Brevet FR3089057A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Système incluant un module électrique de puissance et une gaine contre les arcs électriques [0001] L'invention concerne les modules électriques de puissance, et en particulier la conception de tels modules électriques de puissance en vue de limiter les risques d'arc électrique. [0002] Les modules électriques de puissance peuvent présenter différentes fonctions, par exemple une fonction de conversion électrique. Les modules électriques de puissance comportent un boîtier isolant diélectrique logeant différents composants électriques et électroniques réalisant la fonction électronique de base du modifie, et plusieurs bornes de connexion à vis accessibles depuis l'extérieur du boîtier pour la connexion du module à d'autres composants électriques. Lors de l'utilisation du module de puissance, une différence de potentiel est appliquée entre des bornes de connexion de ce module. [0003] Notamment pour les besoins de nouvelles applications, les modules de puissance sont susceptibles d'appliquer des différences de potentiel sans cesse croissantes entre leurs bornes de connexion. H existe ainsi un besoin pour des modules de puissance pour des tensions nominales de 3,3 kV, de 6,5 kV, de 10kV, voire au-delà. Une contrainte de conception vient du besoin de standardisation des dimensions des modules des différents fabricants, afin de disposer de facteurs de forme relativement similaires, en vue de faciliter la conception des systèmes électriques. Ainsi, des modifies de puissance pour des tensions nominales allant jusqu'à 10 kV doivent satisfaire à des limites dimensionnelles. [0004] Ces limites dimensionnelles rendent la conception du module de puissance pro- blématique, en vue de respecter les normes concernant la formation d'arcs électriques. En effet, pour un niveau de tension donné, des distances minimales de parcours dans l'air et de contour de la surface du boîtier diélectrique entre les bornes doivent être respectées pour l'extérieur du boîtier. Ces conditions sont notamment détaillées dans la norme IEC60664-1. Un tel dimcnsionnement peut s'avérer assez contraignant en milieu pollué, la distance de cheminement devant tenir compte d'un potentiel dépôt de poussière, d'humidité ou d'eau salée sur la surface du boîtier, favorisant la création d'un arc électrique. Ainsi, pour un module de 10kV, la distance de cheminement entre les bornes doit dépasser 100mm ce qui représente une distance élevée pour un module de puissance tel que celui au facteur de forme XHP-3 proposé par la société Infineon, présentant une empreinte de 140 par 100mm. Afin de pouvoir utiliser des modules compatibles, les différents fabricants respectent la géométrie des modules, notamment 2 concernant la position des bornes espacées ici de 26mm. La distance entre les bornes est donc fixée. Afin d'accroître la distance de cheminement, des alternances de rainures et de nervures du boîtier sont interposées entre les bornes. Une telle solution présente aussi des limites puisque les rainures doivent présenter une largeur d'au moins 1,5mm pour une norme IEC applicable à un degré de pollution 3. La réalisation d'un module au facteur de forme XHP-3 constitue ainsi un défi pour une tension de 10kV. [0005] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un système incluant : -un module de puissance électrique haute tension, comportant un boîtier diélectrique logeant des composants électroniques dudit module, et comportant au moins des première et deuxième bornes de connexion accessibles depuis l'extérieur du module et entre lesquelles les composants électroniques du module sont susceptibles d'appliquer une différence de potentiel au moins égale à lkV, lesdites première et deuxième bornes étant séparées par au moins une alternance de gorges et de nervures ménagées dans une face externe du boîtier diélectrique ; -un élément de protection diélectrique s'étendant entre les première et deuxième bornes de connexion, l'élément de protection recouvrant les nervures du boîtier et comportant des nervures logées dans des gorges du boîtier. [0006] L'invention porte également sur les variantes suivantes. L'homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes suivantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques ci-dessus, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire. [0007] Selon une variante, lesdites première et deuxième bornes présentent des éléments de fixation respectifs, l'élément de protection comportant des première et deuxième extensions recouvrant respectivement la périphérie des éléments de fixation des première et deuxième bornes, les première et deuxième extensions comportant chacune un alésage traversant positionné à la verticale des éléments de fixation des première et deuxième bornes. [0008] Selon encore une variante, lesdits éléments de fixation sont des alésages filetés. [0009] Selon encore une autre variante, le système inclut des première et deuxième vis vissées dans les alésages filetés des première et deuxième bornes respectivement et traversant les alésages traversants des première et deuxième extensions. [0010] Selon une variante, lesdites première et deuxième vis sont en matériau diélectrique. [0011] Selon une autre variante, lesdits alésages traversants sont délimités par des parois verticales des première et deuxième extensions de l'élément de protection. [0012] Selon encore une variante, le système inclut une résine diélectrique interposée entre lesdits éléments de fixation et les parois verticales des première et deuxième extensions de l'élément de protection. 3 [0013] Selon encore une autre variante, lesdites extensions incluent des premier et deuxième manchons verticaux ceinturant respectivement les première et deuxième parois verticales. [0014] Selon une autre variante, le système comprend des premier et deuxième connecteurs électriques, ladite première extension étant comprimée entre le premier connecteur électrique et la première borne, ladite deuxième extension étant comprimée entre le deuxième connecteur électrique et la deuxième borne. [0015] Selon encore une autre variante, ledit élément de protection forme une enveloppe étanche recouvrant la face supérieure du hoîtier diélectrique à l'exception desdits éléments de fixation. [0016] Selon une variante, ledit élément de protection est maintenu en contact avec la face supérieure du hoîtier diélectrique par une déformation élastique exercée par le boîtier. [0017] Selon une autre variante, ledit élément de protection est formé d'un seul tenant. [0018] Selon encore une variante, le matériau de l'élément de protection est différent du matériau du boîtier diélectrique. [0019] Selon encore une variante, ledit élément de protection est réalisé dans un matériau présentant une dureté Shore A comprise entre 30 et 50. [0020] Selon encore une variante : -le module de puissance comprend une troisième home de connexion accessible depuis l'extérieur du module, les composants électroniques du module étant susceptibles d'appliquer une différence de potentiel au moins égale à 1kV entre les première et troisième bornes de connexion, lesdites première et troisième bornes étant séparées par au moins une alternance de gorges et de nervures ménagées dans la face externe du boîtier diélectrique ; -l'élément de protection diélectrique s'étend entre les première et troisième bornes de connexion, l'élément de protection recouvrant les nervures du boîtier ménagées entre les première et troisième homes, et comportant des nervures logées dans les gorges du boîtier ménagées entre les première et troisième bornes. [0021] Selon une variante, ledit boîtier présente une empreinte comprise dans un rectangle de 110mm par 150 mm. [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la des- cription qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0023] [fig.1] représente une vue de dessus d'un module de puissance électrique haute tension comportant un boîtier diélectrique ; [0024] [fig.2] représente une vue de dessus dudit module de puissance électrique haute tension recouvert par un élément de protection diélectrique selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; [0025] [fig.3] et [0026] [fig.4] représentent deux vues en coupe du montage du module de puissance électrique haute tension recouvert par un élément de protection diélectrique selon un exemple de mode de réalisation de l'invention connecté à 2 contacts haute tension ; [0027] [fig.5] représente une vue éclatée d'un détail du montage de la figure 3 ; [0028] [fig.6] est un graphique comparatif des tenues en tension de modules de puissance électrique haute tension recouvert par un élément de protection diélectrique selon un exemple de mode de réalisation de l'invention par rapport à des modules nus selon l'état de la technique. [0029] La figure 1 est une vue de dessus d'un module de puissance électrique haute tension 1, comportant un boîtier diélectrique 2 logeant les composants électroniques dudit module (non représentés). Le module 1 comporte également des bornes de connexion 101, 102, 103 et 104, accessibles depuis la face supérieure 3 du boîtier 2. Les bornes de connexion 101 et 102 sont ici alignées selon une direction longitudinale et décalées selon une direction transversale. Les bornes de connexion 103 et 104 sont ici alignées selon une direction longitudinale et décalées selon une direction transversale. Les bornes de connexion 101 et 103 sont ici alignées selon une direction transversale et décalées selon une direction longitudinale. [0030] Durant le fonctionnement du module 1, ses composants électroniques (non re- présentés) sont susceptibles d'appliquer ou de se voir appliquer par exemple une différence de potentiel au moins égale à 1kV entre les bornes 101 et 102, voire de plus de 3kV, voire de plus de 6kV ou même encore d'au moins 10kV. Le module 1 peut ainsi être considéré comme un module haute tension. Les bornes 101 et 102 sont séparées par une alternance de gorges 6 et de nervures 7, ménagées dans la face externe supérieure 3 du boîtier 2. La même différence de potentiel peut par exemple être observée entre les bornes 101 et 103 ou 101 et 104. Les bornes 101 et 103 sont séparées par une alternance de gorges 60 et de nervures 70, ménagées dans la face externe supérieure 3 du boîtier 2. [0031] L'invention propose une solution permettant d'augmenter la différence de potentiel applicable entre les bornes 101 à 104 du module 1 sans en modifier le facteur de forme (avec par exemple une empreinte comprise dans un rectangle de 110mm par 150mm) et dans le respect des normes en vigueur, en particulier pour un degré de pollution 3. Le boîtier 2 pourra par exemple présenter un facteur de forme tel que défini sous la référence XHP-3 par la société Infineon. Un mode de réalisation de l'invention consiste à encapsuler les connexions du boîtier 2 avec un élément de protection diélectrique souple 10 réalisé dans un matériau différent du matériau du boîtier 2. Alors que le matériau du boîtier 2 pourra être sélectionné pour sa rigidité diélectrique et sa rigidité mécanique, le matériau de l'élément de protection 10 pourra être sélectionné pour sa capacité à être déformé pour épouser la face supérieure 3 du hoîtier 2 ou pour sa capacité à résister à des conditions de pollution. Le matériau de l'élément 10 sera également avantageusement choisi pour ses propriétés de diélectrique. [0032] La figure 2 est une vue de dessus du module de puissance de la figure 1 recouvert par un élément de protection diélectrique 10 selon un exemple de mode de réalisation de l'invention. L'élément de protection diélectrique 10 forme une enveloppe étanche en recouvrant r intégralité de la face supérieure 3 du boîtier 2, à l'exception des bornes de connexion 101, 102, 103 et 104. L'élément de protection diélectrique 10 recouvre également les flancs du hoîtier 2 sur tout ou partie leur hauteur. L'élément de protection diélectrique 10 est avantageusement réalisé d'un seul tenant, afin de favoriser l'étanchéité de l'élément de protection diélectrique 10 sur la face supérieure 3 du boîtier. L'élément de protection diélectrique 10 peut par exemple être réalisé en élastomère (par exemple en caoutchouc, silicone ou polyuréthane). L'élément de protection 10 est avantageusement maintenu en contact avec la face supérieure 3 par une déformation élastique exercée par le hoîtier 2, afin de favoriser son maintien mécanique autonome sur le boîtier 2. [0033] La figure 3 est une vue en coupe de l'assemblage de l'ensemble incluant le module 1 et sa protection diélectrique 10 avec des connecteurs électriques 31 et 32, fixés au moyen de vis 201 et 202 au niveau des homes de connexion 101 et 102. La coupe est représentée selon l'axe A-A indiqué sur la figure 2. L'élément de protection diélectrique 10 comporte des nervures 17 logées dans les gorges 6 du boîtier 2. En recouvrant la face supérieure 3 du boîtier 2 et en ayant des nervures 17 logées dans les gorges 6 du boîtier 2, on évite ainsi un dépôt d'éventuels polluants dans les gorges 6, ce qui évite que de tels polluants puissent favoriser la formation d'arcs entre les bornes de connexion 101 et 102. Ainsi, même en conservant des dimensions réduites pour le boîtier 2, la formation d'arcs électriques est décalée vers des niveaux de tension nettement plus élevés en environnement pollué. [0034] Au niveau de la borne de connexion 101, la vis 201 est vissée dans un alésage fileté 8 du boîtier 2 (l'alésage fileté 8 peut aussi être remplacé par exemple par un écrou prisonnier). La vis 201 assure ici la connexion électrique entre la borne de connexion 101 et le connecteur électrique 31 (parfois désigné par le terme de bus bar clans la littérature). La vis 201 assure également la liaison mécanique entre le connecteur électrique 31 et le boîtier 2. Selon un mode de réalisation de l'invention, la tête de la vis 201 est en matériau diélectrique. La périphérie de l'alésage fileté 8 est avantageusement recouverte par une extension 21 de l'élément de protection 10, afin de limiter la capacité de dépôt de polluant jusqu'au plus près du connecteur 101. [0035] L'extension 21 recouvre la périphérie de l'alésage fileté 8. L'extension 21 présente un alésage 23 ménagé à la verticale de l'alésage fileté 8. La vis 201 traverse l'alésage 6 23 de cette extension 21. L'alésage 23 de l'extension 21 est ici délimité par une paroi cylindrique verticale 27. Une telle paroi cylindrique peut être déformée par compression entre une tête de la vis 201 (par l'intermédiaire du connecteur 31) et le boîtier 2, pour favoriser l'étanchéité sous la tête de la vis et rendre la formation d'un arc électrique plus difficile. Cela permet de ne laisser aucune partie métallique à l'air libre et de former une barrière hermétique au niveau des bornes de connexion 101. On garantit ainsi l'absence de chemins possibles pour les arcs électriques, en contournement aussi bien qu'en cheminement. L'élément de protection diélectrique 10 peut par exemple présenter une dureté Shore A comprise entre 30 et 50, afin de favoriser une déformation élastique de la paroi cylindrique verticale 27 lors d'une telle compression. La paroi cylindrique verticale 27 est ici avantageusement ceinturée par un manchon vertical 25. Un tel manchon vertical 25 favorise encore davantage l'étanchéité au niveau du connecteur 101. L'élément de protection diélectrique 10 présentant une dureté Shore A comprise entre 30 et 50, permet également de favoriser une déformation élastique du manchon vertical 25 lors de la telle compression. [0036] Au niveau de la borne de connexion 102, la vis 202 est vissée dans un alésage fileté 9 du boîtier 2. La vis 202 assure ici la connexion électrique entre la borne de connexion 102 et le connecteur électrique 32 (parfois désigné par le terme de bus bar dans la littérature). La vis 202 assure également la liaison mécanique entre le connecteur électrique 32 et le boîtier 2. Selon un mode de réalisation de la tête de la vis 202 est en matériau diélectrique. La périphérie de l'alésage fileté 9 est avantageusement recouverte par une extension 22 de l'élément de protection 10, afin de limiter la capacité de dépôt de polluant jusqu'au plus près du connecteur 102. [0037] L'extension 22 recouvre la périphérie de l'alésage fileté 9. L'extension 22 présente un alésage 24 ménagé à la verticale de l'alésage fileté 9. La vis 202 traverse l'alésage 24 de cette extension 22. L'alésage 24 de l'extension 22 est ici délimité par une paroi cylindrique verticale 28. Une telle paroi cylindrique peut être déformée par compression entre une tête de la vis 202 (par l'intermédiaire du connecteur 32) et le boîtier 2, pour favoriser l'étanchéité sous la tête de la vis et rendre la formation d'un arc électrique plus difficile. L'élément de protection diélectrique 10 peut par exemple présenter une dureté Shore A comprise entre 30 et 50, afin de favoriser une déformation élastique de la paroi cylindrique verticale 28 lors d'une telle compression. La paroi cylindrique verticale 28 est ici avantageusement ceinturée par un manchon vertical 26. Un tel manchon vertical 26 favorise encore davantage l'étanchéité au niveau du connecteur 102. L'élément de protection diélectrique 10 présentant une dureté Shore A comprise entre 30 et 50, permet également de favoriser une déformation élastique du manchon vertical 26 lors de la telle compression. [0038] L'espace résiduel entre ladite paroi verticale 27 et la vis 201 est ici avantageusement 7 rempli d'une résine diélcctriquc 50, afin de limiter encore davantage le risque de pollution et d'arc correspondant. De façon similaire, l'espace résiduel entre ladite paroi verticale 28 et la vis 202 est ici avantageusement rempli d'une résine diélectrique 50. [0039] La figure 4 est une vue en coupe de l'assemblage de l'ensemble incluant le module 1 et son élément de protection diélcctriquc 10 avec des connecteurs électriques 31 et 33, fixés au moyen de vis 201 et 203 au niveau des bornes de connexion 101 et 103. La coupe est représentée selon l'axe B-B indiqué sur la figure 2. L'élément de protection diélectrique 10 comporte des nervures 18 logées dans les gorges 60 du boîtier 2. [0040] La figure 5 est une vue éclatée du détail du montage représenté sur la figure 3. Le module 1, dont seule une extrémité longitudinale 4 du boîtier 2 est représentée ici, est recouverte d'un élément de protection diélectrique 10, dont seule l'extrémité 11 est représentée ici, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention. L'ensemble est assemblé aux connecteurs électriques 31 et 32, fixés au moyen de vis 201 et 202 au niveau des bornes de connexion 101 et 102. [0041] La figure 6 est un graphique comparatif des tensions avant formation d'un arc électrique de modules de puissance électrique haute tension selon différentes configurations. Les mesures A, B, C, D, E et F sont prises sur des modules dont la face su- périeure est nue selon l'état de la technique. Les mesures A', B', C', E' et F' sont prises sur des modules recouverts par un élément de protection diélectrique selon un exemple de mode de réalisation de l'invention. Les mesures A, A', B, B', C et C' sont prises sur des modules secs. Les mesures D, D', E. E', F et F' sont prises sur des modules sur lesquels a été projetée une eau désionisée avec un spray manuel. Les mesures A, A', D et D' sont prises sur des modules propres. Les mesures B. E et E' sont prises sur des modules conditionnés au kaolin, ce qui correspond à un degré de pollution de niveau 2. Les mesures C, C', F et F' sont prises sur des modules conditionnés au sel, ce qui correspond à un degré de pollution de niveau 3. [0042] On constate sur la figure 6 que l'utilisation d'un élément de protection diélectrique selon l'invention permet d'obtenir une tension de formation d'arc électrique supérieure à 20kV dans tous les cas, là où les modules non protégés selon l'état de la technique peuvent subir un arc électrique pour une tension inférieure à 10kV. [0043] L'invention a été décrite en référence à un module de puissance électrique haute tension 1. L'invention peut également s'appliquer à d'autres types de modules de puissance électrique. 8