Brevet FR2800932A1 — publié le 20010511

La présente invention est relative à un module électronique pour alternateur de véhicule, notamment automobile, et a un assemblage comportant un tel alternateur et un tel module. Un but de l'invention est de proposer un module électronique - qui regroupe tout ou partie des fonctions électroniques associées à l'alternateur (redressement, régulation, antiparasitage) - qui est optimisé, notamment point de vue dimensionnel et/ou thermique. Elle propose un module électronique pour alternateur de véhicule, notamment automobile, comportant un pont redresseur à éléments formant diodes, ces éléments étant portés par un substrat isolé. Un tel module est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes - les éléments formant diodes se présentent sous la forme de puces non encapsulées ; - le substrat isolé porte également des moyens de régulation. - les éléments formant diodes sont portés par paire par des éléments qui définissent les branches du pont redresseur. - les éléments formant diodes sont portés par des éléments qui définissent des demi-ponts redresseurs. - les éléments formant diodes d'un demi-pont sont brasés sur une meure pièce métallique rapportée sur une trace métallique du substrat. - une pièce métallique est brasée au dessus 'une puce formant diode. - une pièce intermédiaire est interposée entre élément formant diode et une connexion électrique ; - le substrat comporte une zone non isolée ; - il comporte une enceinte en un matériau plastique qui est portée le substrat et qui entoure le circuit que porte le substrat. - l'enceinte intègre des moyens de connectique. - il comporte un capot apte à fermer l'enceinte. - l'enceinte intègre des moyens de connexion à porte-balais. - il comporte un porte-balais. invention propose également un assemblage comportant un alternateur et un module électronique du type précité. Avantageusement le module est plaqué sur le palier arrière de l'alternateur. - le refroidissement par eau ou par air de l'alternateur est apte à refroidir les éléments formant diodes. notera que la solution proposée permet une plus grande intégration, d'où un encombrement réduit - en surface à l'arrière de l'alternateur (actuellement lectronique occupe 3/4 de la surface, la solution occupe seulement la moitié), ce qui permet un positionnement plus mobile sur l'arrière et donc polyvalence vis à vis demandes client (position des bornes) - épaisseur, ce qui permet un meilleur accès pour la fixation du câblage du véhicule sur les bornes de l'alternateur. nombre de pièces à assembler est réduit et les pièces sont plus simples, qui facilite l'assemblage et le montage. Actuellement, les diodes encapsulées pour l'électronique de puissance dans les alternateurs sont fabriqués par peu de fournisseurs. L'utilisation de puces de diodes - non encapsulées - permet l'élargissement des fournisseurs potentiels, d'où une plus grande souplesse. puce de diode, on entend ici tout composant semi-conducteur qui, grâce à un dopage adéquat de ses couches, intègre la fonction diode. L'utilisation des pièces de cuivre supérieures et inférieures permet d'optimiser la thermique de l'ensemble aussi bien en statique qu'en transitoire. Les traces conductrices du substrat jouent donc un rôle supplémentaire de fixation de ces demi-ponts. Egalement, le substrat peut intégrer le condensateur d'antiparasitage. La solution permet l'utilisation de composants Le module peut se fixer de manière optionnelle la partie arrière (côté collecteur) ou avant (côté poulie) de l'alternateur, que celui-ci soit refroidi par air ou par eau. II peut être dans un boîtier électronique séparé. - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquel - figures la, 1 b et 1 c illustrent différents montages redresseurs possibles sortie d'un alternateur ; - la figure 2 est une représentation schématique en coupe illustrant un montage possible d'une diode sur un substrat isolé ; - figure 3 est une représentation schématique en vue de dessus illustrant circuit électronique présentant deux zones, l'une isolée, l'autre non isolée ; - les figures 4 et 5 illustrent deux montages à ponts redresseurs possibles; - la figure 6 est une représentation d'un circuit comportant un pont redresseur et un régulateur ; - les figures 7a et 7b sont des représentations schématiques en coupe et en vue de dessus illustrant un montage d'un demi-pont de diodes - figure 8 est une représentation d'un détail du circuit de la figure 6, sans diodes ; - les figures 9a à 9c illustrent différents types de connexion possibles avec les entrées phase ; - les figures 10 et 11 sont des représentations schématiques illustrant différents types de mise à la masse ; - les figures 12a et 12b illustrent différents montages possibles pour la connexion de phase ; - les figures 13a et 13b illustrent différents montages possibles connexions possibles avec la sortie B+ ; - la figure 14 illustre en vue en coupe un module comportant enceinte et capot fermant celle-ci ; - la figure 15a est une représentation schématique illustrant la disposition d'un module ; - la figure 15b illustre un porte - balais rapporté sur ce module ; - les figures 15c à 15e illustrent différents types de moyens de connectique intégrés dans une paroi d'enceinte d'un module ; - les figures 16a et 16 illustrent différents types de fermetures possibles pour l'enceinte ; - les figures 17a et 17b illustrent le montage d'un module sur un palier d'alternateur. Dans une solution conforme à un mode de réalisation possible de l'invention, un module électronique comporte un substrat isolé qui porte un circuit qui intègre un pont redresseur, lequel est par exemple du type d'un de ceux représentés sur les figures 1 a, 1 b et 1 c. Sur la figure 1a, le pont redresseur est constitué de deux demi- ponts de trois diodes chacun, l'un relié à la masse (demi-pont negatif N), l'autre relié à une borne de sortie (demi-pont positif P). Les diodes de ces demi-ponts N et P sont reliés aux trois sorties de phase (pi, (p3 de l'alternateur. Sur la figure lb, les deux demi-ponts N et P sont constitués chacun quatre diodes, leurs diodes étant reliées aux sorties de phase (p1, (p2, (p3 de l'alternateur et au neutre (cas d'un bobinage stator en etoile). Sur la figure 1c, le pont redresseur est du type de celui représenté la figure 1 a et il est également prévu un demi-pont supplémentaire de trois diodes dont la sortie est par exemple injectée en entrée d'un regulateur associé à l'alternateur. Les diodes utilisées pour constituer ces ponts redresseurs sont par exemple des diodes Zener ou haute tension, qui sont éventuellement encapsulées, mais qui sont préférentiellement des puces de diodes. Le substrat isolé peut par exemple être réalisé par les différentes techniques suivantes - SMI (substrat métallique isolé), consistant en une semelle métallique recouverte d'un isolant polymère puis d'une feuille de matériau conducteur, qui est ensuite gravée pour former le circuit électrique ; - Sérigraphie sur acier inoxydable, consistant en une semelle en acier inoxydable recouverte d'un verre isolant puis d'une encre conductrice, le tout déposé par sérigraphie pour former le circuit électrique ; - Sérigraphie sur aluminium, consistant en une semelle en aluminium recouverte d'un isolant puis d'une encre conductrice, le tout déposé par sérigraphie pour former le circuit électrique ; - Sérigraphie sur céramique, consistant en une semelle en céramique recouverte d'encre conductrice déposée sérigraphie pour former le circuit électrique ; cette semelle céramique reportée sur un dissipateur en cuivre ou en aluminium ; technique dite "DBC" ou "Direct Bonded CoppeC selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'homme du métier, consistant en deux feuilles de conducteur pressées à chaud sur une plaque de céramique ; le conducteur est ensuite gravé pour former le circuit électrique et le tout est reporté, ainsi que l'illustre la figure 2, sur un dissipateur en cuivre ou en aluminium. Sur cette figure 2, le dissipateur en cuivre été référencé par 1, la plaque de céramique par 2, les pistes gravées par 3, et par 4 la feuille de conducteur interposée entre l'embase qui constitue le dissipateur en cuivre 1 et la plaque de céramique 2. Dans le cas des substrats à embase métallique, le substrat peut présenter des zones de conduction électrique sélectives pour réaliser le retour masse. C'est ce qu'illustre la figure 3 sur laquelle on a référencé par 5 une zone dans laquelle le circuit est isolé par rapport à l'embase métallique et par 6 une zone dans laquelle des connexions à l'embase métallique sont possibles. Dans le cas d'un substrat de type "DBC" ou Céramique, le retour de masse peut se faire par des vias métalliques qui traversent la semelle ou plaque de céramique. Le montage redresseur peut être réalisé en montant sur le circuit deux barrettes de diodes constituant chacune un demi-pont (figure 4). II peut aussi être réalisé en montant trois (quatre) éléments constituant chacun un bras de pont phase, chacun de ces éléments portant les deux diodes D reliées à une même phase (ou au neutre dans le cas où le pont redresseur comporte également un redressement du point neutre) (figure Le circuit comporte alors des liaisons pour relier les deux diodes portées un même élément respectivement à une piste de masse et à une piste d'alimentation à la tension de la batterie. Les architectures illustrées sur les figures 4 et 5 peuvent bien entendu être dupliquées, de façon à disposer de ponts redresseurs à deux fois six (ou deux fois huit) diodes pour les machines de forte puissance. Egalement, on peut braser plusieurs puces en parallèle, ce i permet de mettre le nombre de puces nécessaires pour s'adapter à thermique et au débit de l'alternateur. Le montage précédemment décrit peut intégrer un montage régulateur sur le même substrat (figure 6) ou sur un substrat indépendant. Ce régulateur (R sur la figure 6) peut être réalisé avec une technologie hybride ou avec un circuit intégré ASIC (figure 6). L'assemblage du circuit sur le substrat peut se faire de la façon suivante. Les trois ou quatre puces qui constituent les diodes D de chaque demi-pont sont brasées sur une pièce commune 7 en cuivre ou cuivre-invar- cuivre ou cuivre-carbone (figures 7a et 7b). Cette pièce 7 permet la conduction du courant vers la sortie B+ ou vers la masse tout en limitant pertes Joule. Elle permet aussi de maintenir la température des puces dessous de la température de jonction maximum en évacuant la chaleur vers le substrat. Pour chaque diode D, une pièce 8 en cuivre ou cuivre nickelé ou aluminium nickelé ou aluminium argenté est brasée sur le dessus de la puce pour permettre la connexion électrique et pour assurer la tenue des puces, notamment dans le cas où l'alternateur se déconnecte de la batterie et se décharge plein champ ("Load dump" selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée par l'homme du métier) (figure 7a et 7b). Cette pièce 8 joue le rôle de capacité thermique. La pièce commune 7, sur laquelle sont brasées les trois ou quatre puces d'un demi-pont, est brasée ou collée sur une trace conductrice du substrat (piste 9). La trace conductrice 9 a donc un rôle de tenue et de fixation mécanique de ces pièces en plus de son rôle initial de conduction electrique. Le montage de ces pièces (pièce commune sous les puces, pièce la puce et puce) sur le substrat peut être réalisé - en une fois, par refusion d'un alliage de brasure haute température (point de fusion > 290 C). - en deux fois par refusion d'un alliage haute température de chaque côté de la puce, puis par report de la pièce commune sur le substrat avec un alliage de brasure plus basse température (180 C On utilise un alliage haute température de chaque côté de la puce pour permettre l'utilisation à une température de jonction du composant maximale (200 C Les pistes conductrices du substrat peuvent être protégées par une couche protectrice pour faciliter les étapes du montage (isoler les zones de cablage des zones de brasage) et protéger le circuit des agents extérieurs. Sur la figure 8, on a référencé par ZP les zones protégées, ZC les zones de câblage, par ZB les zones de brasage. La connexion entre les entrées phase (p et les diodes D entre les traces et le régulateur peuvent être réalisées par câblage ultrasonique de fils métalliques F (figure 9a) ou par des lamelles L conformées pontet (figure 9b) ou par toute autre connexion. Dans le cas d'un pontet, il peut être prévue une pièce intermédiaire I entre une diode D et un pontet L (figure 9c). Dans tous les cas, le ou les éléments de connexion sont dimensionnés pour assurer une tenue du pont redresseur en cas de "Load Dump". Le câblage ultrasonique peut être réalisé directement sur la trace ou sur une pièce intermédiaire rapportée sur cette même trace, ceci afin de protéger le substrat de toute détérioration liée au câblage ultrasonique). retour de masse de la trace conductrice vers le palier de l'alternateur peut être réalisé par - ou plusieurs inserts métalliques INS, maintenus en appui sur la trace de masse TN par une vis traversant le ou les inserts et le substrat S (trou T) pour aller se visser dans le palier ou dans la pièce sur laquelle on fixera le substrat (figure 10). La vis peut être remplacée par un rivet. - une zone non isolée sur le substrat métallique (figure 11) ; la connexion entre cette zone et la trace conductrice peut être réalisée par brasage d'une pièce telle qu'une lamelle L formant pontet et/ou par câblage ultrasonique. - un via à travers les substrats céramique ou "DBC". L'arrivée phase peut être quant à elle être réalisee - à l'aide de crochets CR directement fixés le substrat (figure 12a), - par câblage ultrasonique entre les crochets intégrés à un connecteur et des plots de câblage sur le substrat (figure 12b), par brasage des crochets intégrés au connecteur sur les plots du substrat - par soudure électrique entre les crochets integrés au connecteur et une pièce brasée sur le substrat. Le connecteur C est par exemple une pièce plastique ceinturant le substrat S La connexion entre les fils de phase issus du stator et ces crochets peut être réalisée par brasage ou soudure électrique ou sertissage à chaud ou sertissage à froid. La connexion électrique vers la sortie B+ peut se faire (figure 13) - par câblage ultrasonique ou par brasage d'un pontet vers une borne B+ séparée du substrat, par exemple disposée dans un connecteur plastique dans lequel est surmoulée une trace métallique auquel le câblage filaire ou le pontet est relié (figure 13a), - par une borne intégrée à la pièce commune 7 du pont positif P (borne emmanchée ou rivetée ou par tout autre technique) (figure 13b). Le condensateur d'antiparasitage peut être intégré sur le substrat entre le B+ et la masse par collage ou brasage. II peut être remplacé par des condensateurs de capacité plus faible en parallèle, ce qui permet l'utilisation de composants CMS. Pour des raisons de tenue thermique, l'intégration du regulateur sur le même substrat que le redresseur peut être critique. II peut alors être implanté sur le connecteur ceinture ou dans un porte-balais séparé comme il existe actuellement. La protection mécanique et chimique du substrat peut être réalisé par: - un gel hydrophobe, un connecteur ceinture et un capot ; c'est ce qui est illustré sur la figure 14, sur laquelle on a représenté d'une part un capot CA rapporté sur une ceinture C intégrant en l'occurrence connexion phase et d'autre part une protection des puces et pistes du circuit au moyen d'un gel de couverture CO ; - un gel hydrophobe et un capot - un surmoulage plastique. Le gel peut être remplacé par un film ou tout autre produit convenant à la protection des circuits électroniques. Le gel peut être facultatif si l'encapsulation est réalisée hermétiquement. Un connecteur en plastique peut être fixé sur le substrat par collage clipsage ou rivetage plastique ou vissage ou soudure plastique. Le connecteur ceinture le substrat et peut avoir des traces surmoulées ou clipsées permettant - d'y fixer les fils de phase et d'amener le courant vers le substrat (exemple : figure 12) - d'assurer l'interface entre le régulateur et le porte-balais et entre le regulateur et la connectique client - le montage de la capacité de filtrage - la transmission du courant vers la batterie et le réseau de bord (borne intégrée à la trace) (exemple : figure 13). Un exemple de réalisation de connecteur ceinture C a été illustré sur la figure 15a. On a également représenté sur cette figure 15a les différentes interfaces de ce connecteur et du circuit qu'il entoure avec différents éléments situés au voisinage du palier arrière de l'alternateur. En particulier, on a représenté sur la figure 15a l'axe du rotor de l'alternateur et un porte-balais PB destiné à être monté une trace surmoulée Tra qui s'étend en saillie à l'extérieur de la ceinture C. Ainsi que l'illustre la figure 15b, le porte-balais PB présente deux trous de fixation 10a, 10b destinés à être traversés par des vis aptes à assurer la fixation du porte balais sur le palier arrière de l'alternateur. L'une de ces deux vis (vis 11a sur la figure 15b) est passée à travers la trace Tra et assure la transmission au porte-balais du courant d'excitation généré par le régulateur R. Elle est fixée sur la palier par l'intermédiaire d'un insert isolant. L'autre vis (vis 11 b sur la figure 15b) est totalement métallique et assure la mise à la masse. En variante, le porte-balais pourrait être intégré au module protégé la ceinture. Par ailleurs, on a représenté sur les figures 15c et 15 d d'une part et la figure 15e d'autre part des formes de connecteurs pouvant être ménagés dans la ceinture du module qui peuvent être envisagés pour permettre de raccorder le circuit au reste du réseau électrique de la voiture afin de pouvoir échanger les informations. Sur les figures 15c et 15d, la référence Trp désigne une trace du circuit repliée pour s'étendre dans la hauteur de la ceinture, puis dans le connecteur. Ce connecteur ceinture peut être recouvert d'un capot, qui peut etre - une pièce rapportée sur le dessus (par exemple, collée ou soudée vissée) (figure 17a, sur laquelle on a référencé par PA le palier sur lequel le module est monté) , - une forme spécifique dans le capot de l'alternateur qui viendrait fermer le module lors de l'assemblage (figure 17b) ; un joint peut alors être ajouté dans le rainurage du capot pour parfaire l'étanchéité. Par ailleurs, le connecteur ceinture peut aussi être rempli par un produit durcissable. Egalement, dans le cas ou les connexions sont fixées sur le substrat, la protection du module peut être réalisée par un capot plastique fixé au dessus ou par surmoulage (par exemple compression-transfert). L'assemblage du module du module qui vient d'être décrit avec les éléments du palier arrière de l'alternateur se fait de la façon suivante. Le module peut être plaqué sur la palier ou sur un radiateur. II peut être monté sur un alternateur refroidi par air ou par eau. Le substrat S peut être plaqué sur toute sa surface ou localement, notamment sur des nervures NEV palier PA (figure 17a - 17b). On s'efforce d'avoir toujours de la matière sous les puces de puissance. Ces nervures NEV assurent refroidissement des puces via le palier PA. Egalement, il peut être prévu que des canaux de ventilation CAV traversent le palier. Le module est fixé par collage ou vissage. Dans le cas où la connectique client n'est pas intégrée au module porte-balais, celle-ci peut être intégrée au capot de l'alternateur qui comporte alors des traces surmoulées ou clipsées. Ceci permet d'avoir une architecture standardisée au niveau du module, le capot étant la seule pièce s'adaptant aux demandes client. REVENDICATIONS 1. Module électronique pour alternateur de véhicule, notamment automobile, comportant un pont redresseur à éléments formant diodes caractérise en ce que ces éléments sont portés par un substrat isolé. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que éléments formant diodes se présentent sous la forme de puces encapsulées. 3. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat isolé porte également des moyens de régulation. 4. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce les éléments formant diodes sont portés par paire par des éléments qui définissent les branches du pont redresseur. 5. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments formant diodes sont portés par des éléments qui définissent des demi-ponts redresseurs. 6. Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments formant diodes d'un demi-pont sont brasés sur une même pièce métallique rapportée sur une trace métallique du substrat. 7. Module selon la revendication 2 prise en combinaison avec l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une pièce métallique est brasée au dessus d'une puce formant diode. 8. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une pièce intermédiaire est interposée entre un élément formant diode et une connexion électrique. 9. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat comporte une zone non isolée. 10. Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte en un matériau plastique qui est portée par le substrat et qui entoure le circuit que porte le substrat. 11. Module selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enceinte intègre des moyens de connectique. - 12. Module selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte un capot apte à fermer l'enceinte. 13. Module selon l'une des revendications à 12, caractérisé en ce que l'enceinte intègre des moyens de connexion un porte-balais. 14. Module selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un porte-balais. 15 Assemblage comportant un alternateur et un module électronique, caractérisé en ce que ce module est un module selon l'une des revendications précédentes. 16. Assemblage selon la revendication 11, caractérisé en ce que le module est plaqué sur le palier arrière de l'alternateur. 17. Assemblage selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que le refroidissement par eau ou par air de l'alternateur est apte à refroidir les éléments formant diodes.