Brevet FR3042078A1 — publié le 20170407

- 1 - MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un module électronique de puissance 5 notamment pour des applications dans des domaines tels que ceux des automobiles, des camions, des trains, des systèmes photovoltaïques, ou la gestions des batteries. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. io L'électronique de puissance a remplacé de nos jours les moyens électro- mécaniques d'autrefois pour l'alimentation électrique et le contrôle des machines électriques tournantes modernes mises en oeuvre dans les applications précitées. Que ce soit des machines électriques tournantes monophasées ou polyphasées, synchrones ou asynchrones, fonctionnant en moteur ou en 15 générateur, un ou plusieurs modules électroniques de puissance contrôlent les courants et les tensions appliqués. Une volonté générale de réduire l'émission d'oxyde de carbone soutient l'électrification de la voiture, des bus et des camions. L'électrification de la mobilité demande la construction de moteurs/générateurs électriques et de systèmes de 20 conversion compacts. Ces machines et systèmes de conversion comportent le plus souvent un ou des modules électroniques déportés ou intégrés. Un tel système comprend le plus souvent un module de commande et un ou plusieurs circuits d'électroniques constitués des composants électronique actifs du type MOSFET ou IGBT arrangés en pont. 25 Selon une architecture connue, les composants électroniques de puissance, sous forme de puces nues, sont brasés sur des grilles de connexion, dites «leadframes» en anglais, qui sont surmoulées dans un boîtier mécatronique. Ou alternativement sur des substrats céramiques portant des pistes de cuivre du type DBC. Ces grilles de connexion sont maintenues plaquées sur une semelle 30 métallique par l'intermédiaire d'une plaquette électriquement isolante qui est disposée en sandwich entre les grilles de connexion et le substrat d'assemblage et la semelle. La plaquette possède des propriétés de bonne conduction thermique de manière à transmettre les calories générées par les puces électroniques vers un dissipateur thermique placé sous la semelle métallique du circuit. 3042078 - 2 - Dans un contexte de réduction des émissions de CO2 et du développement des systèmes d'électroniques à haut rendement, une technologie autorisant un niveau d'intégration supérieur et une réduction des coûts a été développée par la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR. Le module électronique de puissance décrit dans la demande de brevet FR2947679 est formé d'un boîtier mécatronique surmoulé: - ayant des bornes de raccordement de puissance; - intégrant des puces électroniques montées sur des substrats électroniques de puissance de type IMS, DBC ou PCB ayant une même architecture et formant les 10 branches du pont; - comportant des traces de raccordement intermédiaires et des traces de puissance, dites "busbar" en terminologie anglaise, auxquelles sont reliées électriquement les puces électroniques par des fils de raccordement soudés. Toutefois, dans cette technologie, la dissipation de la chaleur dans les puces 15 n'est pas totalement satisfaisante et les pertes par effet Joule demeurent trop importantes et risquent d'amener à un mal fonctionnement ou une réduction du temps de vie des puces . DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. 20 La présente invention vise donc une conception d'un module électronique de puissance palliant ces inconvénients. Elle a précisément pour objet un module électronique de puissance du type de ceux comprenant: - des bornes de raccordement de puissance destinées à être connectées à un 25 dispositif d'entrée et à un dispositif de sortie; - des puces électroniques; - des traces de puissance reliées électriquement aux puces électroniques et/ ou aux bornes de raccordement de puissance. Selon l'invention, ces puces électroniques sont montées directement sur les 30 traces de puissance formées au moins en partie de segments de profilés métalliques creux présentant au moins partiellement une surface extérieure plane. Selon l'invention encore, un premier ensemble de ces traces de puissance est isolé électriquement d'un second ensemble de ces traces de puissance par au moins un premier substrat formé d'un stratifié comprenant un premier matériau 35 électriquement isolant et un second matériau électriquement conducteur. 3042078 - 3 - Selon l'invention, un liquide de refroidissement circule dans ces profilés. De préférence, ces profilés présentent selon l'invention une section droite rectangulaire. Selon l'invention, le premier matériau est un isolant organique et le second 5 matériau est du cuivre. Selon l'invention encore, le premier substrat supporte des composants électroniques de commande des puces électroniques. Dans le module électronique de puissance selon l'invention, le premier ensemble de traces de puissance, le premier substrat et le second ensemble de 10 traces de puissance forment un empilement contenu sensiblement dans un volume parallélépipédique. Cet empilement comprend en outre, selon l'invention, un deuxième substrat en dessous du premier ensemble de traces de puissance et un troisième substrat au dessus du second ensemble de traces de puissance formant au moins une 15 cavité contenant un liquide isolant électriquement et thermiquement conducteur. Selon l'invention, les puces électroniques sont des transistors de puissance de type MOSFET ou IGBT inclusivement des diodes formant des branches d'un pont d'un onduleur destiné à être relié en entrée à un réseau d'alimentation électrique de puissance d'un véhicule automobile et en sortie à au moins un 20 enroulement de d'une machine électrique tournante dudit véhicule. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par ce module électronique de puissance par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description 25 qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. 30 Les Figures la et 1b montrent schématiquement, respectivement en vue de côté et en vue de dessus, un module de puissance selon l'invention comprenant un pont de transistors de puissance à deux branches. La Figure 2 montre en perspective un exemple de réalisation concrète d'un module de puissance selon l'invention similaire à celui montré schématiquement sur 35 les Figures la et lb. 3042078 -4 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. La Figure la, qui représente schématiquement en vue de côté un module de puissance 1 selon l'invention, montre une puce électronique 2 reliée par un fil de 5 raccordement 3 à un premier élément 4 d'un premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6 que montre en totalité la vue de dessus de la Figure lb, et montée directement sur un second élément 6 de ce premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6. Dans cet exemple, la puce électronique 2 dont il s'agit correspond à l'un des 10 transistors 2, 7, 8, 9 d'un pont de transistors de puissance 2, 7, 8, 9 de type MOSFET à deux branches: - le premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6 correspond aux transistors 2, 7 dits "low sicle", c'est-à-dire dont les sources sont reliée par le second élément 6 à une première borne de raccordement de puissance 10 du module 1 destinée à être 15 connectée à une masse, et aux connections 4, 5 des drains de ces transistors "low sicle" 2, 7 aux bornes de sortie 11, 12 du module 1 par le premier élément 4 et un troisième élément 5; - un deuxième ensemble de traces de puissance 13, 14 correspond aux transistors 8, 9 dits "high sicle", c'est-à-dire dont les autres drains sont reliés à une seconde 20 borne de raccordement de puissance 15 destinée à être reliée à une alimentation électrique du module 1. Les puces électroniques des transistors 2, 7, 8, 9 sont montées directement sur le premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6. Comme le montre bien la vue en perspective de la Figure 2, les premier et 25 second ensembles de traces de puissance 4, 5, 6, 13, 14 sont formés de segments de profilés métalliques creux de section droite rectangulaire. Un fluide réfrigérant circulant dans ces profilés 4, 5, 6, 13, 14 permet une évacuation efficace de la chaleur produite par les puces électroniques 2, 7, 8, 9. Comme le montre bien également la Figure la, les premier et second 30 ensembles de traces de puissance 4, 5, 6, 13, 14 sont séparés par un premier substrat 16. Ce premier substrat 16 est formé d'un stratifié d'un isolant organique, tel que de l'époxy, et de couches de cuivre permettant de réaliser un circuit imprimé selon des techniques de fabrication de PCB connues en soi (électrodéposition, pâte à 3042078 - 5 - souder, combinées ou non avec des interconnections électriques réalisées par frittage). Il permet d'isoler électriquement le premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6 du second ensemble de traces de puissance 13, 14 et de supporter des 5 composants électroniques de commande des transistors 2, 7, 8, 9. Un deuxième substrat 17 agencé en dessous du premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6 et un troisième substrat 18 agencé au dessus du second ensemble de traces de puissance 13, 14 forment avec le premier ensemble de traces de puissance 4, 5, 6, le premier substrat 16, et le second ensemble de traces de puissance 13, 14 un empilement contenu dans un volume sensiblement parallélépipédique. Des cavités formées dans cet empilement autour des puces électroniques 2, 7, 8, 9 contiennent un liquide isolant électriquement et thermiquement conducteur, qui contribue par convection au refroidissement de ces puces 2, 7, 8, 9. L'architecture de module de puissance 1 décrite ci-dessus permet de réaliser des modules de puissance plus compacts que ceux connus de l'état de la technique grâce à une amélioration de leur refroidissement. Cette compacité permet de diminuer la longueur des traces de puissance 4, 5, 6, 13, 14 et par conséquent de réduire leur résistance et leur inductance parasite, 20 ce qui contribue à augmenter le rendement des modules de puissance 1 selon l'invention. Un pont à deux branches, réalisé sous la forme du module de puissance 1 montré sur la Figure 2 relié en sortie 11, 12 à un enroulement de phase 19 d'une machine électrique tournante et, en entrée 10, 15, à un réseau d'alimentation 25 électrique de puissance 20, est une brique permettant de réaliser avantageusement des convertisseurs courant alternatif - courant continu réversibles multiphasés de forte puissance, alimentant, par exemple, des moteurs de traction de véhicules électriques allant typiquement jusqu'à 60 kW ou plus. Typiquement les dimensions du volume occupé par une brique 1 sont 30 sensiblement égales à 7 cm x 5 cm x 1 cm. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus. Notamment, la forme et la section des profilés 4, 5, 6, 13, 14 indiquées ne sont qu'un exemple. 3042078 - 6 - II en est de même de la nature des matériaux constituant le premier substrat 16, ou du type de transistors de puissance 2, 7, 8, 9 utilisés. Une description similaire pourrait également porter sur un module de puissance 1 selon l'invention avec un pont de transistors de puissance 2, 7, 8, 9 5 comportant un nombre de branches supérieur à deux. L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Module électronique de puissance (1) du type de ceux comprenant: - des bornes de raccordement de puissance (10, 11, 12, 15) destinées à être 5 connectées à un dispositif d'entrée (20) et à un dispositif de sortie (19); - des puces électroniques (2, 7, 8, 9); - des traces de puissance (4, 5, 6, 13, 14) reliées électriquement auxdites puces électroniques (2, 7, 8, 9) et/ ou auxdites bornes de raccordement de puissance (10, 11, 12, 15); 10 caractérisé en ce que lesdites puces électroniques (2, 7, 8, 9) sont montées directement sur lesdites traces de puissance (4, 5, 6) formées au moins en partie de segments de profilés métalliques creux (4, 5, 6, 13, 14) présentant au moins partiellement une surface extérieure plane. 15 2) Module électronique de puissance (1) selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que un premier ensemble (4, 5, 6) desdites traces de puissance (4, 5, 6, 13, 14) est isolé électriquement d'un second ensemble (13, 14) desdites traces de puissance (4, 5, 6, 13, 14) par au moins un premier substrat (16) formé d'un stratifié comprenant un premier matériau électriquement isolant et un second 20 matériau électriquement conducteur. 3) Module électronique de puissance (1) selon la revendication 2 précédente, caractérisé en qu'un liquide de refroidissement circule dans lesdits profilés (4, 5, 6, 13, 14). 25 4) Module électronique de puissance (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 3 précédentes, caractérisé en ce que lesdits profilés (4, 5, 6, 13, 14) présentent une section droite rectangulaire. 30 5) Module électronique de puissance (1) selon la revendication 2 précédente, caractérisé en ce que ledit premier matériau est un isolant organique et ledit second matériau est du cuivre. 3042078 - 8 - 6) Module électronique de puissance (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 précédentes, caractérisé en ce que ledit premier substrat (16) supporte des composants électroniques de commande desdites puces électroniques (2, 7, 8, 9). 7) Module électronique de puissance (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 précédentes, caractérisé en ce que ledit premier ensemble (4, 5, 6), ledit premier substrat (16) et ledit second ensemble (13, 14) forment un empilement contenu sensiblement dans un volume parallélépipédique. 8) Module électronique de puissance (1) selon la revendication 7 précédente, caractérisé en ce que ledit empilement comprend en outre un deuxième substrat (17) en dessous dudit premier ensemble (4, 5, 6) et un troisième substrat (18) au dessus dudit second ensemble (13, 14) formant au moins une cavité contenant un liquide isolant électriquement et thermiquement conducteur. 9) Module électronique de puissance (1) selon la revendication 7 ou 8 précédente, caractérisé en ce que des dimensions dudit volume sont sensiblement égales à 7 cm x 5 cm x 1 cm. 10) Module électronique de puissance (1) selon l'une quelconque de revendications 1 à 9 précédentes, caractérisé en ce que lesdites puces électroniques (2, 7, 8, 9) sont des transistors de puissance (2, 7, 8, 9) de type MOSFET formant des branches d'un pont d'un convertisseur alternatif- continu réversible destiné à être relié en entrée (10, 15) à un réseau d'alimentation électrique de puissance (20) d'un véhicule automobile et en sortie (11, 12) à au moins un enroulement (19) d'une machine électrique tournante dudit véhicule.