Brevet FR3094610A1 — publié le 20201002

Description Titre de l'invention : Carte de circuit imprimé définissant un condensateur haute fréquence [0001] La présente invention concerne une carte de circuit imprimé définissant un condensateur haute fréquence. [0002] Une telle carte de circuit imprimé est par exemple utilisée pour réaliser un convertisseur de tension, par exemple un convertisseur (le tension continue/continue, ou encore un onduleur/redresseur. Un tel convertisseur (le tension met classiquement en oeuvre des transistors. Les nouvelles technologies de transistors à base de nitrure de gallium (GaN) ou à hase de carbure de silicium (SiC) atteignent des performances en termes de vitesse de commutation bien plus élevées que les technologies précédentes, ce qui en cas de découpage de fortes puissances, peut générer des surtensions et des perturbations CEM. [0003] Afin de pouvoir traiter les appels de courant sur différentes bandes de fréquence, il est connu de prévoir des condensateurs de découplage de différentes technologies, par exemple des condensateurs électro-chimiques et des condensateurs nonélectro-chimiques. Cependant, tous ces condensateurs ont une inductance propre qui a une valeur non négligeable, rendant ces condensateurs insuffisamment efficaces pour le traitement des harmoniques de fréquence élevée, par exemple pour des fréquences supérieures à 10 MHz. [0004] Il existe un besoin pour bénéficier d'un condensateur mieux adapté pour pouvoir traiter les harmoniques de courant aux hautes fréquences. [0005] L'invention a pour objet de répondre à cc besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, à l'aide d'une carte de circuit imprimé, comprenant : [0006] - une face de réception de composants électroniques, portant des conducteurs électriques de manière à définir une première entrée en tension continue entre un premier potentiel positif et un deuxième potentiel, ce deuxième potentiel étant notamment la masse, [0007] - un matériau diélectrique disposé entre la face de réception et une face d'extrémité parallèle à la face de réception et, [0008] - au moins une alternance d'un conducteur électrique au premier potentiel positif et d'un conducteur électrique au deuxième potentiel, ces conducteurs étant disposés à l'intérieur de la carte de circuit électrique entre la face de réception et la face d'extrémité, de manière à ce que la carte définisse un condensateur aux bornes de la première entrée en tension continue, notamment un condensateur ayant une inductance propre inférieure à 1 nH. 2 [0009] Selon l'invention, le condensateur ainsi défini n'est pas réalisé en utilisant un composant discret, mais à l'aide de conducteurs électriques disposés à l'intérieur de la carte de circuit imprimé. On garantit ainsi une valeur d'inductance propre réduite pour ce condensateur. Ce condensateur peut présenter une capacité comprise entre 100 pF et 100 nF. [0010] Chaque conducteur électrique disposé à l'intérieur de la carte de circuit imprimé entre la face de réception et la face d'extrémité peut se présenter sous la forme d'une couche électriquement conductrice. Chaque couche peut s'étendre sur une surface donnée dans la carte de circuit imprimé, et le rapport entre cette surface et la hauteur de la carte de circuit imprimé, c'est-à-dire la distance entre la face de réception et la face d'extrémité de la carte, peut être compris entre 0,1 ni et 1000 m. Le rapport entre la distance entre deux couches immédiatement adjacentes au sein de la carte de circuit imprimé et la hauteur de la carte de circuit imprimé est par exemple compris entre 0 et [0011] La présence à l'intérieur de la carte de circuit imprimé des conducteurs électriques peut par ailleurs contribuer à l'homogénéisation de la température dans la carte de circuit imprimé, malgré la chaleur dégagée par les composants portés par la face de réception, évitant alors l'apparition de points chauds dans la carte de circuit imprimé. [0012] Toutes les couches électriquement conductrices peuvent être disposées parallèlement les unes aux autres, étant parallèles à la face de réception et à la face d'extrémité. [0013] Les couches électriquement conductrices peuvent être superposées au moins par- tiellement, notamment totalement. Les couches électriquement conductrices forment par exemple un empilement. [0014] La carte de circuit imprimé peut comprendre au moins trois alternances d'une couche au premier potentiel positif et d'une couche au deuxième potentiel, notamment à la masse. Autrement dit, on trouve entre la face de réception et la face d'extrémité de la carte de circuit imprimé au moins les couches électriquement conductrices suivantes : [0015] - couche au premier potentiel positif, [0016] - couche au deuxième potentiel, notamment à la masse, [0017] -couche au premier potentiel positif, et [0018] - couche au deuxième potentiel, notamment à la masse. [0019] La face de réception peut comprendre des pistes électriquement conductrices, certaines de ces pistes étant au premier potentiel positif, et d'autres de ces pistes étant au deuxième potentiel, notamment à la masse. [0020] Dans tout ce qui précède, chaque couche électriquement conductrice peut être réalisée en cuivre. [0021] La carte de circuit imprimé peut comprendre une pluralité de vias ménagés entre la face de réception et la face d'extrémité. Chaque via peut s'étendre de manière tra- 3 versante dans la carte de circuit imprimé. Lorsque la face de réception et la face d'extrémité portent des conducteurs électriques, par exemple des pistes électriquement conductrices, un via peut relier électriquement un conducteur de la face de réception, un conducteur de la face d'extrémité, et un ou plusieurs conducteurs électriques disposés à l'intérieur de la carte de circuit imprimé qui sont au même potentiel électrique. De telles connexions électriques réduisent encore l'inductance propre du condensateur ainsi obtenu à l'aide de la carte de circuit imprimé. [0022] Les vias comprennent par exemple au moins un premier via connecté au conducteur électrique au premier potentiel positif de la face de réception et à chaque conducteur électrique disposé à l'intérieur de la carte de circuit imprimé entre la face de réception et la face d'extrémité qui est au premier potentiel positif, et/ou au moins un deuxième via connecté au conducteur électrique au deuxième potentiel, notamment à la niasse, de la face de réception et à chaque conducteur électrique disposé à l'intérieur de la carte de circuit imprimé entre la face de réception et la face d'extrémité qui est à ce deuxième potentiel, notamment à la masse. [0023] L'invention a encore pour objet un convertisseur de tension, comprenant : [0024] - une carte de circuit imprimé telle que définie ci-dessus, le deuxième potentiel étant la masse, [0025] - au moins un bras de commutation monté en parallèle de la première entrée en tension continue, comprenant en série deux interrupteurs électroniques dont un au moins est cornmandable, ces interrupteurs définissant entre eux un point milieu, ces interrupteurs électroniques étant poilés par la carte, [0026] - une deuxième entrée en tension entre un deuxième potentiel connecté au point milieu du bras de commutation et la masse, et [0027] - au moins un condensateur de découplage monté sur la face de réception de manière à être disposé aux bornes de la première entrée en tension continue. [0028] Comme déjà mentionné, le condensateur défini par la carte de circuit imprimé permet de traiter les harmoniques hautes fréquences, par exemple supérieures à 10MHz du courant, tandis que le condensateur de découplage porté par la face de réception traite des harmoniques de fréquence plus basse. [0029] Le convertisseur de tension est par exemple un convertisseur de tension continue/ continue, auquel cas la première entrée en tension correspond à une tension continue, par exemple de 48V ou d'une valeur supérieure à 300V, et auquel cas la deuxième entrée en tension correspond à une tension continue de valeur différente, par exemple de 12V. [0030] En variante, le convertisseur de tension est par exemple un onduleur/redresseur, auquel cas la première entrée en tension correspond toujours à une tension continue, par exemple de 12V ou 48V, et auquel cas la deuxième entrée en tension peut cor- respondre à une tension alternative. [0031] Dans tout ce qui précède, l'interrupteur électronique commandable peut être un transistor en nitrure de gallium (GaN) ou en carbure de silicium (SIC). Chaque in- terrupteur électronique du bras de commutation est par exemple commandable. [0032] Lorsque la carte de circuit imprimé comprend au moins un premier via et au moins un deuxième via tels que définis ci-dessus, le condensateur de découplage porté par la face de réception peut comprendre deux pattes, chaque patte s'étendant respectivement dans un des vias à travers la carte de circuit imprimé et étant électriquement connectée à l'un du premier potentiel positif et de la masse au niveau de la face d'extrémité. [0033] Le convertisseur peut comprendre au moins un condensateur de découplage porté par la face de réception de manière à être disposé aux bornes de la deuxième entrée en tension, et au moins une inductance portée par la face de réception de manière à être disposée en série entre le point milieu et le deuxième potentiel. [0034] Dans tout ce qui précède, le convertisseur de tension peut comprendre un nombre de bras de commutation quelconque, par exemple trois, quatre ou six. Le nombre de condensateurs de découplage disposés aux homes de la première entrée en tension et le nombre d'inductances disposées en série entre un point milieu et le deuxième potentiel peuvent être égaux au nombre de bras de commutation, mais ce n'est pas nécessairement le cas. [0035] Dans tout ce qui précède, chaque couche électriquement conductrice disposée à l'intérieur de la carte de circuit imprimé peut être exclusivement contenue à l'intérieur d'une zone qui est axialement superposée à la zone dans laquelle les interrupteurs électroniques, l'inductance et les condensateurs de découplage du convertisseur sont disposés. [0036] En variante, les interrupteurs électroniques, l'inductance et les condensateurs de dé- couplage du convertisseur peuvent être exclusivement contenus à l'intérieur d'une zone qui est axialement superposée à chaque zone dans laquelle est disposée une couche électriquement conductrice. [0037] Autrement dit, perpendiculairement à la face de réception de la carte de circuit imprimé, chaque composant du convertisseur de tension peut être superposé avec chaque couche électriquement conductrice disposée à l'intérieur de la carte de circuit imprimé. [0038] 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 : [0039] [fig.1] représente une vue schématique d'un convertisseur de tension continue/ continue réalisé à l'aide d'une carte de circuit imprimé selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, [0040] [fig.2] est une vue de dessus de la carte de circuit imprimé utilisée pour réaliser le convertisseur de la [Fig.1], et [0041] [fig.3] est une vue en coupe de la carte de circuit imprimé de [Fig. 2] [0042] On a représenté sur la figure 1 de façon très schématique un convertisseur de tension continue/continue 1 réalisé à l'aide d'une carte de circuit imprimé 2 selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention. [0043] De façon connue, ce convertisseur 1 comprend une première entrée en tension continue 4, une deuxième entrée de tension continue 5 et des bras de commutation 6 permettant de transformer la valeur de tension sur la première entrée en tension continue 4 en une autre valeur de tension disponible sur la deuxième entrée en tension continue 5. [0044] Dans l'exemple considéré, mais de façon non limitative, la valeur de tension sur la première entrée en tension continue 4 est 48V, et la valeur de tension sur la deuxième entrée en tension continue 5 est 12V. D'autres exemples sont possibles, par exemple une valeur de tension supérieure à 300V sur la première entrée en tension continue 5. [0045] La première entrée en tension continue 4 est formée entre deux pistes en cuivre formées sur une face de réception 10 de la carte de circuit imprimé 2. L'une de ces pistes 12 présente un premier potentiel positif, qui est ici à 48V, et l'autre de ces pistes 13 est dans l'exemple considéré à la masse. Une piste 14 au premier potentiel positif et une piste 15 à la masse sont aussi formées sur la face d'extrémité 11, dans l'exemple considéré. De façon connue, un matériau diélectrique comme du FR4 est disposé entre la face de réception 10 et la face d'extrémité 11. [0046] Similairement à ce qui précède, la deuxième entrée en tension continue 5 est formée entre deux pistes en cuivre formées sur la face de réception 10 de la carte de circuit imprimé 2. L'une de ces pistes 16 présente un deuxième potentiel positif, qui est ici à 12V, et l'autre de ces pistes 17 est à la masse. [0047] On constate sur la figure 1 que des condensateurs de découplage 20 sont montés aux bornes de la première entrée en tension continue 4, quatre condensateurs 20 étant ici prévus. Chacun de ces condensateurs 20 est ici un condensateur électro-chimique et présente une capacité comprise entre 10 RF et 1000 pF. [0048] Chacun de ces condensateurs 20 est monté du côté de la face de réception 10 de la carte de circuit imprimé 2. Comme on peut le voir sur la figure 2, des vias 30 peuvent être ménagés dans la carte de circuit imprimé 2, chaque via s'étendant de façon traversante entre la face de réception 10 et la face d'extrémité 11 de la carte de circuit imprimé 2. Parmi ces vias 30, des premiers vias dont la paroi est métallisée et électriquement reliée au premier potentiel électrique de la première entrée en tension 4 sont prévus, et des deuxièmes vias dont la paroi est métallisée et électriquement reliée à la masse sont prévus. 6 [0049] Chaque condensateur de découplage 20 présente ici deux pattes 33, respectivement reçue dans un premier via 30 et dans un deuxième via 30. L'extrémité de chaque patte 33 peut faire saillie vers l'extérieur de la carte de circuit imprimé 2 au-delà de la face d'extrémité 11, et chaque patte 33 peut être électriquement connectée à la piste 14 ou 15 de la face d'extrémité 11. [0050] La face de réception 10 de la carte de circuit imprimé 2 porte encore des bras de commutation 6, au nombre de quatre dans l'exemple considéré. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à un nombre particulier de bras de commutation 6, cc nombre de bras pouvant être supérieur ou égal à 1. [0051] Dans l'exemple considéré, chaque bras de commutation 6 découpe la tension issue de la première entrée en tension 4, et il comprend deux interrupteurs électroniques 35 qui sont montés en série, définissant entre eux un point milieu. Chaque interrupteur électronique 35 est ici commandable, étant dans l'exemple considéré un transistor MOS réalisé en nitrure de gallium ou en carbure de silicium. [0052] Chaque point milieu est relié à la piste 16 au deuxième potentiel positif de la deuxième entrée en tension continue 5 par l'intermédiaire d'une inductance 38, qui est ici portée par la face de réception 10 de la carte de circuit imprimé 2. [0053] Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, plusieurs condensateurs 40 de dé- couplage, par exemple deux condensateurs de découplage 40, sont montés aux bornes de la deuxième entrée en tension 5. Chacun de ces condensateurs de découplage 40 a par exemple pour capacité une valeur comprise entre 100 nF et 100 mF.. [0054] Comme on peut le voir sur la figure 2, les composants précités formant le convertisseur de tension 1 sont alignés lorsque la face de réception 10 est observée de dessus. [0055] La piste électriquement conductrice 13 à la masse s'étend ainsi selon une ligne, les condensateurs 20 de découplage sont positionnés le long d'une ligne parallèle à la piste électriquement conductrice 13, tout comme les interrupteurs électroniques 35, les inductances 38, et les condensateurs de découplage 40. On constate encore que, dans l'exemple décrit, la piste électriquement conductrice 12 au premier potentiel positif, la piste électriquement conductrice 14 au deuxième potentiel positif et la piste électriquement conductrice 15 à la masse s'étendent selon des lignes parallèles entre elles, et également parallèles à celle définie par la piste électriquement conductrice 13. [0056] Selon l'invention, on utilise la carte de circuit imprimé 2 pour réaliser un condensateur haute fréquence aux bornes de la première entrée en tension 4, sans utiliser un composant discret. [0057] Ce condensateur haute fréquence est obtenu en introduisant dans l'exemple considéré des alternances de couches électriquement conductrices au premier potentiel positif et de couches électriquement conductrices à la masse. Comme on peut le voir sur la 7 figure 3, quatre couches électriquement conductrices sont ici introduites à l'intérieur de la carte de circuit imprimé 2 entre la face de réception 10 et la face d'extrémité 11, à savoir : [0058] - deux couches électriquement conductrices 50 au premier potentiel positif, et [0059] - deux couches électriquement conductrices 51 à la niasse. [0060] On obtient ainsi trois alternances de ces couches électriquement conductrices au sein de la carte de circuit imprimé 2, puisque deux couches 50 ne sont pas immédiatement adjacentes au sein de la carte de circuit imprimé 2 et que deux couches 51 ne sont pas immédiatement adjacentes au sein de cette carte. [0061] Dans l'exemple considéré, on constate que chaque couche électriquement conductrice 50 au premier potentiel positif est électriquement en contact avec la paroi métallisée d'un premier via 30 et que chaque couche électriquement conductrice 51 à la masse est électriquement en contact avec la paroi métallisée d'un deuxième via 30. [0062] On constate encore sur la figure 2 que les couches électriquement conductrices 50 et 51 sont disposées dans une zone Z, ici délimitée en pointillés, à l'intérieur de laquelle tous les composants du convertisseur de tension 1 sont disposés, à savoir : [0063] - les condensateurs de découplage 20, [0064] - les interrupteurs électroniques 35 des bras de commutation 6, [0065] - les inductances 38, et [0066] - les condensateurs de découplage 40. [0067] La surface de la zone Z, qui est ici celle de chaque couche électriquement conductrice 50, 51, est ici comprise entre 8 cm2 et 15 cm2, étant par exemple de l'ordre de 10 cm'. [0068] L'invention telle que décrite en référence aux figures 2 et 3 permet d'exposer un maximum de surfaces au premier potentiel positif en vis-à-vis de surfaces à la masse, réalisant ainsi un condensateur d'inductance propre réduite, notamment inférieure à 1 nH, du fait de l'importance de ces surfaces en regard pat- rapport à la hauteur de la carte de circuit imprimé 2. Un tel condensateur présente une impédance plus faible que ceux selon l'art antérieur pour de hautes fréquences par exemple supérieures à 10 MHz, lui permettant de mieux traiter les harmoniques de courant pour ces hautes fréquences. [0069] L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. Dans des variantes, les conducteurs électriques disposés à l'intérieur de la carte de circuit imprimé 2 entre la face de réception 10 et la face d'extrémité 11 de façon alternée peuvent être de même polarité ou non, mais de potentiel électrique différent. En variante encore, ces conducteurs électriques peuvent être respectivement reliés à des masses différentes. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Carte de circuit imprimé (2), comprenant : - une face de réception (10) de composants électroniques (20, 35, 38, 40), portant des conducteurs électriques (12, 13) de manière à définir une première entrée en tension continue (4) entre un premier potentiel positif et un deuxième potentiel, notamment la niasse, - un matériau diélectrique disposé cntrc la face de réception (10) et une face d'extrémité (11) parallèle à la face de réception (10) et, - au moins une alternance d'un conducteur électrique (50) au premier potentiel positif et d'un conducteur électrique (51) au deuxième potentiel, ces conducteurs (50, 51) étant disposés à l'intérieur de la carte de circuit imprimé (2) entre la face de réception (10) et la face d'extrémité (11) de manière à ce que la carte (2) définisse un condensateur aux bornes de la première entrée en tension continue (4), notamment un condensateur ayant une inductance propre inférieure à 1 nH. [Revendication 2] Carte de circuit imprimé selon la revendication 1, chaque conducteur électrique (50, 51) disposé entre la face de réception (10) et la face d'extrémité (11) se présentant sous la forme d'une couche électriquement conductrice. [Revendication 3] Carte de circuit imprimé selon la revendication 2, les couches élec- triquement conductrices (50, 51) étant superposées au moins partiellement, notamment totalement. [Revendication 4] Carte de circuit imprimé selon la revendication 2 ou 3, comprenant au moins trois alternances d'une couche (50) au premier potentiel positif et d'une couche (51) au deuxième potentiel. [Revendication 5] Carte de circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, comprenant une pluralité de vias (30) ménagés entre la face de réception (10) et la face d'extrémité (11) de la carte de circuit imprimé (2). [Revendication 6] Carte de circuit imprimé selon la revendication 5, ces vias (30) comprenant au moins un premier via connecté au conducteur électrique (12) au premier potentiel positif de la face de réception (10) et à chaque conducteur électrique (50) disposé à l'intérieur de la carte de circuit imprimé (2) entre la face de réception (10) et la face d'extrémité (11) qui est au premier potentiel positif, et/ou 9 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] au moins un deuxième via (30) connecté au conducteur électrique (13) au deuxième potentiel de la face de réception (10) et à chaque conducteur électrique (51) disposé à l'intérieur de la carte de circuit imprimé (2) entre la face de réception (10) et la face d'extrémité (11) qui est au deuxième potentiel. Convertisseur de tension (1), comprenant : - une carte de circuit imprimé (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le deuxième potentiel étant à la masse, - au moins un bras de commutation (6) monté en parallèle de la première entrée en tension continue (4), comprenant en série deux interrupteurs électroniques dont un au moins est commandable (35) et définissant entre eux un point milieu, ces interrupteurs électroniques (35) étant portés par la carte (2), - une deuxième entrée en tension (5) entre un deuxième potentiel connecté au point milieu du bras de commutation et la masse, et - au moins un condensateur de découplage (20) porté par la face de réception (10) de manière à être disposé aux homes de la première entrée en tension continue (4). Convertisseur selon la revendication 7, la carte de circuit imprimé (2) comprenant au moins un premier via (30) et au moins un deuxième via (30) selon la revendication 6, le condensateur de découplage (20) porté par la face de réception (10) comprenant deux pattes (33), chaque patte (33) s'étendant respectivement dans un des vias (30) à travers la carte de circuit imprimé (2) et étant électriquement connectée à l'un du premier potentiel positif et de la masse au niveau de la face d'extrémité (11). Convertisseur selon la revendication 7 ou 8, l'interrupteur électronique commandable (35) étant un transistor en nitrure de gallium (GaN) ou en carbure de silicium (SiC) Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant encore au moins un condensateur de découplage (40) porté par la face de réception (10) de manière à être disposé aux bornes de la deuxième entrée en tension (5), et au moins une inductance (38) portée par la face de réception (10) de manière à être disposée en série entre le point milieu et le deuxième potentiel. Convertisseur selon la revendication 10, la carte de circuit imprimé (2) étant selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, chaque couche électriquement conductrice (50, 51) étant exclusivement contenue à l'intérieur d'une zone (Z) qui est axialement superposée à la zone dans 10 laquelle les interrupteurs électroniques (35), l'inductance (38) et les condensateurs (20, 40) de découplage du convertisseur sont disposés.