Brevet FR3112249A1 — publié le 20220107

Circuit d’alimentation pour module de puissance à transformateur d'isolation intégré et module de puissance associé Circuit d’alimentation électrique (4) pour un module de puissance (1) comprenant un transformateur électrique(41), un premier substrat (45) ayant une première face (450) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face(455), un second substrat (46) ayant une première face (460) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (465), des premières pistes métalliques (47) disposées sur la seconde face (455) du premier substrat (45), des secondes pistes métalliques (48) disposées sur la seconde face (465) du second substrat (46), des connecteurs électriques (49) disposés entre les premier et second substrats (45, 46) pour connecter électriquement une première piste métallique (47) à une seconde piste métallique (48), le circuit primaire (42) du transformateur électrique (41) comprenant une première partie des premières pistes métalliques (47) et une première partie des secondes pistes métalliques (48), et le circuit secondaire (43) du transformateur électrique (41) comprenant une seconde partie des premières pistes métalliques (47) et une seconde partie des secondes pistes métalliques (48). Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Circuit d’alimentation pour module de puissance à transformateur d'isolation intégré et module de puissance associé L’invention concerne l'alimentation des modules semi-conducteurs de puissance et plus particulièrement les alimentations électriques isolées. Un module de puissance est un circuit utilisant des transistors dits de puissance, réalisés par exemple en technologie IGBT, MOSFET, SiC ou GaN HEMTs. La commande de ces transistors nécessite un circuit électronique de commande de leurs grilles, connu sous le terme de "gate driver" dans la littérature anglo-saxonne, qui fournit les signaux de commande de grille nécessaires, à partir de la tension d'alimentation logique des circuits électroniques intégrés. Il s'agit donc d'un circuit d'interface électrique. En pratique il est nécessaire d'isoler la partie signal et la partie puissance et une des solutions consiste à utiliser pour cela un transformateur. Un circuit de commande classique d’un module de puissance est réalisé à partir d’une carte électronique en circuit imprimé (PCB) et utilise directement des alimentations isolées (intégrant des transformateurs) du commerce. Mais ces alimentations ont plusieurs inconvénients : elles ont une plage de température de fonctionnement limitée ( 10pF) ; elles sont trop volumineuses pour permettre leur intégration dans le module de puissance. Il est également connu de réaliser le circuit d’alimentation et avec son transformateur à l’intérieur du PCB. Mais la plage de température de fonctionnement reste limitée ( Une solution alternative est un transformateur intégré au PCB qui ne comporte pas de noyau magnétique (" coreless "). Cette solution a l'avantage de permettre un fonctionnement à des températures supérieures à 150°C, mais son intégration à l’intérieur du module requiert une interface thermique supplémentaire pour refroidir le PCB. Il est également connu une solution basée sur l’utilisation d’une inductance de filtrage entre deux bras d’un module de puissance. L'inductance est réalisée en déposant du cuivre sur un substrat simple face du module de puissance. Mais l’utilisation d’un substrat simple face limite la capacité de dissipation thermique du module et ne permet pas d’avoir une fonction d'isolation apportée par un transformateur. Par ailleurs, on sait bien que les éléments parasites (capacités, inductances) présents dans les modules de puissance impactent leurs performances. Notamment, un élément à prendre en compte dans la possibilité d'intégrer une alimentation isolée est sa capacité parasite équivalente qui doit être maitrisée. L’invention vise à fournir l’isolation d’un circuit d’alimentation électrique d’un module de puissance de taille réduite, sans échauffement excessif, avec une maîtrise de la valeur de capacité parasite, permettant son intégration dans un module de puissance. Selon un objet de l’invention, il est proposé un circuit d’alimentation électrique pour un module de puissance, le circuit d’alimentation comprenant un transformateur électrique comportant un circuit primaire et un circuit secondaire. Selon une caractéristique générale de l’invention, le circuit d’alimentation électrique comprend : - un premier substrat ayant une première face comportant un dissipateur thermique et une seconde face opposée à la première face, - un second substrat ayant une première face comportant un dissipateur thermique et une seconde face opposée à la première face, - des premières pistes métalliques disposées sur la seconde face du premier substrat, des secondes pistes métalliques disposées sur la seconde face du second substrat, - des connecteurs électriques disposés entre les premier et second substrats pour connecter électriquement une première piste métallique à une seconde piste métallique et former ainsi des spires, le circuit primaire du transformateur électrique comprenant une première partie des premières pistes métalliques et une première partie des secondes pistes métalliques, et le circuit secondaire du transformateur électrique comprenant une seconde partie des premières pistes métalliques et une seconde partie des secondes pistes métalliques. L’architecture selon l’invention permet d’avoir un circuit d’alimentation électrique très compact et de petite taille. Elle permet également de limiter les éléments parasites. Plus particulièrement, la capacité parasite entre les spires des circuits primaire et secondaire peut notamment être réduite ou contrôlée en réglant la distance entre les spires et donc la largeur du circuit magnétique. L’architecture du circuit permet en outre d’améliorer sa résistance à des températures élevées, c’est-à-dire des températures typiquement supérieures à 150°C. En effet, le substrat métallique double face permettant un meilleur refroidissement, la plage de température de fonctionnement du circuit d'alimentation est étendue. En pratique, la température limite supérieure dépend des matériaux magnétiques, de l'isolant et des attaches des éléments de connexion électrique qui sont choisis. La fiabilité du circuit d’alimentation électrique est également améliorée. On obtient notamment une meilleure tenue mécanique (en termes de vibrations et cycles thermiques) par rapport à un transformateur bobiné (avec du fil fin) inséré dans le module de puissance ou connecté au module par des brasures. Selon un premier aspect du circuit d’alimentation électrique, le circuit peut comprendre un isolant électrique en matériau polymère dans lequel sont encapsulés les éléments électriques disposés entre les premier et second substrats. Le matériau polymère peut être par exemple un polymère époxyde, un gel silicone ou un élastomère. On peut avantageusement utiliser le même procédé de fabrication et le même matériau polymère utilisés pour isoler les semi-conducteurs de puissance. Selon un deuxième aspect du circuit d’alimentation électrique, le circuit peut comprendre en outre un circuit magnétique formé par un noyau magnétique inséré entre les deux substrats métalliques et entouré par au moins une partie desdits connecteurs électriques. Selon un troisième aspect du circuit d’alimentation électrique, le noyau magnétique peut être réalisé par moulage par injection de poudre (connu en anglais sous la dénomination de procédé PIM) ou par un procédé connu en anglais sous la dénomination « binder jetting ». Selon un quatrième aspect du circuit d’alimentation électrique, le transformateur électrique peut être dépourvu de noyau mécanique. Avoir un transformateur électrique dépourvu de noyau magnétique permet d’améliorer la résistance du transformateur aux hautes températures, c’est-à-dire aux températures supérieures à 150°C. Selon un cinquième aspect du circuit d’alimentation électrique, le premier substrat et le second substrat ainsi que les connecteurs électriques reliant les deux substrats peuvent être fabriqués par fabrication additive. Dans un autre aspect de l’invention, il est proposé un module de puissance comprenant des composants électriques de puissance, un circuit de commande du module, un circuit d’alimentation du module tel que défini ci-dessus et un premier et un second substrats de module présentant chacun une première face comportant un dissipateur thermique et une seconde face opposée à la première face, les secondes faces des premier et second substrats étant disposées en regard l’une de l’autre, et le circuit d’alimentation du module, le circuit de commande du module et les composants électriques de puissance étant disposés entre les premier et second substrats, le premier substrat du circuit d’alimentation électrique étant formé par une partie du premier substrat du module et le second substrat du circuit d’alimentation électrique étant formé par une partie du second substrat du module. Dans un autre aspect de l’invention, il est proposé un aéronef comprenant au moins un module de puissance tel que défini ci-dessus. La figure 1 est une représentation schématique d’un module de puissance selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 2 représente schématiquement un circuit d’alimentation électrique du module de puissance de la figure 1 selon un premier mode de réalisation. La figure 3 représente schématiquement un circuit d’alimentation électrique du module de puissance de la figure 1 selon un second mode de réalisation. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un module de puissance selon un mode de réalisation de l’invention. Le module de puissance 1 comprend des composants électriques de puissance 2, tels que des transistors de puissance ou d’autre composants électroniques semi-conducteurs, un circuit de commande 3 du module de puissance 1 et un circuit d’alimentation électrique 4 du module de puissance 1. Le module de puissance 1 comprend en outre un premier substrat 5 présentant une première face 50 et une seconde face 55, ainsi qu’un second substrat 6 présentant une première face 60 et une seconde face 65. La seconde face 55 du premier substrat 5 est disposée en regard de la seconde face 65 du second substrat 6. Les composants électriques de puissance 2, le circuit de commande 3 et le circuit d’alimentation électrique 4 sont disposés entre le premier substrat 5 et le second substrat 6. Plus particulièrement, les composants électriques de puissance 2, le circuit de commande 3 et le circuit d’alimentation électrique 4 sont, chacun, disposés entre la seconde face 55 du premier substrat 5 et la seconde face 65 du second substrat 6. La première face 50 du premier substrat 5 et la première face 60 du second substrat comportent chacun un dissipateur thermique 7. Sur la figure 2 est représenté schématiquement le circuit d’alimentation électrique 4 du module de puissance 1 de la figure 1 selon un premier mode de réalisation. Le circuit d’alimentation électrique 4 comprend un transformateur électrique 41 comportant un circuit primaire 42 et un circuit secondaire 43, et un noyau magnétique 44. Le circuit d’alimentation 4 comprend en outre un premier substrat 45 formé par une portion du premier substrat 5 du module de puissance 1, et un second substrat 46 formé par une portion du second substrat 6 du module de puissance 1. Le premier substrat 45 du circuit d’alimentation 4 présente une première face 450, confondue avec la première face 50 du premier substrat 5 du module de puissance 1, sur laquelle est monté le dissipateur thermique 7 associé au premier substrat 5. Le second substrat 46 du circuit d’alimentation 4 présente une première face 460, confondue avec la première face 60 du second substrat 6 du module de puissance 1, sur laquelle est monté le dissipateur thermique 7 associé au second substrat 6. Le premier substrat 45 du circuit d’alimentation 4 présente une seconde face 455 opposée à sa première face 450, et le second substrat 46 du circuit d’alimentation 4 présente une seconde face 465 opposée à sa première face 460. Le circuit d’alimentation électrique 4 comprend en outre des premières pistes métalliques 47 disposées sur la seconde face 455 du premier substrat 45 du circuit d’alimentation électrique 4, et des secondes pistes métalliques 48 disposées sur la seconde face 465 du second substrat 46, ainsi que des connecteurs électriques 49 disposés entre la seconde face 455 du premier substrat 45 du circuit d’alimentation électrique 4 et la seconde face 465 du second substrat 46 du circuit d’alimentation électrique 4 pour connecter électriquement une première piste métallique 47 à une seconde piste métallique 48 et ainsi former les spires des circuits primaire et secondaire. Le circuit primaire 42 du transformateur électrique 41 comprend une première partie des premières pistes métalliques 47 et une première partie des secondes pistes métalliques 48, ces premières et deuxièmes pistes 47 et 48 étant reliées par des connecteurs électriques 49 correspondants pour former les spires du circuit primaire, et le circuit secondaire 43 du transformateur électrique 41 comprend une seconde partie des premières pistes métalliques 47 et une seconde partie des secondes pistes métalliques 48, ces premières et deuxièmes pistes 47 et 48 étant reliées par des connecteurs électriques 49 correspondants pour former les spires du circuit secondaire. Le module de puissance 1 comprend encore un isolant électrique en matériau polymère, tel que de l’élastomère ou de l’époxyde, s’étendant entre le premier substrat 5 et le second substrat 6, et dans lequel sont pris les éléments électriques disposés entre les premier et second substrats 5 et 6, c’est-à-dire les composants électriques 2, le circuit de commande 3, et le transformateur 41. Sur la figure 3 est représenté schématiquement le circuit d’alimentation électrique 4 du module de puissance 1 de la figure 1 selon un second mode de réalisation. Le circuit d’alimentation électrique 4 illustré sur la figure 3 diffère de celui illustré sur la figure 2 en ce que le transformateur électrique 41 est dépourvu de noyau magnétique 44, ce qui permet d’améliorer la tenue du transformateur aux hautes températures, c’est-à-dire aux températures supérieures à 150°C. Circuit d’alimentation électrique (4) pour un module de puissance (1), le circuit d’alimentation électrique (4) comprenant un transformateur électrique (41) comportant un circuit primaire (42) et un circuit secondaire (43), caractérisé en ce qu’ il comprend : - un premier substrat (45) ayant une première face (450) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (455) opposée à la première face (450), - un second substrat (46) ayant une première face (460) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (465) opposée à la première face (460), - des premières pistes métalliques (47) disposées sur la seconde face (455) du premier substrat (45), des secondes pistes métalliques (48) disposées sur la seconde face (465) du second substrat (46), - des connecteurs électriques (49) disposés entre les premier et second substrats (45, 46) pour connecter électriquement une première piste métallique (47) à une seconde piste métallique (48), le circuit primaire (42) du transformateur électrique (41) comprenant une première partie des premières pistes métalliques (47) et une première partie des secondes pistes métalliques (48), et le circuit secondaire (43) du transformateur électrique (41) comprenant une seconde partie des premières pistes métalliques (47) et une seconde partie des secondes pistes métalliques (48). Circuit d’alimentation électrique (4) selon la revendication 1, comprenant un isolant électrique en matériau polymère dans lequel sont encapsulés les éléments électriques (41) disposés entre les premier et second substrats (45, 46). Circuit d’alimentation électrique (4) selon l’une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un circuit magnétique formé par un noyau magnétique (44) inséré entre les premières et secondes pistes métalliques (47, 48) et entouré par au moins une partie desdits connecteurs électriques (49). Circuit d’alimentation électrique (4) selon la revendication 3, dans lequel le noyau magnétique (44) est réalisé par un procédé de fabrication additive tel qu’un procédé de moulage par injection de poudre. Circuit d’alimentation électrique (4) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le transformateur électrique (41) est dépourvu de noyau magnétique. Circuit d’alimentation électrique (4) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le premier substrat (45) et le second substrat (46) sont fabriqués par fabrication additive. Module de puissance (1) comprenant des composants électriques de puissance (2), un circuit de commande (3) du module de puissance (1), un circuit d’alimentation électrique (4) du module de puissance (1) selon l’une des revendications 1 à 6, et un premier et un second substrats de module (5, 6) présentant chacun une première face (50, 60) comportant un dissipateur thermique (7) et une seconde face (55, 65) opposée à la première face (50, 60), les secondes faces (55, 65) des premier et second substrats (5, 6) étant disposées en regard l’une de l’autre, et le circuit d’alimentation électrique (4), le circuit de commande (3) et les composants électriques de puissance (2) étant disposés entre les premier et second substrats (5, 6), le premier substrat (45) du circuit d’alimentation électrique (4) étant formé par une partie du premier substrat de module (5) et le second substrat (46) du circuit d’alimentation électrique (4) étant formé par une partie du second substrat de module (6). Aéronef comprenant au moins un module de puissance (1) selon la revendication 7.