Brevet FR2980625A1 — publié le 20130329

COMPOSANT ELECTRONIQUE DE PUISSANCE BOBINE COMPORTANT UN SUPPORT DE DRAINAGE THERMIQUE La présente invention concerne le domaine de la régulation thermique de composants électroniques de puissance destinés à une application aéronautique. Un aéronef comporte de manière classique un grand nombre de composants électroniques de puissance, en particulier, pour l'actionnement de commandes de vol ou le filtrage de signaux électriques. Les composants électroniques de puissance pour des applications aéronautiques sont adaptés pour développer des puissances de l'ordre de plusieurs dizaines de kilowatts. Traditionnellement, les composants électroniques de puissance sont utilisés de manière transitoire pendant des durées de l'ordre de quelques secondes ce qui génère une faible quantité de chaleur par effet Joule ; cette chaleur est absorbée par la masse du composant électronique. La température du composant électronique de puissance n'augmente que faiblement ce qui ne porte pas préjudice à son fonctionnement. Afin de répondre à de nouveaux besoins des avionneurs, il a été proposé d'utiliser les composants électroniques de puissance de manière permanente pendant des durées de l'ordre de quelques minutes. En pratique, après quelques minutes d'utilisation, la température du composant électronique de puissance commence à s'élever jusqu'à atteindre une température limite à partir de laquelle le fonctionnement du composant électronique n'est plus optimal. Parmi les composants électroniques de puissance, les composants électroniques bobinés, utilisés en particulier pour le filtrage de signaux, sont affectés par l'élévation de température. En référence à la figure 1, un composant électronique de puissance bobiné 1, désigné par la suite composant bobiné 1, comporte un noyau magnétique 11 de forme torique, désigné par la suite tore 11, autour duquel sont enroulées des spires métalliques 12, de préférence en cuivre. En pratique, à partir de 110°C, les propriétés magnétiques du tore 11 sont dégradées et le fonctionnement du composant bobiné 1 n'est plus optimal. Le composant bobiné 1 comporte classiquement des pattes de fixation 13 reliant des spires 12 du composant bobiné 1 à une embase 2 sur lequel est monté le composant bobiné 1. La température de l'embase 2 est plus faible que celle du composant bobiné 1 lors de son fonctionnement. L'embase 2 forme, d'un point de vue thermique, une source froide. En fonctionnement, le tore 11 et les spires 12 du composant bobiné 1 s'échauffent. Comme représenté sur la figure 1, seules les spires 12 sont en contact avec les pattes de fixation 13 ce qui permet de drainer les calories des spires 12 dans l'embase 2. Au contraire, les calories générées par effet Joule dans le tore 11 ne sont pas drainées de manière satisfaisante. En effet, pour drainer les calories du tore 11 dans les pattes de fixation 13, celles-ci doivent circuler par les spires 12. La résistance thermique induite par cet assemblage est très élevée. La température du composant bobiné 1 demeure alors élevée ce qui empêche son fonctionnement optimal. Pour éliminer ces inconvénients, une première solution consiste à augmenter le diamètre du composant bobiné afin de limiter les pertes par effet Joule. Une telle solution augmente la masse et l'encombrement du composant bobiné et n'est pas souhaitable. Une deuxième solution consiste à utiliser un ventilateur tournant pour générer un flux d'air pour refroidir le composant bobiné. L'intégration d'un ventilateur tournant dans une application aéronautique présente des inconvénients sur le plan de la fiabilité. Cette solution est donc également exclue. Une troisième solution serait de recourir à des résines, par exemple du type époxy, dans lesquelles seraient noyés les composants bobinés. En pratique, de telles résines ne permettent pas de limiter de manière suffisante l'échauffement d'un composant bobiné. Le but de l'invention est de former un composant électronique de puissance bobiné dont la température en fonctionnement est régulée tout en assurant une tenue mécanique compatible avec une application aéronautique dans laquelle le composant est soumis à des vibrations, des accélérations et à des températures extérieures variant entre -50°C et +110°C. Un autre but de l'invention est de former des composants bobinés de masse et d'encombrement réduits. A cet effet, l'invention concerne un composant électronique de puissance bobiné destiné à être monté sur une embase, le composant comportant un noyau magnétique s'étendant axialement sur lequel est enroulée une pluralité de spires, de manière à former une bobine magnétique, et au moins un support de fixation à ladite embase comportant au moins une surface de drainage en contact thermique avec le noyau magnétique et/ou la pluralité de spires de manière à drainer les calories du noyau magnétique et/ou de la pluralité de spires vers l'embase lors du fonctionnement du composant, composant dans lequel le support de fixation possède une conductivité thermique équivalente supérieure à 400 W.m-1.K-1, de préférence, supérieure à 600 W.m-1.K-1. La valeur de la conductivité thermique est définie selon la direction principale du support de fixation de manière à conduire les calories de la source chaude vers la source froide. Un support de fixation de forte conductivité thermique équivalente permet de drainer de manière efficace les calories du composant bobiné tout en permettant de résister aux vibrations. Lorsque le support de fixation est constitué uniquement d'un élément, la conductivité thermique du matériau de l'unique élément correspond à la conductivité thermique équivalente. Lorsque le support de fixation comporte plusieurs éléments (par exemple une patte de fixation et un dispositif de drainage thermique), la conductivité thermique équivalente correspond à la conductivité thermique de l'ensemble desdits éléments. De préférence, le support de fixation est amagnétique de manière à ne pas s'échauffer par induction.40 De préférence encore, le support de fixation est constitué d'un matériau composite. Un tel matériau présente l'avantage d'être passif et présente une grande résistance aux vibrations. Par ailleurs, il est possible d'obtenir un support de fixation de forme choisie, un matériau composite pouvant être facilement travaillé. De préférence, le support de fixation comporte un matériau composite chargé en particules à haute conductivité thermique choisies parmi : des nanotubes de carbone, des fibres de carbone, des particules de diamant et des particules de graphite. De tels matériaux présentent des hautes conductivités thermiques et sont compatibles pour une application aéronautique dans laquelle le composant bobiné est soumis à des vibrations, des accélérations et à des températures extérieures variant entre -50°C et +110°C. De préférence encore, le support de fixation comporte un dispositif de drainage thermique diphasique de manière à augmenter la conductivité thermique équivalente et ainsi doper le drainage de calories. De préférence, le dispositif de drainage thermique diphasique est un caloduc. Selon un premier aspect de l'invention, le dispositif de drainage thermique diphasique est un caloduc oscillant. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de drainage thermique diphasique est une chambre vapeur ou « vapor chamber ». Selon un premier aspect, le support de fixation comportant au moins une patte de fixation à l'embase, le dispositif de drainage thermique diphasique est monté sur la patte de fixation ce qui améliore la maintenance du dispositif de drainage thermique. Selon un deuxième aspect, le support de fixation comporte au moins une patte de fixation à l'embase, le dispositif de drainage thermique diphasique est intégré à la patte de fixation ce qui permet d'augmenter la conductivité thermique équivalente du support de fixation. De manière préférée, le support de fixation comporte une première surface de drainage en contact thermique avec le noyau magnétique et une deuxième surface de drainage en contact thermique avec la pluralité de spires de manière à drainer les calories du noyau magnétique et de la pluralité de spires vers l'embase lors du fonctionnement du composant. Les surfaces de drainage du support de fixation permettent de drainer directement les calories du noyau magnétique et des spires ce qui améliore la régulation thermique du composant électronique de puissance. De manière avantageuse, la présence de surfaces de drainage n'augmente pas la masse ni l'encombrement du composant électronique de puissance bobiné. Ainsi, la chaleur générée par le noyau magnétique ne transite pas dans les spires mais est directement drainée par le support de fixation. De préférence, la première surface de drainage est sensiblement égale à la section axiale du noyau magnétique. Ainsi, on assure un compromis entre la capacité de drainage (surface large de drainage) et une limitation de la masse et de l'encombrement (surface réduite de drainage). De manière préférée, les spires sont enroulées sur le noyau magnétique et le support de fixation ce qui permet de mettre en contact le support de fixation avec les spires et le noyau magnétique. En outre, l'enroulement des spires permet avantageusement de maintenir ensemble le support de fixation avec le noyau magnétique. De préférence encore, la deuxième surface de drainage est au moins partiellement incurvée de manière à limiter le risque de blessure des spires enroulées sur le support de fixation. Selon un aspect de l'invention, le support de fixation comporte un anneau de contact thermique s'étendant axialement, les première et deuxième faces transversales de l'anneau formant respectivement la première surface de drainage et une partie de la deuxième surface de drainage. Ainsi, une face de l'anneau est en contact avec une face transversale du noyau magnétique tandis que l'autre face de l'anneau est en contact avec les spires. De manière préférée, l'anneau de contact thermique comporte une surface axiale reliée à la deuxième face transversale par une arête arrondie. Une arête arrondie permet de limiter le risque de blessure des spires qui sont enroulées sur la deuxième face transversale et les surfaces axiales de l'anneau qui forment ensemble la deuxième surface de drainage. En outre, une arrête arrondie, appelée également congé, permet d'améliorer le contact entre les spires et la deuxième surface de drainage. Selon un autre aspect de l'invention, une interface thermique, de préférence une graisse thermique, est placée entre la première surface de drainage et le noyau magnétique. Une telle interface thermique permet d'améliorer la capacité de drainage des calories du noyau magnétique. De préférence, le support de fixation est fixé à une extrémité du noyau magnétique. La fixation à une extrémité du noyau magnétique permet de ne pas affecter les performances magnétiques du noyau. De préférence toujours, le support de fixation comporte au moins une patte de fixation à l'embase. La patte de fixation permet, d'une part, de conduire les calories prélevées par les surfaces de drainage vers l'embase et, d'autre part, de résister aux vibrations et accélérations liées au fonctionnement de l'aéronef sur lequel est fixé le composant. De préférence encore, le composant comportant deux supports de fixation, les supports de fixation sont fixés aux extrémités du noyau magnétique. La présence de deux supports permet de sécuriser de manière efficace le composant bobiné dans un environnement soumis à des vibrations et des accélérations tout en limitant sa masse et son encombrement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation en coupe d'un composant électronique de puissance bobiné selon l'art antérieur (déjà commenté) ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un composant électronique de puissance bobiné selon l'invention en position horizontale, seules quelques spires étant représentées ; - la figure 3 est une représentation en coupe axiale du composant électronique de puissance bobiné de la figure 2 ; et - la figure 4 est une représentation schématique d'un composant électronique de puissance bobiné selon l'invention en position verticale, seules quelques spires étant représentées. Il faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour mettre en oeuvre l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l'invention le cas échéant. La figure 2 représente une première forme de réalisation d'un composant électronique de puissance bobiné 3 selon l'invention pour une application aéronautique dans laquelle le composant bobiné 3 est soumis à des vibrations, des accélérations et à des températures extérieures variant entre -50°C et +110°C. Le composant bobiné 3 comporte un noyau magnétique 31 de forme torique, appelé par la suite tore 31, sur lequel est enroulée une pluralité de spires 32 de manière à former une bobine. Dans cet exemple, le tore 31 se présente sous la forme d'un cylindre longitudinal d'axe X et de section circulaire. Le tore 31 est constitué d'un matériau magnétique tel que de la ferrite. Une pluralité de spires 32, de préférence en cuivre, est enroulée de manière classique autour du tore 31 de manière à former une bobine magnétique comme représenté sur la figure 2. Une telle bobine est adaptée pour générer des courants par induction afin de réaliser, par exemple, des opérations de filtrage de signaux électriques. Le composant bobiné 3 est monté à une embase structurale 2 remplissant une fonction de source froide, cette dernière étant de préférence solidaire de l'aéronef. En référence aux figures 2 à 3, l'embase 2 est une plaque plane horizontale mais il va de soi que l'embase 2 peut se présenter sous diverses formes. En référence aux figures 2 et 3, dans cette première forme de réalisation de l'invention, l'axe X du tore 31 du composant bobiné 3 s'étend horizontalement par rapport à l'embase 2. On dit que le composant bobiné 3 est monté en position horizontale sur l'embase 2. Dans cet exemple, le composant bobiné 3 comporte deux supports de fixation 4 identique et montés aux extrémités latérales du tore 31 du composant bobiné 3 comme représenté sur les figures 2 et 3 afin de pouvoir le maintenir de manière sécurisée lorsque celui-ci est soumis à des vibrations et des accélérations. Chaque support de fixation 4 comporte un anneau circulaire 41 s'étendant axialement selon l'axe X et comportant une première surface de drainage S1 en contact thermique avec le tore 31 et une deuxième surface de drainage S2 en contact thermique avec la pluralité de spires 32 de manière à drainer en parallèle les calories du tore 31 et de la pluralité de spires 32 vers l'embase 2. Chaque support de fixation 4 comporte en outre une patte de fixation 42, solidaire de l'anneau circulaire 41, qui est adaptée pour être montée à l'embase 2. Les dimensions de la patte de fixation 42 sont déterminées pour assurer la tenue mécanique du composant bobiné 3 en cas de vibrations et d'accélérations. Dans cet exemple, le support de fixation 4 se présente sous la forme d'une pièce monobloc afin d'améliorer le drainage thermique mais il va de soi que le support de fixation 4 pourrait être modulaire. De manière préférée, le support de fixation 4 est constitué en un matériau amagnétique, de préférence, de l'aluminium, afin de ne pas perturber les phénomènes d'induction entre les spires 32 et le tore 31. De manière avantageuse, l'auto-échauffement généré par induction est négligeable pour un matériau amagnétique. L'aluminium présente avantageusement une conductivité thermique élevée ainsi qu'une densité compatible à une application aéronautique. De manière plus générale, le support de fixation 4 possède une conductivité thermique équivalente supérieure à 400 W.m-1.K-1 afin de permettre de réguler de manière efficace la température du composant bobiné 3 tout en permettant de résister aux sollicitations mécaniques. De préférence, la conductivité thermique équivalente est supérieure à 600 W.m-1.K-1. De préférence, le support de fixation est amagnétique afin de limiter l'échauffement du support par induction magnétique. Selon un premier aspect, le support de fixation est constitué d'un matériau composite chargé en particules à haute conductivité thermique choisies parmi : des particules de diamant, des nanotubes de carbone, des fibres de carbone et des particules de graphite. Le choix des particules résulte d'un compromis entre leur conductivité thermique et leur prix, ce dernier étant fonction de leur conductivité thermique. Un tel matériau composite est passif et présente ainsi une grande résistance aux vibrations. Par ailleurs, il est possible d'obtenir un support de fixation de forme choisie, un matériau composite pouvant être facilement travaillé. De manière préférée, un dispositif de drainage thermique diphasique est monté sur le support de fixation et permet, du fait du changement de phase, d'atteindre des conductivités thermiques équivalentes de l'ordre de 5000 W.m-1.K-1 ce qui permet de réguler de manière optimale la température du composant bobiné 3. De manière préférée, le dispositif de drainage thermique diphasique est un caloduc dont le fonctionnement est maîtrisé, ce qui assure une grande fiabilité, et dont le coût est faible. De préférence, le caloduc est relié d'une part à la patte de fixation 42 et d'autre part à l'embase 2. De manière préférée, pour atteindre des performances de conductivité thermique élevée, le dispositif de drainage thermique diphasique est un caloduc oscillant connu sous sa désignation anglaise « Pulsating Heat Pipe », qui présente des performances et un coût supérieurs, ou une chambre de vapeur, plus connue sous la désignation « vapor chamber », dont les performances sont supérieures à celles d'un caloduc pour des configurations dans lesquelles les rapports des surfaces de source froide/source chaude sont élevés, le coût d'une chambre de vapeur étant supérieur à celle d'un caloduc. Dans cet exemple, l'anneau circulaire 41 comporte une première surface transversale, formant la première surface de drainage S1, qui est en contact avec une surface latéral du tore 31. Ainsi, les calories accumulées par le tore 31 au cours de son fonctionnement sont transmises de manière directe au support de fixation 4 via la première surface transversale de l'anneau circulaire 41. Pour optimiser le drainage thermique, l'anneau circulaire 41 possède une section axiale sensiblement égale à celle du tore 31. Il va de soi que la section de l'anneau circulaire 41 pourrait également être inférieure à celle du tore 31. L'épaisseur de l'anneau 41 est définie pour permettre un drainage thermique efficace tout en limitant la masse du composant bobiné 3. Une épaisseur d'anneau 41 de l'ordre de 2 à 3 mm permet d'assurer un bon compromis. L'anneau circulaire 41 comporte une deuxième face transversale, opposée à la première face transversale, les deux faces transversales de l'anneau 41 état reliées par une surface axiale intérieure SI et par une surface axiale extérieure SE comme représenté sur la figure 2. Toujours en référence à la figure 2, le tore 31 et les anneaux circulaires 41 des supports de fixation 4 forment un cylindre axial sur lesquels les spires 32 sont enroulées comme représenté sur les figures 2 et 3, les spires 32 étant, d'une part, en contact avec les surfaces axiales du tore 31 et, d'autre part, avec la deuxième surface transversale et les surfaces axiales SI, SE des anneaux circulaires 41 afin de drainer les calories des spires 32. La deuxième surface transversale et les surfaces axiales intérieure SI et extérieure SE forment ensemble la deuxième surface de drainage thermique S2 de chaque support de fixation 4.40 En référence à la figure 3, la deuxième surface transversale de l'anneau 41 est reliée à la surface axiale intérieure SI par une arête intérieure 61 et à la surface axiale extérieure SE par une arête extérieure 62. De manière préférée, les arêtes 61, 62 sont arrondies de manière à limiter le risque de blessure des spires 32 lors de leur enroulement autour des anneaux 41. Il va de soi qu'uniquement une des arêtes 61, 62 pourrait être arrondie. De manière plus générale, la deuxième surface de drainage S2, mettant en contact le support de fixation 4 et les spires 32, est incurvée de manière à limiter le risque de blessure des spires 32 et améliorer le contact thermique entre le support de fixation 4 et les spires 32. La patte de fixation 42 du support de fixation 4 comporte de manière préférée des moyens de solidarisation à l'embase 2, de préférence, des orifices de fixations 5 adaptés pour recevoir des vis de fixation à l'embase 2 comme représenté sur la figure 2. Dans cet exemple, le tore 31 et les anneaux 41 des supports de fixation 4 sont maintenus ensemble par l'enroulement des spires 32. De manière préférée, les supports de fixation 4 comportent des moyens de maintien (non représentés) adaptés pour maintenir ensemble le tore 31 et les deux supports de fixation 4 afin de permettre l'enroulement des spires 32 autour du tore 31 et des anneaux 41 des supports de fixation 4. De préférence, une tige longitudinale filetée est vissée entre les deux supports de fixation 4 pour régler la distance axiale les séparant ce qui permet de retenir le tore 31 et l'enroulement des spires 32. En référence à la figure 2, une patte de fixation 42 comporte un taraudage longitudinal 6 pour permettre le vissage d'une tige filetée. Dans cet exemple, chaque support de fixation 4 comporte une patte de fixation 42 mais il va de soi qu'il pourrait en comporter plusieurs. A titre d'exemple, le support de fixation 4 pourrait contenir une patte de fixation 42 reliée à une autre source froide que l'embase 2. De même, une patte de fixation 42 pourrait comprendre des ailettes afin d'améliorer le transfert thermique avec l'air ambiant. De manière préférée, une interface thermique, de préférence une graisse thermique du type Berquist Gap Filler 1500, est placée entre la première surface de drainage 51 (dans cet exemple, la première face transversale de l'anneau 41) et le tore 31 pour améliorer le drainage thermique du tore 31 à l'anneau 41. En effet, le tore 31 présente de manière classique un état de surface qui n'est pas satisfaisant pour permettre une pression homogène avec le support de fixation 4. L'ajout d'une interface thermique permet d'améliorer l'état de surface du tore 31 ce qui assure un drainage thermique performant. De manière similaire, une interface thermique peut être appliquée entre la patte de fixation 42 et l'embase 2 pour faciliter le transfert de calories vers l'embase 2. Au cours de sa fabrication, les supports de fixation 4 sont montés aux extrémités du noyau magnétique 31 de forme torique, la première face transversale de chaque anneau 41 venant en contact avec une face transversale d'extrémité du tore 31. De manière préférée, une graisse thermique est appliquée à l'interface. Ensuite, un fil de cuivre est enroulé sur l'ensemble cylindrique formé par les anneaux 41 et le tore 31 de manière à former des spires 32. Lors de son montage sur un aéronef, le composant bobiné 3 est fixé à l'embase 2 par vissage de ses pieds de fixation 42 via les orifices 5. Ensuite, les spires 32 sont reliées à d'autres composants électroniques de puissance afin de mettre en oeuvre, par exemple, une opération de filtrage pour un convertisseur de puissance. Lors de son fonctionnement en régime permanent, des calories sont générées par effet Joule dans le tore 31 et les spires 32 et sont directement drainées par l'anneau 41 du support de fixation 4 afin d'être transférées dans le pied de fixation 42 pour être ensuite conduites à l'embase 2 formant la source froide ce qui permet de réguler la température du composant bobiné 3 au cours de son fonctionnement. Pour assurer une bonne tenue mécanique de l'assemblage, le composant bobiné 3 peut être imprégné de résine. Une deuxième forme de réalisation d'un composant bobiné 3' selon l'invention est représentée à la figure 4. De manière similaire à la première forme de réalisation, le composant bobiné 3' comporte un noyau magnétique de forme torique 31' sur lequel sont enroulées des spires 32'. Dans cette deuxième forme de réalisation du composant bobiné 3', l'axe X du tore 31' s'étend orthogonalement à l'embase 2 comme représenté sur la figure 4. On dit que le composant bobiné 3' est monté en position verticale sur l'embase 2. Contrairement à la première forme de réalisation, le composant bobiné 3' comporte deux supports de fixation 8, 9 qui sont différents. Le composant bobiné 3' comporte un support de fixation supérieure 8 comportant un anneau circulaire 81, similaire à l'anneau de la première forme de réalisation, ainsi que deux pattes de fixation supérieures 82 reliant l'anneau 81 à l'embase 2 qui sont diamétralement opposées. Le composant bobiné 3' comporte en outre un support de fixation inférieure 9 comportant un anneau circulaire 91, similaire à l'anneau de la première forme de réalisation, ainsi que deux pattes de fixation inférieures 92 reliant l'anneau 91 à l'embase 2. Les pattes de fixation supérieures 82 sont, dans cet exemple, coudées pour permettre de relier l'embase 2 sans perturber l'enroulement des spires 32. Les pattes de fixation inférieures 92 sont, dans cet exemple, uniquement en appui sur l'embase 2 et ne comportent pas de moyens de fixation, la fixation des pattes de fixation supérieures 82 assurant le maintien du composant bobiné sur l'embase 2. Un composant bobiné 3, 3' selon l'invention peut être monté verticalement ou horizontalement sur une embase 2 ce qui est très avantageux en termes d'encombrement.40