Brevet FR3056374A1 — publié le 20180323

Convertisseur d'énergie électrique avec écran thermique entre deux ensembles de composant(s) électrique(s) La présente invention concerne un convertisseur d'énergie électrique, comprenant un coffret, un premier ensemble de composant(s) électrique(s), formé d'un ou plusieurs interrupteurs électroniques de puissance et disposé à l'intérieur du coffret, un module de refroidissement configuré pour refroidir le premier ensemble de composant(s) électrique(s), en évacuant vers l'extérieur du coffret au moins une partie d'une chaleur dissipée par le ou les interrupteurs, et un deuxième ensemble de composant(s) électrique(s), disposé à l'intérieur du coffret et distinct du premier ensemble de composant(s) électrique(s). L'invention concerne en particulier des convertisseurs à base de transistors bipolaires à grille isolée, également appelés IGBT (de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor), c'est-à-dire des convertisseurs dans lesquels chaque interrupteur comporte un IGBT. L'invention concerne notamment le domaine des véhicules ferroviaires, le convertisseur d'énergie électrique étant destiné à être embarqué dans un véhicule ferroviaire. On connaît du document EP 2 675 053 Al un convertisseur d'énergie électrique du type précité. Le convertisseur comprend un coffret et un radiateur fixé à une paroi du coffret. Il comprend également des composants électriques assurant la conversion d'énergie électrique et disposés à l'intérieur du coffret, parmi lesquels un premier ensemble de composant(s) électrique(s) est formé d'interrupteurs électroniques de puissance qui dissipent le plus de chaleur lors de leur fonctionnement, tandis qu'un deuxième ensemble comprend les autres composants électriques, notamment des condensateurs de filtrage. Chaque interrupteur de puissance est par exemple formé d'un IGBT et d'une diode, dite de roue libre, connectée en antiparallèle de l'IGBT. Les interrupteurs de puissance formant le premier ensemble sont refroidis par l'intermédiaire du radiateur, un flux d'air circulant entre les ailettes du radiateur pour évacuer la chaleur dissipée par les interrupteurs lors de leur fonctionnement. Toutefois, le refroidissement d'un tel convertisseur d'énergie électrique n'est pas toujours optimal, et la température à l'intérieur du coffret est parfois trop importante. Le but de l'invention est alors de proposer un convertisseur d'énergie électrique avec un refroidissement amélioré, et permettant alors de limiter l'élévation de température à l'intérieur du coffret lors du fonctionnement du convertisseur d'énergie électrique. 3056374 2 A cet effet, l'invention a pour objet un convertisseur d'énergie électrique du type précité, dans lequel le convertisseur d'énergie électrique comprend en outre un écran thermique réalisé en un matériau thermiquement isolant, l'écran thermique comportant au moins une ouverture de réception d'un interrupteur, et l'écran thermique étant interposé 5 entre le module de refroidissement et le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s). Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le convertisseur d'énergie électrique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : 10 - le coffret comporte une paroi, la paroi comportant une face interne orientée vers l'intérieur du coffret et une face externe orientée vers l'extérieur du coffret, et chaque interrupteur est fixé contre la face interne ; - l'écran thermique est au moins partiellement en appui contre la paroi, et le convertisseur d'énergie électrique comporte en outre un premier joint d'étanchéité disposé 15 entre l'écran thermique et la paroi ; - le convertisseur d'énergie électrique comprend en outre au moins une pièce de support configurée pour supporter le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s), et chaque pièce de support est thermiquement isolante ; - chaque pièce de support est fixée contre la face interne de la paroi, et l'écran 20 thermique comporte en outre au moins une ouverture de passage d'une pièce de support respective ; - le coffret comporte un capot, le capot étant au moins partiellement en appui contre l'écran thermique, et le convertisseur d'énergie électrique comporte en outre un deuxième joint d'étanchéité disposé entre le capot et l'écran thermique ; 25 - le convertisseur d'énergie électrique comprend en outre une couche souple, thermiquement isolante, interposée entre l'écran thermique et le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s) ; - l'écran thermique est réalisé en un matériau stratifié, tel qu'un matériau époxy chargé en fibres de verre, de préférence en matériau EPGC203 selon la norme NF EN 30 60893-3-2 ; - chaque interrupteur est configuré pour supporter une tension d'au moins 1 kV ; et - chaque interrupteur comporte un transistor bipolaire à grille isolée. Avec le convertisseur selon l'invention, le module de refroidissement permet alors d'évacuer, vers l'extérieur du coffret, la chaleur dégagée par les interrupteurs de 35 puissance formant le premier ensemble de composant(s) électrique(s), ce qui entraîne une élévation de la température du module de refroidissement, par exemple lorsque le 3056374 3 module de refroidissement est en forme d'un radiateur à ailettes, tout en limitant la propagation de chaleur en sens inverse depuis le module de refroidissement vers le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s). En effet, l'écran thermique réalisé en un matériau thermiquement isolant permet 5 alors de réduire la propagation de chaleur depuis le module de refroidissement vers le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s) en étant interposé entre le module de refroidissement et ledit deuxième ensemble. L'écran thermique comporte en outre au moins une ouverture de réception d'un interrupteur pour faciliter la connexion électrique de l'interrupteur avec le ou les composants électriques du deuxième ensemble. 10 Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue partielle et en perspective d'un convertisseur d'énergie électrique selon l'invention, comprenant un coffret, des premier et deuxième ensembles 15 de composant(s) électrique(s), un module de refroidissement du premier ensemble, et un écran thermique interposé entre le module de refroidissement et le deuxième ensemble, sur laquelle une partie du coffret a été masquée pour montrer l'intérieur du coffret ; - la figure 2 est une vue en perspective de l'écran thermique de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en perspective d'une couche souple destinée, en 20 complément facultatif, à être interposée entre l'écran thermique et le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s). Un repère avec un axe longitudinal X, un axe transversal Y et un axe vertical Z a été représenté sur chacune des figures 1 à 3, afin de faciliter la compréhension de l'orientation des éléments représentés d'une figure à l'autre. Ces repères sont uniquement 25 illustratifs et donnés à titre d'exemple, le convertisseur selon l'invention ne devant pas nécessairement être installé avec l'axe vertical Z disposé verticalement. Sur la figure 1, un convertisseur d'énergie électrique 10 comprend un coffret 12, un premier ensemble 14 de composant(s) électrique(s), formé d'un ou plusieurs interrupteurs électroniques de puissance et disposé à l'intérieur du coffret 12 et un module 30 de refroidissement 18 configuré pour refroidir le premier ensemble 14, en évacuant vers l'extérieur du coffret 12 au moins une partie d'une chaleur dissipée par le ou les interrupteurs. Le convertisseur d'énergie électrique 10 comprend également un deuxième ensemble 20 de composant(s) électrique(s), disposé à l'intérieur du coffret 12 et distinct 35 du premier ensemble 14, les composants électriques du deuxième ensemble 20 étant par exemple des condensateurs de filtrage 22, des barres de liaison électrique 24, etc. 3056374 4 Le convertisseur d'énergie électrique 10 comprend en outre un écran thermique 26 réalisé en un matériau thermiquement isolant, l'écran thermique 26, visible également sur la figure 2, étant interposé entre le module de refroidissement 18 et le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s) 20. 5 En complément facultatif, le convertisseur d'énergie électrique 10 comprend en outre une couche souple 28, visible sur la figure 3 et non représentée sur la figure 1 par souci de simplification des dessins. La couche souple 28 est thermiquement isolante et interposée entre l'écran thermique 26 et le deuxième ensemble 20 de composant(s) électrique(s). 10 En complément facultatif, le convertisseur d'énergie électrique 10 comprend en outre au moins une pièce de support 30 configurée pour supporter mécaniquement le deuxième ensemble 20. Dans l'exemple de la figure 1, le convertisseur 10 comprend deux pièces de support 30, disposées chacune à proximité d'une extrémité du coffret 12 selon l'axe longitudinal X. 15 Le convertisseur d'énergie électrique 10 est par exemple un onduleur, ou un redresseur, ou encore un convertisseur de fréquence comportant un redresseur et un onduleur connecté en sortie du redresseur. Comme connu en soi, le convertisseur d'énergie électrique 10 comporte alors un ou plusieurs bras de commutation, chaque bras de commutation comportant au moins deux interrupteurs connectés en série et reliés 20 entre eux en un point milieu. Lorsque le convertisseur d'énergie électrique 10 est par exemple un onduleur apte à convertir une énergie continue reçue en entrée du convertisseur en une énergie alternative délivrée en sortie du convertisseur, il comprend deux bornes d'entrées, une borne de sortie pour chaque phase de l'énergie alternative délivrée et un bras de commutation par phase. Chaque bras de communication est alors 25 connecté entre les deux bornes d'entrée, son point milieu étant connecté à la borne de sortie pour la phase correspondante. Le coffret 12 comprend une paroi 32 et un capot, non représenté pour montrer l'intérieur du coffret. La paroi 32 comporte une face interne orientée vers l'intérieur du coffret 12 et une face externe 34 orientée vers l'extérieur du coffret. Chaque interrupteur 30 est fixé contre la face interne de la paroi 32, et la paroi 32 est également appelée semelle, la paroi 32 formant une semelle de fixation des interrupteurs. Le module de refroidissement 18 est disposé de l'autre côté de la paroi 32, contre la face externe 34, comme représenté sur la figure 1. En complément facultatif, le convertisseur d'énergie électrique 10 comprend en 35 outre un premier joint d'étanchéité, non représenté, disposé entre l'écran thermique 26 et la paroi 32, l'écran thermique 26 étant au moins partiellement en appui contre la paroi 32. 3056374 5 En complément facultatif encore, le convertisseur d'énergie électrique 10 comprend en outre un deuxième joint d'étanchéité, non représenté, disposé entre le capot et l'écran thermique 26, le capot étant au moins partiellement en appui contre l'écran thermique 26. 5 Le premier ensemble 14 comporte par exemple au moins un module de commutation 36, chaque module de commutation 36 étant formé de deux interrupteurs connectés en série. Dans l'exemple de la figure 1, le premier ensemble 14 comporte douze modules de commutation 36. Autrement dit, le premier ensemble 14 est constitué d'interrupteurs électroniques, 10 les interrupteurs étant agencés par paires dans l'exemple de la figure 1, sous forme des modules de commutation 36. Chaque interrupteur comporte par exemple un transistor bipolaire à grille isolée, également appelé IGBT (de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor). Chaque interrupteur de puissance est, dans cet exemple, formé d'un IGBT et d'une diode, dite de 15 roue libre, connectée en antiparallèle de l'IGBT. En variante, chaque interrupteur comporte un transistor bipolaire, ou un transistor de type JFET (de l'anglais Junction Field Effect Transistor), ou encore un thyristor, tel qu'un thyristor à extinction par la gâchette, ou GTO (de l'anglais Gate Turn-Off Thyristor). Chaque interrupteur est un interrupteur de puissance, et est par exemple configuré 20 pour supporter une tension d'au moins 1 kV. Le module de refroidissement 18 comporte, par exemple, un radiateur à ailettes, un flux d'air étant alors destiné à circuler entre les ailettes du radiateur pour évacuer la chaleur dissipée par les interrupteurs lors de leur fonctionnement. En variante ou en complément, le module de refroidissement 18 comporte un 25 module de Peltier ou encore un caloduc. L'écran thermique 26 comporte au moins une première ouverture 38 de réception d'un interrupteur. Chaque première ouverture de réception 38 est alors configurée de par ses dimensions pour recevoir un interrupteur. Dans l'exemple des figures 1 et 2, l'écran thermique 26 comporte douze premières 30 ouvertures de réception 38. Dans cet exemple, chaque première ouverture de réception 38 est en outre configurée de par ses dimensions pour recevoir un module de commutation 36. L'écran thermique 26 comporte une première face 39 orientée vers l'intérieur du coffret 12 et une deuxième face 40 orientée vers l'extérieur du coffret 12, c'est-à-dire vers 35 la paroi 32. 3056374 6 L'écran thermique 26 est réalisé en un matériau solide, et est notamment plus rigide que la couche souple 28. L'écran thermique 26 est thermiquement isolant, et est par exemple réalisé en un matériau stratifié, tel qu'un matériau époxy chargé en fibres de verre. L'écran thermique 5 26 est par exemple réalisé en matériau EPGC203 selon la norme NF EN 60893-3-2. La couche souple 28, visible sur la figure 3, comporte au moins une deuxième ouverture 41 de réception d'un interrupteur. Chaque deuxième ouverture de réception 41 est alors configurée de par ses dimensions pour recevoir un interrupteur. Dans l'exemple des figures 1 et 2, la couche souple 28 comporte douze 10 deuxièmes ouvertures de réception 41. Dans cet exemple, chaque deuxième ouverture de réception 41 est en outre configurée de par ses dimensions pour recevoir un module de commutation 36. La couche souple 28 est réalisée en un matériau souple, et est notamment moins rigide que l'écran thermique 26. 15 La couche souple 28 est thermiquement isolante, et est par exemple réalisée en une mousse, par exemple une mousse en Promalight-320®, avec une densité de préférence comprise entre 240 kg/m3 et 300 kg/m3. La couche souple 28 est de préférence destinée à être disposée contre l'écran thermique 26, par exemple afin de combler le cas échéant un espace selon l'axe vertical 20 Z entre la première face 39 de l'écran thermique 26 et une face supérieure 43 du module de commutation 36, orientée vers l'intérieur du coffret 12. Ceci permet alors d'améliorer encore l'isolation thermique entre le module de refroidissement 18 et le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s) 20, tout en évitant une accumulation de poussières ou saletés autour du ou des modules de commutation 36. 25 Chaque pièce de support 30 est thermiquement isolante, pour éviter de former un pont thermique entre le module de refroidissement 18, via la paroi 32, et le deuxième ensemble de composant(s) électrique(s) 20. Chaque pièce de support 30 est par exemple réalisée en résine époxy avec fibres de verre, et électriquement isolante vis-à-vis des composants des premier et deuxième ensembles 14, 20, à l'intérieur du convertisseur 10. 30 Chaque pièce de support 30 est fixée contre la face interne de la paroi 32, et l'écran thermique 26 comporte alors en outre au moins une ouverture 43 de passage d'une pièce de support 30 respective. Le premier joint d'étanchéité est par exemple un joint torique reçu dans une gorge, non représentée, ménagée dans la face interne de la paroi 32. La gorge s'étend, par 35 exemple, à proximité d'un bord périphérique latéral 44 de la paroi 32. 3056374 7 En variante non représentée, le premier joint d'étanchéité est par exemple un joint plat plaqué entre l'écran thermique 26 et la paroi 32, et disposé de préférence à proximité du bord périphérique latéral 44 de la paroi 32. Le deuxième joint d'étanchéité est par exemple un joint torique reçu dans une 5 gorge 46 ménagée dans la première face 39 de l'écran thermique 26. La gorge 46 s'étend, par exemple, à proximité d'un bord périphérique latéral 48 de l'écran thermique 26. En variante non représentée, le deuxième joint d'étanchéité est par exemple un joint plat plaqué entre l'écran thermique 26 et le capot, et disposé de préférence à 10 proximité du bord périphérique latéral 48 de l'écran thermique 26. Ainsi, l'écran thermique 26 réalisé en un matériau thermiquement isolant permet de réduire la propagation de chaleur depuis le module de refroidissement 18 vers le deuxième ensemble 20 de composant(s) électrique(s) en étant interposé entre le module de refroidissement 18 et ce deuxième ensemble 20. 15 L'écran thermique 26 relie alors mécaniquement, d'une part, la paroi 32 du coffre contre laquelle est disposé le module de refroidissement 18, et d'autre part, le capot du coffre 12, pour couper la conduction, tout en couvrant les parties chaudes du convertisseur 10, à savoir le premier ensemble 14 de composant(s) électrique(s), pour couper la convection. Ceci permet alors d'avoir deux zones thermiquement distinctes au 20 sein du convertisseur d'énergie électrique 10, à savoir une zone chaude correspondant aux interrupteurs de puissance du premier ensemble 14 et une zone moins chaude correspondant au deuxième ensemble 20 de composant(s) électrique(s). Avec le convertisseur d'énergie électrique 10 selon l'invention, le module de refroidissement 18 permet alors d'évacuer, vers l'extérieur du coffret 12, la chaleur 25 dégagée par les interrupteurs de puissance formant le premier ensemble 14 lors de leur fonctionnement, ce qui entraîne une élévation de la température du module de refroidissement 18, tout en limitant la propagation de chaleur en sens inverse depuis le module de refroidissement 18 vers le deuxième ensemble 20 de composant(s) électrique(s). 30 La ou les premières ouvertures de réception 38 ménagées dans l'écran thermique 26, tout comme le cas échéant la ou les deuxièmes ouvertures de réception 41 ménagées dans la couche souple 28, permettent en outre de faciliter la connexion électrique de chaque interrupteur, ou module de commutation 36, avec le ou les composants électriques du deuxième ensemble 20. 3056374 8 On conçoit ainsi que le convertisseur d'énergie électrique 10 selon l'invention offre un refroidissement amélioré, et permet alors de limiter l'élévation de température à l'intérieur du coffret 12 lors du fonctionnement du convertisseur d'énergie électrique 10. 5 REVENDICATIONS1. Convertisseur d'énergie électrique (10), comprenant : - un coffret (12), - un premier ensemble (14) de composant(s) électrique(s), formé d'un ou plusieurs interrupteurs électroniques de puissance et disposé à l'intérieur du coffret (12), - un module de refroidissement (18) configuré pour refroidir le premier ensemble (14) de composant(s) électrique(s), en évacuant vers l'extérieur du coffret (12) au moins une partie d'une chaleur dissipée par le ou les interrupteurs, - un deuxième ensemble (20) de composant(s) électrique(s), disposé à l'intérieur du coffret (12) et distinct du premier ensemble (14) de composant(s) électrique(s), caractérisé en ce que le convertisseur d'énergie électrique (10) comprend en outre un écran thermique (26) réalisé en un matériau thermiquement isolant, l'écran thermique (26) comportant au moins une ouverture (38) de réception d'un interrupteur, et l'écran thermique (26) étant interposé entre le module de refroidissement (18) et le deuxième ensemble (20) de composant(s) électrique(s). 2. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon la revendication 1, dans lequel le coffret (12) comporte une paroi (32), la paroi (32) comportant une face interne orientée vers l'intérieur du coffret (12) et une face externe (34) orientée vers l'extérieur du coffret (12), et chaque interrupteur est fixé contre la face interne. 3. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon la revendication 2, dans lequel l'écran thermique (26) est au moins partiellement en appui contre la paroi (32), et le convertisseur d'énergie électrique (10) comporte en outre un premier joint d'étanchéité disposé entre l'écran thermique (26) et la paroi (32). 4. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le convertisseur d'énergie électrique (10) comprend en outre au moins une pièce de support (30) configurée pour supporter le deuxième ensemble (20) de composant(s) électrique(s), et chaque pièce de support (30) est thermiquement isolante. 5. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon la revendication 4, dans lequel chaque pièce de support (30) est fixée contre la face interne de la paroi (32), et l'écran thermique (26) comporte en outre au moins une ouverture (43) de passage d'une pièce de support (30) respective. 3056374 10 6. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le coffret (12) comporte un capot, le capot étant au moins partiellement en appui contre l'écran thermique (26), et le convertisseur 5 d'énergie électrique (10) comporte en outre un deuxième joint d'étanchéité disposé entre le capot et l'écran thermique (26). 7. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur d'énergie électrique (10) 10 comprend en outre une couche souple (28), thermiquement isolante, interposée entre l'écran thermique (26) et le deuxième ensemble (20) de composant(s) électrique(s). 8. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'écran thermique (26) est réalisé en un matériau 15 stratifié, tel qu'un matériau époxy chargé en fibres de verre, de préférence en matériau EPGC203 selon la norme NF EN 60893-3-2. 9. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque interrupteur est configuré pour supporter 20 une tension d'au moins 1 kV. 10. Convertisseur d'énergie électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque interrupteur comporte un transistor bipolaire à grille isolée. 25