Brevet FR2814907A1 — publié le 20020405

MODULE ELECTRONIOUE DE PUISSANCE ET BRAS D'ONDULEUR COMPORTANT UN TEL MODULE L'invention se rapporte à un module électronique de puissance comportant plusieurs composants de puissance montés en série. Le module électronique de puissance selon l'invention est notamment destiné à être utilisé pour le montage en série de plusieurs transistors bipolaires à grille isolée, dits composants IGBT, dans les circuits de distribution d'énergie du domaine ferroviaire, de type convertisseur, pour lesquels les valeurs de tension sont particulièrement importantes. Pour répondre au besoin d'une puissance croissante dans les applications du type traction ferroviaire ou distribution d'énergie, les modules de puissance doivent avoir des tensions d'utilisation toujours plus élevées. Or, les modules actuels utilisent des composants IGBT dont la tension est limitée à 6 500 V. Il est connu du document US 5 811 878 d'augmenter la tension finale des modules de puissance en disposant en série plusieurs composants IGBT de manière à réduire la tension aux bornes de chaque composant IGBT. La mise en série des composants IGBT est alors réalisée en disposant les différents composants IGBT côte à côte sur un substrat céramique refroidi et en les reliant par leur face libre aux moyens de fils électrique de liaison. Une telle solution présente toutefois l'inconvénient de générer, au niveau des fils électriques de liaison, des boucles à fortes inductances parasites et donc de fortes tensions aux commutations, ce qui oblige à surdimensionner les composants de puissance afin qu'ils résistent à ces surtensions. Un autre inconvénient d'une telle solution est le refroidissement des composants IGBT limité à une seule face, l'autre face étant utilisée pour la connexion des fils de liaisons, ce qui limite la puissance maximale exploitable pour chaque composant IGBT. Le but de la présente invention est de proposer un module électronique de puissance qui permette de pallier les inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus en proposant un module compact assurant la mise en série de composants de puissance tout en assurant un excellent refroidissement de ces derniers, et qui possède une très faible inductance de boucle et donc très peu de surtensions à la commutation. A cet effet, l'invention a pour objet un module électronique de puissance comportant plusieurs composants de puissances montés en série, ces derniers comportant de manière conventionnelle un collecteur sur une face, dite réceptrice, et un émetteur sur la face opposée, dite émettrice, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier et un second composants de puissance montés en série et disposés à proximité l'un de l'autre, avec l'un des deux composants de puissance en position renversée de telle sorte que la face réceptrice de l'un et la face émettrice de l'autre soient sensiblement dans un même plan, les composants de puissance étant pris en sandwich entre deux substrats rapportés sur les faces réceptrice et émettrice des composants de puissance, l'un des deux substrats comportant au moins une piste conductrice de liaison reliant l'émetteur du premier composant de puissance au collecteur du second composant de puissance, l'autre substrat comportant au moins deux pistes conductrices, isolées l'une de l'autre, reliées respectivement au collecteur du premier composant de puissance et à l'émetteur du second composant, et assurant l'alimentation électrique des composants de puissance. Selon des modes particuliers de réalisation, le module électronique de puissance peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le contact électrique entre l'émetteur du premier composant de puissance et la piste conductrice de liaison du substrat se fait au moyen d'au moins un bossage qui est interposé entre un plot de connexion de l'émetteur du premier composant de puissance et la piste conductrice réalisée sur le substrat ; - le contact électrique entre le collecteur du second composant de puissance et la piste conductrice de liaison du substrat se fait par brasage de la face réceptrice du composant de puissance ; - les composants de puissance sont refroidis par des radiateurs disposés sur les faces extérieures des substrats ; - les composants de puissance sont des transistors bipolaires à grille isolée dits IGBT ; - ta face émettrice de chaque composant IGBT est munie d'une grille de commande et chaque grille de commande est reliée à une piste de commande réalisée sur le substrat lui faisant face, la connexion entre la grille et la piste de commande étant réalisée au moyen d'au moins d'un bossage interposé entre un plot de connexion de la grille de commande et la piste de commande ; L'invention a également pour objet un bras d'onduleur comportant un tel module de puissance. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe schématique, d'un mode de réalisation du module électronique de puissance selon l'invention ; - La figure 2 est un schéma de principe du module de puissance de la figure 1 ; La figure 3 est un schéma de principe d'un bras d'onduleur comportant trois modules électroniques de puissance conformes à la figure 1 ; La figure 4 est une vue en perspective partiellement éclatée du bras d'onduleur de la figure 3 dans laquelle le substrat supérieur et les diodes n'ont pas été représentées pour plus de clarté. Pour faciliter la lecture du dessin, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. La figure 1 représente un module électronique de puissance comportant un premier composant IGBT la et un second composant IGBT lb montés en série, chaque composant IGBT comportant, de manière conventionnelle, un collecteur de courant sur une face dite réceptrice et un émetteur de courant ainsi qu'une grille de commande sur la face opposée, dite émettrice. A chaque composant IGBT la et lb est associé respectivement une diode 7a et 7b montée en parallèle à ces derniers, en position inverse, afin d'obtenir la bidirectionnalité en courant nécessaire à l'utilisation du module électronique dans une structure de type onduleur ainsi que cela est schématisé sur les figures 2 et 3. Dans la suite de la description on s'intéressera essentiellement à l'agencement des composants IGBT la et lb dans le module de puissance, les diodes 7a, 7b associées étant par définition montées en parallèle à ces derniers. Conformément à la figure 1, les deux composants IGBT la et lb sont disposés à proximité l'un de l'autre avec le composant IGBT lb en position renversée de telle sorte que la face émettrice de l'un et la face réceptrice de l'autre soient sensiblement dans un même plan. Un substrat inférieur 2a et un substrat supérieur 2b sont rapportés de part et d'autre des deux composants IGBT la, lb de manière à former une structure sandwich dans laquelle le substrat 2a est accolé à la face réceptrice du composant IGBT la et à la face émettrice du composant lb et le substrat 2b est accolé à la face émettrice du composant la et à la face réceptrice du composant IGBT 2b. Les substrats 2a, 2b sont avantageusement réalisés en céramique ou en silicium de manière à être électriquement isolant tout en assurant une bonne conduction de la chaleur. Dans le mode de réalisation représenté, le substrat inférieur 2a comporte une première piste de cuivre 4, obtenue par métallisation et soumise extérieurement un potentiel + HV. Cette première piste de cuivre 4 s'étend en regard du collecteur du premier composant IGBT la et de la diode 7a et est reliée à ces derniers au moyen de couches de soudure d'étain-plomb non représentées. Le substrat inférieur 2a comporte également une seconde piste en cuivre 5 isolée électriquement de la première piste 4 et soumise extérieurement à un potentiel-HV. Cette seconde piste 5 s'étend en regard de l'émetteur du second composant IGBT lb et de la diode 7b et est reliée électriquement à des plots de connexion de ces derniers au moyen d'un ou plusieurs bossages 6 réalisés en étain-plomb-argent dont la taille correspond à celle des plots de connexion. Dans l'exemple considéré les bossages 6 ont une composition d'environ 2 % d'étain, 95,5 % de plomb et 2,5 % d'argent et la connexion est obtenue par fusion de chaque bossage 6 en les chauffant par exemple à environ 330 C pendant 10 secondes. Le substrat inférieur 2a comporte également une piste conductrice de commande, non représentée sur les figures, constituée par une piste en cuivre isolée électriquement des première et seconde pistes conductrices 4 et 5, et reliée électriquement à un plot de connexion de la grille de commande du second composant IGBT 2b par un ou plusieurs bossages 6. Le collecteur du second composant IGBT lb est relié par des couches de soudure d'étain-plomb, non représentées, à une piste de cuivre de liaison 3 s'étendant sur la face inférieure du substrat supérieur 2b entre les deux composants IGBT la et lb. Cette piste de cuivre 3 s'étend également en regard de l'émetteur du premier composant la et est reliée à un plot de connexion de ce dernier par un ou plusieurs bossages 6 semblables à ceux décrits précédemment. Le substrat supérieur 2b comporte également une piste conductrice de commande, non représentée sur les figures, constituée par une piste cuivre isolée de la piste de liaison 3, et reliée électriquement à un plot de connexion de la grille de commande du premier composant IGBT la au moyen d'un ou plusieurs bossages 6. L'isolation électrique des deux substrats la, lb du module de puissance est effectuée classiquement au moyen d'un gel isolant disposé entre les deux substrats la, lb. Deux radiateurs de refroidissement, non représentés sur les figures, sont rapportés sur les faces extérieures des deux substrats afin d'assurer le refroidissement des composants IGBT 1 a et 1 b par conduction au travers des substrats 2a et 2b. Un tel module de puissance présente l'avantage d'avoir une très grande compacité et de très faibles inductances parasites, du fait des liaisons massives très courtes entre les deux composants IGBT, ce qui permet de réduire les surtensions aux commutations. Ce module de puissance permet donc, pour une même puissance d'utilisation, l'utilisation de composants IGBT résistant à des surtensions moins importantes et donc moins chers et également de tirer pleinement partie de l'amélioration du refroidissement par la présence d'échangeur de chaleur sur les deux faces. De plus, la liaison massive réalisée entre les deux composants IGBT permet des densités de courant plus élevées que la connexion par fils. Ainsi que cela est représenté sur les figures 3 et 4, le module de puissance selon l'invention peut avantageusement être utilisé pour réaliser un bras 15 d'onduleur pour véhicule ferroviaire dans lequel il est nécessaire de transfonner le courant continu haute tension de la caténaire en un courant alternatif d'alimentation des moteurs de traction. Le bras 15 d'onduleur comporte, dans l'exemple représenté, trois modules de puissance identiques à celui qui a été décrit précédemment, montés en série et dont les deux modules extrêmes sont alimentés en courant continu par un bus haute tension au niveau de connecteurs 10 et 12, le module central comportant deux composants IGBT présentant une piste de liaison 3 se prolongeant par un connecteur 11 délivrant le courant alternatif constituant une phase de l'onduleur. Sur la figure 4, le substrat supérieur 2b ainsi que les diodes accompagnant les composants IGBT la et lb n'ont pas été représentés pour plus de clarté. Le bras d'onduleur ainsi réalisé présente l'avantage d'une très grande compacité et peut être refroidi sur les deux faces extérieures des deux substrats 2a et 2b qu'il comporte, permettant ainsi un refroidissement très efficace des composants de puissance. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, dans l'exemple précédemment décrit, le module de puissance comporte des composants IGBT, mais le module de puissance selon l'invention peut également comporter d'autres types de composants de puissance fonctionnant sous forte tension en dégageant beaucoup d'énergie et nécessitant donc un très bon refroidissement ainsi qu'une minimisation des inductances parasites Ainsi, le module de puissance selon l'invention pourra indifféremment comporter un nombre pair ou impair de composants de puissance montés en série. REVENDICATIONS 1) Module électronique de puissance comportant plusieurs composants de puissances montés en série, lesdits composants de puissance comportant de manière conventionnelle un collecteur sur une face, dite réceptrice, et un émetteur sur la face opposée, dite émettrice, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier et un second composants de puissance (la, lb) montés en série et disposés à proximité l'un de l'autre, avec l'un des deux composants de puissance (la, lb) en position renversée de telle sorte que la face réceptrice de l'un et la face émettrice de l'autre soient sensiblement dans un même plan, les composants de puissance (la, lb) étant pris en sandwich entre deux substrats (2a, 2b) rapportés sur les faces réceptrice et émettrice des composants de puissance, l'un (2b) des deux substrats comportant au moins une piste conductrice de liaison (3) reliant l'émetteur du premier composant de puissance (la) au collecteur du second composant de puissance (1 b), l'autre substrat (2a) comportant au moins deux pistes conductrices (10,12), isolées l'une de l'autre, reliées respectivement au collecteur du premier composant de puissance (la) et à l'émetteur du second composant (alb) et assurant l'alimentation électrique des composants de puissance. 2) Module électronique de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact électrique entre l'émetteur du premier composant de puissance (la) et la piste conductrice de liaison (3) du substrat (2b) se fait au moyen d'au moins un bossage (6) qui est interposé entre un plot de connexion de l'émetteur du premier composant de puissance (la) et ladite piste conductrice (3) réalisée sur le substrat (2b). 3) Module électronique de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que le contact électrique entre le collecteur du second composant de puissance (Ib) et la piste conductrice (3) de liaison du substrat (2b) se fait par brasage de la face réceptrice dudit composant de puissance (db). 4) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les composants de puissance (la, lb) sont refroidis par des radiateurs disposés sur les faces extérieures des substrats (2a, 2b). 5) Module électronique de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits composants de puissance (la, lb) sont des transistors bipolaires à grille isolée dits IGBT. 6) Module électronique de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face émettrice de chaque composant IGBT (la, lb) est munie d'une grille de commande et en ce que chaque grille de commande est reliée à une piste de commande réalisée sur le substrat (2a, 2b) lui faisant face, la connexion entre la grille et la piste de commande étant réalisée au moyen d'au moins d'un bossage (6) interposé entre un plot de connexion de la grille de commande et la piste de commande. 7) Bras d'onduleur caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs modules de puissances selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.