Brevet FR3078456A1 — publié le 20190830

MODULE DE COMMUTATION DE PUISSANCE ET DISPOSITIF ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE INTÉGRANT CELUI-CI [1] L'invention concerne de manière générale le domaine de l'électronique de puissance. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des modules de commutation 5 de puissance et des dispositifs électroniques de puissance intégrant de tels modules. [2] Les dispositifs électroniques de puissance, tels que les onduleurs et convertisseurs de puissance, mais pas exclusivement, sont très présents dans de nombreux domaines d'activité comme les transports, les industries, l'éclairage, le chauffage, etc. Avec la transition énergétique souhaitée vers des sources d'énergie 10 renouvelables et moins productrices d'émissions de CO2, l'électronique de puissance est appelée à se généraliser encore davantage et devra répondre à des contraintes économiques et technologiques croissantes. Les recherches et développements actuels dans le domaine des dispositifs électroniques de puissance se concentrent notamment sur la réduction des coûts, l'augmentation de la densité de puissance pour plus de compacité, 15 l'augmentation de la fiabilité, la réduction des éléments parasites et des rayonnements électromagnétiques et le transfert thermique de l'énergie dissipée. [3] Les différentes contraintes s'appliquant aux dispositifs électroniques de puissance ont conduit vers une architecture modulaire des ponts de commutation, avec des modules élémentaires de commutation de puissance, dits « modules de puissance », qui 20 correspondent chacun à une branche de commutation du pont. Ainsi, par exemple, un pont de commutation hexaphasé, triphasé, ou comprenant un nombre quelconque de phases ou pôles, peut être obtenu en assemblant plusieurs modules de puissance. [4] Des architectures 3D sont proposées pour les modules de puissance, avec un refroidissement double face des puces de puissance, et présentent un intérêt certain pour 25 accroître la compacité des dispositifs électroniques de puissance. La recherche d'une compacité accrue requiert d'être capable de maintenir les températures des composants actifs et passifs en dessous de valeurs critiques, pour atteindre un équilibre thermique et garantir la fiabilité. Une extraction de l'énergie dissipée au plus près des composants est souhaitable. Le chemin thermique entre les sources de chaleur constituées des 30 composants et les puits de chaleur constitués des moyens de dissipation thermique doit être optimisé. Des dispositifs de refroidissement performants sont donc indispensables. [005] La disponibilité des nouveaux semi-conducteurs de puissance, comme aujourd'hui le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) et, prochainement, le 2 diamant, et une utilisation judicieuse de ceux-ci poussent vers une augmentation de la compacité des modules de puissance. Ces nouveaux semi-conducteurs de puissance autorisent des densités de courant supérieures, des fréquences de commutation plus élevées et des tensions plus hautes favorables à la réduction des pertes joules. Cependant, des solutions doivent être trouvées, car des tensions plus élevées augmentent les risques de claquage et s'opposent à une réduction des distances entre les composants à des potentiels électriques différents. [6] La réduction des éléments parasites résistifs, inductifs et capacitifs est essentielle pour atteindre le meilleur compromis possible entre la recherche de compacité et la satisfaction des différentes contraintes de conception. Les inductances parasites dans les bus barres de puissance s'opposent à des fréquences de commutation plus élevées. Des fréquences de commutation plus élevées sont favorables à la compacité mais augmentent les pertes en commutation et la puissance dissipée par les composants. La réduction des inductances parasites est nécessaire pour protéger les circuits contre des surtensions potentiellement destructrices, améliorer la maîtrise des rayonnements électromagnétiques, réduire la chaleur générée et augmenter la vitesse de commutation. [7] Pour l'amélioration de la fiabilité, notamment dans les applications où les cycles thermiques sont sévères, la technologie dite "press-pack" est utilisée. Dans la technologie « press-pack », les contacts électriques sont assurés à l'aide de moyens mécaniques de pression ou serrage qui maintiennent les composants en place et en contact. La technologie "press-pack" permet de rendre les modules de puissance eux-mêmes modulaires et leurs sous-modules testables et remplaçables. Il en découle davantage de standardisation et une réduction des coûts de production. De plus, la technologie « press-pack » présente aussi l'intérêt de faciliter la réparation des dispositifs du fait de la démontabilité de ceux-ci. [8] Les dispositifs électroniques de puissance ayant une forme géométrique extérieure en palet ou galette cylindrique ont un grand intérêt. Cette forme géométrique extérieure en galette cylindrique facilite notamment l'intégration d'un convertisseur électronique de puissance à l'arrière d'une machine électrique tournante, en prolongement de son stator cylindrique. Les modules de puissance du convertisseur doivent alors être contenus géométriquement dans des secteurs cylindriques adjacents. L'implantation à l'arrière d'une machine électrique tournante du condensateur de filtrage des bus d'alimentation de courant continu du convertisseur pose habituellement des difficultés, du fait de l'encombrement d'un tel condensateur. Dans l'état de la technique, il est connu de 3 réaliser ce condensateur de filtrage avec plusieurs condensateurs cylindriques montés en parallèle, de manière à faciliter l'intégration à l'arrière de la machine électrique tournante. [009] Il apparaît aujourd'hui souhaitable de proposer un module de puissance ayant une architecture nouvelle qui facilite la fabrication d'un dispositif électronique de puissance 5 de compacité accrue avec une forme extérieure en galette cylindrique, autorisant de meilleurs compromis dans la satisfaction des contraintes de conception susmentionnées et qui soit adapté pour les nouveaux semi-conducteurs de puissance SiC et GaN, ainsi que les technologies 3D et « press-pack ». [0010] Selon un premier aspect, l'invention concerne un module de puissance 10 comprenant une carte électronique dans laquelle est intégrée au moins une branche de commutation de puissance, un condensateur et au moins trois bus barres d'alimentation de courant continu, dans lequel la carte électronique est montée entre un premier bus barre et un deuxième bus barre et le condensateur est monté entre le deuxième bus barre et un troisième bus barre et la carte électronique, le condensateur et les bus barres 15 comprennent des faces de contact électrique autorisant un montage du type dit « press pack » de la carte électronique et du condensateur. [0011] Selon une caractéristique particulière, le module de puissance a une forme extérieure qui est contenue dans un secteur cylindrique ayant un angle déterminé et les faces de contact électrique sont sensiblement perpendiculaires à un plan radial de 20 symétrie du secteur cylindrique. [0012] Selon une autre caractéristique particulière, le condensateur est de type céramique multicouche. [0013] Selon encore une autre caractéristique particulière, la carte électronique est de type dit « SiP » et comprend des moyens de commande et au moins un condensateur de 25 filtrage capacitif de premier niveau. [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, le condensateur de filtrage capacitif de premier niveau est un condensateur de type céramique multicouche. [0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, le premier bus barre comprend une face extérieure en arc de cercle comprenant une pluralité d'ailettes de 30 refroidissement. 4 [0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, au moins le premier bus barre parmi les trois bus barres comprend deux faces de jonction inclinées symétriquement par rapport au plan radial de symétrie. [0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, au moins un canal de 5 passage et/ou remplissage pour un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d'ignifugation et/ou d'isolation électrique est compris dans au moins un des trois bus barres. [0018] Selon encore une autre caractéristique particulière, au moins une branche de commutation de puissance comprend au moins un transistor de type GaN, SiC, MOSFET 10 ou IGBT. [0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, les trois bus barres d'alimentation de courant continu sont en cuivre et/ou aluminium. [0020] Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un dispositif électronique de puissance comprenant une pluralité de modules de puissance tels que décrits brièvement 15 ci-dessus, les modules de puissance étant disposés en cercle et étant en contact électrique par leurs premier, deuxième et troisième bus barres. [0021] Selon une caractéristique particulière, le dispositif électronique de puissance comprend un volume central occupé par un liquide et/ou un élément électrique, mécanique et/ou électronique, le liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d'ignifugation et/ou 20 d'isolation électrique. [0022] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'une forme de réalisation particulière de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Figs.1 est un schéma électrique de principe d'une forme de réalisation 25 particulière d'un module de puissance selon l'invention ; la Fig.2 est une vue extérieure en perspective d'un module de puissance selon l'invention ; la Fig.3 est une vue en coupe d'un module de puissance selon l'invention ; et 5 la Fig.4 est une vue extérieure en perspective d'une forme de réalisation particulière d'un dispositif électronique de puissance selon l'invention comprenant une pluralité de modules de puissance. [0023] A la Fig.1, il est montré le schéma électrique de principe d'une forme de 5 réalisation particulière 1 d'un module de puissance selon l'invention. Le module de puissance 1 est du type SiP (pour « System in Package » en anglais) et comprend une branche de pont de commutation BM à laquelle sont associés un contrôleur pC et des moyens capacitifs de filtrage CI et CE. [0024] La branche de pont de commutation BM comprend ici deux transistors THS et TLS 10 de type Nitrure de Gallium (GaN). Bien entendu, d'autres types d'interrupteur électronique de puissance pourront être utilisés tels que des transistors MOSFET ou IGBT. Les transistors THs et TLS forment des parties haute et basse, dites « High Side » et « Low Side » en anglais, et sont connectés entre des bus d'alimentation de courant continu à des tensions positive +DC et négative -DC, respectivement. Comme visible à la Fig.1, des 15 électrodes de drain D et de source S des transistors THs et TLS sont reliées aux bus +DC et -DC, respectivement. Des électrodes de source S et de drain D des transistors THs et TLS, respectivement, sont reliées ensemble et forment la sortie de puissance commutée OUT du module de puissance 1. [0025] Le contrôleur pC commande les commutations des transistors THs et TLS à travers 20 leurs électrodes de grille G et pourra remplir d'autres fonctions qui dépendront des applications, comme par exemple la détection de panne. [0026] Les moyens capacitifs de filtrage comprennent un premier condensateur CI et un deuxième condensateur CE qui sont connectés entre les bus +DC et -DC. Les condensateurs CI et CE forment respectivement un moyen de filtrage capacitif de premier 25 niveau et un moyen de filtrage capacitif de second niveau. [0027] La branche de pont de commutation BM, le contrôleur pC et le condensateur CI sont compris dans une même carte électronique EB du type SiP. [0028] Le condensateur CI est typiquement du type céramique multicouche et pourra être formé d'un seul condensateur ou de plusieurs condensateurs en parallèle. En étant 30 implanté dans la carte électronique CE, le condensateur CI, en tant que moyen de filtrage capacitif de premier niveau, est localisé au plus près des puces des transistors. 6 [0029] Avantageusement, la carte électronique CE pourra être formée avec des techniques éprouvées et économiques de fabrication de carte électronique à circuit imprimé et avoir une architecture 3D. [0030] Le condensateur CE, en tant que moyen de filtrage capacitif de second niveau, a 5 une capacité bien supérieure à celle du condensateur CI et assure ainsi un filtrage capacitif plus important. Le condensateur CE est un composant volumineux et est implanté à l'extérieur de la carte électronique EB. Le condensateur CE est typiquement du type céramique multicouche. [0031] L'architecture matérielle du module de puissance 1, avec l'agencement de la 10 carte électronique EB et du condensateur CE entre des bus barres, est maintenant décrite en détail ci-dessous en référence aux Figs.2 à 4. [0032] Comme visible à la Fig.2, montrant une vue extérieure en perspective, le module de puissance 1 est contenu dans un secteur cylindrique SC. Le secteur cylindrique SC est défini par un axe de secteur AA, un rayon R, un angle de secteur a et une hauteur H. 15 Dans cette forme de réalisation particulière, le secteur SC a un angle a égal à 60°. [0033] Cette configuration extérieure contenue dans un secteur cylindrique permet de réaliser un dispositif électronique de puissance en forme de galette cylindrique, en disposant de manière adjacente plusieurs modules de puissance. Comme montré à la Fig.4, un dispositif électronique de puissance hexaphasé CONV peut ici être obtenu en 20 assemblant six modules de puissance analogues 1 à 6. [0034] En référence plus particulièrement aux Figs.2 et 3, le module de puissance 1 comprend essentiellement la carte électronique EB, le condensateur CE et trois bus barres Bi, B2 et B3. La carte électronique EB et le condensateur CE sont contenus dans des volumes internes El et E2 prévus entre les bus barres Bi, B2 et B2, B3, respectivement. 25 [0035] Dans le module de puissance 1, les bus barres B1 et B3 sont destinés à être portés à la tension continue négative -DC qui correspond à la polarité de masse. Le bus barre B2 est destiné à être porté à la tension continue positive +DC. [0036] Les bus barres Bi, B2 et B3 sont formés dans des métaux conducteurs tels que l'aluminium ou le cuivre et pourront être fabriqués par moulage et/ou usinage et/ou 30 tronçonnage d'une barre de profilé. 7 [0037] Le bus barre B1 comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement 10 qui sont formées sur une face latérale externe F1 en arc de cercle. Les ailettes de refroidissement 10 se prolongent radialement vers l'extérieur à partir de la face latérale externe en arc de cercle F1. Le bus barre B1 forme ainsi un dissipateur thermique. En outre, le bus barre B1 5 comprend notamment deux faces de jonction inclinées F2, sensiblement planes, et une face interne F3 sensiblement plane. [0038] Les deux faces de jonction F2 forment des extrémités longitudinalement opposées du bus barre B1 et sont inclinées d'un angle a/2 par rapport à un plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Dans cet exemple de réalisation, avec le module 10 de puissance 1 contenu dans un secteur cylindrique d'angle a = 60°, les deux faces de jonction F2 sont inclinées d'un angle a/2 = 30°. [0039] Les faces de jonction F2 du bus barre B1 sont destinées à venir en contact avec des faces de jonction F2 correspondantes de modules de puissance adjacents. On notera que le terme « planes » utilisés ici pour qualifier les faces de jonction F2 ne doit pas être 15 interprété de manière stricte. En effet, comme montré à la Fig.3, ces faces de jonction F2 pourront, par exemple, comprendre des rainures 11 pour le logement de joints d'étanchéité, par exemple du type dit « Viton » (marque déposée). Des moyens de liaison mécanique démontable (non représentés) pourront aussi être agencés au niveau de ces faces de jonction F2. 20 [0040] La face interne F3, sensiblement plane, est une face de contact par serrage avec la carte électronique EB. De même qu'indiqué ci-dessus pour la face de jonction F2, le terme « plane » utilisé ici pour qualifier la face interne F3 ne doit pas être interprété de manière stricte, sachant que différents aménagements pourront être prévus en fonction des applications. 25 [0041] Le bus barre B2 comprend notamment deux faces de jonction F4, formant des extrémités longitudinalement opposées du bus barre B2, et des première et deuxième faces F5 et F6. [0042] De manière analogue aux faces F2 du bus barre B1, les deux faces de jonction F4 sont inclinées de l'angle a/2 par rapport au plan radial de symétrie PS du secteur 30 cylindrique SC. Les faces de jonction F4 sont destinées à venir en contact avec des faces de jonction F4 correspondantes de modules de puissance adjacents. 8 [0043] La première face F5 du bus barre B2 est une face de contact par serrage avec la carte électronique EB. Comme visible aux Figs.2 et 3, des canaux 12 sont aménagés dans cette première face F5 et sont destinés typiquement à la circulation, ou le remplissage, d'un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d'ignifugation et/ou d'isolation 5 électrique. Bien entendu, dans d'autres formes de réalisation, des canaux de liquide pourront aussi, ou exclusivement, être formés dans la face interne F3 du bus barre Bi. On notera que les fonctions d'ignifugation et d'isolation électrique permettent d'éviter des claquages électriques et des départs de feu, et une dégradation consécutive éventuelle du module de puissance. 10 [0044] Les faces F3 et F5 sont adaptées pour un montage de type « press-pack » de la carte électronique EB entre les bus barres B1 et B2. Le volume interne El aménagé entre les faces F3 et F5 permet de recevoir la carte électronique EB. [0045] La deuxième face F6 du bus barre B2 est une face sensiblement plane orientée en regard d'une première face F7, sensiblement plane, du bus barre B3. La faces F6 et F7 15 sont sensiblement parallèles et définissent le deuxième volume interne E2 dans lequel est contenu le condensateur CE. Les faces F6 et F7 sont des faces de contact par serrage avec des première et deuxième électrodes sensiblement planes du condensateur CE et sont adaptées pour un montage de type « press-pack » du condensateur CE entre les bus barres B2 et B3. 20 [0046] Outre la première face F7, le bus barre B3 comprend notamment deux faces de jonction F8, formant des extrémités longitudinalement opposées du bus barre, et une deuxième face F9. De manière analogue aux faces F2 du bus barre Bi, les deux faces de jonction F8 sont inclinées de l'angle a/2 par rapport au plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Les faces de jonction F8 sont destinées à venir en contact avec 25 des faces de jonction F8 correspondantes de modules de puissance adjacents. [0047] L'ensemble des faces F3, F5, F6 et F7 des bus barres Bi, B2 et B3 sont des faces de contact électrique qui sont sensiblement perpendiculaires au plan radial de symétrie SC dudit secteur cylindrique et autorisent le montage de type « press pack » de la carte électronique EB et du condensateur C entre les bus barres. 30 [0048] La deuxième face F9 du bus barre B3 est sensiblement plane et parallèle à la première face F7 et forme une face d'extrémité du module de puissance 1 perpendiculaire 9 au plan radial de symétrie PS du secteur cylindrique SC. Un volume E3 est disponible dans le secteur cylindrique SC entre l'axe de secteur AA et la face F9. [0049] On notera la présence de canaux 13, visibles à la Fig.2, qui sont prévus sur des faces d'extrémité haute et basse du bus barre B3. Les canaux 13 sont destinés 5 notamment au passage, ou remplissage, du liquide caloporteur et/ou ignifuge et/ou isolant électrique. [0050] L'assemblage « press-pack » du module de puissance 1 fera appel, par exemple, à des attaches élastiques assurant le serrage requis ou des vis montées à travers des passages de vis isolés pour éviter des courts-circuits. Ces techniques d'assemblage 10 mécanique avec serrage sont bien connues de l'homme du métier et ne sont pas détaillées ici. [0051] Comme cela apparaît à la Fig.4, lorsque plusieurs modules de puissance selon l'invention, 1 à 6 dans cet exemple, sont assemblés pour réaliser un dispositif électronique de puissance CONV en forme de galette cylindrique, un volume central VC reste 15 disponible par l'addition des différents volumes E3 laissés libres. [0052] Selon les dispositifs électroniques de puissance réalisés à l'aide de plusieurs modules de puissance selon l'invention, le volume central VC pourra être dédié à différentes fonctions. Ainsi, par exemple, le volume central VC pourra être dédié, partiellement ou en totalité, à la circulation ou au remplissage d'un liquide ayant une 20 fonction de caloportage et/ou d'ignifugation et/ou d'isolation électrique. Dans une autre application, le volume central VC pourra être dédié, partiellement ou en totalité, au logement de moyens de filtrage capacitif supplémentaires et/ou de moyens de stockage d'énergie par exemple sous la forme d'une batterie de type lithium-ion, d'un supercondensateur ou de tout autre élément mécanique, électrique et/ou électronique. 25 [0053] Les faces haute et basse du dispositif électronique de puissance CONV seront fermées par des plaques portées à la tension -DC des bus barres B1 et B3. Une cage de Faraday est ainsi obtenue et apporte un blindage électromagnétique favorable à la compatibilité électromagnétique (CEM). L'étanchéité au niveau de ces faces haute et basse pourra être assurée par des joints d'étanchéité, par exemple du type dit « Viton » 30 (marque déposée). [0054] On notera ici que la forme circulaire en galette du dispositif électronique de puissance CONV rend celui-ci parfaitement adapté pour une intégration dans une machine 10 électrique tournante, par exemple un moteur de traction ou une machine réversible associée à un système de freinage récupératif. [0055] L'invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, REVENDICATIONS1) Module de puissance (1) comprenant une carte électronique (EB) dans laquelle est intégrée au moins une branche de commutation de puissance (BM), un condensateur (CE) et au moins trois bus barres d'alimentation de courant continu (B1, B2, B3), dans lequel ladite carte électronique (EB) est montée entre un premier bus barre (B1) et un deuxième bus barre (B2) et ledit condensateur (CE) est monté entre ledit deuxième bus barre (B2) et un troisième bus barre (B3) et lesdits carte électronique (EB), condensateur (CE) et bus barres (B1, B2, B3) comprennent des faces de contact électrique (F3, F5, F6, F7) autorisant un montage du type dit « press pack » desdits carte électronique (EB) et condensateur (CE). 2) Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une forme extérieure qui est contenue dans un secteur cylindrique (SC) ayant un angle déterminé (a) et lesdites faces de contact électrique (F3, F5, F6, F7) sont sensiblement perpendiculaires à un plan radial de symétrie (PS) dudit secteur cylindrique (SC). 3) Module de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit condensateur (CE) est de type céramique multicouche. 4) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite carte électronique (EB) est de type dit « SiP » et comprend des moyens de commande (pC) et au moins un condensateur (CI) de filtrage capacitif de premier niveau. 5) Module de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit condensateur (CI) de filtrage capacitif de premier niveau est un condensateur de type céramique multicouche. 6) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit premier bus barre (B1) comprend une face extérieure en arc de cercle (F1) comprenant une pluralité d'ailettes de refroidissement (10). 12 7) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et la revendication 2, caractérisé en ce que au moins ledit premier bus barre (B1) parmi lesdits trois bus barres (B1, B2, B3) comprend deux faces de jonction (F2, F4, F8) inclinées symétriquement par rapport audit plan radial de symétrie (PS). 5 8) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un canal (12, 13) de passage et/ou remplissage pour un liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d'ignifugation et/ou d'isolation électrique est compris dans au moins un desdits trois bus barres (B1, B2, B3). 9) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé 10 en ce que ladite au moins une branche de commutation de puissance (BM) comprend au moins un transistor de type GaN, SiC, MOSFET ou IGBT. 10) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits trois bus barres d'alimentation de courant continu (B1, B2, B3) sont en cuivre et/ou aluminium. 15 11) Dispositif électronique de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules de puissance (1 à 6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lesdits modules de puissance (1 à 6) étant disposés en cercle et étant en contact électrique par leurs dits premier, deuxième et troisième bus barres (B1, B2, B3). 20 12) Dispositif électronique de puissance selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un volume central (VO) occupé par un liquide et/ou un élément électrique, mécanique et/ou électronique, ledit liquide ayant une fonction de caloportage et/ou d'ignifugation et/ou d'isolation électrique.