Brevet FR2828580A1 — publié le 20030214

MODULE DE PUISSANCE La présente invention concerne un module de puissance et plus particulièrement un module de puissance ayant une multiplicité de transistors bipolaires à grille isolée (ou IGBT pour "insulated gate bipolar transistor") disposés en parallèle les uns par rapport aux autres. La figure 4 est une représentation schématique d'un module de puissance classique, désigné globalement par la référence 500. Le module de puissance 500 comprend un substrat en céramique 501. Sur le substrat en céramique 501, un motif d'électrodes d'émetteur 502, un motif d'électrodes de collecteur 503 et un motif d'électrodes de grille 504 sont disposés pratiquement de façon mutuellement parallèle. Un conducteur d'émetteur 512, un conducteur de collecteur 513 et un conducteur de grille 514 sont respectivement disposés à chaque extrémité des motifs d'électrodes 502,503 et 504. Deux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) 521 et 522 sont fixés sur le motif d'électrodes de collecteur 503. Chaque face arrière des IGBT 521 et 522 est une électrode de collecteur. Chacune des électrodes de collecteur est connectée électriquement au motif d'électrodes de collecteur 503. Des électrodes d'émetteur sur les faces avant des IGBT 521 et 522 sont connectées au motif d'électrodes d'émetteur 502, par l'intermédiaire de fils de connexion respectifs 523 et 524. Des électrodes de grille sur les IGBT 521 et 522 sont connectées au motif d'électrodes de grille 504 par l'intermédiaire de fils de connexion respectifs 525 et 526. En outre, une électrode d'émetteur sur l'IGBT 521 est connectée à une électrode de masse 528 par l'intermédiaire d'un fil de connexion 527. De façon caractéristique, un couvercle est placé sur le substrat en céramique 501 pour enfermer hermétiquement l'IGBT 521 et d'autres composants. Le couvercle est cependant omis sur ce dessin. La figure 5 montre une disposition du motif d'électrodes d'émetteur 502 et du motif d'électrodes de collecteur 503 du module de puissance de la figure 4. Sur la figure 5, des numéros de référence semblables désignent des éléments similaires ou correspondants représentés sur la figure 4. Dans un tel module de puissance 500, les deux IGBT 521 et 522 sont disposés parallèlement l'un à l'autre. Le fait d'appliquer des signaux au motif d'électrodes de grille 504 permet la commutation simultanée des deux IGBT 521 et 522, pour ainsi faire circuler un courant élevé entre le motif d'électrodes d'émetteur et le motif d'électrodes de collecteur 503. Cependant, lorsque les IGBT 521 et 522 sont commutés, les composantes inductives génèrent une force contre-électromotrice dans les fils de connexion 525 et 526 et le motif d'électrodes d'émetteur 502. Premièrement, on suppose que le potentiel électrique à chaque point P, Q, R et S représenté sur la figure 5 est de 0 V (potentiel de la masse) dans l'état initial. Ensuite, les IGBT 521 et 522 sont commutés en utilisant respectivement les fils de connexion 525 et 526 et sont amenés à l'état passant. Immédiatement après la commutation, un courant circule du point P vers le point Q, du point Q vers le point R et du point S vers le point R. Ensuite, un courant circule à travers le motif d'électrodes d'émetteur 502 dans la direction indiquée par une flèche 530. En même temps, les composantes inductives occasionnent une chute de tension entre les points P et Q, et les autres points. Il en résulte que des conditions déséquilibrées apparaissent dans les tensions grille-émetteur sur les IGBT 521 et 522. Ces conditions déséquilibrées occasionnent un retard de commutation des IGBT 521 et 522. Par exemple, on suppose que le potentiel électrique au point P est 0 V. Dans ces conditions, le potentiel électrique au point Q est-3 V et celui au point R est-5 V à cause de l'influence de la chute de tension. D'autre part, la tension augmente dans la direction allant du point R vers le point S, et par conséquent le potentiel électrique au point S est-2 V. De ce fait, les tensions grille-émetteur sur les IGBT 521 et 522 ont des valeurs différentes, respectivement de 15 V et 17 V, immédiatement après que le potentiel électrique sur les deux grilles a été fixé à 15 V. Ce phé- nomène occasionne un retard de commutation des deux IGBT 521 et 522. Un tel retard conduit à l'application d'une charge excessive sur l'un des IGBT, ce qui a été l'une des causes de défaillances et de durées de vie raccourcies des IGBT. Le but de la présente invention est de procurer un module de puissance ayant une multiplicité d'IGBT disposés en parallèle les uns par rapport aux autres et commutés au même instant. La présente invention procure un module de puissance ayant une multiplicité de dispositifs de puissance disposés en parallèle les uns par rapport aux autres et commutés par des signaux de grille avec un potentiel électrique pratiquement égal. Le module de puissance comprend : un motif d'électrodes de collecteur, des premier et second dispositifs de puissance placés sur le motif d'électrodes de collecteur et ayant chacun une électrode de collecteur connectée au motif d'électrodes de collecteur; un motif d'électrodes d'émetteur placé le long du motif d'électrodes de collecteur et ayant un conducteur d'émetteur, et des premier et second moyens de connexion pour connecter des électrodes d'émetteur sur les premier et second dispositifs de puissance et le motif d'électrodes d'émetteur, respectivement. Le module de puissance est caractérisé en ce qu'une composante inductive de l'un au moins des premier et second moyens de connexion est ajustée de façon que la composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance et le conducteur d'émetteur soit pratiquement égale à celle entre l'électrode d'émetteur sur le second dispositif de puissance et le conducteur d'émetteur. De plus, la présente invention procure un module de puissance incluant en outre : un troisième dispositif de puissance placé sur le motif d'électrodes de collecteur de manière symétrique par rapport au premier dispositif de puissance, de façon que le second dispositif de puissance soit intercalé entre eux, et ayant une électrode de collecteur connectée au motif d'électrodes de collecteur, et un troisième moyen de connexion pour connecter une électrode d'émetteur sur le troisième dispositif de puis- sance et le motif d'électrodes d'émetteur. Le conducteur d'émetteur est placé pratiquement au centre du motif d'électrodes d'émetteur, de façon que la composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance et le conducteur d'émetteur soit pratiquement égale à celle entre l'électrode d'émetteur sur le troisième dispositif de puissance et le conducteur d'émetteur. La composante inductive du second moyen de connexion est ajustée de façon que la composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le second dispositif de puissance et le conducteur d'émetteur soit pratiquement égale à celle entre l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance et le conducteur d'émetteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 montre une partie d'un module de puissance conforme à un premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; La figure 2 montre une partie d'un module de puissance conforme à un second mode de réalisation préféré de la présente invention ; La figure 3 montre une partie d'un module de puissance avec une structure classique; La figure 4 est une représentation schématique d'un module de puissance avec une structure classique ; La figure 5 montre une partie du module de puissance avec une structure classique. Premier mode de réalisation préféré La figure 1 montre une configuration partielle d'un module de puissance de ce mode de réalisation, désigné globalement par la référence 100. D'autres parties de ce module de puissance ont la même structure que dans le module de puissance 500 représenté sur la figure 5. Le module de puissance 100 comprend un motif d'électrodes de collecteur 1 et un motif pratiquement rectangulaire d'électrodes d'émetteur 2, placés tous deux sur un substrat en céramique (non représenté). Un conducteur d'émetteur 10 est placé à une extrémité du motif d'électrodes d'émetteur pour acheminer un courant vers l'extérieur. Deux IGBT 3 et 4 sont fixés sur le motif d'électrodes de collecteur 1. Chaque face arrière des IGBT 3 et 4 est une électrode de collec- teur . Chacune des électrodes de collecteur est connectée électriquement au motif d'électrodes de collecteur 1. Des électrodes d'émetteur sur les faces avant des IGBT 3 et 4 sont connectées au motif d'électrodes d'émetteur 2, par l'intermédiaire respectivement de fils de connexion 5 et 6. Des électrodes de grille sur les IGBT 3 et 4 sont connectées à un motif d'électrodes de grille (non représenté), par l'intermédiaire respectivement de fils de connexion 7 et 8. En outre, une électrode d'émetteur sur l'IGBT 3 est connectée à une électrode de masse (non représentée) par l'intermédiaire d'un fil de connexion 9. Dans le module de puissance 100, les fils de connexion 6 sont plus longs de façon à augmenter la composante inductive des fils de connexion 6. Cette structure rend la composante inductive entre les électrodes d'émetteur sur l'IGBT 3 et le conducteur d'émetteur 10, pratiquement égale à celle entre les électrodes d'émetteur sur l'IGBT 4 et le conducteur d'émetteur 10. Ainsi, lorsque les IGBT 3 et 4 sont commutés en appliquant des signaux de grille pratiquement au même potentiel électrique, par l'intermédiaire des fils de connexions 7 et 8, aux électrodes de grille sur les IGBT 3 et 4, respectivement, les tensions appliquées entre les grilles et les émetteurs respectifs sur les IGBT 3 et 4 sont pratiquement égales l'une à l'autre. Il en résulte que les IGBT 3 et 4 sont commutés pratiquement au même instant. Cette structure peut éviter qu'une charge excessive soit imposée à l'un des IGBT, ce qui s'est produit dans le dispositif de puissance 500 classique. En se référant à la figure 1, on décrira ce mode de réalisation de façon spécifique. Premièrement, chaque potentiel électrique aux points A, B, C et D est égal à 0 V (potentiel de masse) dans l'état initial. Ensuite, les IGBT 3 et 4 sont commutés en utilisant respectivement les fils de connexion 7 et 8 et sont amenés à l'état passant. Immédiatement après la commutation, un courant circule du point A vers le point B, du point B vers le point C et du point D vers le point C. Ensuite, un courant circule à travers le motif d'électrodes d'émetteur 2 vers le conducteur d'émetteur 10 (ceci est indiqué par une flèche 11). En même temps, les composantes inductives occasionnent une chute de tension entre les points A et B, et les autres points. Cependant, dans le module de puissance 100, les fils de connexion 6 sont plus longs que les fils de connexion 5, et ont donc des composantes inductives plus élevées. Cette structure permet d'effectuer un ajustement de façon que la somme des chutes de tension entre les points A et B, et les points B et C, soit égale à la chute de tension entre les points D et C. Il en résulte que les tensions grille-émetteur sur les deux IGBT 3 et 4 sont pratiquement égales l'une à l'autre, et les deux IGBT sont commutés sans aucun retard relatif. A titre d'exemple, on suppose que le potentiel électrique au point A est 0 V. Dans ces conditions, le potentiel électrique au point B est -3 V et celui au point C est-5 V, à cause de l'influence de la chute de tension. D'autre part, la tension dans la direction allant du point C au point D est ajustée de façon à augmenter de 5 V, et par conséquent le potentiel électrique au point D est 0 V. Il en résulte que les tensions grille-émetteur sur les IGBT 3 et 4 sont toutes deux de 15 V, immédiatement après que le potentiel électrique sur les deux grilles a changé de 0 V à 15 V. De ce fait, aucun retard ne se produit lorsque les IGBT 3 et 4 sont commutés. Par conséquent, une charge excessive n'est pas imposée à l'un des IGBT au moment de la commutation, et il est possible d'éviter des défaillances et des durées de vie réduites des IGBT. Du fait que les fils de connexion 5,6, 7,8 et 9 sont de façon caractéristique en aluminium, leur disposition peut être changée très librement. Ainsi, le changement du paramètre r (rayon) de la fixation des fils de connexion 6 peut aisément changer leur composante inductive. Dans ce mode de réalisation, la composante inductive est ajustée en changeant la longueur des fils de connexion 6. Cependant, la composante inductive peut également être ajustée en changeant la section des fils de connexion. En outre, la composante inductive peut également être ajustée en changeant la longueur ou la section des fils de connexion 5. Second mode de réalisation préféré La figure 2 montre une configuration partielle d'un module de puissance de ce mode de réalisation, désigné globalement par la référence 200. D'autres éléments de ce module de puissance ont la même structure que dans le module de puissance 500 représenté sur la figure 5. Les numéros de référence 34,35 et 36 montrent les directions du courant. Le module de puissance 200 comprend un motif d'électrodes de collecteur 21 et un motif pratiquement rectangulaire d'électrodes d'émetteur 22, placés tous deux sur un substrat en céramique (non représenté). Pratiquement au centre du motif d'électrodes d'émetteur, un conducteur d'émetteur 33 est placé de façon pratiquement perpendiculaire à celui-ci, pour acheminer le courant vers l'extérieur. Trois IGBT 23,24 et 25 sont fixés sur le motif d'électrodes de collecteur 21. L'IGBT 24 est fixé dans une position située face au centre du motif d'électrodes d'émetteur 22. Les IGBT 23 et 25 sont fixés dans une relation de symétrie mutuelle, de façon que l'IGBT 24 soit intercalé entre eux. Chaque face arrière des IGBT 23,24 et 25 est une électrode de collecteur et est connectée électriquement au motif d'électrodes de collecteur 21. Des électrodes d'émetteur respectives sur les faces avant des IGBT 23,24 et 25 sont connectées au motif d'électrodes d'émetteur 22, par l'intermédiaire des fils de connexion respectifs 26,27 et 28. Des électrodes de grille sur les IGBT 23,24 et 25 sont connectées à un motif d'électrodes de grille (non représenté) par l'intermédiaire de fils de connexion respectifs 29,30 et 31. En outre, l'électrode d'émetteur sur l'IGBT 23 est connectée à une électrode de masse (non représentée), par l'intermédiaire d'un fil de connexion 32. Dans le module de puissance 200, les IGBT 23 et 25 sont disposés en une relation pratiquement symétrique par rapport à un axe de symétrie 40. Cette structure fait en sorte qu'une composante inductive entre les électrodes d'émetteur sur l'IGBT 23 et un conducteur d'émetteur 33 soit pratiquement égale à celle entre les électrodes d'émetteur sur l'IGBT 25 et le conducteur d'émetteur 33. D'autre part, les fils de connexion 27 de l'IGBT 24 sont plus longs, d'une valeur suffisante pour augmenter leur composante inductive. Cette structure permet un ajustement de façon à rendre les composantes inductives entre les électrodes d'émetteur respectives sur les IGBT 23 et 25 et le conducteur d'émetteur 33, pratiquement égales à celles entre les électrodes d'émetteur sur l'IGBT 24 et le conducteur d'émetteur 33. Du fait que le module de puissance 200 a une telle structure, lorsque les IGBT 23,24 et 25 sont commutés par l'application de signaux de grille pratiquement au même potentiel électrique, par l'intermédiaire des fils de connexion 29,30 et 31, aux électrodes de grille sur les IGBT 23,24 et 25, respectivement, les tensions appliquées entre les grilles et les émetteurs respectifs sur les IGBT 23,24 et 25 sont pratiquement égales les unes aux autres. Il en résulte que tous les IGBT 23,24 et 25 sont commutés pratiquement au même instant. Cette structure peut éviter qu'une charge excessive soit imposée à l'un des IGBT, ce qui s'est produit dans le dispositif de puissance classique 500. La figure 3 montre une configuration d'un module de puissance présenté dans le brevet JP 61-139051 A, et désigné globalement par la référence 300. Sur la figure 3, des numéros de référence semblables désignent des éléments similaires ou correspondants représentés sur la figure 2. Dans le module de puissance 300, les IGBT 23 et 25 sont disposés de façon pratiquement symétrique par rapport à l'axe de symétrie 40. Cette structure évite un retard de commutation des IGBT 23 et 25. Cette structure est donc applicable seulement au cas dans lequel on utilise deux IGBT. Au contraire, le module de puissance 200 de ce mode de réalisation est applicable aux cas dans lesquels trois IGBT, ou plus, sont montés, du fait que les IGBT sont disposés dans une relation de symétrie mutuelle, et la longueur ou un paramètre semblable des fils de connexion est ajusté. Dans les premier et second modes de réalisation préférés, on a décrit les cas dans lesquels on utilise des IGBT en tant que dispositifs de puissance. On peut utiliser à la place d'autres dispositifs, tels que des transistors à effet de champ de puissance. Dans les modes de réalisation ci-dessus, on a décrit les cas dans lesquels les IGBT et le motif d'électrodes d'émetteur sont connectés par des fils de connexion. On peut employer à la place d'autres moyens de connexion, comme une pellicule de connexion consistant en un métal semblable à une pellicule, et d'autres matériaux. Comme mentionné ci-dessus, dans le module de puissance de cette invention, une multiplicité de dispositifs de puissance disposés en parallèle les uns par rapport aux autres peuvent être commutés pratiquement au même instant. Ce fonctionnement peut éviter des défaillances et des durées de vie réduites des dispositifs de puissance. En particulier, le module de puissance de cette invention est applicable aux cas dans lesquels le montage comprend trois dispositifs de puissance, ou plus. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Module de puissance (100) ayant une multiplicité de dispositifs de puissance (3,4) disposés en parallèle les uns par rapport aux autres et commutés par des signaux de grille avec un potentiel électrique pratiquement égal, comprenant : un motif d'électrodes de collecteur (1) ; des premier et second dispositifs de puissance (3,4) placés sur le motif d'électrodes de collecteur (1), ayant chacun une électrode de collecteur connectée au motif d'électrodes de collecteur (1); un motif d'électrodes d'émetteur (2) placé le long du motif d'électrodes de collecteur (1) et ayant un conducteur d'émetteur (10) ; et des premier et second moyens de connexion (5,6) pour connecter des électrodes d'émetteur sur les premier et second dispositifs de puissance (3,4) et le motif d'électrodes d'émet- teur (2), respectivement ; caractériséen ce qu'une composante inductive de l'un au moins des premier et second moyens de connexion (5,6) est ajustée de façon qu'une composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance (3) et le conducteur d'émetteur (10), soit pratiquement égale à celle entre l'électrode d'émetteur sur le second dispositif de puissance (4) et le conducteur d'émetteur (10). 2. Module de puissance (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le motif d'électrodes d'émetteur (2) est pratiquement rectangulaire, et le conducteur d'émetteur (10) est placé à une extrémité de ce motif d'électrodes d'émetteur (2). 3. Module de puissance (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : un troisième dispositif de puissance (25) placé sur le motif d'électrodes de collecteur (21) dans une relation de symétrie par rapport au premier dispositif de puissance (23), de façon que le second dispositif de puissance (24) soit intercalé entre le troisième dispositif de puissance (25) et le premier dispositif de puissance (23), et ayant une électrode de collecteur connectée au motif d'électrodes de col- lecteur (21); et un troisième moyen de connexion (28) pour connecter une électrode d'émetteur sur le troisième dispositif de puissance (25) et le motif d'électrodes d'émetteur (22) ; et en ce que le conducteur d'émetteur (33) est placé pratiquement à un centre du motif d'électrodes d'émetteur (22), de façon qu'une composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance (23) et le conducteur d'émetteur (33) soit pratiquement égale à une composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le troisième dispositif de puissance (25) et le conducteur d'émetteur (33) ; et une composante inductive du second moyen de connexion (27) est ajustée de façon que la composante inductive entre l'électrode d'émetteur sur le second dispositif de puissance (24) et le conducteur d'émetteur (33) soit pratiquement égale à celle entre l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance (23) et le conducteur d'émetteur (33). 4. Module de puissance (200) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le motif d'électrodes d'émetteur (22) est pratiquement rectangulaire, et le conducteur d'émetteur (33) est placé pratiquement à un centre du motif d'électrodes d'émetteur (22), de façon pratiquement perpendiculaire à celui-ci. 5. Module de puissance (100,200) selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le moyen de connexion (5,26) est un fil de connexion et une longueur du fil de connexion est ajustée. 6. Module de puissance (100,200) selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le moyen de connexion (5,26) est un fil de connexion et une aire de section droite du fil de connexion est ajustée. 7. Module de puissance (100,200) selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que l'électrode d'émetteur sur le premier dispositif de puissance (3,23) est connectée à un potentiel électrique de référence. 8. Module de puissance (100,200) selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que les dispositifs de puissance (3,4, 23,24, 25) sont des transistors bipolaires à grille isolée.