Brevet FR3068535A1 — publié le 20190104

TITRE CONVERTISSEUR DE TENSION COMPORTANT UN MODULE D'EXCITATION D'UN ROTOR D'UN MACHINE ÉLECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un convertisseur de tension comportant un module d'excitation d'un rotor d'une machine électrique. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE On connait de l'état de la technique un convertisseur de tension destiné à être connecté entre une source d'alimentation électrique fournissant une tension continue et une machine électrique destinée à recevoir des tensions de phase, du type comportant : au moins un module de puissance conçu pour effectuer une conversion entre la tension continue et au moins une des tensions de phase, une carte électronique de commande du ou des modules de puissance, un module d'excitation conçu pour convertir la tension continue en une tension d'excitation et pour fournir la tension d'excitation à un collecteur tournant de la machine électrique. Dans l'état de la technique, le module d'excitation est intégré dans la carte électronique. L'invention a pour but de proposer un convertisseur de tension facilitant la conception de la carte électronique. RÉSUMÉ DE L'INVENTION 2 À cet effet, il est proposé un convertisseur de tension du type précité, caractérisé en ce que le module d'excitation est détaché de la carte électronique et connecté au collecteur tournant de la machine électrique par des connexions électriques détachées de la carte électronique. 5 Grâce à l'invention, le module d'excitation lui-même ne prend plus de place sur la carte électronique. En outre, il n'est plus nécessaire de prévoir sur la carte électronique de pistes conductrices pour transporter la tension d'excitation au collecteur tournant. Or, comme la tension continue est généralement élevée (par exemple, 48 V), ces pistes conductrices doivent soit 10 être séparées l'une de l'autre d'un espacement d'au moins 3 mm soit insérées dans des tranchées réalisées dans le substrat de la carte électronique. Dans le premier cas, les pistes conductrices prennent beaucoup de place sur la carte électronique et sans cet espacement, il y aurait alors un risque d'échauffement entraînant un court-circuit aggravé. Dans le deuxième cas, les tranchées 15 fragilisent le substrat et entraînent des risques de rupture en cas de vibrations. En outre, la carte électronique n'est plus échauffée par le module d'excitation. De façon optionnelle, le convertisseur de tension comporte en outre un boîtier de réception de la carte électronique, le module d'excitation étant fixé au boîtier. 20 De façon optionnelle également, le boîtier comporte un plateau présentant des plots sur lesquels la carte électronique repose, le module d'excitation étant fixé au plateau du boîtier. De façon optionnelle également, le convertisseur de tension comporte un dissipateur de chaleur principal conçu pour dissiper la chaleur de composants de puissance des modules de puissance. De façon optionnelle également, le module d'excitation comporte des composants et un dissipateur de chaleur auxiliaire conçu pour dissiper la chaleur de ces composants, le dissipateur de chaleur auxiliaire étant distinct du dissipateur de chaleur principal. De façon optionnelle également, le boîtier est surmoulé autour du dissipateur de chaleur auxiliaire. 3 De façon optionnelle également, lequel le module d'excitation comporte un pont en H. De façon optionnelle également, le module d'excitation comporte des broches d'entrée connectées à la carte électronique pour fournir la tension 5 continue au module d'excitation. De façon optionnelle également, le module d'excitation comporte des broches de commande connectées à la carte électronique pour que la carte électronique commande le module d'excitation. DESCRIPTION DES FIGURES 10 La figure 1 est un schéma électrique d'un système électrique comportant un convertisseur de tension mettant en oeuvre l'invention. La figure 2 est une vue en trois dimensions de modules de puissance et d'un dissipateur de chaleur du convertisseur de tension de la figure 1. La figure 3 est une vue en trois dimensions des éléments de la figure 2, 15 complétés d'une carte électronique de commande et d'un boîtier de réception de la carte électronique. La figure 4 est une vue en trois dimensions d'une partie du convertisseur de tension des figures précédentes comportant un module d'excitation d'un rotor d'une machine électrique. 20 La figure 5 est une vue en trois dimensions du module d'excitation seul. DESCRIPTION DÉTAILLÉE En référence à la figure 1, un système électrique 100 mettant en oeuvre l'invention va à présent être décrit. Le système électrique 100 est par exemple destiné à être implanté dans 25 un véhicule automobile. Le système électrique 100 comporte tout d'abord une source d'alimentation électrique 102 conçue pour délivrer une tension continue U, par 4 exemple comprise entre 20 V et 100 V, par exemple 48 V. La source d'alimentation électrique 102 comporte par exemple une batterie. Le système électrique 100 comporte en outre une machine électrique 130 comportant plusieurs phases (non représentées) destinées à présenter des 5 tensions de phase respectives. Le système électrique 100 comporte en outre un convertisseur de tension 104 connecté entre la source d'alimentation électrique 102 et la machine électrique 130 pour effectuer une conversion entre la tension continue U et les tensions de phase. 10 Le convertisseur de tension 104 comporte tout d'abord une barre omnibus positive 106 et une barre omnibus négative 108 destinées à être connectées à la source d'alimentation électrique 102 pour recevoir la tension continue U, la barre omnibus positive 106 recevant un potentiel électrique haut et la barre omnibus négative 108 recevant un potentiel électrique bas. 15 Le convertisseur de tension 104 comporte en outre au moins un module de puissance 110 comportant une ou plusieurs barres omnibus de phase 122 destinées être respectivement connectées à une ou plusieurs phases de la machine électrique 130, pour fournir leurs tensions de phase respectives. Dans l'exemple décrit, le convertisseur de tension 104 comporte trois 20 modules de puissance 110 comportant chacun deux barres omnibus de phase 122 connectées à deux phases de la machine électrique 130. Plus précisément, dans l'exemple décrit, la machine électrique 130 comporte deux systèmes triphasés comportant chacun trois phases, et destinés à être électriquement déphasés de 120° l'un par rapport à l'autre. De 25 préférence, les premières barres omnibus de phase 122 des modules de puissance 110 sont respectivement connectées aux trois phases du premier système triphasé, tandis que les deuxièmes barres omnibus de phase 122 des modules de puissance 110 sont respectivement connectées aux trois phases du deuxième système triphasé. 30 Chaque module de puissance 110 comporte, pour chaque barre omnibus de phase 122, un interrupteur de côté haut 112 connecté entre la barre omnibus 5 positive 106 et la barre omnibus de phase 122 et un interrupteur de côté bas 114 connecté entre la barre omnibus de phase 122 et la barre omnibus négative 108. Ainsi, les interrupteurs 112, 114 sont agencés de manière à former un bras de hachage, dans lequel la barre omnibus de phase 122 forme un point milieu. 5 Chaque interrupteur 112, 114 comporte des première et deuxième bornes principales 116, 118 et une borne de commande 120 destinée à sélectivement ouvrir et fermer l'interrupteur 112, 114 entre ses deux bornes principales 116, 118 en fonction d'un signal de commande qui lui est appliqué. Les interrupteurs 112, 114 sont de préférence des transistors, par exemple des 10 transistors à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur (de l'anglais « Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » ou MOSFET) présentant une grille formant la borne de commande 120, et un drain et une source formant respectivement les bornes principales 116, 118. Dans l'exemple décrit, les interrupteurs 112, 114 ont chacun la forme 15 d'une plaque, par exemple sensiblement rectangulaire, présentant une face supérieure et une face inférieure. La première borne principale 116 s'étend sur la face inférieure, tandis que la deuxième borne principale 118 s'étend sur la face supérieure. En outre, la face inférieure forme une face de dissipation de chaleur. 20 Le convertisseur de tension 104 comporte en outre, pour chaque module de puissance 110, un condensateur 124 présentant une borne positive 126 et une borne négative 128 respectivement connectées à la barre omnibus positive 106 et à la barre omnibus négative 108. Il sera apprécié que la barre omnibus positive 106, la barre omnibus 25 négative 108 et les barres omnibus de phase 122 sont des éléments rigides conçus pour supporter des courants électriques d'au moins 1 A. Elles présentent de préférence une épaisseur d'au moins 1 mm. En outre, dans l'exemple décrit, la machine électrique 130 a à la fois une fonction d'alternateur et de moteur électrique. Plus précisément, le véhicule 30 automobile comporte en outre un moteur thermique (non représenté) présentant un axe de sortie auquel la machine électrique 130 est reliée par une 6 courroie (non représentée). Le moteur thermique est destiné à entraîner des roues du véhicule automobile par l'intermédiaire de son axe de sortie. Ainsi, en fonctionnement comme alternateur, la machine électrique fournit de l'énergie électrique en direction de la source d'alimentation électrique 102 à partir de la 5 rotation de l'axe de sortie. Le convertisseur de tension 104 fonctionne alors comme redresseur. En fonctionnement comme moteur électrique, la machine électrique entraîne l'arbre de sortie (en complément ou bien à la place du moteur thermique). Le convertisseur de tension 104 fonctionne alors comme onduleur. 10 La machine électrique 130 est par exemple localisée dans une boîte de vitesses ou bien dans un embrayage du véhicule automobile ou bien en lieu et place de l'alternateur. Dans la suite de la description, la structure et la disposition d'éléments du convertisseur de tension 104 et de la machine électrique 130 vont être 15 décrits plus en détail, en référence à une direction verticale H-B, « H » représentant le haut et « B» représentant le bas. En référence à la figure 2, le convertisseur de tension 104 comporte un dissipateur de chaleur principal 202 destiné à dissiper la chaleur des interrupteurs 112, 114. Le dissipateur de chaleur principal 202 présente un 20 plateau 204 sensiblement horizontal sur lequel s'étend une partie des barres omnibus 106, 108, 122 où la face inférieure des interrupteurs 112, 114 est plaquée pour dissiper leur chaleur vers le plateau 204 du dissipateur de chaleur principal 202 au travers des barres omnibus 106, 108, 122. Le plateau 204 du dissipateur de chaleur principal 202 présente une ouverture centrale 206 où un 25 collecteur tournant 208 (également appelé porte-balais) de la machine électrique 130 est inséré. Le convertisseur de tension 104 comporte en outre un module d'excitation 210 d'un rotor de la machine électrique 130. Le module d'excitation est conçu pour fournir une tension d'excitation au collecteur tournant 208 de 30 sorte que ce dernier inverse la polarité de chaque enroulement rotorique au 7 moins une fois par tour de façon à faire circuler un flux magnétique transversal en quadrature avec le flux statorique. En référence à la figure 3, le convertisseur de tension 104 comporte en outre une carte électronique 302 de commande des interrupteurs 112, 114 et 5 un boîtier 304 de réception de la carte électronique 302. La carte électronique 302 est connectée au barres omnibus 106, 108 pour recevoir la tension d'entrée U. En référence à la figure 4, le boîtier 304 présente un plateau 402 sensiblement horizontal s'étendant au-dessus du plateau 204 du dissipateur de 10 chaleur principal 202 et muni de plots 404 sur lesquels la carte électronique 302 est destinée à être posée de sorte qu'elle s'étende sensiblement horizontalement au-dessus du plateau 402 du boîtier 304. Le module d'excitation 210 est détaché de la carte électronique 302. Dans l'exemple décrit, le module d'excitation 210 est situé en-dessous de la 15 carte électronique 302, à distance de cette dernière. Le module d'excitation 210 comporte tout d'abord un dissipateur de chaleur auxiliaire 406, distinct du dissipateur de chaleur principal 202, autour duquel le boîtier 304 est surmoulé. Ainsi, le module d'excitation 210 est fixé au plateau 402 du boîtier 304 par le dissipateur de chaleur auxiliaire 406. 20 Le module d'excitation 210 comporte en outre une carte électronique auxiliaire 408, distincte de la carte électronique 302, sur laquelle sont fixés des interrupteurs 410 et des pistes conductrices 412 dont une partie relie les interrupteurs 410 de manière à former un pont en H et dont une autre partie est connectée à des bornes de commande des interrupteurs 410. La carte 25 électronique auxiliaire 408 comporte un substrat, pris par exemple parmi : DBC (de l'anglais « Direct bonded copper » signifiant liaison directe de cuivre), IMS (de l'anglais « Insulated metal substrate » signifiant substrat métallique isolé), Flat IML (de l'anglais « flat in-mold labeling » signifiant étiquetage dans le moule plat), moulage de piste par injection (de l'anglais « Transfer molding 30 leadframe ») et HTCC (de l'anglais « High Temperature Co-fired Substrate » signifiant substrat à cuisson simultanée à haute température). La carte 8 électronique auxiliaire 408 est liée mécaniquement et thermiquement au dissipateur de chaleur auxiliaire 406. Le module d'excitation 210 comporte en outre des broches 414 verticales, surmoulées dans le boîtier 304 et atteignant la carte électronique 5 302 pour y être connectées. En référence à la figure 5, le module d'excitation 210 comporte des barres omnibus d'excitation 502 connectées au collecteur tournant 208 et fournissant à ce dernier la tension d'excitation. Les barres omnibus d'excitation 502 sont détachées du circuit électronique 302 et s'étendent, dans l'exemple 10 décrit, sous le circuit électronique 302, à distance de ce dernier. Les broches 414 incluent des broches 504 de commande des interrupteurs 410 (dans l'exemple décrit, seuls trois interrupteurs 410 sont commandés, le quatrième fonctionnant en diode de roue libre), ainsi que des broches d'entrée 506 fournissant la tension d'entrée U depuis la carte 15 électronique 302. Dans l'exemple décrit, les broches 414 et les barres omnibus d'excitation 502 sont regroupées sur un bornier 508 séparé de la carte électronique auxiliaire et connectées aux pistes conductrices 412 de la carte électronique auxiliaire 408 par des fils électriques (en anglais, « bonding »). 20 La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment, mais est au contraire définie par les revendications qui suivent. Il sera en effet apparent à l'homme du métier que des modifications peuvent y être apportées. Par ailleurs, les termes utilisés dans les revendications ne doivent pas 25 être compris comme limités aux éléments du mode de réalisation décrit précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l'homme REVENDICATIONS1. Convertisseur de tension (104) destiné à être connecté entre une source d'alimentation électrique (102) fournissant une tension continue et une machine électrique (130) destinée à recevoir des tensions de phase, comportant : - au moins un module de puissance (110) conçu pour effectuer une conversion entre la tension continue et au moins une des tensions de phase, - une carte électronique (302) de commande du ou des modules de puissance (110), - un module d'excitation (210) conçu pour convertir la tension continue en une tension d'excitation et pour fournir la tension d'excitation à un collecteur tournant (208) de la machine électrique (130), caractérisé en ce que le module d'excitation (210) est détaché de la carte électronique (302) et connecté au collecteur tournant (208) de la machine électrique (130) par des connexions électriques (502) détachées de la carte électronique (302). 2. Convertisseur de tension (104) selon la revendication 1, comportant en outre un boîtier (304) de réception de la carte électronique (302), le module d'excitation (210) étant fixé au boîtier (304). 3. Convertisseur de tension (104) selon la revendication 2, dans lequel le boîtier (304) comporte un plateau (402) présentant des plots (404) sur lesquels la carte électronique (302) repose, le module d'excitation (210) étant fixé au plateau (402) du boîtier (304). 4. Convertisseur de tension (104) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant un dissipateur de chaleur principal (202) conçu pour dissiper la chaleur de composants de puissance (112, 114) des modules de puissance (110). 10 5. Convertisseur de tension (104) selon la revendication 4, dans lequel le module d'excitation (210) comporte des composants (410) et un dissipateur de chaleur auxiliaire (406) conçu pour dissiper la chaleur de ces composants (410), le dissipateur de chaleur auxiliaire (406) étant distinct du dissipateur de 5 chaleur principal (202). 6. Convertisseur de tension (104) selon les revendications 2 et 5 prises ensemble, dans lequel le boîtier (304) est surmoulé autour du dissipateur de chaleur auxiliaire (406). 7. Convertisseur de tension (104) selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 6, dans lequel le module d'excitation (210) comporte un pont en H. 8. Convertisseur de tension (104) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le module d'excitation (210) comporte des broches d'entrée (506) connectées à la carte électronique (302) pour fournir la 15 tension continue au module d'excitation (210). 9. Convertisseur de tension (104) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le module d'excitation (210) comporte des broches de commande (504) connectées à la carte électronique (302) pour que la carte électronique (302) commande le module d'excitation (210). 20