Brevet FR3015807A1 — publié le 20150626

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les alimentations de tube à rayons X comprenant un onduleur et en particulier un interrupteur d'un onduleur. ETAT DE LA TECHNIQUE Les transistors à effet de champ à grille isolée (en anglais, « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor», (MOSFET) sont largement utilisés dans les dispositifs à semiconducteurs dans lesquels des fonctions de commutation sont utilisées, notamment les interrupteurs d'onduleur. De tels composants sont assemblés sur des circuits imprimés qui sont, en fonction de l'application souhaitée, de taille limitée. On connait des onduleurs d'alimentation de tube à rayons X mettant en oeuvre au moins un interrupteur à deux MOSFET disposés côte à côte sur un circuit imprimé. Un problème est que les fonctions de commutations exigent des performances élevées (fréquences de fonctionnement élevées, phases transitoires de plus en plus courte) notamment lorsqu'ils sont utilisés dans de tels onduleurs. Ainsi, il est souhaitable de pouvoir disposer plusieurs MOSFETs sur un circuit imprimé afin d'améliorer les performances. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose un interrupteur d'un onduleur d'une alimentation d'une tube à rayons X comprenant : au moins deux MOSFETsalignés en parallèle ; au moins un radiateur intermédiaire disposé entre les MOSFETs afin de séparer deux MOSFETs successifs ; au moins deux SNUBBERs disposés en parallèle, chacun étant disposé à côté d'un MOSFET ; une unité de commande dudit interrupteur disposée de telle sorte que la succession de MOSFETs est disposée entre l'alignement de SNUBBERs et l'unité de commande. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - chaque radiateur intermédiaire comprend une première portion séparant deux à deux les MOSFETs et une seconde portion s'étendant en saillie à partir de la première portion, la seconde portion étant agencée de sorte à être disposée au- dessus de l'alignement de SNUBBERs ; - il comprend deux radiateurs extrêmes rectangulaires disposés pour prendre en sandwich les radiateurs intermédiaires, les SNUBBERs, l'unité de commande et les MOSFETs ; - il comprend un dispositif amortisseur disposé sur une face radiateur intermédiaire ou extrême de manière à maintenir en contact le MOSFET adjacent à cette face avec le radiateur intermédiaire ou extrême suivant ; - le dispositif amortisseur est en silicone ou bien est une lamelle métallique ; - il comprend deux vis reliant entre-eux les radiateurs intermédiaires et extrêmes, une étant telle qu'elle traverse les radiateurs intermédiaires sur la première portion et l'autre sur la seconde portion ; - la vis de la première portion est à hauteur des SNUBBERs ; - les radiateurs extrêmes et intermédiaires sont d'épaisseurs identiques, typiquement comprise entre 3 et 10 mm, typiquement 6 mm ; - chaque radiateur extrême comprend deux orifices de fixation de manière à fixer lesdits radiateurs extrêmes sur un circuit imprimé. Les avantages de l'invention sont multiples. Grâce à la structure de l'interrupteur de l'invention, il est possible de positionner les MOSFETs en parallèle en ayant une distance de 11 mm entre eux contre 23 mm dans les onduleurs de l'état de la technique. Ainsi, il est possible de positionner un nombre plus important d'interrupteur sur un même circuit imprimé. L'invention rend possible l'utilisation de Mosfets comme interrupteur de puissances pour un onduleur très fort courant (>500A Pic), et par voie de conséquence la réalisation d'un onduleur à la fois très fort courant et très haute fréquence (300KHz) maximum. En effet, en temps normal, la notion de très fort courant implique le choix d'IGBTs à la place de Mosfets, et donc d'une fréquence d'utilisation basse engendrant donc un volume et un coût de composants magnétiques importants. L'invention permet de maximiser le pouvoir de coupure en courant de l'interrupteur de puissance ce qui est très avantageux dans le cas d'un onduleur pour rayon X ou la puissance/courant pic sont des caractéristiques majeures. L'invention minimise la surtension aux bornes de l'interrupteur de puissance lors de son ouverture, permettant le choix d'un interrupteur dont la capacité en tension n'est pas trop élevée par rapport à la tension nominale d'utilisation et qui par conséquent aura des meilleures performances en conduction. L'invention permet de maximiser le volume des condensateurs snubbers et donc leur capacité en courant efficace et tension d'utilisation, sans pour autant devoir augmenter les longueurs des connections parasites. L'invention permet d'optimiser le routage du circuit imprimé dans la zone du circuit de contrôle, pour permettre une robustesse maximale lors de l'ouverture de l'interrupteur à très fort courant. L'invention permet d'optimiser la dissipation thermique (une ailette par transistor de puissance, grande surface d'échange avec l'air soufflé par un ventilateur à proximité. L'invention permet d'optimiser la soudabilité du circuit imprimé par le choix d'un assemblage de plans de cuivre permettant une soudure à la vague compatible avec la recommandation de la norme de fabrication IPC610A. En fonction de l'application, l'invention permet de moduler, dans un onduleur, le nombre d'interrupteurs et snubbers en fonction de l'application. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un schéma électrique d'une alimentation d'une tube à rayons X ; - la figure 2 illustre un schéma électrique d'un interrupteur selon l'invention ; - la figure 3 illustre une vue éclatée en perspective d'une partie d'un interrupteur selon l'invention ; - la figure 4 illustre un vue éclatée de dessous d'une partie d'un interrupteur selon l'invention ; - la figure 5 illustre une vue en perspective d'un interrupteur selon l'invention ; - la figure 6 illustre une vue de dessous d'un interrupteur selon l'invention ; - la figure 7 illustre une vue de dessus d'une implémentation d'un interrupteur selon l'invention ; - la figure 8 illustre une vue de dessous d'une implémentation d'un interrupteur selon l'invention. Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On a illustré sur la figure 1, une alimentation de tube à rayons X comprenant un onduleur 10 connecté à un transformateur 20 haute tension lequel est connecté à un tube 30 à rayons X. L'onduleur comprend au moins un interrupteur 100. En relation avec la figure 2, un interrupteur d'un onduleur d'une alimentation d'un tube à rayons X comprend essentiellement plusieurs MOSFETs 1, des SNUBBERs 3 (c'est-à- dire des condensateurs d'aide à la commutation) en nombre identique au nombre de MOSFETs 1, et une unité de commande 4 configurée pour piloter les différents composants de l'interrupteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, la structure d'un tel interrupteur est telle qu'il comprend (voir les figures 3, 4, 5 et 6) : - quatre MOSFETs 1 alignés en parallèle ; - plusieurs radiateurs intermédiaires 2 disposés entre les MOSFETs 1 pour séparer deux MOSFETs 1 successifs, de sorte à former typiquement une alternance de MOSFETs 1 et de radiateurs 2 intermédiaires ; - quatre SNUBBERs 3 disposés en parallèle, chacun étant disposé à côté d'un MOSFET 1. En outre, l'interrupteur comprend une unité de commande 4 de l'interrupteur disposée de telle sorte que la succession de MOSFETs 1 est disposée entre l'alignement de SNUBBERs 3 et l'unité de commande 4 (à noter que les SNUBBERs 3, pour des raisons de clarté, ont été omis sur les figures 3 et 4). De manière complémentaire, l'interrupteur comprend deux radiateurs extrêmes 21, 22, de forme générale rectangulaire, disposés pour prendre en sandwich les radiateurs intermédiaires 2, l'unité de commande 4 et les SNUBBERS 3. Les deux radiateurs extrêmes 21 et 22 sont ainsi disposés typiquement de part et d'autre de l'alternance de radiateurs intermédiaires 2 et de MOSFETs 1, préférentiellement de sorte qu'un MOSFET 1 soit disposé entre chacun des radiateurs extrêmes 21 et 22 et le radiateur intermédiaire 2 disposé en regard. Chaque radiateur intermédiaire 2 comprend une première portion 203 séparant deux à deux les MOSFETS 1 et une seconde portion 204 s'étendant en saillie à partir de la première portion 203, la seconde portion 204 étant agencée de sorte à être disposée au- dessus de l'alignement de SNUBBERs 3. Ainsi, les deux portions 203 et 204 d'un radiateur intermédiaire 2 ont une forme générale de L. Les radiateurs sont de préférence en aluminium et d'épaisseur identique. En outre, afin de favoriser la dissipation de la chaleur ils comprennent de préférence des stries 200 usinées sur chacune des faces des radiateurs. Les radiateurs extrêmes 21, 22 et intermédiaires 2 ont pour vocation de dissiper la chaleur crée par le MOSFETs 1, ainsi un contact intime et contrôlé entre le MOSFET 1 et le radiateur extrême 21 ou 22 ou intermédiaire 2 en contact doit être assuré. Pour ce faire, l'interrupteur comprend plusieurs dispositifs amortisseurs 5. Chaque dispositif amortisseur 5 est disposé sur un radiateur intermédiaire 2 ou extrême 21 ou 22 de manière à maintenir en contact le MOSFET 1 avec le radiateur intermédiaire 2 ou extrême 21 ou 22 suivant. De manière préférée, le dispositif amortisseur 5 est une lamelle métallique (comme illustré sur les figures). De manière alternative, le dispositif amortisseur 5 peut être une pastille en silicone (non représentée). Afin de maintenir les différents éléments de l'interrupteur, ce dernier comprend deux vis 61, 62 reliant entre eux les radiateurs intermédiaires 2 et extrêmes 21, 22. De manière avantageuse, une vis 61 est telle qu'elle traverse les radiateurs extrêmes 21, 22 et intermédiaires 2 au niveau de la première portion 203 d'un radiateur intermédiaire 2 et l'autre vis 62 au niveau de la seconde portion 204 d'un radiateur intermédiaire. Ainsi, la vis 62 qui traverse les radiateurs extrêmes 21, 22 et intermédiaires 2 au niveau de la deuxième portion 204 est disposée au-dessus des SNUBBERs 3 par rapport à la surface du circuit imprimé 7 sur laquelle l'interrupteur est apte à être fixé. De préférence, comme illustré, la vis 61 qui traverse les radiateurs extrêmes et intermédiaires au niveau de la première portion est à une hauteur inférieure à celle de la vis 62, préférentiellement à la hauteur des SNUBBERs 3. Il est ainsi possible d'obtenir une fixation plus robuste. L'interrupteur, et donc tous ses composants, est destiné à être fixé sur un circuit imprimé, typiquement sur un circuit imprimé 7. Pour ce faire, chaque radiateur (intermédiaire 2 ou extrême 21, 22) comprend deux orifices 201, 202 de fixation dans lesquels des vis sont destinées à être insérées. Ainsi, l'interrupteur ci-dessus décrit est constitué de la succession d'éléments suivants : un premier radiateur extrême 21, un premier MOSFET 1, un premier dispositif amortisseur 5, un premier radiateur intermédiaire 2, un second MOSFET 1, un second dispositif amortisseur 5, un second radiateur intermédiaire 2, un troisième MOSFET 1, un troisième dispositif amortisseur 5, un troisième radiateur intermédiaire 2, un quatrième MOSFET 1, un quatrième dispositif amortisseur 5, un second radiateur extrême 22. On a illustré sur la figure 7 une vue de dessus l'implémentation des composants de l'interrupteur sur le circuit imprimé 7. Sur cette figure, pour des raisons de clarté, les radiateurs intermédiaires 2 ont été omis. Sur cette figure, est notamment illustrée l'implémentation des composant sur la face dessus 7a du circuit imprimé 7. On a illustré sur la figure 7 une vue de dessous les emplacements des connexions des différents composants de l'interrupteur vue depuis la face inférieure 7b du circuit imprimé 7. Toujours sur cette figure, on a illustré les positions des broches B1 des MOSFETS, les positions des résistances de pont (gate) R163, R165, R166, R169, R171, R178, R179, R181 et des résistances d'équilibrage R164, R168, R173, R180 qui sont localisés au-dessous des SNUBBERs (et donc non visibles sur les figures précédentes). Sont également illustrées sur cette figure des trous ovales 71 qui servent à tenir les distances d'isolement nécessaires pour tenir les normes médicales de conception des circuits 10 imprimés. Comme on peut le voir à partir des figures 7 et 8, l'implémentation des différents composants de l'interrupteur permet d'obtenir une structure compacte de l'interrupteur ce qui facilite son intégration dans un onduleur. En outre, cette compacité rend les connexions des différents composants simples. 15 En outre, pour faciliter les connexions il est utilisé l'épaisseur de la du circuit imprimé 7. A cet égard, le circuit imprimé comprend huit couches de cuivre permettant d'utiliser toute l'épaisseur du circuit imprimé pour effectuer les connexions des différents composants entre eux sans que ces dernières ne se chevauchent. 20 REVENDICATIONS1. Interrupteur d'un onduleur d'une alimentation d'une tube à rayons X comprenant : au moins deux MOSFETs (1) alignés en parallèle ; au moins un radiateur intermédiaire (2) disposé entre les MOSFETS (1) afin de séparer deux MOSFETS (1) successifs ; au moins deux SNUBBERs (3) disposés en parallèle, chacun étant disposé à côté d'un MOSFET (1) ; une unité de commande (4) dudit interrupteur disposée de telle sorte que la succession de MOSFETs (1) est disposée entre l'alignement de SNUBBERs (3) et l'unité de commande (4). 2. Interrupteur selon la revendication 1, dans lequel chaque radiateur intermédiaire (2) comprend une première portion (203) séparant deux à deux les MOSFETs (1) et une seconde portion (204) s'étendant en saillie à partir de la première portion (203), la seconde portion (204) étant agencée de sorte à être disposée au-dessus de l'alignement de SNUBBERs (3). 3. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, comprenant deux radiateurs extrêmes (21, 22) rectangulaires disposés pour prendre en sandwich les radiateurs intermédiaires (2), les SNUBBERs (3), l'unité de commande (4) et les MOSFETs (1). 4. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, comprenant un dispositif amortisseur (5) disposé sur une face radiateur intermédiaire (2) ou extrême (21, 22) de manière à maintenir en contact le MOSFET (1) adjacent à cette face avec le radiateur intermédiaire (2) ou extrême (21, 22) suivant. 5. Interrupteur selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif amortisseur (5) est en silicone ou bien est une lamelle métallique. 6. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, comprenant deux vis (201, 202) reliant entre-eux les radiateurs intermédiaires (2) et extrêmes (21, 22), une étant telle qu'elle traverse les radiateurs intermédiaires (2) sur la première portion (203) et l'autre sur la seconde portion (204).35 7. Interrupteur selon la revendication précédente, dans lequel la vis (201) de la première portion (203) est à hauteur des SNUBBERs (3). 8. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les radiateurs extrêmes (21, 22) et intermédiaires (2) sont d'épaisseurs identiques, typiquement comprise entre 3 et 10 mm, typiquement 6 mm. 9. Interrupteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque radiateur extrême (21, 22) comprend deux orifices de fixation de manière à fixer lesdits radiateurs extrêmes (21, 22) sur un circuit imprimé (7). 10. Onduleur d'une alimentation d'une tube à rayons X comprenant une pluralité d'interrupteurs selon l'une des revendications précédentes.15