Brevet FR3147682A1 — publié le 20241011

Dispositif d’électronique de puissance à constante de temps thermique améliorée La présente invention concerne un dispositif (1) d’électronique de puissance comportant : - des composants électroniques de puissance (12, 14), - une plaque de refroidissement (8), - un circuit (2) comportant les composants électroniques de puissance (12, 14) et les reliant électriquement, le circuit (2) étant solidarisé à la plaque de refroidissement (8), - des conducteurs d’entrée (3) et de sortie (4) du circuit (2), le dispositif (1) d’électronique de puissance étant caractérisé en ce qu’il comporte un matériau (6) à changement de phase noyant le circuit (2). (Figure 1) Dispositif d’électronique de puissance à constante de temps thermique améliorée La présente invention se rapporte aux domaines de l’électrotechnique et de la thermodynamique, et concerne plus précisément un dispositif d’électronique de puissance tel qu’un onduleur, notamment pour un véhicule automobile. Les véhicules électriques ou hybrides électriques comportent des dispositifs d’électronique de puissance liés au fonctionnement de leurs groupes motopropulseurs, de leurs chargeurs électriques ou de leurs réseaux de bord. En effet, un tel véhicule comporte une batterie dite de traction de tension élevée, de l’ordre de 200 à 800V (Volt), pour alimenter un moteur électrique apportant un couple suffisant pour faire rouler le véhicule, le moteur électrique étant généralement un moteur à courant alternatif. Le véhicule doit donc intégrer un onduleur de puissance convertissant la tension continue fournie par la batterie de traction, en tension alternative. Le véhicule intègre de plus généralement un convertisseur courant continu - courant continu de puissance pour alimenter un réseau de bord du véhicule à partir de la batterie de traction, en complément ou à la place d’une batterie de servitude de tension bien plus faible, et intègre aussi généralement un chargeur de puissance pour recharger la batterie de traction depuis une borne de recharge externe. Ces dispositifs d’électronique de puissance comportent des composants électroniques de puissance, qui sont soumis en fonctionnement à des courants élevés, de plusieurs centaines d’ampères, provoquant une montée en température de ces composants, qui peut les détériorer si cette température n’est pas maintenue sous un certain seuil. Par exemple une température trop élevée peut faire fondre des transistors de puissance, ou détériorer les inductances statoriques ou rotoriques. De ce fait, un tel véhicule électrique ou hybride implémente au moins un mécanisme de contrôle de la température de ses dispositifs d’électronique puissance. Un tel mécanisme limite par exemple la puissance fournie au moteur dès que la température des composants de l’onduleur de puissance ou du moteur électrique dépasse un seuil haut de température, fixé par exemple à une centaine de degrés Celsius. Un tel mécanisme de contrôle limite donc les pics de puissance de fonctionnement du véhicule, de sorte que la température des composants d’électronique de puissance ne dépasse pas un seuil critique de température supérieur au seuil haut de température. Le seuil critique de température est par exemple la température de jonction d’un transistor en silicium, soit environ 150°C (degrés Celsius). Les pics de puissance sont généralement limités à une durée d’une dizaine à une vingtaine de secondes. Un tel pic de puissance correspond par exemple à un redémarrage brusque du véhicule. De manière alternative ou complémentaire, les modules de puissance sont généralement surdimensionnés pour fournir le couple demandé par le conducteur, sans avoir à activer de mécanisme de contrôle de température. Pour stopper efficacement la montée en température des composants électroniques de puissance, notamment lors de ces pics de puissance, le véhicule électrique ou hybride comporte un système de refroidissement des composants électroniques de puissance. Ce système peut comporter une circulation de fluide caloporteur, passant dans une plaque de refroidissement sur laquelle est fixé au moins un dispositif d’électronique de puissance tel que l’onduleur ou le convertisseur courant continu – courant continu. Alternativement ou en complément, la plaque de refroidissement est refroidie par un flux d’air provenant de l’extérieur du véhicule, et comporte des ailettes de refroidissement facilitant l’échange thermique avec le flux d’air. Dans un tel système de refroidissement, les composants électroniques de puissance du dispositif d’électronique de puissance, tels que les transistors, sont fixés sur la plaque de refroidissement par l’intermédiaire d’une ou plusieurs couches électriquement isolantes mais dont souvent la conductivité thermique n’est pas très efficace. De ce fait la résistance thermique du dispositif d’électronique de puissance est importante. De plus, la surface des transistors étant très petite, la surface d’échange thermique entre les transistors et la plaque de refroidissement est très faible. Enfin les barres conductrices de puissance ou les inductances du dispositif d’électronique de puissance ne sont pas refroidies par la plaque de refroidissement. Tout cela fait que la constante de temps thermique du dispositif d’électronique de puissance refroidi par la plaque de refroidissement est d’environ une seconde, soit dix à vingt fois plus petite que la durée d’un pic de puissance. Cette constante de temps thermique est représentative du temps nécessaire pour que la température du dispositif d’électronique de puissance, et notamment de ses composants électroniques, suive une augmentation de température liée au courant électrique qui le parcourt, malgré la plaque de refroidissement. Pour ne pas monter trop haut en température lors des pics de puissance, les composants électroniques de puissance du véhicule sont donc dimensionnés pour pouvoir subir ces pics de puissance, d’une valeur de deux à trois fois celle de la puissance nominale de fonctionnement du véhicule. La taille des composants électroniques de puissance est donc surdimensionnée, valant deux à trois fois la taille de ces composants s’ils n’étaient utilisés qu’à leur puissance nominale. Ce surdimensionnement implique un coût, et ne participe pas aux efforts d’allègement des véhicules pour diminuer leur consommation d’énergie. De plus les compartiments moteur des véhicules étant très encombrés, il est souhaitable d’optimiser au mieux la taille des dispositifs que ces compartiments logent. Il existe donc un besoin d’optimiser la taille des dispositifs d’électronique de puissance au sein des véhicules électriques ou hybrides électriques. L’invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure, en fournissant un dispositif d’électronique de puissance dont les composants peuvent être dimensionnés pour une utilisation au maximum de leur capacité à puissance nominale, grâce à une meilleure gestion de leur température, et un groupe motopropulseur comportant ce dispositif d’électronique de puissance. A cette fin, la présente invention propose un dispositif d’électronique de puissance comportant : - des composants électroniques de puissance, - une plaque de refroidissement, - un circuit comportant les composants électroniques de puissance et les reliant électriquement, le circuit étant solidarisé à la plaque de refroidissement, - des conducteurs d’entrée et de sortie du circuit, le dispositif d’électronique de puissance étant caractérisé en ce qu’il comporte un matériau à changement de phase noyant le circuit. Les conducteurs d’entrée et de sortie émergent du matériau à changement de phase, ou bien ne sont pas recouverts du matériau à changement de phase. Grâce à l’invention, les composants électroniques de puissance sont par exemple dimensionnés pour fonctionner au maximum de leur capacité à puissance nominale seulement. En effet en fonctionnement nominal, la plaque de refroidissement assure le refroidissement nécessaire au maintien de la température des composants électroniques de puissance sous leur température critique, comme dans l’art antérieur. En revanche lors des pics de puissance, le matériau à changement de phase absorbe le surplus de chaleur non dissipé par la plaque de refroidissement, en passant de l’état solide à l’état liquide, ce qui permet aux composants électroniques de puissance de se maintenir en dessous de leur température critique. Une fois le pic de puissance dépassé, la plaque de refroidissement parvient à refroidir efficacement les composants électroniques de puissance, et le matériau à changement de phase se solidifie là où il était devenu liquide. Selon une caractéristique préférée de l’invention, le matériau à changement de phase est dimensionné en volume de sorte à ne pas se liquéfier totalement lors des pics de puissance. Préférentiellement, le matériau à changement de phase occupe un volume dont des contours s’étendent autour du circuit depuis la plaque de refroidissement jusqu’à au moins un plan parallèle à la plaque de refroidissement, tel que le circuit est compris entre la plaque de refroidissement et le plan. Lorsque la plaque de refroidissement n’est pas plane ou d’un seul morceau, le matériau à changement de phase occupe un volume tel qu’il noie les composants électroniques de puissance du dispositif d’électronique de puissance en dehors de la surface de contact entre les composants et la ou les plaques de refroidissement. Le matériau à changement de phase est préférentiellement choisi parmi les matériaux aptes à passer d’un état solide à un état liquide à une température inférieure à la température de jonction maximale d’un transistor, donc inférieure à 150°C si les composants du dispositif d’électronique de puissance sont des transistors à silicium ou inférieure à 200°C si les composants du dispositif d’électronique de puissance sont des transistors à nitrure de gallium ou en carbure de silicium. Le matériau à changement de phase est par exemple une paraffine composée d’un alcane comportant plus de 17 atomes de carbone. Il peut s’agir d’hexacontane (60 atomes de carbone) dont la température de fusion est de 100°C. Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif d’électronique de puissance comporte un boîtier logeant le matériau à changement de phase, le boîtier comportant des parois latérales s’étendant latéralement au circuit depuis la plaque de refroidissement jusqu’à une paroi supérieure du boîtier, un espace étant laissé libre entre la paroi supérieure du boîtier et le matériau à changement de phase. Le boîtier permet de maintenir en forme le matériau à changement de phase. L’espace prévu entre le matériau à changement de phase et la paroi supérieure du boîtier permet au matériau de se dilater sous la chaleur sans déformer le boîtier. Les conducteurs d’entrée et de sortie s’étendent à l’extérieur du boîtier. Pour cela, la paroi supérieure du boîtier comporte par exemple des orifices de passage des conducteurs d’entrée et de sortie. Dans un mode de réalisation de l’invention, le circuit est agencé et fixé sur une couche de substrat électriquement isolante et thermiquement conductrice, elle-même solidarisée à la plaque de refroidissement. Cette couche de substrat permet d’isoler électriquement la plaque de refroidissement du circuit, tout en permettant le refroidissement de celui-ci. La couche de substrat est notamment prise en tenaille entre d’une part au moins une première couche métallique du circuit et d’autre part une deuxième couche métallique, fixée à la plaque de refroidissement. Cette caractéristique permet une bonne tenue mécanique du circuit et de sa fixation à la plaque de refroidissement, en permettant une dilatation identique sous la chaleur, des couches métalliques prenant en tenaille la couche de substrat. La couche de substrat est par exemple en céramique. Elle n’a donc pas forcément le même coefficient de dilatation que les couches métalliques, généralement en cuivre. Dans un mode de réalisation de l’invention, la plaque de refroidissement comporte un canal de circulation de fluide caloporteur. Alternativement, la plaque de refroidissement est connectée à un dissipateur de chaleur par l’intermédiaire d’une pâte thermique. L’invention concerne également un groupe motopropulseur électrique comportant un dispositif d’électronique de puissance selon l’invention. Le groupe motopropulseur électrique présente des avantages analogues à ceux du dispositif d’électronique de puissance selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence à l’unique dessin schématique annexé d’autre part, sur lequel : représente schématiquement un dispositif d’électronique de puissance selon l’invention. Un dispositif 1 d’électronique de puissance selon l’invention, représenté , est dans un mode de réalisation de l’invention, un onduleur de puissance d’un véhicule électrique ou hybride électrique. Il comporte notamment au moins une diode 12 et un transistor 14 (tous les composants du dispositif 1 d’électronique de puissance ne sont pas représentés). Bien sûr ces composants sont donnés uniquement à titre d’exemple, leur nature variant suivant le dispositif d’électronique de puissance selon l’invention. La diode 12 et le transistor 14 sont reliés par un circuit 2 comportant des fils de cuivre 11 et des premières couches métalliques 28, 24 planes en cuivre. Notamment la diode 12 et le transistor 14 sont brasés respectivement au moyen d’une brasure 34 et 36 sur la première couche métallique 28. Un conducteur de sortie 4, sous forme d’une barre de cuivre, est soudé par une soudure 30 sur la première couche métallique 28, et est disposé orthogonalement à celle-ci. De même, un conducteur d’entrée 3 également sous forme d’une barre de cuivre, est soudé par une soudure 32 à la première couche métallique 24 et est disposé orthogonalement à celle-ci. Il est à noter que d’autres conducteurs d’entrée et de sortie de l’onduleur ne sont pas représentés mais sont agencés de manière similaire aux conducteurs d’entrée 3 et de sortie 4. Les premières couches métalliques 24, 28 du circuit 2 sont frittées sur une couche de céramique 22 plane. Une deuxième couche métallique 26 est frittée du côté opposé aux premières couches métalliques 24, 28 sur la couche de céramique 22. La couche de céramique 22 est donc prise en tenaille entre les premières couches métalliques 28, 24 et la deuxième couche métallique 26. La deuxième couche métallique 26 est d’autre part brasée, via une brasure 38, à une plaque de refroidissement 8, comportant un canal de circulation de fluide caloporteur 9, par exemple de l’eau glycolée. Le canal de circulation du fluide caloporteur 9 est connecté à un circuit de refroidissement du véhicule, non représenté. Les composants 12, 14 sont des composants électroniques de puissance dimensionnés pour fonctionner à la puissance électrique nominale d’un groupe motopropulseur du véhicule alimenté par le dispositif 1 d’électronique de puissance, c’est-à-dire à une puissance telle que la plaque de refroidissement 8 suffise à ce que la température de ces composants électroniques de puissance 12, 14 ne dépasse pas leurs températures de jonction, sur une durée indéterminée de fonctionnement du groupe motopropulseur fonctionnant à cette puissance nominale. En revanche, les composants électroniques de puissance 12, 14 ne sont pas dimensionnés pour fonctionner à un pic de puissance égal à deux ou trois fois la puissance nominale du véhicule, pendant une durée indéterminée. Afin de supporter de tels pics de puissance de fonctionnement du groupe motopropulseur pouvant durer de 10 à 20 secondes, le dispositif 1 d’électronique de puissance comporte un matériau 6 à changement de phase noyant une partie des conducteurs d’entrée 3 et de sortie 4, le circuit 2, la couche de céramique 22 et la deuxième couche métallique 26 de cuivre qui est brasée sur la plaque de refroidissement 8. Ce matériau 6 à changement de phase est par exemple un bloc de paraffine à plus de 17 atomes de carbone, ce bloc étant logé dans un boîtier 5 comportant des parois latérales 52, 54 s’étendant latéralement au circuit 2 depuis la plaque de refroidissement 8 jusqu’à une paroi supérieure 56 du boîtier, parallèle à la plaque de refroidissement 8. Le bloc de matériau 6 à changement de phase occupe tout le volume interne du boîtier laissé libre entre la plaque de refroidissement 8 et un plan sensiblement parallèle 62 à la paroi supérieure 56 du boîtier 5. L’espace 7 compris entre ce plan parallèle 62 et la paroi supérieure 56 du boîtier 5 est vide. Il permet au matériau 6 à changement de phase de se dilater sous l’action de la chaleur sans détériorer le boîtier 5. Les conducteurs d’entrée 3 et de sortie 4 sortent du boîtier 5 par des orifices agencés dans la paroi supérieure 56 du boîtier 5. Lors d’un pic de puissance, le matériau 6 à changement de phase devient liquide autour des composants 12, 14 à refroidir, et ce pendant toute la durée du pic de puissance. Il existe donc une phase liquide φ2 du matériau 6 à changement de phase autour des composants 12, 14 pendant la durée du pic de puissance, cette phase liquide φ2 étant contenue dans une phase solide φ1 du matériau 6 à changement de phase, séparée de la phase liquide φ2 par une surface 60 de séparation représentée en pointillés sur la . Le volume de matériau 6 à changement de phase est en effet calculé de sorte que lors d’un pic de puissance de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule, la paraffine contenue dans le boîtier 5 ne fonde pas entièrement. Lorsque le pic de puissance se termine, cette surface 60 de séparation diminue jusqu’à disparaître sous l’action de la plaque de refroidissement 8 qui évacue les calories générées lors du pic de puissance et qui étaient absorbées dans le matériau 6 à changement de phase par son changement d’état. Entre deux pics de puissance, le matériau 6 à changement de phase ne présente donc plus qu’une seule phase φ1 solide. La présence du matériau 6 à changement de phase permet donc d’augmenter la constante de temps thermique du dispositif 1 d’électronique de puissance, à une valeur supérieure à la durée des pics de puissance de fonctionnement du groupe motopropulseur du véhicule. Autrement dit lors des pics de puissance, la température des composants électroniques du dispositif n’augmentera pas ou très peu, en ne suivant pas la dynamique d’augmentation de température normalement liée à l’augmentation de la puissance lors de ces pics. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Notamment en variante et suivant le type de composants électroniques de puissance à refroidir, la plaque de refroidissement peut comporter des ailettes de refroidissement et non un canal de refroidissement. Le mode de fixation des composants peut de plus présenter diverses techniques présentes dans l’art antérieur, par exemple la deuxième couche métallique 26 peut être frittée sur la plaque de refroidissement 8 au lieu d’y être brasée. Enfin le circuit 2 peut être agencé autrement que sur une plaque de céramique, notamment s’il comporte des inductances, celles-ci peuvent être solidarisées à la plaque de refroidissement 8 directement ou uniquement par l’intermédiaire d’une couche électriquement isolante en polymère par exemple. Dispositif (1) d’électronique de puissance comportant : - des composants électroniques de puissance (12, 14), - une plaque de refroidissement (8), - un circuit (2) comportant les composants électroniques de puissance (12, 14) et les reliant électriquement, le circuit (2) étant solidarisé à la plaque de refroidissement (8), - des conducteurs d’entrée (3) et de sortie (4) du circuit (2), le dispositif (1) d’électronique de puissance étant caractérisé en ce qu’il comporte un matériau (6) à changement de phase noyant le circuit (2). Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication précédente, dans lequel le matériau (6) à changement de phase occupe un volume dont des contours s’étendent autour du circuit (2) depuis la plaque de refroidissement (8) jusqu’à au moins un plan parallèle à la plaque de refroidissement (8), telle que le circuit (2) est compris entre la plaque de refroidissement (8) et le plan. Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau (6) à changement de phase est une paraffine composée d’un alcane comportant plus de 17 atomes de carbone. Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un boîtier (5) logeant le matériau (6) à changement de phase, le boîtier (5) comportant des parois latérales (52, 54) s’étendant latéralement au circuit (2) depuis la plaque de refroidissement (8) jusqu’à une paroi supérieure (56) du boîtier, un espace (7) étant laissé libre entre la paroi supérieure (56) du boîtier (5) et le matériau (6) à changement de phase. Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit (2) est agencé et fixé sur une couche de substrat (22) électriquement isolante et thermiquement conductrice, elle-même solidarisée à la plaque de refroidissement (8). Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication précédente, dans lequel la couche de substrat (22) est prise en tenaille entre d’une part au moins une première couche métallique (24, 28) du circuit (2) et d’autre part une deuxième couche métallique (26), fixée à la plaque de refroidissement (8). Dispositif (1) d’électronique de puissance selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la couche de substrat (22) est en céramique. Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la plaque de refroidissement (8) comporte un canal de circulation de fluide caloporteur (9). Dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque de refroidissement (8) est connectée à un dissipateur de chaleur par l’intermédiaire d’une pâte thermique (9). Groupe motopropulseur électrique comportant un dispositif (1) d’électronique de puissance selon l’une quelconque des revendications précédentes.