ces matériaux supplémentaires augmentent le volume, le poids, et le prix des dispositifs. On connaît d'autres systèmes basés sur le refroidissement direct du composant par un fluide diélectrique. Cependant les systèmes proposés sont basés exclusivement sur le refroidissement par convection forcée de la surface du composant soumis au fluide. La surface d'échange est limitée, et le gain sur le coefficient de transfert reste minime et ne permet pas de grandes augmentations de la puissance dans le dispositif. L'un des buts de la présente invention est de proposer un dispositif électronique de puissance comprenant un système de refroidissement permettant un gain conséquent sur le coefficient de transfert thermique, en augmentant la surface d'échange de convection. Un autre but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement facile à mettre en oeuvre de dimension limité. A cet effet l'invention concerne un dispositif d'électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance monté sur un support, un système de refroidissement pour évacuer les dissipations de puissance par effet Joule du composant électronique de puissance, et un boîtier entourant ledit composant électronique de puissance. Selon l'invention, le boîtier est une enceinte contenant ledit composant électronique de puissance et le support, ladite enceinte comprenant une entrée à travers laquelle un fluide diélectrique de refroidissement entre dans l'enceinte, et une sortie à travers laquelle ledit fluide diélectrique de refroidissement sort de l'enceinte, générant ainsi un flux de fluide diélectrique de refroidissement. Ledit composant électronique de puissance et le support sont disposés entre ladite entrée et ladite sortie dans le flux de fluide diélectrique de refroidissement. Dans une forme de réalisation, le support est en matériau conducteur électrique et thermique, et au potentiel de la face de contact du composant électronique de puissance, le boîtier étant en un matériau isolant électrique et le support en matériau conducteur électrique et thermique comprenant des amenées de puissance traversant de façon étanche le boîtier en matériau isolant. Le dispositif peut comprendre au moins deux groupes de composants électroniques de puissances à des potentiels différents, chaque groupe de composants étant monté sur au moins un support équipotentiel. Afin d'utiliser au mieux les surfaces d'échanges avec le fluide diélectrique de refroidissement, les supports sont disposés dans le boîtier de telle manière qu'une surface extérieure maximale de chaque support soit au contact du flux de fluide diélectrique de refroidissement. Les faces des composants, soumises aux flux de fluide diélectrique de refroidissement, peuvent être protégés de l'érosion ou de la corrosion par une couche protectrice diélectrique. L'un des avantages de la présente invention résulte de l'évacuation de la chaleur dégagée par le composant selon deux principes de transfert de chaleur, à savoir conduction entre le composant et le support, et convection sur toute la surface du support, du composant, et des différentes connexions. Un autre avantage de la présente invention est la suppression de plusieurs interfaces entre le composant et le support ce qui augmente sensiblement le coefficient de transfert thermique par conduction vers le support. C'est principalement par conduction vers le support et par convection forcée autour du support que le transfert se fait. La partie de transfert liée à la convection forcée sur le composant est secondaire. De ce fait il peu pénalisant thermiquement de protéger la surface du composant avec un gel diélectrique ou équivalent contre une érosion due au flux de fluide refroidissant. Le coefficient global de transfert pour une puce silicium de 1 cm2 atteint quatre fois celui de l'art antérieur. Cela veut dire que pour une puissance constante, le nombre de puces silicium peut être considérablement réduit.. Dans un autre cas de figure, si l'on maintient le nombre de puces silicium, cela permet d'accepter une température de fluide de refroidissement plus élevée, et de là, de réduire considérablement la taille, le niveau sonore et le coût de la boucle de refroidissement (échangeurs, groupes de ventilation). Un autre avantage de la présente invention résulte du gain de poids et d'encombrement dû la suppression de l'échangeur de chaleur classique et de la semelle d'AlN. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulteront de la description qui va suivre en référence à la figure unique représentant schématiquement un dispositif électronique selon la présente invention. L'invention concerne un dispositif d'électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance 1 monté sur un support 2 et disposé dans un boîtier 3. Dans une forme de réalisation, le support 2 est en matériau conducteur thermique et électrique, le composant électronique de puissance 1 étant directement monté sur le support 2, le support 2 étant au potentiel de la face de. contact du composant électronique de puissance 1. Dans le cas d'un dispositif comprenant plusieurs composants électroniques de puissance 1 à des potentiels différents, des composants 1 ayant le même potentiel peuvent être montés sur le même un support 2 équipotentiel. Les composants sont, par exemple non limitatif, des puces en silicium directement soudées sur des supports en cuivre ou en matériau bon conducteur de l'électricité et de la chaleur. Le dispositif selon l'invention comprend, en outre, toutes les pistes et les connexions 10, 11 pour fournir ou transmettre puissance et commandes aux composants électroniques de puissance. Dans la forme représentée sur la figure, le support 2 en cuivre comprend une amenée de puissance 11. Le dispositif selon l'invention comprend un système de refroidissement 4 pour évacuer les dissipations de puissance par effet Joule des composants électroniques de puissance 1. Le système de refroidissement 4 comprend le boîtier 3 contenant les composants électroniques de puissance 1, et les supports 2. Le boîtier ou enceinte 3 comprend une entrée à travers laquelle un fluide diélectrique de refroidissement entre dans l'enceinte 3, et une sortie 6 à travers laquelle ledit fluide diélectrique de refroidissement sort de l'enceinte 3, générant ainsi un flux 7 de fluide diélectrique de refroidissement. Le fluide de refroidissement peut être, par exemple non limitatif, une huile silicone, un substitut du Fréon etc.... Le système de refroidissement 4 comprend en outre des moyens de mise en circulation et de recyclage du fluide diélectrique (non représentés). La vitesse de circulation du fluide est choisie en fonction du coefficient de convection et de la température voulus. Les composants électroniques de puissance 1 et les supports 2 sont disposés entre l'entrée et la sortie 6 dans le flux 7 de fluide diélectrique de refroidissement. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure, le boîtier 3 est en matériau isolant électrique et les supports 2 sont en matériau conducteur thermique et électrique (Cuivre par exemple). Les supports 2 en matériau conducteur thermique et électrique comprennent des amenées de puissance 11 traversant de façon étanche le boîtier 3 en matériau isolant. La disposition des supports 2 dans le boîtier 3 est telle que toute la surface extérieure de chaque support 2 est au contact du flux 7 de fluide diélectrique de refroidissement. Selon la forme de réalisation représentée, le support 2 a la forme d'un plateau, dont la surface d'échange convectif avec le flux 7 de fluide diélectrique de refroidissement est plus grande que la surface de contact du (de l'ensemble des) composant(s) électronique(s) de puissance 1. L'épaisseur du plateau est choisie pour permettre une diffusion de la chaleur vers toute la surface d'échange radiatif. Avantageusement la surface d'échange convectif avec le flux 7 de fluide diélectrique de refroidissement est au moins cinq fois plus grande que la surface de contact du (de l'ensemble des) composant(s) électronique(s) de puissance 1 Les puces en silicium sont fragiles et peuvent être sujettes à érosion ou corrosion par le fluide diélectrique. Selon l'une des caractéristiques de l'invention, les faces libres des composants 1, soumises aux flux 7 de fluide diélectrique de refroidissement, sont protégées de l'érosion ou de la corrosion par une couche protectrice diélectrique. L'évacuation de la chaleur se fait principalement par conduction du composant électronique de puissance vers le support bon conducteur thermique, puis par convection forcée entre le fluide diélectrique de refroidissement et le support bon conducteur thermique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre ou de réalisation décrit et représenté, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme du métier sans que l'on s'écarte de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'électronique de puissance comprenant au moins un composant électronique de puissance (1) monté sur un support (2), un système de refroidissement (4) pour évacuer les dissipations de puissance par effet Joule du composant électronique de puissance (1), et un boîtier (3) entourant ledit composant électronique de puissance (1), caractérisé en ce que le boîtier (3) contient ledit composant électronique de puissance (1) et le support (2), ledit boîtier (3) comprenant une entrée à travers laquelle un fluide diélectrique de refroidissement entre dans le boîtier (3), et une sortie (6) à travers laquelle ledit fluide diélectrique de refroidissement sort du boîtier (3), générant ainsi un flux (7) de fluide diélectrique de refroidissement, ledit composant électronique de puissance (1) et le support (2) étant disposé entre la dite entrée et ladite sortie (6) dans le flux (7) de fluide diélectrique de refroidissement. 2. Dispositif d'électronique de puissance selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support (2) est en matériau conducteur thermique et électrique, le composant électronique de puissance (1) étant directement monté sur le support (2), le support (2) étant au potentiel de la face de contact du composant électronique de puissance (1), le boîtier (3) étant en un matériau isolant électrique et le support (2) en matériau conducteur thermique et électrique comprenant des amenées (11) de puissance traversant de façon étanche le boîtier (3) en matériau isolant. 3. Dispositif d'électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux groupes de composants électroniques de puissances (1) à des potentiels différents, chaque groupe de composants (1) étant monté sur au moins un support équipotentiel (2). 4. Dispositif d'électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les supports (2) sont disposés dans le boîtier (3) de telle manière que la surface extérieure de chaque support (2) soit au contact du flux (7) de fluide diélectrique de refroidissement. 5. Dispositif d'électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que au moins un support (2) a la forme d'un plateau ayant une surface d'échange convectif avec le flux (7) de fluide diélectrique de refroidissement plus grande que la surface de contact du (de l'ensemble des) composant(s) électronique(s) de puissance (1), l'épaisseur du plateau étant choisie pour permettre une diffusion de la chaleur vers toute ladite surface d'échange radiatif. 6. Dispositif d'électroniques de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les faces libres des composants (1), soumises aux flux (7) de fluide diélectrique de refroidissement, sont protégées de l'érosion ou de la corrosion par une couche protectrice diélectrique.