Brevet FR3099860A1 — publié le 20210212

Description Titre de l'invention : Bras de commutation [0001] La présente invention concerne un composant électronique définissant au moins un bras de commutation, notamment pour un convertisseur de tension statique tel qu'un convertisseur de tension continu/continu ou un onduleur/redresseur. [0002] Ce bras de commutation fait notamment partie d'un circuit électrique comprenant un moteur électrique de propulsion d'un véhicule hybride ou électrique. Un tel circuit électrique peut comprendre une source de tension de valeur nominale de 48V ou de valeur nominale supérieure, par exemple supérieure à 300V. [0003] Un tel bras de commutation comprend de façon connue deux interrupteurs élec- troniques commandables entre lesquels est disposé un point milieu L'un de ces interrupteurs électroniques est relié à la masse. [0004] La commande de cet interrupteur électronique relié à la masse s'effectue via un organe de pilotage. Ce pilotage met en oeuvre un signal véhiculé par un premier conducteur électriquement relié à l'électrode de commande de cet interrupteur et un deuxième conducteur électriquement relié à la masse, de sorte que la commande de cet interrupteur est référencée à la masse. Du fait de la présence du fusible, une inductance parasite existe dans la maille formée à l'aide du premier conducteur et du deuxième conducteur, ce qui dégrade les performances de commutation d'un tel interrupteur. [0005] 11 existe un besoin pour maintenir les performances de commutation d'un tel in- terrupteur, malgré la présence du fusible. [0006] L'invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'un composant électronique définissant au moins un bras de commutation destiné à convertir une première tension continue en une deuxième tension, notamment une deuxième tension continue, ce bras comprenant : [0007] - une première borne d'entrée, apte à être connectée au potentiel le plus élevé de la première tension continue, [0008] - une deuxième borne d'entrée, apte à être connectée au potentiel le moins élevé de la première tension continue, notamment à la masse [0009] - un premier interrupteur électronique commandablc, disposé entre la première borne d'entrée et un point milieu, [0010] - un deuxième interrupteur électronique commandablc, disposé entre le point milieu et la deuxième borne d'entrée, [0011] - une troisième borne d'entrée, apte à être connectée au point milieu, [0012] - un organe de protection contre les sur-courants, disposé en série entre le deuxième interrupteur électronique et la deuxième borne d'entrée, et [0013] - une unité de pilotage au moins du deuxième interrupteur électronique corn- 2 mandable, appliquant un signal de commande à ce deuxième interrupteur électronique au moyen : [0014] - d'un premier conducteur électriquement relié à l'électrode de commande de cc deuxième interrupteur électronique comrnandable, et [0015] - d'un deuxième conducteur prenant naissance sur un conducteur électrique reliant l'organe de protection contre les sur-courants et la deuxième borne d'entrée, [0016] le premier et le deuxième conducteur s'étendant le long l'un de l'autre. [0017] Du fait de la proximité du premier et du deuxième conducteur, la surface de la maille définie par le chemin aller et le chemin retour du signal de commande, cette maille comprenant ce premier et cc deuxième conducteur, est réduite, de sorte que l'inductance parasite de cette maille l'est également et que les performances de commutation du deuxième interrupteur électronique ne sont pas dégradées. [0018] Selon l'invention, le premier conducteur ne s'étend pas selon le chemin le plus court entre l'unité de pilotage et le deuxième interrupteur électronique commandable. Chacun du premier et du deuxième conducteur peut s'étendre directement depuis l'unité de pilotage. [0019] Au sens de la présente demande, « électriquement relié » ou « électriquement connecté » peut signifier « électriquement relié directement ou non » et « électriquement connecté directement ou non ». « Deux composants sont directement électriquement reliés ou directement électriquement connectés » signifie qu'il n'y a pas de composant intermédiaire, comme par exemple une inductance ou un condensateur ou un interrupteur, qui soit interposé entre ces deux composants, seul un conducteur électrique, comme par exemple une piste, un fil ou un câble, étant interposé entre ces deux composants. [0020] Le premier conducteur et le deuxième conducteur peuvent avoir sensiblement la même forme. Par exemple, le premier conducteur peut être formé par une succession de segments et chacun de ces segments a la même forme que le segment correspondant du deuxième conducteur. Le deuxième conducteur décrit par exemple un motif géométrique, par exemple une ligne brisée, et le premier conducteur décrit le même motif géométrique. Du premier conducteur au deuxième conducteur, les segments correspondants peuvent avoir la même orientation, étant par exemple des segments de droite de même vecteur directeur. [0021] Le premier conducteur et le deuxième conducteur comprennent par exemple une pluralité de segments successifs, rectilignes ou courbes, et la distance entre un segment du premier conducteur et le segment correspondant du deuxième conducteur peut être comprise entre O, lmm et 100mm, par exemple entre 0,1mm et 10mm par exemple entre 0,1mm et 5mm, par exemple entre lmm et 5mm, par exemple entre lmm et 3nun 3 [0022] Plus précisément, le premier conducteur peut comprendre un segment d'indice 1 di- rectement adjacent à l'unité de pilotage, et le deuxième conducteur peut comprendre un segment d'indice 1 directement adjacent à l'unité de pilotage, et ces segments correspondants, c'est-à-dire de même indice, peuvent avoir le même vecteur directeur et/ ou être distant d'une distance telle que mentionnée ci-dessus. L'une et/ou l'autre de ces conditions de même orientation, dans le cas présent de même vecteur directeur, et de distance, peuvent alors être vérifiées pour tout indice i d'un segment du deuxième conducteur vis-à-vis du segment de même indice du premier conducteur. [0023] Le premier conducteur peut également s'étendre le long du conducteur électrique sur lequel prend naissance le deuxième conducteur, jusqu'au deuxième interrupteur électronique commandahle. Les conditions de même orientation et de distance mentionnées précédemment entre le premier conducteur et le deuxième conducteur peuvent encore s'appliquer entre le premier conducteur et ce conducteur électrique au-delà du deuxième conducteur. [0024] Autrement dit, le signal de commande transite d'une part dans le premier conducteur de l'unité de pilotage jusqu'à l'électrode de commande du deuxième interrupteur électronique, et d'autre part dans ledit conducteur depuis le deuxième interrupteur électronique, puis dans le deuxième conducteur jusqu'à l'unité de pilotage, et ces chemins aller et retour empruntés par le signal de commande s'étendent le long l'un de l'autre. [0025] Le composant électronique peut encore comprendre un organe de protection contre les sur-courants disposé en série entre la première borne d'entrée et le premier interrupteur électronique cornmandable. [0026] Ces organes de protection permettent d'éviter qu'une défaillance dans l'un et/ou l'autre des interrupteurs électroniques commandables n'entraîne un court-circuit dans le circuit électrique auquel est intégré le composant électronique. [0027] Le composant électronique peut comprendre une portion de carte de circuit imprimé, le premier et le deuxième conducteur étant respectivement une piste électriquement conductrice de la portion de carte de circuit imprimé. Dans ce cas, l'autre conducteur sur lequel prend naissance le deuxième conducteur peut également ou non être une piste électriquement conductrice. La maille précitée peut être définie par les pistes empruntées par le signal de commande lors de son chemin aller et son chemin retour entre l'unité de pilotage et le deuxième interrupteur électronique commandable. [0028] Chacune de ces pistes électriquement conductrices peut être réalisée par sérigraphie ou gravure. [0029] La portion de carte de circuit imprimé utilise par exemple du FR4. [0030] En variante, le composant électronique ne comprend pas une portion de carte de circuit imprimé mais un autre support, par exemple un support en aluminium ou en cuivre, selon la technologie dite « substrat métallique isolé ou SMI », ou encore un support en céramique, selon la technologie dite « direct bonding copper ou DBC ». [0031] L'unité de pilotage peut également commander le premier interrupteur électronique commandable. Dans ce cas, cette commande peut se faire au moyen : [0032] - d'un troisième conducteur électriquement relié à l'électrode de commande de [0033] ce premier interrupteur électronique commandable, et [0034] - d'un quatrième conducteur électriquement relié à une autre électrode de cc premier [0035] interrupteur électronique commandable, [0036] le troisième conducteur et le quatrième conducteur s'étendant le long l'un de autre, ayant notamment la même forme. [0037] La longueur du premier conducteur, c'est-à-dire celui utilisé pour transmettre le signal de commande de l'unité de pilotage au deuxième interrupteur électronique cornmandable, peut être supérieure à celle du troisième conducteur, c'est-à-dire celui utilisé pour transmettre le signal de commande de l'unité de pilotage au premier interrupteur électronique commandable. Le rapport entre ces longueurs est par exemple compris entre 1 et 10. Cette longueur plus importante du premier conducteur vient du fait que, pour réduire l'inductance parasite précitée, il s'étend jusqu'à l'organe de protection contre les sur-courants associé au deuxième interrupteur électronique commandable, et non selon le chemin le plus court entre l'unité de pilotage et le deuxième interrupteur électronique commandable. [0038] Dans tout cc qui précède, le potentiel le moins élevé de la première tension continue peut être OV, la deuxième borne du bras de commutation étant alors reliée à la masse. [0039] Dans tout ce qui précède, le potentiel le plus élevé de la première tension continue peut être 48V, ou une valeur de potentiel supérieure à 300V. [0040] Dans tout ce qui précède, la deuxième tension peut être une tension continue, auquel cas la troisième borne d'entrée est apte à être reliée au potentiel le plus élevé de la deuxième tension continue. Ce potentiel peut être 12V. [0041] La deuxième tension continue et la première tension continue peuvent partager une masse commune, ou avoir des masses respectives isolées l'une par rapport à l'autre. [0042] Dans tout ce qui précède, le composant électronique peut comprendre une unité de traitement numérique permettant de commander l'unité de pilotage. Cette unité de traitement numérique met par exemple en oeuvre un microcontrôleur. [0043] Dans tout ce qui précède, chaque interrupteur électronique commandable peut être un transistor utilisant du nitrure de gallium (GaN), ou du carbure de silicium (SiC), ou du silicium. [0044] Dans tout ce qui précède, le composant électronique peut définir un convertisseur de tension continu/continu, ou un onduleur/redresseur lorsque la deuxième tension est alternative. Le composant électronique peut permettre la charge d'une source de tension continue depuis un réseau de tension alternatif. [0045] Dans tout ce qui précède, le composant électronique peut définir plusieurs hras de commutation en parallèle, et la commande de tous les interrupteurs électroniques commandables occupant la même position que le deuxième interrupteur électronique précité peut se faire à l'aide de premier et deuxième conducteur disposés similairement à ceux décrits ci-dessus. [0046] L'unité de pilotage peut comprendre deux modules distincts de pilotage, chacun de ces modules étant dédié à la commande d'un des interrupteurs électroniques cornmandablcs du hras de commutation, chacun de ces modules étant communément appelé « driver ». [0047] Dans tout ce qui précède, un ou plusieurs condensateurs de découplage peuvent être prévus, et ces condensateurs peuvent être montés en parallèle entre eux et en parallèle du montage en série des interrupteurs électroniques commandables. Vus depuis la première tension continue, ces condensateurs de découplage peuvent être disposés en aval du ou des organes de protection contre les sur-courants. [0048] L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de celle-ci et à l'examen du dessin annexé sur lequel : [0049] [fig.1] représente un composant électronique selon l'art antérieur, [0050] [fig.2] est le schéma électrique équivalent au composant de la figure 1, [0051] et [0052] [fig.3] représente le composant électronique de la figure 1 auquel est appliquée l'invention. [0053] On a représenté sur la figure 1 un composant électronique 1 selon l'art antérieur, ce composant 1 faisant ici partie d'un circuit électrique comprenant un moteur électrique de propulsion d'un véhicule hybride ou électrique. Le composant électronique 1 comprend ici une portion de carte de circuit imprimé 2, utilisant par exemple du FR4. Cette portion de carte de circuit imprimé 2 définit dans l'exemple considéré un bras de commutation 3, convertissant une première tension continue 4 en une deuxième tension continue 5. [0054] La première tension continue 4 a par exemple une valeur nominale de 48V et la deuxième tension continue a une valeur nominale de 12V. Ce bras de commutation présente ainsi une première borne d'entrée 10 électriquement connectée au potentiel à 48V de la première tension continue 4, une deuxième borne d'entrée 11 électriquement connectée à la masse, et une troisième borne d'entrée 12 qui est connectée électriquement à un point milieu pour le bras de commutation 3. Ce point milieu est ici disposé en série entre deux interrupteurs électroniques commandables 13 et 14, qui sont par exemple des transistors utilisant du nitrure de gallium, du carbure de silicium, ou encore du silicium. Il s'agit par exemple de transistors MOSFET. 6 [0055] Dans l'exemple considéré, un condensateur de découplage 17 est monté en parallèle de la mise en série du premier interrupteur électronique 13 et du deuxième interrupteur électronique 14. [0056] On constate encore dans l'exemple considéré que deux fusibles sont prévus, l'un des fusibles 15 étant monté en série entre la première borne d'entrée 10 et le premier interrupteur électronique commandable 13, tandis que l'autre fusible 16 est monté en série entre la deuxième borne d'entrée 11 et le deuxième interrupteur électronique commandable 14. [0057] Le composant électronique 1 comprend encore, dans l'exemple considéré, une in- ductance 18, disposée en série entre le point milieu du bras de commutation 3 et la troisième borne d'entrée 12. [0058] Le composant électronique 1 comprend encore, dans l'exemple considéré, un condensateur de découplage 20 monté en parallèle de la deuxième tension continue 5. [0059] Un filtre CEM 22 peut, comme représenté sur la figure 1, être interposé entre le bras de commutation 3 et la première tension continue 4 et la deuxième tension continue 5. [0060] Le composant électronique 1 comprend encore une unité de pilotage 30 qui génère les signaux de commande permettant aux interrupteurs électroniques 13 et 14 de transformer la première tension continue 4 en la deuxième tension continue 5, et réciproquement. [0061] Cette unité de pilotage 30 coopère dans l'exemple décrit avec un tnicrocontrôleur 31 dans le cadre de la réalisation de l'une et/ou l'autre des fonctions suivantes : communication avec le véhicule, gestion des modes de fonctionnement du convertisseur, instrumentation, asservissement et génération des signaux de références pour l'unité de pilotage 30. [0062] Cette unité de pilotage 30 envoie des signaux de commande à l'électrode de commande du deuxième interrupteur électronique commandable 14, ici sa grille, via une première piste électriquement conductrice 35 et une deuxième piste électriquement conductrice 36. [0063] Cette unité de pilotage 30 envoie par ailleurs des signaux de commande à l'électrode de commande du premier inten-upteur électronique commandable 13, ici sa grille, via une troisième piste électriquement conductrice 40 et une quatrième piste électriquement conductrice 41. [0064] Comme on peut le voir sur la figure 1, la deuxième piste électriquement conductrice 36 présente une forme telle que le chemin retour du signal de commande transite à travers le fusible 16. La maille empruntée par le signal de commande, via la première piste 35 et la deuxième piste 36 définit ainsi, du fait de l'éloignement entre cette première piste 35 et cette deuxième piste 36 une surface importante, générant ainsi une inductance parasite de valeur relativement élevée. 7 [0065] Selon l'invention, telle qu'appliquée à l'exemple qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 et 2, la forme de la première piste électriquement conductrice 35 est modifiée de manière à ce qu'elle s'étende le long de la deuxième piste électriquement conductrice 36, comme représenté sur la figure 3. [0066] Cette première piste électriquement conductrice 35 s'étend en effet le long de la deuxième piste électriquement conductrice 36 jusqu'à la jonction de cette dernière en 37 avec la piste électriquement conductrice 42 reliant la deuxième borne d'entrée 11 du bras dc commutation 3 au deuxième interrupteur électronique commandable 14. [0067] Au-delà dc cette jonction 37, la première piste électriquement conductrice 35 s'étend le long de la piste 42, notamment le long du fusible 16. On constate sur la figure 3 que la première piste électriquement conductrice 35 a la même forme que la deuxième piste électriquement conductrice 36. [0068] Comme on peut le voir sur la figure 3, la première piste électriquement conductrice 35 reste le long de son parcours à une distance de la deuxième piste électriquement conductrice 36, puis de la piste électriquement conductrice 42, qui est par exemple inférieure à 10 mm, notamment inférieure à 5mm. Autrement dit, la première piste électriquement conductrice 35 et la deuxième piste électriquement conductrice 36 comprennent depuis l'unité de pilotage 30 une pluralité dc segment, et les segments de même indice ont entre eux une distance telle que mentionné ci-dessus. L'indice 1 est attribué pour chacune des pistes 35 et 36 au segment directement adjacent à l'unité de pilotage. [0069] Une telle disposition permet que la surface de la maille définie par le chemin aller et le chemin retour du signal de commande appliqué par l'unité de pilotage 30 au deuxième interrupteur électronique commandable 14 est réduite, ce chemin s'effectuant successivement via la première piste électriquement conductrice 35, la piste électriquement conductrice 42, et la deuxième piste électriquement conductrice 36. Cette réduction de la surface de la maille peut permettre de réduire l'inductance parasite associée d'une proportion comprise entre 30% et 99%. [0070] L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. [0071] En particulier, l'invention s'applique également lorsque la deuxième tension n'est pas une tension continue mais une tension alternative. Dans ce cas, l'inductance 18 et le condensateur de découplage 20 peuvent être omis [0072] Que le composant électronique 1 définisse un convertisseur de tension continue/ continue ou un onduleur/redresseur, ce dernier peut comprendre un nombre quelconque de bras de commutation 3. [0073] Dans tout ce qui précède, que le composant électronique 1 définisse un convertisseur de tension continue/continue ou un onduleur/redresseur, ce dernier peut fonctionner de manière réversible ou non. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] REVENDICATIONSComposant électronique (1) définissant au moins un bras de commutation (3) destiné à convertir unc première tension continue (4) en une deuxième tension (5), cette deuxième tension étant notamment une tension continue, cc bras (3) comprenant : - unc première borne d'entrée (10), apte à être connectée au potentiel le plus élevé de la première tension continue (4), - unc deuxième borne d'entrée (11), apte à être connectée au potentiel le moins élevé de la première tension continue (4), - un premier interrupteur électronique commandable (13), disposé entre la première borne d'entrée (10) et un point milieu, - un deuxième interrupteur électronique commandable (14), disposé entre le point milieu et la deuxième borne d'entrée (11), - une troisième borne d'entrée (12), apte à être connectée au point milieu, et notamment au potentiel le plus élevé de la deuxième tension (5) lorsque la deuxième tension est une tension continue (5), - un organe de protection (16) contre les sur-courants disposé en série entre le deuxième interrupteur électronique commandable (14) et la deuxième borne d'entrée (11), et - une unité de pilotage (30) au moins du deuxième interrupteur électronique commandable (14), appliquant un signal de commande à ce deuxième interrupteur électronique (14) au moyen : - d'un premier conducteur (35) électriquement relié à l'électrode de commande de ce deuxième interrupteur électronique commandable (14), et - d'un deuxième conducteur (36) prenant naissance sur un conducteur (42) reliant l'organe de protection (16) contre les sur-courants et la deuxième borne d'entrée (11), le premier (35) et le deuxième (36) conducteur s'étendant le long l'un de l' autre. Composant électronique selon la revendication 1, le premier conducteur (35) et le deuxième conducteur (36) comprenant une pluralité de segments successifs et la distance entre un segment du premier conducteur (35) et le segment correspondant du deuxième conducteur (36) étant comprise entre 0,5mm et 5mm Composant électronique selon la revendication 2, le premier conducteur (35) s'étendant également le long du conducteur (42) sur lequel prend 9 [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] naissance le deuxième conducteur (36), jusqu'au deuxième interrupteur électronique commandablc (14). Composant électronique selon rune quelconque des revendications précédentes, comprenant encore un organe de protection contre les sur-courants (15) disposé en série entre la première borne d'entrée (10) et le premier interrupteur électronique commandablc (13). Composant électronique selon rune quelconque des revendications précédentes, comprenant une portion de carte de circuit imprimé (2), le premier (35) et le deuxième (36) conducteur étant respectivement une piste électriquement conductrice de la portion de carte de circuit imprimé (2). . Composant électronique selon rune quelconque des revendications précédentes, l'unité de pilotage (30) commandant également le premier interrupteur électronique commandable (13) au moyen : - d'un troisième conducteur (40) électriquement relié à l'électrode de commande de ce premier interrupteur électronique commandable (13), et - d'un quatrième conducteur (41) électriquement relié à une autre électrode de ce premier interrupteur électronique commandable (13), le troisième conducteur (40) et le quatrième conducteur (41) s'étendant le long l'un de l'autre, ayant notamment la même forme. Composant électronique selon la revendication 6, le rapport entre la longueur du premier conducteur (35) et la longueur du troisième conducteur (40) étant compris entre 1 et 10. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, la première tension continue ayant une valeur nominale de 48V et la deuxième tension étant une tension continue ayant une valeur nominale de 12V. Composant électronique selon la revendication 8, la deuxième borne d'entrée (11) étant électriquement connectée à la masse. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, chaque interrupteur électronique commandable (13, 14) étant un transistor utilisant du nitrure de gallium (GaN), ou du carbure de silicium (SiC) ou du silicium.