Brevet FR3104888A1 — publié le 20210618

L’invention concerne un circuit imprimé (30) comprenant un dispositif (34) de distribution électrique comprenant un empilement d’une pluralité de couches électriquement conductrices disposées en alternance avec des couches isolantes (40), l’empilement étant tel que les couches électriquement conductrices comprennent une première (36) et une seconde (38) couches primaires épaisses d’épaisseur supérieure au millimètre destinées à être reliées à des bornes d’une alimentation électrique et au moins une première (42) et au moins une seconde (44) couches secondaires, une pluralité de condensateurs (46) montés en surface externe de l’empilement et reliés électriquement aux première (36) et seconde (38) couches primaires. Figure à publier avec l’abrégé : figure 4 Dispositif d’équilibrage Domaine technique de l’invention Le présent document se rapporte à un convertisseur de puissance tel qu’un onduleur triphasé, pour une utilisation dans le domaine aéronautique. Etat de la technique antérieure Les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux sont de plus en plus utilisés notamment dans le transport intra-urbain et inter-urbain des marchandises ou des personnes. L’évolution dans le transport aérien fait naître un besoin croissant pour la propulsion de ces aéronefs VTOL (« Vertical Take-Off and Landing » ou aéronefs à décollage et atterrissage vertical en français). L’énergie électrique est le principal vecteur de cette évolution, de par sa souplesse de mise en œuvre, son efficience (seule l’énergie nécessaire est produite), sa fiabilité (maintenance limitée) et principalement par la réduction potentielle de masse et volume qu’il engendre par rapport à un système de propulsion classique (thermique avec distribution d’énergie hydraulique ou pneumatique). En revanche, la puissance actuelle des moteurs électriques embarqués ne permet pas de rivaliser avec la puissance développée par un seul moteur thermique, il est donc nécessaire de multiplier le nombre de moteurs électriques. Il est alors aisé de comprendre que les contraintes d’intégration mécatronique (masse et volume) de l’ensemble moteur électrique, contrôleur (électronique de puissance et électronique de commande), filtrage et système de refroidissement est une problématique clef de ce changement, notamment pour maintenir un ensemble de propulsion dont la masse et l’encombrement restent faibles. Classiquement, un convertisseur de puissance de type onduleur réalise la conversion d’une tension continue en tension alternative à l’aide de transistors de puissance et d’un ou de plusieurs condensateurs de découplage. En général, les niveaux de tension élevés pour ce type d’application impliquent l’utilisation d’un bus-bar ou d’un circuit imprimé, ou PCB, de puissance pour électriquement raccorder les transistors de puissance des bras d’onduleur et le ou les condensateurs. Le bus-bar 10, tel qu’illustré sur la figure 1, est réalisé à partir de deux couches conductrices 12, 14 mises en regard l’une de l’autre et séparées par une couche isolante 16. L’une des couches conductrices 12, 14 est alimentée à plusieurs centaines de volts et l’autre 12, 14 est à un potentiel de référence, la différence constituant la tension continue d’alimentation. Un convertisseur de puissance 18, ici un onduleur triphasé, tel que représenté en figure 2 comprend un circuit imprimé 20 de distribution de petits signaux relié à trois modules de puissance 22 et à une unité 24 d’électronique de commande. L’unité de commande 24 réalise la commande de commutation des transistors des modules 22 de puissance ainsi que la lecture des états des transistors par l’intermédiaire du circuit imprimé de distribution 20 dialoguant avec une carte de commande de chaque module 22 de puissance. Le circuit imprimé 20 de distribution est relié aux modules 22 de puissance et par suite aux transistors par des connexions filaires. En résumé, le convertisseur 18 de puissance triphasé comprend trois modules 22 de puissance avec leur carte de commande interne, un circuit 20 de distribution et une unité 24 d’électronique de commande déportée et une fonction bus-bar 10 qui distribue la tension continue sur les trois modules 22 de puissance et sur le ou les condensateurs 26 de découplage. Classiquement, la réalisation pratique d’un convertisseur 18 de puissance nécessite d’avoir plusieurs objets physiquement distincts : - un bus-bar 10 couramment réalisé en technologie busbar laminé, - un ou plusieurs condensateurs 26 de découplage en composants discrets, qui sont généralement vissés sur le busbar 10, - un circuit 20 imprimé de distribution de petits signaux, en interface entre l’unité 24 électronique de commande déportée et les cartes de commande des modules 22 de puissance. Le présent document concerne un circuit imprimé comprenant un dispositif de distribution électrique comprenant un empilement d’une pluralité de couches électriquement conductrices disposées en alternance avec des couches isolantes, l’empilement étant tel que les couches électriquement conductrices comprennent une première et une seconde couches primaires destinées à être reliées à des bornes d’une alimentation électrique et au moins une première et au moins une seconde couches secondaires, une pluralité de condensateurs montés en surface externe de l’empilement et reliés électriquement aux première et seconde couches primaires. La présente configuration du dispositif de distribution électrique permet de remplacer les trois objets distincts précédemment décrit par un ensemble assurant les mêmes fonctions lesquelles sont toutefois réalisés dans un seul et même objet. Les condensateurs de la technique antérieure en composants discrets peuvent être remplacés par des condensateurs à montage en surface, ce qui est plus simple à réaliser et également plus compact qu’un composant distinct. Les premières couches peuvent être symétriques selon un plan des secondes couches. Cet empilement permet d’éviter les effets de déformations du dispositif de distribution lors de sa fabrication. Une couche primaire peut présenter une épaisseur supérieure à 1 millimètre. Le nombre de couches secondaires est libre. On comprend toutefois que pour la même raison que précédemment, on disposera un même nombre de premières couches primaires et de secondes couches secondaires de part et d’autres d’un plan de symétrie perpendiculaire à un axe d’empilement. Les connexions électriques entre les composants montés en surface et les différentes couches internes du dispositif de distribution électrique ou circuit imprimé se font par des via selon les technologies classiques des circuits imprimés. Le dispositif de distribution peut comprendre des couches secondaires externes électriquement conductrices lesquelles peuvent comprendre des connecteurs. Les matières utilisées sont celles classiquement utilisées pour les circuits imprimés, à savoir le cuivre pour les couches conductrices et un composite de résine époxyde renforcé de fibre de verre, tel que le FR-4, pour les couches isolantes. La première couche primaire et la seconde couche primaire peuvent être séparées par une seule couche isolante, dont l’épaisseur dépend de l’isolement à tenir, ce qui peut couramment représenter une épaisseur comprise entre 100µm à 500µm. La première couche primaire et la seconde couche primaire peuvent présenter une épaisseur supérieure au millimètre et de préférence comprise entre 1 et 2 millimètres. La première couche secondaire et la seconde couche secondaire peuvent présenter une épaisseur inférieure à 100 µm et de préférence comprise entre 30 et 70 µm. La première couche primaire et la seconde couche primaire peuvent être chacune reliées à une patte électriquement conductrice faisant saillie latéralement par rapport à l’empilement, ces pattes étant destinées à être relié à une alimentation électrique. Est également concerné un convertisseur de puissance comprenant un circuit imprimé tel que décrit précédemment, dans lequel la première couche secondaire et la seconde couche secondaire sont reliées à des modules de puissance, de préférence trois modules de puissance, et à une unité électronique de commande. Le présent document concerne aussi un système de propulsion comprenant au moins un convertisseur de puissance ainsi qu’un aéronef comprenant un tel système de propulsion. Brève description des figures , déjà décrite précédemment, illustre un bus-bar selon la technique connue ; , déjà décrite précédemment, illustre un convertisseur de puissance d’un type connue ; illustre un convertisseur de puissance selon le présent document ; illustre un circuit imprimé destiné à être utilisé dans le convertisseur de puissance de la figure 3 ; illustre des pattes de connexion du circuit imprimé de la figure 4. Description détaillée de l’invention La figure 3 représente un convertisseur 28 de puissance selon la présente divulgation comprenant une unité 24 de commande électronique de modules 22 de puissance, au nombre de trois, par l’intermédiaire d’un dispositif de distribution électrique intégré à un circuit imprimé 30 relié à une alimentation électrique 32. Ce circuit imprimé 30, illustré en figure 4, comprend un dispositif 34 de distribution électrique comportant un empilement de plusieurs couches électriquement conductrices disposées en alternance avec des couches isolantes. Les couches électriquement conductrices peuvent être réalisées dans un matériau métallique tel que le cuivre et les couches isolantes peuvent être réalisées en composite de résine époxyde renforcé tel que le FR-4. L’empilement comprend une première couche primaire 36 et une seconde couche primaire 38 séparées l’une de l’autre par une unique couche isolante 40. La première couche primaire 36 comprend ainsi une première face 36a et une seconde face 36b opposée. De même la seconde couche primaire 38 comprend une première face 38a en vis de la première face 36a de la première couche primaire 36 et une seconde face 38b opposée. La seconde face 36a de la première couche primaire 36 est séparée par une couche isolante 40 de plusieurs premières couches 42 secondaires électriquement conductrices elles-mêmes séparées les unes des autres par des couches isolantes 40. On observe que la couche supérieure 42a est une première couche conductrice 42. La seconde face 38b de la seconde couche primaire 38 est séparée par une couche isolante 40 de plusieurs secondes couches secondaires électriquement conductrices 44 elles-mêmes séparées les unes des autres par des couches isolantes 40. On observe que la couche inférieure 44a est une seconde couche conductrice 44. L’agencement proposé est conformé de telle sorte que les premières couches 36, 42 sont symétriques selon un plan des secondes couches 38, 44, ce plan passant par le milieu de la couche isolante centrale 40a séparant les première et seconde couches primaires 36, 38. Selon la présente invention, des condensateurs 46 sont montés en surface, c’est-à-dire sur la couche conductrice inférieure 44a et sur la couche conductrice supérieure 42a et permettent de réaliser la fonction de condensateur de découplage classiquement réalisée par un composant discret. Ici, plusieurs condensateurs 46 sont directement montés en surface et assurent cette fonction. Ils sont reliés aux première et seconde couches primaires 36, 38. Les couches inférieures 44a et supérieure 42a peuvent porter des connecteurs 48. La première couche primaire 36 et la seconde couche primaire 38 sont reliées à des pattes 50, 52 électriquement conductrices formées en saillie latéralement à l’empilement, ces pattes 50, 52 étant reliées à des moyens d’alimentation électrique de manière à ce que la première couche primaire 36 soit reliée à un potentiel élevé et à ce que la seconde couche primaire 38 soit reliée à un potentiel de référence, formant ainsi une alimentation du circuit de distribution. La configuration proposée permet d’obtenir un convertisseur de puissance beaucoup plus compact et en pratique plus simple à câbler. Les couches isolantes présentent une épaisseur qui dépend en particulier de l’isolement à tenir, ce qui peut couramment représenter de 100µm à 500µm. La première couche primaire 36 et la seconde couche primaire 38 peuvent présenter une épaisseur supérieure au millimètre et de préférence comprise entre 1 et 2 millimètres pour pouvoir être compatibles avec des fortes densités de courant dans le convertisseur de puissance. La première couche secondaire et la seconde couche secondaire peuvent présenter une épaisseur inférieure à 100 µm et de préférence comprise entre 30 et 70 µm. Selon le présent document, le circuit imprimé selon l’invention présente les avantages suivants : - Il regroupe en un seul et unique objet ce qui se faisait auparavant avec trois objets distincts, ce qui permet d’avoir une nomenclature simplifiée et un seul fabricant. Il est ainsi possible d’avoir un gain de volume et de masse, appréciable dans les intégrations mécatroniques. La réalisation du circuit imprimé selon l’invention utilise la technologie classique des circuits imprimés, ce qui permet de le définir de façon très détaillé en le personnalisant selon les besoins précis de l’application. Dans une autre réalisation, les couches conductrices 36, 38, 42, 44 peuvent être agencées de manière à avoir, dans l’ordre suivant d’une direction d’empilement, au moins une première couche secondaire, la première couche primaire, au moins une autre première couche secondaire, au moins une seconde couche secondaire, la seconde couche primaire et au moins une seconde couche secondaire, avec des couches isolantes intercalées entre les différentes couches conductrices. Circuit imprimé (30) comprenant un dispositif (34) de distribution électrique comprenant un empilement d’une pluralité de couches électriquement conductrices disposées en alternance avec des couches isolantes (40), l’empilement étant tel que les couches électriquement conductrices comprennent une première (36) et une seconde (38) couches primaires destinées à être reliées à des bornes d’une alimentation électrique et au moins une première (42) et au moins une seconde (44) couches secondaires, une pluralité de condensateurs (46) montés en surface externe de l’empilement et reliés électriquement aux première (36) et seconde (38) couches primaires. Circuit imprimé selon la revendication 1, dans lequel les premières couches (36, 42) sont symétriques selon un plan des secondes couches (38, 44). Circuit imprimé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première couche primaire (36) et la seconde couche primaire (38) sont séparées par une seule couche isolante (40a). Circuit imprimé selon la revendication 3, dans lequel ladite couche isolante (40a) présente une épaisseur qui dépend de la tension d’isolement à tenir, ce qui représente couramment une épaisseur de 100 à 500µm. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première couche primaire (36) et la seconde couche primaire (38) présentent une épaisseur supérieure au millimètre et de préférence comprise entre 1 et 2 millimètres. Circuit imprimé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la première couche secondaire (42) et la seconde couche secondaire (44) présentent une épaisseur inférieure à 100 µm et de préférence comprise entre 30 et 70 µm. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première couche primaire (36) et la seconde couche primaire (38) sont chacune reliées à une patte (50, 52) électriquement conductrice faisant saillie latéralement par rapport à l’empilement, ces pattes (50, 52) étant destinées à être relié à une alimentation électrique. Convertisseur de puissance comprenant un circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première couche secondaire (42) et la seconde couche secondaire (44) sont reliées à des modules (22) de puissance, de préférence trois modules de puissance, et à une unité (24) électronique de commande. Système de propulsion comprenant au moins un convertisseur selon la revendication précédente. Aéronef comprenant un système de propulsion selon la revendication précédente.