Brevet FR3075563A1 — publié le 20190621

La presente invention se rapporte au domaine des systemes electroniques de puissance pour notamment controler des machines electriques dedies a ('electrification des systemes de suralimentation utilises notamment pour des moteurs a combustion interne. Plus specifiquement, ('invention concerne un dispositif de refroidissement de ces systemes electroniques de puissance. Certains systemes d'electroniques de puissance peuvent etre des convertisseurs electroniques de puissance DC/AC, notamment des onduleurs, qui ont pour fonction d'interfacer des sources de tension continues avec des machines electriques fonctionnant avec des courant alternatifs. Ces onduleurs permettent de realiser differentes fonctions essentielles pour la conversion et la mise en forme des grandeurs electriques (courants, tensions et frequence) issues des sources de tension continues. Ainsi, les fonctions realisees par ces onduleurs sont notamment d'interfacer une source de tension avec une charge ou une source de nature differente, d'assurer le controle des tensions et courants mis en jeu, d'assurer une bonne qualite d'energie, que ce soit du cote des sources ou du cote des charges et d'assurer la stabilite electrique de ('ensemble du systeme de conversion. Generalement, les systemes electroniques de puissance comprennent des composants electroniques de puissance generant de la chaleur issue notamment des pertes lors des commutations a haute frequence. La chaleur generee peut amener les composants de puissance a des temperatures telles, que les performances des composants de puissance peuvent etre degradees, voire meme leurs structures peuvent etre endommagees. Ceci est d'autant plus vrai dans les environnements thermiquement contraignants, comme cela peut etre le cas lors d'un fonctionnement proche ou sur un moteur a combustion interne sous le capot d'un vehicule. Pour pallier a ces problemes de gestion thermique des composants electriques, differentes solutions ont ete developpees. Ainsi le document US 6930417 B2 decrit un onduleur combine a un moteur electrique dans lequel les composants de puissance de l'onduleur sont mantes directement sur le moteur electrique. Dans ce cas de figure, les composants de puissance de l'onduleur sont refroidis par un circuit de refroidissement a eau ou liquide. Le document US005491370A decrit !Integration d'une electronique de puissance au plus proche d'une machine electrique. Les composants de puissances sont disposes sur le contour de la carcasse de la machine electrique. Cette structure utilise de la meme maniere un circuit de refroidissement a eau. D'autres solutions enf in proposent d'utiliser un ventilateur afin de refroidir les composants electroniques de puissance. 2 Ces structures de l'art anterieur presentent plusieurs inconvenients comme notamment le besoin de systernes de refroidissement lourds a concevoir et a integrer tels que des circuits de refroidissement a eau ou des ventilateurs, ou encore comme le besoin d'utiliser des composants de puissances qui aient une tenue aux temperatures elevees des lors que 5 ceux-ci sont disposes a proximite d'un moteur a combustion interne. Ceci implique alors un surcout pour les systernes electroniques de puissance. La presente invention vise ainsi a remedier aux inconvenients enumeres ci-dessus et vise a proposer une solution pour refroidir les systernes electroniques de puissance qui soit simple a concevoir et efficace, tout en s'integrant au plus proche de la machine electrique a 10 piloter. Cette invention vise a limiter les couts de conception, les couts des composants electroniques et d'utilisation de materiaux servant au cablage entre les composants et la machine. Ainsi, pour atteindre au moins les objectifs susvises, parmi d'autres, la presente invention propose, selon un premier aspect, un dispositif de refroidissement d'un systerne 15 electronique de puissance comprenant au moins un composant electronique de puissance monte sur au moins une carte electronique, ledit dispositif de refroidissement comprend une durite de circulation d'un flux a une temperature ambiante, et le dispositif de refroidissement se caracterise en ce qu'il comprend une premiere surface d'echange thermique reliee thermiquement aux composants electroniques de puissance et au moins une deuxierne 20 surface d'echange thermique avec le flux circulant inseree dans la durite de circulation de maniere a evacuer de la chaleur par convection avec le flux circulant et ladite deuxierne surface d'echange thermique est reliee thermiquement a la premiere surface d'echange thermique. Un dispositif de refroidissement tel que prevu permet un refroidissement du systerne 25 electronique de puissance. Cela a pour effet d'augmenter la duree de vie du systerne electronique mais aussi permet d'utiliser des composants electroniques peu onereux et peu encombrants et facilement integrables sur des cartes electroniques. L'effet d'avoir une durite de circulation qui vehicule un flux a temperature ambiante, c'est-a-dire autour de 20°C, permet de canaliser le flux dans un espace restreint et dans une direction donnee, et permet 30 d'amener ce flux a un endroit souhaite selon la configuration de la durite. En outre en choisissant une dimension appropriee de la durite, on peut maitriser la vitesse et/ou la pression et/ou le debit du flux circulant ce qui s'avere particulierement interessant pour evacuer plus ou moins de chaleur comme cela sera decrit par la suite. Un interet d'avoir une premiere surface d'echange thermique est que cette surface va jouer un role de capteur de chaleur. Cette chaleur est captee des composants electroniques grace a la proximite et/ou a la liaison thermique de celle-ci avec les composants qui generent de la chaleur. Cette premiere surface thermique est en general positionnee pres des composants electronique pour que l'echange de chaleur se fasse par conduction thermique le plus rapidement et le plus efficacement possible. L'interet d'avoir une deuxieme surface d'echange thermique reliee thermiquement a la 5 premiere surface d'echange thermique est de pouvoir transferer la chaleur de la premiere surface a la deuxieme surface notamment par conduction. Ces deux surfaces peuvent etre reliees directement ou indirectement comme cela sera decrit par la suite. L'effet de positionner la deuxieme surface d'echange thermique dans le flux circulant dans la durite de circulation est de permettre a la chaleur accumulee dans et sur la deuxieme surface, d'être 10 evacuee par le flux, notamment par un phenomene de convection. Le flux etant generalement moins chaud que la deuxieme surface d'echange thermique, le transfert de chaleur se fait de la deuxieme surface d'echange thermique vers le flux. Selon l'invention, le dispositif de refroidissement comprend un dissipateur thermique qui retie la premiere surface d'echange thermique avec la deuxieme surface d'echange 15 thermique, et le dissipateur thermique englobe au moins en partie la durite de circulation de flux. L'interet d'un tel dissipateur, dont la structure englobe en partie la durite, est de pouvoir ameliorer les echanges thermiques entre la premiere et la deuxieme surface d'echange thermique, mais aussi entre la deuxieme surface d'echange thermique et le flux. En effet le 20 fait d'avoir une structure qui englobe en partie la durite, permet d'augmenter la surface du dissipateur. Cette surface sert notamment a porter la deuxieme surface d'echange thermique et permet donc d'augmenter la surface d'echange thermique de la deuxieme surface d'echange thermique. Selon l'invention, la deuxieme surface d'echange thermique est portee par des ailettes 25 reliees au dissipateur thermique et les ailettes sont disposees circulairement dans la durite et convergent du bord de la durite vers le centre de celle-ci. Le fait de concevoir la deuxieme surface d'echange thermique sous forme d'ailettes permet d'avoir un dispositif de type radiateur qui comporte une grande surface d'echange de chaleur du fait du positionnement le long de la paroi de la durite. La disposition des ailettes telle qu'evoquee, permet d'utiliser 30 ('ensemble du flux circulant dans la durite pour les echanges thermique. Selon l'invention, la deuxieme surface d'echange thermique est portee par des ailettes reliees directement a la premiere surface d'echange thermique et dirigees dans la durite de circulation perpendiculairement a la premiere surface d'echange thermique. Une telle construction est simple a mettre en oeuvre et a construire tout en assurant une bonne evacuation de chaleur dans le flux due notamment aux ailettes qui jouent un role de radiateur. Selon l'invention, la deuxieme surface d'echange thermique est portee par des ailettes reliees directement a la premiere surface d'echange thermique et les ailettes convergent 5 dans la durite et vers le centre de celle-ci. Une telle disposition des ailettes permet d'avoir une construction simple et rapide a mettre en oeuvre et qui permet d'amener la chaleur au centre de la durite, dans le flux circulant, la 0E1 ('evacuation de chaleur est optimale. Selon l'invention, le systeme electronique de puissance est un onduleur dont une partie des composants electronique de puissance sont relies a la premiere surface d'echange 10 thermique. De cette maniere, sur un dispositif onduleur qui produit beaucoup de chaleur, les composants electronique de puissance, qui sont les plus gros emetteur de chaleur, vont rapidement transmettre la chaleur produite a la premiere surface d'echange thermique ce qui va permettre une evacuation plus rapide de celle-ci. 15 Selon l'invention, ladite durite de circulation du flux est une durite d'admission d'air d'un moteur a combustion interne. Cela a pour effet de pouvoir utiliser un tel systeme dans le domaine des moteurs thermiques. Selon un second aspect, l'invention concerne un systeme electronique de puissance, 20 ledit systeme comprend un boitier mecanique qui integre au moins une carte electronique comprenant au moins un composant electronique de puissance caracterise en ce que ledit systeme electronique de puissance comprend un dispositif de refroidissement tel que revendique precedemment. L'interet d'utiliser un tel dispositif de refroidissement dans le cadre d'un systeme 25 electronique de puissance est de pouvoir refroidir ce systeme de maniere simple et efficace et de pouvoir l'integrer dans un environnement fres proche d'un moteur thermique tout en recluisant la longueur des connections avec une machine electrique. Selon l'invention, le boitier mecanique integre des ailettes destinees a capter la chaleur a l'interieur du boitier mecanique et a la transferer au flux. Ces ailettes peuvent venir en 30 complement des ailettes du dispositif de refroidissement pour ameliorer encore l'efficacite de ('evacuation de la chaleur. Selon l'invention, le boitier mecanique integre un ventilateur. L'interet d'un tel ventilateur est de brasser fair a l'interieur du boitier afin d'accelerer les echanges thermiques avec les ailettes. Ce ventilateur vient en complement des ailettes et it est dimensionne pour etre compact et pour pouvoir brasser de fair. Selon l'invention, le boitier mecanique comprend un systeme de circulation d'une partie 5 du flux a l'interieur dudit boitier mecanique. L'interet d'un tel systeme de circulation est d'accelerer les echanges thermiques dans le boitier et notamment entre les composants de puissance et la premiere surface d'echnage thermique. Selon l'invention, le systeme electronique de puissance alimente une machine 10 electrique. De cette maniere on peut piloter une machine electrique d'un moteur thermique avec un dispositif electronique qui se positionne au plus pres de la machine electrique a piloter ce qui permet un gain sur notamment le cablage et l'encombrement. Selon l'invention, ladite machine electrique entraine un compresseur. De cette maniere on peut avoir un systeme de suralimentation d'un moteur thermique qui soit compact et facile 15 a mettre en oeuvre. Selon l'invention, ladite machine electrique entraine une turbine d'un turbocompresseur. Selon l'invention, ladite machine electrique est traversee par le flux d'air en amont dudit compresseur ou de ladite turbine dudit turbocompresseur. 20 De cette maniere le flux est a temperature ambiante. Selon l'invention, ladite machine electrique est disposee sur un arbre qui retie le compresseur dudit turbocompresseur et la turbine dudit turbocompresseur. Presentation succincte des figures 25 D'autres caracteristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaitront a la lecture de la description ci-apres d'un exemple non limitatif de realisation, en se referant aux figures annexees et decrites ci-apres. La figure 1 illustre un dispositif selon l'invention dans un premier mode de realisation ; La figure 2 illustre un dispositif selon l'invention dans un deuxieme mode de realisation 30 ; La figure 3 illustre un dispositif selon l'invention dans un troisieme mode de realisation ; La figure 4 illustre un dispositif selon une premiere configuration dans le cas d'un turbocompresseur entraine par une machine electrique ; 6 La figure 5 illustre un dispositif selon une deuxierne configuration dans le cas d'un turbocompresseur entraine par une machine electrique ; La figure 6 illustre un dispositif selon une troisierne configuration dans le cas d'un turbocompresseur entraine par une machine electrique ; 5 La figure 7 illustre un dispositif integre dans le cas d'un compresseur. Description detainee de !'invention D'une maniere generale la solution proposee consiste en une electronique de puissance (EP) pour electrifier des machines electriques (ME) que Ion peut retrouver dans des groupes motopropulseurs comprenant un moteur (M) a combustion interne. Ces 10 machines electriques (ME) peuvent servir par exemple pour la suralimentation de moteurs a combustion interne et peuvent etre, de maniere non !imitative, des compresseurs (C) ou des turbocompresseurs (Tc). Cette electronique de puissance (EP) peut comprendre plusieurs cartes electroniques (3), comme visible a la figure 1, sur lesquelles sont montees des composants electroniques. Dans le cas 00 le systerne electronique de puissance (EP) est un 15 onduleur, servant a interfacer une source de courant avec les differentes machines electriques (ME), le systerne electronique de puissance (EP) va comprendre des composants electroniques (2) de puissance. Ces composants electroniques (2) de puissance sont integres sur une des cartes electroniques (3). Les cartes electroniques (3) sont integrees dans un boitier mecanique (10). Dans le cadre de !'invention, les composants 20 electroniques (2) de puissance sont refroidis par un flux (5) qui circule dans une durite (4) de circulation d'un flux (5). Dans le cas d'un moteur (M) a combustion interne, cette durite (4) est une durite (4) d'admission de l'air du moteur (M). La temperature de l'air admis dans cette durite (4) est generalement proche de la temperature de l'air ambiante (autour de 20°C dans les conditions nominates). De plus, le debit d'air admis dans la durite (4) est 25 generalement proportionnel a la puissance demand& au moteur (M). L'invention utilise un dispositif (1) de refroidissement couple a la durite (4) de circulation de ce flux (5). Comme visible a la figure 1 qui represente un premier mode de realisation du dispositif (1) de refroidissement, le dispositif (1) de refroidissement du systerne electronique de puissance (EP) comprend une premiere surface d'echange thermique (6). Cette premiere surface 30 d'echange thermique (6) est la surface 00 un transfert de chaleur entre differents elements va s'operer. Cette premiere surface d'echange thermique (6) est reliee thermiquement aux composants electroniques (2) de puissance. Le fait d'être reliee thermiquement aux composants electroniques (2) de puissance a pour effet de capter la chaleur des composants electroniques (2) de puissance et de la transferer au niveau de la premiere 35 surface d'echange thermique (6) par l'intermediaire d'un gradient de temperature. Cette premiere surface d'echange thermique (6) peut etre positionnee au niveau de la surface inferieure d'un plaque electronique conductrice de chaleur. En outre le dispositif (1) de refroidissement comprend egalement au moins une deuxierne surface d'echange thermique (7), connectee thermiquement a la premiere surface d'echange thermique (6), et au niveau de laquelle la chaleur va etre evacuee. A cet effet la deuxierne surface d'echange thermique 5 (7) est reliee thermiquement au flux (5) circulant dans la durite (4) et pour cela elle est inseree dans la durite (4) de circulation du flux (5) de maniere a evacuer la chaleur par convection avec le flux (5) circulant. C'est au niveau de la deuxierne surface d'echange thermique (7) que la chaleur va etre evacuee dans le flux (5). Dans le cadre de ce premier mode de realisation, une piece additionnelle telle qu'un dissipateur (8) thermique relie la 10 premiere et la deuxierne surface d'echange thermique. Comme visible a la figure 1, ce dissipateur (8) thermique englobe au moins en partie la durite (4). La deuxierne surface d'echange thermique (7) est portee par les ailettes (9). II faut comprendre par-la que la deuxierne surface d'echange thermique (7) est composee par la surface externe des ailettes (9). Ces ailettes (9) sont reliees mecaniquement et thermiquement au dissipateur (8) 15 thermique mais egalement thermiquement a la premiere surface d'echange thermique (6) et aux composants electroniques (2) de puissance. Ces ailettes (9) peuvent avoir differentes forme et dispositions. Dans le premier mode de realisation, les ailettes (9) sont disposees circulairement autour de la durite (4) et elles convergent du bord de la durite (4) vers le centre de celle-ci. Afin de bien conduire la chaleur, les ailettes (9) et le dissipateur (8) 20 thermique sont faits dans un materiau thermiquement conducteur de chaleur. La taille des ailettes (9) peut varier en epaisseur et en longueur mais elles sont dimensionnees af in de ne pas perturber recoulement du flux (5) dans la durite (4). Les ailettes (9) et le dissipateur (8) thermique peuvent etre fait dans la merne piece. Un autre mode de realisation est visible sur la figure 2, dans lequel la ou les deuxiernes 25 surfaces d'echange thermiques (7) sont portees par des ailettes (9) qui sont reliees directement, c'est-a-dire mecaniquement et thermiquement, a la premiere surface d'echange thermique (6) en limitant la conduction au travers du materiau. La deuxierne surface d'echange thermiques (7) est composee par la surface externe des ailettes (9). Dans ce cas, les ailettes (9) sont dirigees dans la durite (4) de circulation, perpendiculairement a la 30 premiere surface d'echange thermique (6). De la merne maniere, la taille des ailettes (9) peut varier en epaisseur et en longueur et elles sont egalement dimensionnees afin de ne pas perturber recoulement du flux (5) dans la durite (4). Les ailettes (9) sont egalement faites dans un materiau thermiquement conducteur. Comme visible a la figure 3 qui represente un troisierne mode de realisation du 35 dispositif (1) de refroidissement, la ou les deuxiernes surfaces d'echange thermiques (7) sont portees par des ailettes (9) qui sont reliees directement a la premiere surface d'echange thermique (6) et, dans ce cas, les ailettes (9) convergent dans la durite et vers le centre de celle-ci. Dans ces differents modes de realisation, ces dispositifs (1) de refroidissement permettent d'utiliser des composants (2) de puissance qui sont moins coOteux car ceux-ci 5 fonctionnent dans des conditions thermiques optimales, car refroidis par un flux d'air eleve garantissant une parfaite gestion thermique du boitier d'onduleur. De cette maniere, on peut reduire le coOt du systeme electronique de puissance (EP) tout en garantissant un niveau de performance adequat. En outre, un interet reside dans le fait de pouvoir se passer de dispositif de refroidissement annexes comme cela a ete evoque precedemment, et qui sont 10 notamment soit des ventilateurs dedies (ce qui limite en outre l'energie consommee par le systeme) ou des dispositifs de circulation de liquide de refroidissement, type circuit a eau. Un tel systeme de refroidissement permet en outre de pouvoir integrer le systeme electronique de puissance (EP) dans un environnement fres proche du moteur (M) a combustion interne avec comme effet benefique de reduire la longueur des connections avec la machine 15 electrique (ME) (et donc une reduction des contraintes CEM). Ce type de solution est particulierement adequat pour l'electronique de puissance (EP) d'un composant electrifiant des organes de suralimentation, car cela permet de proposer des solutions compactes et integrees de machines electriques (ME) et onduleur. En effet et dans ce cas precis, l'electronique de puissance (EP) peut etre positionnee au plus pres d'une 20 machine electrique (ME). Dans les trois modes de realisation precedent le boitier mecanique (10) peut egalement integrer des ailettes supplementaires (non representees). Elles ont pour effet de capter la chaleur a l'interieur du boitier mecanique (10) et de la transferer au flux (5) circulant dans la durite (4). 25 Le boitier mecanique (10) peut egalement integrer un ventilateur (non represents). Ce ventilateur, contrairement aux ventilateurs dedies precedemment &lances, a pour objectif de « brasser » fair dans le boitier mecanique (10) et ainsi favoriser les echanges thermiques entre les ailettes supplementaires. Le boitier mecanique (10) peut egalement comprendre, dans les differents modes de realisation precedemment &lances, un systeme de circulation 30 d'une partie du flux (5) a l'interieur dudit boitier mecanique (10). Ceci permet d'augmenter le refroidissement de fair interne. La figure 4 represente un turbocompresseur (Tc) pour un moteur (M) a combustion interne comprenant un ou plusieurs pistons (20). Le turbocompresseur (Tc) comprend un compresseur (C) relie par un arbre (21) a une turbine (T), une machine electrique (ME), une 35 durite (4) d'admission d'air, et un refroidisseur de suralimentation (R). Le systeme 9 electronique de puissance (EP) peut etre positionne en amont par exemple du compresseur (C) d'air, la 00 la temperature d'air est relativement moderee ( REVENDICATIONSDispositif (1) de refroidissement d'un systeme electronique de puissance (EP) comprenant au moins un composant electronique (2) de puissance monte sur au moms une carte electronique (3), ledit dispositif (1) de refroidissement comprend une durite (4) de circulation d'un flux (5) a une temperature ambiante, caracterise en ce que le dispositif (1) de refroidissement comprend une premiere surface d'echange thermique (6) reliee thermiquement aux composants (2) electroniques de puissance et au moins une deuxieme surface d'echange thermique (7) avec le flux (5) circulant inseree dans la 10 durite (4) de circulation de maniere a evacuer de Ia chaleur par convection avec le flux (5) circulant et ladite deuxieme surface d'echange thermique (7) est reliee thermiquement A la premiere surface d'echange thermique (6). 2) Dispositif (1) de refroidissement selon la revendication 1 caracterise en ce qu'il comprend 15 un dissipateur (8) thermique qui retie la premiere surface d'echange thermique (6) avec Ia deuxieme surface d'echange thermique (7), et le dissipateur (8) thermique englobe au moins en partie la durite (4) de circulation de flux. 3) Dispositif (1) de refroidissement selon la revendication 2 caracterise en ce que Ia 20 deuxieme surface d'echange thermique (7) est portee par des ailettes (9) reliees au dissipateur (8) thermique et les ailettes (9) sont disposees circulairement dans Ia durite (4) et convergent du bord de Ia durite (4) vers le centre de celle-ci. 4) Dispositif (1) de refroidissement selon Is revendication 1 caracterise en ce que la 25 deuxieme surface d'echange thermique (7) est portee par des ailettes (9) reliees directement a Ia premiere surface d'echange thermique (6) et dirigees dans la durite (4) de circulation perpendiculairement a Ia premiere surface d'echange thermique (6). 5) Dispositif (1) de refroidissement selon Is revendication 1 caracterise en ce que la 30 deuxieme surface d'echange thermique (7) est portee par des ailettes (9) reliees directement a Ia premiere surface d'echange thermique (6) et les ailettes (9) convergent dans Ia durite (4) et vers le centre de celled. 6) Systeme electronique de puissance (EP), ledit systeme comprend un boitier mecanique 35 (10) qui integre au moins une carte electronique (3) comprenant au moins un composant electronique (2) de puissance caracterise en ce que ledit systeme electronique de 11 puissance comprend un dispositif (1) de refroidissement selon I'une des revendications precedentes, 7) Systeme electronique de puissance (EP) selon la revendication 6 caracterise en ce que le boitier mecanique (10) integre des ailettes destinees a capter Ia chaleur a rinterieur du boitier mecanique (10) et a la transferer au flux (5). 8) Systeme electronique de puissance (EP) selon I'une des revendications 6 a 7 caracterise en ce que le boitier mecanique (10) integre un ventilateur. 10 9) Systeme electronique de puissance (EP) selon I'une des revendications 6 a 8 caracterise en ce que le boitier mecanique (10) comprend un systeme de circulation d'une partie du flux (5) a rinterieur dudit boitier mecanique (10). 15 10) Systeme electronique de puissance (EP) selon rune des revendications 6 a 9 caracterise en ce que le systerne electronique de puissance (EP) est un onduleur dont une partie des composants electronique (2) de puissance sont relies a Ia premiere surface d'echange thermique (6). 20 11) Moteur (M) a combustion interne caracterise en ce qu'il comprend un systerne electronique de puissance (EP) selon rune des revendications 6 a 10 et une machine electrique (ME) alimentee par ledit systerne electronique de puissance (EP). 12) Moteur (M) a combustion interne selon Ia revendication precedente caracterise en ce 25 qu'il comprend un compresseur (C) entralne par ladite machine electrique (ME). 13) Moteur (M) a combustion interne selon la revendication 11 caracterise en ce quit comprend une turbine (T) d'un turbocompresseur (Tc) entrainee par ladite machine electrique (ME). 30 14) Moteur (M) a combustion interne selon I'une des revendications 12 ou 13, caracterise en ce que ladite machine electrique (ME) est traversee par le flux (5) en amont dudit compresseur (C) ou de ladite turbine (T) dudit turbocompresseur (Tc). 35 15) Moteur (M) a combustion inteme selon la revendication 12 caracterise en ce que ladite machine electrique (ME) est disposee sur un arbre (21) qui retie le compresseur (C) dudit turbocompresseur (Tc) et Ia turbine (T) dudit turbocompresseur (Tc). 12 16) Moteur (M) a combustion interne selon rune des revendications 11 a 15 caracterise en ce que ladite durite (4) de circulation du flux (5) est une durite (4) d'admission d'air dudit moteur (M) a combustion interne.