Brevet FR3150901A1 — publié le 20250110

Titre : Module de puissance L’invention concerne un module de puissance (1) comportant : Un substrat (3) un premier conducteur (C+) comportant une portion de connexion (P+), au moins une borne (B+), et au moins une portion de liaison (PL+); un deuxième conducteur (C-) comportant une portion de connexion (P-) et une borne (B-); un troisième conducteur (C~) comportant des première (P1~) et deuxième portions de connexion (P2~), au moins une borne (B~), et au moins une portion de liaison (PL~); Caractérisé en ce qu’au moins une portion de liaison (PL+) du premier conducteur (C+) enjambe une portion de connexion (P~) du troisième conducteur (C~), ou qu’au moins une portion de liaison (PL~) du troisième conducteur (C~) enjambe une portion de connexion (P+) du premier conducteur (C+) Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Module de puissance Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un module de puissance. Arrière-plan technologique Il est connu d’utiliser un module de puissance implémentant un bras de commutation avec un interrupteur de côté haut formé de plusieurs transistors, dits de côté haut, et un interrupteur de côté bas formé également de plusieurs transistors, dits de côté bas. Généralement, les transistors de chaque côté sont répartis sur deux rangées parallèles déposées sur un substrat. Le module de puissance comporte en outre un circuit de commande avec deux parties, distantes l’une de l’autre, pour la commande de respectivement les transistors de côté haut et les transistors de côté bas. Chacune des deux parties comporte des broches se projetant vers le haut ou vers le bas pour être connectées à des pilotes. Sur ces modules de puissance, la connexion entre les rangées de transistors et les bornes du module de puissance est réalisée à l’aide de pistes conductrices sur le substrat. Cependant, l’utilisation de pistes de connexion sur le substrat présente plusieurs inconvénients. L’espace sur le substrat étant restreint, il y a de fortes contraintes sur la taille et le parcours des pistes conductrices. Certaines pistes ont un parcours long et une section faible, donc une forte impédance. Cela est particulièrement problématique quand l’ensemble des pistes ont des impédances très différentes, ce qui peut nuire à la performance du module de puissance. De plus, la place occupée par les pistes de connexion nécessite de rapprocher les transistors sur le substrat. On obtient typiquement une distance maximale de 1mm à 1.6mm entre deux transistors. Cette faible distance induit un couplage thermique entre les différents composants, et augmente l’impédance thermique de l’ensemble du module de puissance. Ensuite, l’utilisation de pistes de connexion placées sur le même plan que les transistors nécessite de séparer un interrupteur formé de plusieurs transistors en deux groupes de transistors afin de permettre le passage de pistes de connexion. Cette séparation en groupes de transistors implique un déséquilibre dans le courant traversant ces groupes de transistor, ce qui nuit à l’efficacité du module de puissance. Il peut ainsi être souhaité de prévoir un module de puissance qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités. L’invention concerne un module de puissance comportant : un substrat un premier conducteur comportant une portion de connexion, au moins une borne, et au moins une portion de liaison; un deuxième conducteur comportant une portion de connexion et une borne; un troisième conducteur comportant des première et deuxième portions de connexion, au moins une borne, et au moins une portion de liaison; un substrat plat sur lequel sont placés les différents conducteurs. Caractérisé en ce qu’au moins une portion de liaison du premier conducteur enjambe une portion de connexion du troisième conducteur, ou qu’au moins une portion de liaison du troisième conducteur enjambe une portion de connexion du premier conducteur. Selon un aspect de l’invention, le module de puissance est par exemple un onduleur, ou un chargeur embarqué (On Board Charger ou OBC). Selon un aspect de l'invention, les portions des conducteurs du module de puissance se succèdent selon une première direction dans l’ordre : la portion de connexion du deuxième conducteur, la première portion de connexion du troisième conducteur, la portion de connexion du premier conducteur et la deuxième portion de connexion du troisième conducteur ; Selon un aspect de l’invention, le module de puissance comporte : un premier interrupteur formé de premiers transistors alignés, les premiers transistors étant plaqués contre la première portion de connexion du troisième conducteur et connectés électriquement à la portion de connexion du deuxième conducteur; un deuxième interrupteur formé de deuxièmes transistors alignés, les deuxièmes transistors étant plaqués contre la portion de connexion du premier conducteur et connectés électriquement à la deuxième portion de connexion du troisième conducteur; et entre les premiers transistors et les deuxièmes transistors, un circuit de commande de transistors. Selon un aspect de l’invention, les transistors d’un interrupteur sont écartés d’une distance Dt supérieure à 2mm, notamment supérieure à 3mm, notamment égale à 4mm. Selon un aspect de l’invention, ce substrat est plat, et définit un plan de référence. On définit également un axe Z normal au plan du substrat, et dirigé du substrat vers les conducteurs. Cet axe Z permet de définir une hauteur : un plan A sera plus haut qu’un plan B s’il est plus distant du substrat selon cet axe vertical Z. On nomme hauteur la distance d’un plan au plan de référence. Par ailleurs, un élément C sera dit « au-dessus » d’un élément D si cet élément C est placé plus haut que l’élément D et que les projections des éléments C et D sur le plan de référence se chevauchent. Lorsque l’on évoque qu’une portion de liaison d’un conducteur enjambant la portion de connexion d’un autre conducteur, on entend qu’au moins une partie de la portion de liaison du conducteur est placée au-dessus d’au moins une partie de la portion de connexion de l’autre conducteur. Selon un aspect de l’invention, les portions de connexion des conducteurs sont planes Selon un aspect de l’invention, les portions de connexion planes des conducteurs s’étendent parallèlement les unes aux autres, et parallèlement au plan de référence. Selon un aspect de l'invention, les portions de connexion planes des conducteurs sont sensiblement coplanaires, notamment les plans parallèles des portions de connexion planes des conducteurs sont à une hauteur inférieure à 3mmn notamment une hauteur inférieure à 2mm. Selon un aspect de l'invention, les portions de liaison des conducteurs comportent un barreau conducteur. Selon un aspect de l'invention, les barreaux conducteurs comportent une face plane parallèle au plan du substrat. Selon un aspect de l'invention, les faces planes des barreaux conducteurs du premier conducteur sont coplanaires et définissent un plan de liaison du premier conducteur. Selon un aspect de l'invention, les faces planes des barreaux conducteurs du troisième conducteur sont coplanaires et définissent un plan de liaison du troisième conducteur. Selon un aspect de l'invention, le plan de liaison du premier conducteur est plus haut que le plan de liaison du troisième conducteur. Alternativement, le plan de liaison du troisième conducteur est plus haut que le plan de liaison du premier conducteur. Alternativement, les plans de liaison du premier et du troisième conducteur sont à la même hauteur, c’est-à dire à la même distance du plan de référence. Selon un aspect de l’invention, les plans de liaison du premier conducteur et du troisième conducteur sont placés plus haut que les faces planes des portions de connexion des conducteurs. Notamment, les plans de liaison des premier et troisième conducteurs sont placés à une hauteur supérieure à 2mm, notamment supérieure à 3mm. Selon un aspect de l'invention, les portions de liaison des conducteurs sont soudées, brasées ou frittées sur les bornes des conducteurs. Les portions de liaison comportent alors une plage de fixation permettant la connexion électrique entre la borne du conducteur et la portion de liaison du conducteur. Alternativement, les portions de liaison et les bornes des connecteurs sont réalisées d’un seul tenant. Selon un aspect de l'invention, au moins une portion de liaison comporte une rampe arrangée pour connecter électriquement une borne du conducteur au barreau conducteur d’une zone de liaison de ce conducteur. Selon un aspect de l'invention, cette rampe et le barreau conducteur sont réalisé d’un seul tenant. Selon un aspect de l'invention, cette rampe comporte deux coudes : Un coude supérieur placé à la hauteur du barreau conducteur Un coude inférieur placé à la hauteur de la borne du conducteur. Selon un aspect de l'invention, les portions de liaison du premier conducteur et du troisième conducteur comprennent chacune au moins un plot conducteur, connecté électriquement à un barreau conducteur de la portion de liaison du conducteur d’une part, et à une portion de connexion du conducteur d’autre part. Selon un aspect de l'invention, les plots conducteurs sont soudés, notamment par soudure laser, sur les barreaux conducteurs des portions de liaison des conducteurs. Selon un aspect de l'invention, les plots conducteurs des portions de liaison sont placés entre les transistors d’un interrupteur. Selon un aspect de l'invention, les plots conducteurs sont des parallélépipèdes en matériau conducteur, notamment en cuivre. Selon un aspect de l'invention, les plots conducteurs sont soudés, brasés ou frittés sur les portions de connexion des conducteurs. Selon un aspect de l'invention, au moins un des barreaux conducteurs présente une encoche, c’est-à-dire une portion d’épaisseur moindre. Par exemple, l’encoche est réalisée par estampillage. Selon un aspect de l'invention, les portions de liaison du premier conducteur et du troisième conducteur ont une épaisseur élevée, par exemple une épaisseur comprise entre 0.2 et 2mm, notamment comprise entre 0.8mm et 1.2mm. Selon un aspect de l'invention, les portions de liaison du premier conducteur et du troisième conducteur ont au niveau de l’encoche une épaisseur faible, notamment une épaisseur comprise entre 0.1 mm et 0.8 mm, notamment 0.6mm. Selon un aspect de l'invention, l’épaisseur élevée des portions de liaison du premier conducteur et du troisième conducteur permet de réduire la largeur de ces portions tout en conservant leurs propriétés électriques. Selon un aspect de l'invention, l’épaisseur faible au niveau de l’encoche permet de faciliter l’assemblage des portions de liaison du premier conducteur et du troisième conducteur. Notamment, cette épaisseur faible facilite le soudage des barreaux conducteurs sur les plots des portions de liaison des conducteurs. De plus, la présence d’une encoche permet de faciliter le positionnement des barreaux conducteurs sur les plots lors de l’assemblage des parties de liaison des premiers conducteurs et troisième conducteurs. Selon un aspect de l’invention, au moins un barreau conducteur des portions de liaison des conducteurs comporte au moins une zone de soudure, et au moins une zone de maintien arrangée pour permettre le verrouillage en position du barreau conducteur lors de l’assemblage du barreau conducteur sur le plot conducteur de la portion de liaison, notamment lors de la soudure du barreau conducteur sur le plot conducteur. Selon un aspect de l'invention, au moins un barreau conducteur comporte deux zones de maintien périphériques disposées de part et d’autre de la zone de soudure centrale. Selon un aspect de l'invention, au moins un barreau conducteur comporte deux zones de soudure périphériques arrangées pour être soudées à deux plots conducteurs adjacents, et situées de part et d’autre d’une zone de maintien centrale. Selon un aspect de l’invention, l’ensemble des barreaux conducteurs du module de puissance comportent une zone de soudure centrale. Alternativement, l’ensemble des barreaux conducteurs du module de puissance comportent deux zones de soudure périphériques. Alternativement, le module de puissance comporte au moins un barreau conducteur comportant une zone de soudure centrale, et au moins un barreau conducteur comportant deux zones de soudures périphériques. L’invention permet donc avantageusement le croisement des connexions de puissance sans utiliser la surface du substrat du module de puissance. Ne pas utiliser la surface du substrat permet ainsi d’éloigner les transistors composant un interrupteur. L’utilisation de barreaux conducteurs surélevés par rapport au substrat permet de diminuer la longueur de la liaison électrique et d’augmenter leur section, ce qui permet de diminuer l’impédance des portions de liaison et donc d’éviter les pertes. L’utilisation de plots conducteurs placés entre les transistors d’un interrupteur permet avantageusement d’augmenter la dissipation thermique, donc de réduire l’impédance thermique globale du module de puissance. Liste des figures D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels : La est une représentation en vue de dessus d’un module de puissance selon l’invention ; La est une représentation d’un barreau conducteur d’un module de puissance selon l’invention et de sa connexion avec un plot conducteur ; La est une représentation d’un barreau conducteur d’un module de puissance selon l’invention. La est une représentation d’un barreau conducteur d’un module de puissance selon l’invention. La est une vue de dessus d’un module de puissance selon un autre mode de réalisation de l’invention ; La est une vue de dessus d’un module de puissance selon un autre mode de réalisation de l’invention; La est une vue de dessus d’un module de puissance selon un autre mode de réalisation de l’invention ; La est une vue de dessus d’un module de puissance selon un autre mode de réalisation de l’invention ; Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes par rapport aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique et/ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur. On a représenté, sur la un module de puissance 1 comportant trois conducteurs C+, C-, C~ placés sur un substrat 3 Le premier conducteur C+ comporte une portion de connexion P+, deux bornes B+, et deux portions de liaison PL+. Le deuxième conducteur C- comporte une portion de connexion P- et une borne B-. Le troisième conducteur C~ comporte des première et deuxième portions de connexion P1~, P2~, une borne B~, et une portion de liaison PL~. Les portions des conducteurs du module de puissance se succèdent selon une première direction D1 dans l’ordre : la portion de connexion P- du deuxième conducteur C-, la première portion de connexion P1~ du troisième conducteur C~, la portion de connexion P+ du premier conducteur C et la deuxième portion de connexion P2~ du troisième conducteur C~. Les deux portions de liaison du premier conducteur PL+ enjambent la première portion de connexion du troisième conducteur P1~. De plus, la portion de liaison du troisième conducteur PL~ enjambe la portion de connexion du premier conducteur P+. Les portions de connexion des conducteurs P+, P-, P1~, P2~ sont planes, parallèles les unes aux autres et coplanaires. Elles sont déposées sur le substrat 3. Les portions de liaison PL+, PL~ des conducteurs comportent chacune un barreau conducteur 4. Ces barreaux conducteurs 4 comportent une face plane définissant les plans de liaison du premier et du troisième conducteur. Dans le mode de réalisation illustré sur la , les plans de liaison du premier et du troisième conducteur C+, C~ sont coplanaires et placés plus haut que les portions de connexion P+, P-, P1~, P2~ planes des conducteurs, à une hauteur de 3mm. Les portions de liaison des conducteurs PL+, PL~ sont soudées, brasées ou frittées sur les bornes B+, B~ des conducteurs C+, C~ au niveau d’une plage de fixation 5 permettant la connexion électrique entre la borne du conducteur et la portion de liaison du conducteur. Dans un mode de réalisation non représenté, au moins une portion de liaison PL+, PL~ comporte une rampe, formée d’un seul tenant avec le barreau conducteur 5, reliant la plage de fixation au barreau conducteur de la portion de liaison. Cette rampe comporte alors un coude inférieur placé à la hauteur de la plage de fixation, et un coude supérieur placé à la hauteur du barreau conducteur. Le module de puissance 1 comporte également deux interrupteurs entre lesquels est placé un module de commande de transistors 2. Le premier interrupteur est formé de premiers transistors TLS alignés, plaqués contre la première portion de connexion P1~ du troisième conducteur C~ et connectés électriquement à la portion de connexion P- du deuxième conducteur C- ; Le deuxième interrupteur formé de deuxièmes transistors THS alignés, les deuxièmes transistors THS étant plaqués contre la portion de connexion P+ du premier conducteur C+ et connectés électriquement à la deuxième portion de connexion P2~ du troisième conducteur C~ ; Les transistors TLS, THS d’un interrupteur sont écartés d’une distance Dt égale à 4mm. Chaque portion de liaison comporte également deux plots conducteurs 6, non visibles sur cette figure et représentés sur la . Ces plots sont placés entre les transistors TLS, THS d’un interrupteur. Ils sont connecté électriquement à un barreau conducteur 4 de la portion de liaison PL+, PL~ du conducteur C+ , C~ d’une part, et à une portion de connexion P+, P1~, P2~ du conducteur d’autre part. On a représenté sur la la connexion d’un barreau conducteur 4 du module de puissance 1 sur un plot conducteur 6. Le plot conducteur, le barreau conducteur et la portion de connexion P représentés sur cette figure peuvent appartenir indifféremment au premier ou au troisième conducteur C+, C~. Le plot conducteur 6 est de forme parallélépipédique et est en matériau conducteur, notamment en cuivre. Il est soudé par soudure laser sur le barreaux conducteur 4 d’une part, et soudé, brasé ou fritté sur la portion de connexion P d’autre part. Le barreau conducteur comporte une encoche 9 réalisée par estampillage, dans laquelle l’épaisseur e1 est inférieure à l’épaisseur e2 du barreau conducteur 4. L’épaisseur e2 permet de garantir les propriétés électriques du barreau conducteur 4, et l’épaisseur plus faible e1 au niveau de l’encoche 9 permet de positionner le barreau conducteur sur le plot conducteur et de faciliter la soudure. On a représenté sur les figures 3 et 4 un barreau conducteur 4 d’un module de puissance 1 selon deux modes de réalisation de l’invention. Dans ces deux figures le barreau conducteur représenté peut appartenir indifféremment au premier ou au troisième conducteur C+, C~. Sur la , le barreau conducteur 4 comporte une zone de soudure centrale 7, et deux zones de maintien 8 périphériques sont arrangées pour permettre le verrouillage en position du barreau conducteur lors de la soudure du barreau conducteur sur le plot conducteur. Ces deux zones de maintien 8 périphériques disposées de part et d’autre de la zone de soudure 7 centrale. Sur la en revanche, le barreau conducteur 4 comporte deux zones de soudure 7 périphériques disposées de part et d’autre d’une zone de maintien 8 centrale, et arrangées pour être soudées sur deux plots conducteurs 6 adjacents. On a représenté sur la un module de puissance 1 selon un autre mode de réalisation de l’invention, dans lequel les bornes B+, B~ des conducteurs et les portions de liaison PL+, PL~ sont formés d’un seul tenant. On a représenté sur la un module de puissance 1 selon un autre mode de réalisation de l’invention, dans lequel le premier conducteur C+ comporte une seule portion de liaison PL+. De plus, les plans de liaison des premiers et troisièmes conducteurs C+, C~ ne sont pas coplanaires, et le plan de liaison du troisième conducteur est placé plus haut que le plan de liaison du premier conducteur. On a représenté sur la un module de puissance 1 selon un autre mode de réalisation de l’invention. Ici, le premier conducteur C+ comporte une seule portion de liaison PL+ et le plan de liaison du troisième conducteur est placé plus haut que le plan de liaison du premier conducteur. Les portions de liaison PL+, PL~ des premiers et troisième conducteurs C+, C~ ont ici une forme en « U », et sont superposés. On a représenté sur la un module de puissance 1 selon un autre mode de réalisation de l’invention. Ici, le premier conducteur C+ comporte deux portions de liaison PL+ et le plan de liaison du troisième conducteur C~ est placé plus bas que le plan de liaison du premier conducteur. Module de puissance (1) comportant : Un substrat (3) un premier conducteur (C+) comportant une portion de connexion (P+), au moins une borne (B+), et au moins une portion de liaison (PL+); un deuxième conducteur (C-) comportant une portion de connexion (P-) et une borne (B-); un troisième conducteur (C~) comportant des première (P1~) et deuxième portions de connexion (P2~), au moins une borne (B~), et au moins une portion de liaison (PL~); Caractérisé en ce qu’au moins une portion de liaison (PL+) du premier conducteur (C+) enjambe une portion de connexion (P~) du troisième conducteur (C~), ou qu’au moins une portion de liaison (PL~) du troisième conducteur (C~) enjambe une portion de connexion (P+) du premier conducteur (C+). Module de puissance (1) selon la revendication 1, dans lequel les portions de connexion (P+, P-, P1~, P2~) des conducteurs (C+, C-, C~) du module de puissance se succèdent selon une première direction (D1) dans l’ordre : la portion de connexion (P-) du deuxième conducteur (C-), la première portion de connexion (P1~) du troisième conducteur (C~), la portion de connexion (P+) du premier conducteur (C+) et la deuxième portion de connexion (P2~) du troisième conducteur (C~); Module de puissance (1) selon l’une des revendications précédentes, comportant : un premier interrupteur formé de premiers transistors (LS) alignés, les premiers transistors étant plaqués contre la première portion de connexion (P1~) du troisième conducteur (C~) et connectés électriquement à la portion de connexion (P-) du deuxième conducteur (C-); un deuxième interrupteur formé de deuxièmes transistors alignés (THS), les deuxièmes transistors étant plaqués contre la portion de connexion (P+) du premier conducteur (C+) et connectés électriquement à la deuxième portion de connexion (P2~) du troisième conducteur (C~); et entre les premiers transistors (TLS) et les deuxièmes transistors (THS), un circuit de commande de transistors (2). Module de puissance (1) selon la revendication 3, dans lequel les transistors (TLS, THS) d’un interrupteur sont écartés d’une distance (Dt) supérieure à 2mm. Module de puissance selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les portions de connexion (P+, P-, P1~, P2~) planes des conducteurs (C+, C-, C~) s’étendent parallèlement les unes aux autres, et parallèlement au plan du substrat (3). Module de puissance (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les portions de liaison (PL+, PL~) des conducteurs (C+, C-, C~) comportent un barreau conducteur (4) comportant une face plane parallèle au plan du substrat (3). Module de puissance (1) selon la revendication 6, dans lequel les faces planes des barreaux conducteurs (4) du premier conducteur sont coplanaires et définissent un plan de liaison du premier conducteur (C+). Module de puissance (1) selon l’une des revendications 6 à 7, dans lequel les faces planes des barreaux conducteurs (4) du troisième conducteur (C~) sont coplanaires et définissent un plan de liaison du troisième conducteur. Module de puissance (1) selon les revendications 6 à 8, dans lequel les plans de liaison du premier conducteur (C+) et du troisième conducteur (C~) sont placés plus haut que les faces planes des portions de connexion (P+, P-, P1~, P2~) planes des conducteurs (C+, C-, C~). Module de puissance (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les portions de liaison (PL+, PL~) du premier conducteur (C+) et du troisième conducteur (C~) comprennent chacune au moins un plot conducteur (6), connecté électriquement à un barreau conducteur (4) de la portion de liaison (PL+, PL~) du conducteur d’une part, et à une portion de connexion (P+, P~) du conducteur d’autre part. Module de puissance (1) selon la revendication 10, dans lequel les plots conducteurs (6) sont soudés, notamment par soudure laser, sur les barreaux conducteurs (4) des portions de liaison (PL+, PL~) des conducteurs (C+, C~). Module de puissance (1) selon l’une des revendications 10 à 11, dans lequel les plots conducteurs (6) sont soudés, brasés ou frittés sur les portions de connexion (P+, P1~, P2~) des conducteurs (C+, C~). Module de puissance (1) selon l’une des revendications 10 à 12, dans lequel au moins un des barreaux conducteurs (4) du premier conducteur (C+) et du troisième conducteur (C~) présente une (9), c’est-à-dire une portion d’épaisseur moindre. Module de puissance (1) selon l’une des revendications 10 à 13, dans lequel au moins un barreau conducteur (4) des portions de liaison (PL+, PL~) des conducteurs (C+, C~) comporte au moins une zone de soudure (7), et au moins une zone de maintien (8) arrangée pour permettre le verrouillage en position du barreau conducteur (4) lors de l’assemblage du barreau conducteur sur le plot conducteur (6) de la portion de liaison, notamment lors de la soudure du barreau conducteur sur le plot conducteur. Module de puissance (1) selon l’une des revendications 10 à 14, dans lequel au moins un barreau conducteur (4) comporte deux zones de maintien (8) périphériques disposées de part et d’autre de la zone de soudure (7) centrale. Module de puissance (1) selon l’une des revendications 10 à 14, dans lequel au moins un barreau conducteur (4) comporte deux zones de soudure (7) périphériques arrangées pour être soudées à deux plots conducteurs (6) adjacents, et situées de part et d’autre d’une zone de maintien centrale (8).