Brevet FR3148350A1 — publié le 20241101

L’invention concerne un ensemble électronique (10) à système de refroidissement (15) intégré, comportant : - une carte à circuit imprimé (20) ; - un compartiment à composants électroniques (90) formé par une cloison métallique (70) et la carte à circuit imprimé (20) ; - au moins deux composants électroniques (30, 40), chacun étant monté dans le compartiment à composants électroniques (90) sur un côté de la carte à circuit imprimé (20) tourné vers la cloison métallique (70) ; - des ailettes de dissipation thermique (100), orientées parallèlement entre elles selon le plan transversal (T), la cloison métallique (70) portant les ailettes de dissipation thermique (100) sur son côté opposé au côté de la cloison métallique (70) faisant face aux composants électroniques (30, 40). Figure de l’abrégé : Fig. 1 ENSEMBLE ELECTRONIQUE A SYSTEME DE REFROIDISSEMENT INTEGRE, BOITIER ELECTRONIQUE COMPORTANT UN TEL ENSEMBLE L’invention porte sur le domaine des boîtiers électroniques, notamment pour le domaine de l’électronique de puissance et en particulier ceux comportant un composant électronique, et un système de refroidissement du composant électronique. Un tel boîtier électronique peut être mis en œuvre dans un véhicule automobile. Dans l’art antérieur, différents boîtiers électroniques ou ensembles électroniques comportant une carte à circuit imprimé, portant des composants électroniques et un système de refroidissement à ventilateur ou à convection naturelle sont connus. Le refroidissement des composants électroniques n’est pas toujours optimal. En outre, l’industrie cherche constamment à limiter la taille, le poids et par conséquent le coût de tels boîtiers électroniques. Un objectif de l’invention est ainsi de proposer un ensemble électronique compact, léger et peu coûteux, et un boîtier comportant un tel ensemble électronique. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un ensemble électronique à système de refroidissement intégré, comportant une carte à circuit imprimé ; un compartiment à composants électroniques formé par une cloison métallique et la carte à circuit imprimé ; une direction transversale étant définie, dans l’ensemble électronique, perpendiculairement à la carte à circuit imprimé ; une direction longitudinale étant définie, dans l’ensemble électronique, parallèlement à un plan d’extension général de la carte à circuit imprimé ; un plan transversal étant défini perpendiculairement à la carte à circuit imprimé et s’étendant selon la direction longitudinale et la direction transversale. L’ensemble électronique comporte en outre : - au moins deux composants électroniques, chacun étant monté dans le compartiment à composants électroniques sur un côté de la carte à circuit imprimé tourné vers la cloison métallique ; – des ailettes de dissipation thermique (100), orientées parallèlement entre elles selon le plan transversal (T), la cloison métallique (70) portant les ailettes de dissipation thermique (100) sur son côté opposé au côté de la cloison métallique (70) faisant face aux composants électroniques (30, 40) ; chacun des au moins deux composants électroniques présentant une hauteur égale à une dimension maximale du composant électronique respectif depuis la carte à circuit imprimé dans la direction transversale ; les au moins deux composants électroniques étant disposés de telle sorte que la hauteur d’un premier composant électronique est inférieure à la hauteur du deuxième composant électronique. Grâce à une telle configuration, le refroidissement des composants électroniques de l’ensemble électronique est amélioré. De préférence, l’ensemble électronique comporte un capot, de préférence en matière plastique ou métallique, la cloison métallique étant interposée entre le capot et la carte à circuit imprimée de manière à délimiter au moins un canal de circulation d’air entre la cloison métallique et le capot, l’ensemble électronique comprenant en outre au moins un ventilateur disposé à une extrémité de l’au moins un canal de circulation d’air et apte à introduire de l’air dans l’au moins un canal de circulation d’air, un axe de rotation de l’au moins un ventilateur étant orienté selon la direction longitudinale, la hauteur du premier composant électronique étant disposé plus proche de l’au moins un ventilateur selon la direction longitudinale que le deuxième composant. Ainsi, l’ensemble électronique tire parti du fait que les composants électroniques les plus petits (MOSFET, diodes, etc.) tendent à nécessiter une évacuation de chaleur plus importante que les gros composants (bobines d’inductions, transformateurs, etc.). Ici, les plus petits composants sont disposés là où les ailettes sont les plus grandes et bénéficient de la surface d’échange de chaleur avec l’air la plus grande. A contrario, les composants les plus gros sont disposés plus loin de l’entrée d’air, par ordre croissant de taille à mesure que l’on s’éloigne de l’entrée d’air, avec une dimension des ailettes diminuant dans la direction transversale mais augmentant dans la direction longitudinale. Ainsi, l’échange de chaleur total avec l’air est sensiblement maintenu, et le flux de chaleur par unité de surface de la cloison métallique est adapté aux besoins en refroidissement des composants. En outre, lorsqu’un ventilateur est utilisé, les plus petits composants sont disposés au plus près du ventilateur et bénéficient de l’air le plus frais, en entrée du canal de circulation d’air. A contrario, les composants les plus gros sont disposés plus loin du ventilateur, par ordre croissant de taille à mesure que l’on s’éloigne du ventilateur Ainsi, en disposant le ventilateur dans l’alignement du flux d’air longeant la cloison métallique et la carte à circuit imprimé, on réduit la taille de l’ensemble électronique, permettant ainsi d’en réduire le poids et le coût grâce à une limitation du volume de ses constituants. Avantageusement, l’au moins un canal de circulation d’air peut être sensiblement convergent depuis l’au moins un ventilateur jusqu’à une ouverture de sortie du canal de circulation d’air située à une extrémité de l’au moins un canal de circulation d’air opposée à l’au moins un ventilateur. Une telle convergence vers l’ouverture de sortie du canal de circulation d’air permet d’éviter la présence de recoins mal alimentés en air par le ventilateur. Le refroidissement des composants électroniques s’en trouve ainsi amélioré. Avantageusement, l’au moins un canal de circulation d’air peut être exempt de section divergente dans le plan transversal, et ses angles saillants peuvent être arrondis. A fortiori, une configuration exempte de section divergente entre l’entrée et la sortie du canal de circulation d’air a pour avantage l’absence de zone de décollement du fluide, mal refroidie, cette exemption permettant d’améliorer encore le refroidissement des composants. Avantageusement, la cloison métallique peut comporter une portion parallèle au plan d’extension général de la carte à circuit imprimé en regard d’au moins un parmi les au moins deux composants électroniques selon la direction transversale, de préférence en regard de chacun parmi les au moins deux composants électroniques. Une telle portion parallèle à la carte à circuit imprimé permet de prévoir la meilleure proximité entre la cloison métallique et les composants à refroidir, offrant ainsi un échange thermique amélioré. Les ailettes améliorent l’échange thermique entre la cloison métallique et le flux d’air 70. Leur disposition permet en outre de canaliser le flux d’air et d’assurer sa répartition homogène contre la cloison métallique 70 pour un bon échange thermique. Avantageusement, le premier composant électronique peut être un semi-conducteur tel qu’un transistor planaire, une diode ou un transformateur planaire, et/ou, le deuxième composant électronique peut être une bobine d’induction ou un transformateur ou une capacité. L’invention porte encore sur un boîtier électronique comportant un ensemble électronique tel que précité. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : - illustre schématiquement un ensemble électronique à système de refroidissement intégré. En référence à la , un boîtier électronique 5, comportant un ensemble électronique 10 à système de refroidissement 15 intégré est décrit. L’ensemble électronique 10 comporte une carte à circuit imprimé 20, un capot en matière plastique 80 et une cloison métallique 70. La cloison métallique 70 est interposée entre le capot en matière plastique 80 et la carte à circuit imprimé 20 , et délimite : - au moins un canal de circulation d’air 50 entre la cloison métallique 70 et le capot en matière plastique 80, et - un compartiment à composants électroniques 90 entre la cloison métallique 70 et la carte à circuit imprimé 20. Le compartiment à composants électroniques 90 est prévu étanche à l’eau, grâce notamment à la cloison métallique 70. La cloison métallique 70, dont un côté donne sur l’au moins un canal de circulation d’air 50, permet en outre d’assurer le refroidissement du compartiment à composants électroniques 90 et des composants électroniques 30, 40 s’y trouvant. Dans l’ensemble électronique 10, les repères géométriques suivants sont définis (voir ) : - une direction transversale Y perpendiculaire à la carte à circuit imprimé 20, - une direction longitudinale X parallèle à un plan d’extension général P de la carte à circuit imprimé 20, - un plan transversal T perpendiculaire à la carte à circuit imprimé 20 et s’étendant selon la direction longitudinale X et la direction transversale Y. L’ensemble électronique 10 comporte en outre : - au moins deux composants électroniques 30, 40, chacun monté dans le compartiment à composants électroniques 90 sur un côté de la carte à circuit imprimé 20 tourné vers la cloison métallique 70, - au moins un ventilateur 60, disposé à une extrémité de l’au moins un canal de circulation d’air 50 et apte à introduire de l’air dans l’au moins un canal de circulation d’air 50, un axe de rotation de l’au moins un ventilateur 60 étant orienté selon la direction longitudinale X. Chacun des au moins deux composants électroniques 30, 40 présente une hauteur L1, L2 égale à une dimension maximale du composant électronique 30, 40 respectif depuis la carte à circuit imprimé 20 dans la direction transversale Y. Les au moins deux composants électroniques 30, 40 sont disposés de sorte que la hauteur L1 d’un premier composant électronique 30, disposé plus proche de l’au moins un ventilateur 60 selon la direction longitudinale X que le deuxième composant 40, est inférieure à la hauteur L2 du deuxième composant électronique 40. L’au moins un canal de circulation d’air 50 est sensiblement convergent depuis l’au moins un ventilateur 60 jusqu’à une ouverture de sortie 110 du canal de circulation d’air 50 située à une extrémité 130 de l’au moins un canal de circulation d’air 50 opposée à l’au moins un ventilateur 60. De préférence, l’au moins un canal de circulation d’air 50 est exempt de section divergente dans le plan transversal T. La cloison métallique 70 comporte une portion 120 parallèle au plan d’extension général P de la carte à circuit imprimé 20 en regard d’au moins un parmi les au moins deux composants électroniques 30, 40 selon la direction transversale Y, de préférence en regard de chacun parmi les au moins deux composants électroniques 30, 40 ainsi qu’illustré en . L’ensemble électronique 10 comporte de préférence des ailettes de dissipation thermique 100, orientées parallèlement entre elles selon le plan transversal T. La cloison métallique 70 porte les ailettes de dissipation thermique 100 sur son côté opposé au côté de la cloison métallique 70 faisant face aux composants électroniques 30, 40. De préférence, non limitativement, le premier composant électronique 30 est un transistor ou une diode, et/ou, le deuxième composant électronique 40 est une bobine d’induction ou un transformateur. Selon une alternative, l’ensemble électronique 10 comporte un premier composant électronique, par exemple de type MOSFET, IGBT, diode ou transformateur planaire, présentant une première hauteur L1, un deuxième composant électronique, par exemple de type bobine d’induction, capacité ou transformateur, présentant une deuxième hauteur L2 et un troisième composant électronique, par exemple de type bobine d’induction ou transformateur présentant une troisième hauteur, de telle sorte que L3>L2>L1. Le système de refroidissement 15 comporte notamment le ventilateur 60, la cloison métallique 70, le capot 80, les ailettes 100. Grâce à la configuration précitée, le système de refroidissement 15 est intégré à l’ensemble électronique 10 et/ou au boitier électronique 5, lequel est ainsi particulièrement compact, léger et peu coûteux. Ensemble électronique (10) à système de refroidissement (15) intégré, comportant : - une carte à circuit imprimé (20) ; - un compartiment à composants électroniques (90) formé par une cloison métallique (70) et la carte à circuit imprimé (20) ; une direction transversale (Y) étant définie, dans l’ensemble électronique (10), perpendiculairement à la carte à circuit imprimé (20) ; une direction longitudinale (X) étant définie, dans l’ensemble électronique (10), parallèlement à un plan d’extension général (P) de la carte à circuit imprimé (20) ; un plan transversal (T) étant défini perpendiculairement à la carte à circuit imprimé (20) et s’étendant selon la direction longitudinale (X) et la direction transversale (Y) ; l’ensemble électronique (10) comportant en outre : - au moins deux composants électroniques (30, 40), chacun étant monté dans le compartiment à composants électroniques (90) sur un côté de la carte à circuit imprimé (20) tourné vers la cloison métallique (70) ; - des ailettes de dissipation thermique (100), orientées parallèlement entre elles selon le plan transversal (T), la cloison métallique (70) portant les ailettes de dissipation thermique (100) sur son côté opposé au côté de la cloison métallique (70) faisant face aux composants électroniques (30, 40) ; chacun des au moins deux composants électroniques (30, 40) présentant une hauteur (L1, L2) égale à une dimension maximale du composant électronique (30, 40) respectif depuis la carte à circuit imprimé (20) dans la direction transversale (Y) ; les au moins deux composants électroniques (30, 40) étant disposés de telle sorte que la hauteur (L1) d’un premier composant électronique (30) est inférieure à la hauteur (L2) du deuxième composant électronique (40). Ensemble électronique (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’ensemble électronique (10) comporte un capot (80), de préférence en matière plastique ou métallique, la cloison métallique (70) étant interposée entre le capot (80) et la carte à circuit imprimée (20) de manière à délimiter au moins un canal de circulation d’air (50) entre la cloison métallique (70) et le capot (80), l’ensemble électronique (10) comprenant en outre au moins un ventilateur (60) disposé à une extrémité de l’au moins un canal de circulation d’air (50) et apte à introduire de l’air dans l’au moins un canal de circulation d’air (50), un axe de rotation de l’au moins un ventilateur (60) étant orienté selon la direction longitudinale (X), la hauteur (L1) du premier composant électronique (30) étant disposé plus proche de l’au moins un ventilateur (60) selon la direction longitudinale (X) que le deuxième composant (40). Ensemble électronique (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’au moins un canal de circulation d’air (50) est sensiblement convergent depuis l’au moins un ventilateur (60) jusqu’à une ouverture de sortie (110) du canal de circulation d’air (50) située à une extrémité de l’au moins un canal de circulation d’air (50) opposée à l’au moins un ventilateur (60). Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l’au moins un canal de circulation d’air (50) est exempt de section divergente dans le plan transversal (T). Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la cloison métallique (70) comporte une portion (120) parallèle au plan d’extension général (P) de la carte à circuit imprimé (20) en regard d’au moins un parmi les au moins deux composants électroniques (30, 40) selon la direction transversale (Y), de préférence en regard de chacun parmi les au moins deux composants électroniques (30, 40). Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le premier composant électronique (30) est semi-conducteur tel qu’un un transistor planaire, une diode ou un transformateur planaire. Ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le deuxième composant électronique (40) est une bobine d’induction, un transformateur ou une capacité. Boîtier électronique (10) comportant un ensemble électronique (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.