Brevet FR3045922A1 — publié le 20170623

DISPOSITIF ELECTRONIQUE COMPORTANT AU MOINS UNE INDUCTANCE COMPRENANT DES MOYENS DE GESTION THERMIQUE PASSIFS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La présente invention se rapporte à un dispositif électronique comportant au moins une inductance magnétique comprenant des moyens de gestion thermique passifs, par exemple un convertisseur de puissance. Dans le domaine de l'électronique de puissance, des inductances comportant un noyau ferromagnétique entouré au moins en partie par un bobinage conducteur électrique sont mis en oeuvre en tant que composants passifs, principalement dans les convertisseurs de puissance. Les convertisseurs de puissance peuvent fonctionner à des fréquences comprises entre 100 kHz et 10 MHz et transmettre des puissances de 0,1 KW à 100 kW. Ces convertisseurs sont utilisés notamment dans le domaine de la production d'énergie, pour l'alimentation de moteurs électriques et de systèmes électroniques (appareils électroniques, ordinateurs portables). Dans ces domaines d'application, les inductances des convertisseurs ont des valeurs d'inductance comprises entre 1 u.H et 10 mH. Les inductances comprennent un noyau et un conducteur électrique, appelé bobinage, disposé selon N spires autour d'une partie du noyau. Le noyau comporte un matériau ferromagnétique. En fonctionnement, le bobinage est parcouru par un courant électrique alternatif générant une induction magnétique de même fréquence dans le noyau. Des pertes accompagnent la génération de l'induction magnétique, ce qui se traduit par des échauffements au sein du noyau magnétique. Ces pertes augmentent avec la fréquence de fonctionnement de l'inductance, nécessitant à partir de 1 MHz une gestion thermique pour refroidir le noyau afin d'éviter des élévations de températures rédhibitoires. Un convertisseur de puissance est un dispositif électronique qui a pour fonction d'adapter la tension et le courant délivrés par une source de puissance 3045922 2 électrique pour alimenter, selon les spécifications, un réseau de distribution ou un système électrique donné. Le convertisseur comprend des composants électroniques, dits composants actifs, fonctionnant comme des interrupteurs commutant à une fréquence donnée. Dans le cas des convertisseurs DC/DC par exemple, les composants actifs sont 5 des transistors qui sont utilisés pour « découper » la tension d'entrée selon des cycles réguliers. Afin de délivrer une tension continue en sortie, des inductances sont utilisées pour stocker et déstocker l'énergie électrique sur chaque cycle et pour lisser la tension de sortie à sa valeur moyenne. Ces éléments dits « passifs » servent au fonctionnement des convertisseurs, mais ils peuvent représenter jusqu'à 40 % du volume et du coût du 10 convertisseur. Les fréquences de fonctionnement des convertisseurs se situent couramment dans la gamme 10kHz-500 kHz. Grâce à la technologie GaN, des transistors pouvant commuter à très haute fréquence, par exemple à une fréquence supérieure à 1 MHz peuvent être réalisés, ce qui permet de réalisation des convertisseurs à fréquence de 15 fonctionnement augmentée. D'une part, l'augmentation de la fréquence de fonctionnement devrait être particulièrement intéressante car elle permettrait de réduire le volume des composants passifs des convertisseurs donc l'encombrement, la masse et le coût de ces dispositifs. En augmentant la fréquence de découpage, le nombre de cycles électriques 20 augmentent et ainsi l'énergie transférée par le noyau magnétique en un temps donné augmente dans la même proportion. Comme la puissance du convertisseur reste constante, on devrait pouvoir réduire le volume des inductances magnétiques de façon inversement proportionnelle à la fréquence. Cette réduction de volume des noyaux magnétiques est 25 particulièrement intéressante pour réaliser convertisseur de plus petite taille et de poids et de coût réduits. De tels convertisseurs sont souhaitables dans le secteur aéronautique et dans le secteur automobile. D'autre part, les inductances compatibles avec des convertisseurs de puissance fonctionnant à des fréquences comprises entre 100 kHz et 10 MHz et des puissances de 0,1 KW à 100 kW sont caractérisées par des valeurs d'inductance L 3045922 3 comprises entre 1 u.H et 10 mH et des volumes supérieurs à 1 cm3. Dans cette gamme de convertisseurs, les inductances les mieux adaptées sont de type monolithique par opposition aux technologies basées sur des films minces ou des structures multicouches (LTCC) limitées à des puissances inférieures à 10 W. 5 Les inductances monolithiques sont constituées d'un matériau ferromagnétique monobloc formant leur noyau. Ce matériau est caractérisé par des valeurs élevées de perméabilité magnétique relative ur, par exemple supérieures à 50 et d'induction magnétique à saturation Bs, par exemple supérieures à 100 mT. Les matériaux oxydes de type ferrite de structure cristallographie 10 spinelle présentent des valeurs de perméabilité stables à haute fréquence. Pour cette raison, ils sont très largement utilisés comme noyaux d'inductance, notamment pour des fonctionnements à fréquence élevée (100 kHz REVENDICATIONS1. Dispositif électronique comportant un support (2), au moins un composant actif (4) et au moins une inductance (6), ladite inductance (6) comportant un noyau (10) et un conducteur électrique (12) entourant au moins une partie du noyau, le noyau (10) délimitant au moins une partie d'un chemin magnétique le long duquel des lignes de flux magnétiques sont destinées à s'écouler, dans lequel le noyau (10) comporte un corps (14) comprenant au moins une première portion et une deuxième portion définissant deux zones successives du chemin magnétique, chaque première et deuxième portion présentant une épaisseur faible par rapport à sa longueur et à sa largeur, chaque première et deuxième portion comportant une surface latérale par rapport à une direction du chemin magnétique, la première portion étant en contact direct avec le support par une partie de sa surface latérale et la deuxième portion étant disposée par rapport au support (2) de sorte que sa surface latérale soit libre de contact avec le support 2. Dispositif électronique selon la revendication 1, dans lequel un rapport de l'épaisseur sur la longueur est compris entre 1/200 et 1/10 et un rapport de l'épaisseur sur la largeur est compris entre 1/20 et 1. 3. Dispositif électronique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le noyau (10) comporte un entrefer entre la première portion et la deuxième portion. 4. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 3, comportant un boîtier (8) monté sur le support (2), ledit boîtier (8) et le support (2) définissant un volume dans lequel sont logés le au moins un composant actif (4) et l'inductance (6). From:BREVALEX GRENOBLE To:Inpi Paris 01/04/2016 15:11 #545 304'922 18 5. Dispositif électronique selon la revendication 4, dans lequel au moins la deuxième portion de l'inductance est conformée pour s'adapter audit volume. 6. Dispositif électronique selon la revendication 5, dans lequel la 5 deuxième portion est intégrée dans une paroi du boîtier (8). 7. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 6, comportant au moins une plaque d'échange thermique (15) connectée thermiquement au noyau (10). 10 8. Dispositif électronique selon la revendication 7, comportant au moins un élément conducteur thermique (16) et isolant électrique en contact avec le noyau (10) et avec la plaque d'échange thermique (15. 15 9. Dispositif électronique selon la revendication 7 ou 8 en combinaison avec l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel la plaque d'échange thermique (15) forme au moins une partie d'une paroi du boîtier (8). 10. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 9, dans 20 lequel le conducteur électrique (12) forme un bobinage comportant une partie intégrée au support (2). 11. Dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le support (2) est un circuit intégré. 25 12. Convertisseur comportant au moins un dispositif électronique selon l'une des revendications 1 à 11, le composant actif étant un transistor. From:BREVALEX GRENOBLE To:lopi Paris 01/04/2016 15;12 #545 3 CP4922 19 13. Procédé de fabrication d'un dispositif électronique selon rune des revendications 1 à 11, comportant les étapes : a) fourniture d'un support, b) fourniture d'un composant actif et assemblage de celui-ci sur le 5 support, c) réalisation du noyau d'inductance, d) montage du noyau sur le support, e) fourniture et montage du bobinage. 10 14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, dans lequel lors de l'étape c) des bandes destinées à former les première et deuxième portions sont fabriquées, avantageusement par coulage en bande d'une barbotine comportant de la poudre de matériau ferromagnétique ou par moulage par injection de poudre à partir d'un mélange-maître comportant du matériau ferromagnétique en bande. 15 15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, dans lequel lors de l'étape c), les bandes sont mises sous une forme souhaitée. 16. Procédé de fabrication selon la revendication 14 ou 15, dans 20 lequel lors de l'étape c), au moins une partie des bandes sont solidarisées les unes aux autres pour réaliser au moins une partie du noyau. 17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel lors de l'étape d) les bandes sont assemblées de sorte à former le noyau. 25 18. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel une partie du bobinage est réalisée avant montage du noyau et l'autre partie est réalisée après montage du noyau.