L'invention concerne le domaine des modules électriques de puissance.

ARRIERE PLAN DE L' INVENTION

Un module électrique de puissance comporte très classiquement des semi-conducteurs jouant le rôle d'interrupteurs. Les semi-conducteurs sont montés sur un substrat électriquement isolant.

Le module électrique de puissance comprend par exemple un onduleur destiné à piloter un moteur électrique d'un actionneur électromécanique.

Les semi-conducteurs sont par exemple des transistors de puissance de type JFET, IGBT ou MOSFET.

Le substrat est par exemple constitué d'une couche en céramique qui présente, sur chacune de ses faces, une couche de métallisation. Outre l'isolation électrique, le rôle du substrat est de réaliser un transfert du flux de chaleur dissipé par les semi-conducteurs.

Un tel module électrique de puissance comporte aussi classiquement une semelle qui évacue le flux de chaleur et qui assure un maintien mécanique du module électrique de puissance. La semelle est généralement fabriquée en cuivre ou en aluminium, et est habituellement montée sur un dissipateur thermique.

Le fonctionnement du module électrique de puissance génère des cycles de température pouvant être relativement sévères. Les cycles de température produisent d' importantes contraintes mécaniques dans le substrat et au niveau des interfaces entre le substrat et les semi-conducteurs. Ces contraintes mécaniques et thermiques sont à l'origine de multiples modes de défaillance du module électrique de puissance, et tendent à augmenter la probabilité de la survenue d'une panne dans le module électrique de puissance. OBJET DE 1/ INVENTION

L'invention a pour objet de réduire la probabilité de la survenue d'une panne dans un module électrique de puissance .

RESUME DE L'INVENTION

En vue de la réalisation de ce but, on propose un module électrique de puissance comportant des composants de puissance et des supports comprenant chacun au moins une portion métallique, les portions métalliques des supports formant un substrat du module électrique de puissance, au moins un support comprenant deux portions métalliques orientées l'une par rapport à l'autre d'un angle d'orientation supérieur à 0°,, chaque composant de puissance étant fixé à deux portions métalliques de deux supports distincts en étant positionné entre lesdites deux portions métalliques, le module électrique de puissance étant agencé de sorte que des courants électriques de puissance provenant ou à destination des composants de puissance circulent dans les portions métalliques des supports.

Les supports du module électrique de puissance, dans lesquels circulent les courants électriques de puissance, permettent une dissipation de chaleur tri-modale simultanée, par conduction, convexion et radiation. Cette dissipation de chaleur est particulièrement efficace. Par ailleurs, le substrat du module électrique de puissance est métallique et ne comporte pas de couche céramique fragilisée par les cycles thermiques.

On propose aussi un actionneur électromécanique comportant un module électrique de puissance tel que celui qui vient d'être décrit et un moteur électrique.

L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en œuvre particulier non limitatif de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

la figure 1 représente un schéma électrique d'un onduleur d'un module électrique de puissance selon l'invention ;

la figure 2 est une vue en section du module électrique de puissance selon l'invention ;

- la figure 3 est une vue de détail de la figure

2 ;

- la figure 4 est une vue en section d'une cellule de puissance générique du module électrique de puissance selon l'invention ;

la figure 5 est une vue en section du module électrique de puissance selon l'invention, sur laquelle un capot en plastique est représenté,

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

En référence à la figure 1, le module électrique de puissance selon l'invention 1 comprend des composants de puissance formant un onduleur 2,

L'onduleur 2 appartient à un système électrique intégré dans un actionneur électromécanique.

Outre le système électrique, l' actionneur électromécanique comporte un moteur électrique triphasé 3 (ainsi que d'autres éléments non représentés, et notamment un organe d' actionnement ) . Le moteur 3 est alimenté et piloté via l'onduleur 2,

Outre l'onduleur 2, le système électrique comporte un circuit de liaison 4 et un module additionnel 5.

Le circuit de liaison 4 comporte une capacité de liaison 6, un premier composant de liaison 7 et un deuxième composant de liaison 8,

Le circuit de liaison 4 est connecté à un générateur de puissance, non représenté sur la figure 1, qui produit une tension d'alimentation continue positive sur un conducteur d'alimentation positive 10, et une tension d' alimentation continue négative sur un conducteur d'alimentation négative 11. Le générateur de puissance produit aussi un courant électrique d'alimentation lal qui circule sur le conducteur d'alimentation positive 10 et sur le conducteur d'alimentation négative 11.

La capacité de liaison 6 est montée en parallèle entre le conducteur d'alimentation positive 10 et le conducteur d'alimentation négative 11.

Le premier composant de liaison 7, représenté par une impédance, est monté sur le conducteur d'alimentation positive 10. Le deuxième composant de liaison 8, représenté par une impédance, est monté sur le conducteur d'alimentation négative 11.

Le module additionnel 5 comprend, de manière classique, un circuit de pilotage 13, un circuit de surveillance 14, un circuit de protection 15 et un circuit de mesure 20. Les circuits du module additionnel 5 sont notamment utilisés pour piloter l'onduleur 2 et donc le moteur 3, et pour surveiller et protéger l'onduleur 2 et le moteur 3.

Les composants de puissance de l'onduleur 2 comprennent une capacité 18 montée en parallèle entre le conducteur d'alimentation positive 10 et le conducteur d'alimentation négative 11, ainsi que trois bras de pont 16 montés en parallèle et comprenant chacun deux transistor 21 de type JFET . Dans un même bras de pont 16, les deux transistors 21 découpent le signal de manière alternée dans une même phase de fonctionnement lors de 1 ' actionnement séquentiel de leur gâchette.

One diode 22 est montée entre le drain et la source de chaque transistor 21.

On définit ainsi un premier bras de pont 16a comprenant un premier transistor 21a, une première diode 22a, un deuxième transistor 21b, une deuxième diode 22b, un deuxième bras de pont 16b comprenant un troisième transistor 21c, une troisième diode 22c, un quatrième transistor 21d, une quatrième diode 22d, et un troisième bras de pont 16c comprenant un cinquième transistor 21e, une cinquième diode 22e, un sixième transistor 21f, une sixième diode 22f .

Un premier point milieu =st situé sur le premier bras de pont 16a entre le premier transistor 21a et le deuxième transistor 21b. Un deuxième point milieu P2 est situé sur le deuxième bras de pont 16b entre le troisième transistor 21c et le quatrième transistor 21d. Un troisième point milieu P3 est situé sur le troisième bras de pont 16c entre le cinquième transistor 21e et le sixième transistor 21f.

Le premier point milieu PI est relié à une première phase Phi du moteur 3, le deuxième point milieu P2 est relié à une deuxième phase Ph2 du moteur 3, et le troisième point milieu P3 est relié à une troisième phase Ph3 du moteur 3.

Les grilles des transistors 21 sont reliées au circuit de pilotage 13 du module additionnel 5. Le circuit de pilotage 13 génère des courants électriques de commande le sous des tensions électriques de commande Vc appliquées sur les grilles des transistors 21 pour piloter les transistors 21 et donc le moteur 3.

Les drains du premier transistor 21a, du troisième transistor 21c et du cinquième transistor 21e sont reliés au conducteur d'alimentation positive 10.

Les sources du deuxième transistor 21b, du quatrième transistor 21d et du sixième transistor 21f sont reliées au conducteur d'alimentation négative 11.

Les sources du premier transistor 21a, du troisième transistor 21c et du cinquième transistor 21e sont reliées respectivement au drain du deuxième transistor 21b, au drain du quatrième transistor 2 ld et au drain du sixième transistor 21f. Un premier courant de phase Ipl, à destination de la première phase Phi du moteur 3, est produit par le premier bras de pont 16a. Un deuxième courant de phase Ip2 , à destination de 1a deuxième phase Ph2 du moteur 3, est produit par le deuxième bras de pont 16b. Un troisième courant de phase Ip3, à destination de la troisième phase Ph3 du moteur 3, est produit par le troisième bras de pont 16c.

Le premier courant de phase Ipl, le deuxième courant de phase Ip2 et le troisième courant de phase Ip3 sont des courants de sortie alternatifs de l'onduleur 2, qui alimentent le moteur 3.

En référence à la figure 2, le module électrique de puissance 1 comporte des supports 30 qui portent les composants de puissance de l'onduleur 2.

Les supports 30 sont assemblés entre eux de manière à ce que le module électrique de puissance 1 présente une forme extérieure générale tubulaire de section circulaire et d'axe longitudinal un axe X.

Les supports 30 comprennent ici un premier support

30a, un deuxième support 30b, un troisième support 30c, un quatrième support 30d, un cinquième support 30e et un sixième support 30f .

La figure 2 est une vue en section du module électrique de puissance selon un plan parallèle à l'axe X et comprenant l'axe X.

Dans la vue de la figure 2, le premier support 30a présente la forme d'un T. Le premier support 30a comporte une première portion métallique 31 et une deuxième portion métallique 32 orientées l'une par rapport à l'autre d'un angle d'orientation supérieur à 0°. Ici, la première portion métallique 31 et la deuxième portion métallique 32 sont orthogonales entre elles.

Le deuxième support 30b, le troisième support 30c et le quatrième support 30d présentent la forme d'un angle droit, te deuxième support 30b, le troisième support 30c et le quatrième support 30d comportent ainsi chacun une première portion métallique 31 et une deuxième portion métallique 32 orientées l' une par rapport à l' autre d'un angle d'orientation supérieur à 0°. Ici, la première portion métallique 31 et la deuxième portion métallique 32 sont orthogonales entre elles.

Le cinquième support 30e présente la forme d'un F et comporte une première portion métallique 31, une deuxième portion métallique 32 et une troisième portion métallique 33.

La deuxième portion métallique 32 du cinquième support 30e, la première portion métallique 31 et la troisième portion métallique 33 du cinquième support 30e sont orientées l'une par rapport à l'autre d'un angle d'orientation supérieur à 0°.

En l'occurrence, la deuxième portion métallique 32 du cinquième support 30e est orthogonale à la première portion métallique 31 et à la troisième portion métallique 33 du cinquième support 30e.

Le sixième support 30f présente une forme rectiligne et comporte une première portion métallique 31.

Les premières portions métalliques 31 des supports 30 sont parallèles entre elles et à l'axe X.

Les deuxièmes portions métalliques 32 des supports

30 sont parallèles entre elles et sont orthogonales à l'axe X

L'orientation entre elles des portions métalliques est ici réalisée au moment de la fabrication du module électrique de puissance.

Cette orientation permet d' optimiser l'intégration du module électrique de puissance dans un boîtier ou dans un environnement quelconque. On peut en particulier orienter librement dans l'espace les accès aux entrées et aux sorties du module électrique de puissance et, notamment, aux connecteurs d'entrée et aux connecteurs de sortie situées sur les portions métalliques des supports.

Le premier transistor 21a et la première diode 22a sont tous deux fixés à la deuxième portion métallique 32 du premier support 30a et à la deuxième portion métallique 32 du deuxième support 30b en étant positionnés entre lesdites deuxièmes portions métalliques 32.

One face du premier transistor 21a et une face de la première diode 22a sont fixées, par frittage d'un matériau de frittage comprenant une poudre d'argent, à la deuxième portion métallique 32 du premier support 30a.

Le premier support 30a est ainsi connecté électriquement au drain du premier transistor 21a et à la cathode de la première diode 22a

Une autre face du premier transistor 21a et une autre face de la première diode 22a sont fixées, par frittage du matériau de frittage, à la deuxième portion métallique 32 du deuxième support 30b.

Le deuxième support 30b est ainsi connecté électriquement à une source du premier transistor 21a et à une anode de la première diode 22a.

Le deuxième transistor 21b et la deuxième diode 22b sont fixés de la même manière aux deuxièmes portions métalliques 32 du deuxième support 30b et du troisième support 30c.

Le deuxième support 30b est ainsi connecté électriquement à une source du deuxième transistor 21b et à une anode de la deuxième diode 22b. Le troisième support 30c est ainsi connecté électriquement à un drain du deuxième transistor 21b et à une cathode de la deuxième diode 22b.

Le quatrième transistor 2 Id et la quatrième diode 22d sont fixés de la même manière aux deuxièmes portions métalliques 32 du troisième support 30c et du quatrième support 30d .

te troisième support 30c est ainsi connecté électriquement à un drain du quatrième transistor 21d et à une cathode de la quatrième diode 22d. Le quatrième support 30d est ainsi connecté électriquement à une source du quatrième transistor 21d et à une anode de la quatrième diode 22d,

Le troisième transistor 21c et la troisième diode 22c sont fixés de la même manière aux deuxièmes portions métalliques 32 du quatrième support 3Gd et du cinquième support 30e.

Le quatrième support 30d est ainsi connecté électriquement à une source du troisième transistor 21c et à une anode de la troisième diode 22c. Le cinquième support 30e est ainsi connecté électriquement à un drain du troisième transistor 21c et à une cathode de la troisième diode 22c.

Le sixième transistor 21f et la sixième diode 22f sont fixés de la même manière aux deuxièmes portions métalliques 32 du troisième support 30c et du sixième support 3Qf.

Le troisième support 30c est ainsi connecté électriquement à un drain du sixième transistor 21f et à une cathode de la sixième diode 22f. Le sixième support 3Qf est ainsi connecté électriquement à une source du sixième transistor 21f et à une anode de la sixième diode 2 If .

Le cinquième transistor 21e et la cinquième diode 22e sont fixés de la même manière aux deuxièmes portions métalliques 32 du cinquième support 30e et du sixième support 3Qf.

Le cinquième support 30e est ainsi connecté électriquement à un drain du cinquième transistor 21e et à une cathode de la cinquième diode 22e. Le sixième support 3üf est ainsi connecté électriquement à une source du cinquième transistor 21e et à une anode de la cinquième diode 22e.

Les finitions des transistors 21 et des diodes 22, c'est à dire la métallisation de leurs contacts, peuvent comporter tout matériau métallique, et notamment les matériaux suivants : Ag, Au, Pd, Al, Cu, Ni, etc.

Des courant électriques de puissance, provenant ou à destination des transistors 21, circulent dans les portions métalliques 32 des supports 30.

Les courants électriques de puissance comprennent le courant électrique d'alimentation lal, le premier courant de phase Ipl, le deuxième courant de phase Ip2 et le troisième courant de phase Ip3.

Le premier support 30a est relié au conducteur d'alimentation positive 10, et le courant d'alimentation lal circule dans la première portion métallique 31 et dans la deuxième portion métallique 32 du premier support 30a. Le drain du premier transistor 21a et la cathode de la première diode 22a sont donc portés à la tension d'alimentation continue positive.

Le cinquième support 30e est relié au conducteur d'alimentation positive 10, et le courant d'alimentation lal circule dans la première portion métallique 31 et dans la deuxième portion métallique 32 du cinquième support 30e. Le drain du troisième transistor 21c et du cinquième transistor 21e, et la cathode de la troisième diode 22c et de la cinquième diode 22e, sont donc portés à la tension d'alimentation continue positive.

Le troisième support 30c est relié au conducteur d'alimentation négative 11, et le courant d'alimentation lal circule dans la première portion métallique 31 et dans la deuxième portion métallique 32 du troisième support 30c. Les sources du deuxième transistor 21b, du quatrième transistor 21d et du sixième transistor 21f, et les anodes de la deuxième diode 22b, de la quatrième diode 22d et de la sixième diode 22£ sont donc portées à la tension d'alimentation continue négative.

Le premier courant de phase Ipl _f le deuxième courant de phase Ip2 et le troisième courant de phase Ip3 circulent respectivement dans le deuxième support 30b, le quatrième support 30d et le sixième support 30f, à destination respectivement de la première phase Phi, de la deuxième phase Ph2 et de la troisième phase Ph3 du moteur 3.

Le deuxième support 30b, le quatrième support 3Ûd et le sixième support 3Qf sont recouverts au moins partiellement de céramique ferromagnétique 34. La céramique ferromagnétique 34 forme, sur ces supports, des filtres de parasites à haute fréquence. La céramique ferromagnétique est appliquée par la technique de la « fabrication additive », ou via une technologie de 3D- MID (pour 3O-Mecha troni c Integra ted Devices ) .

L'épaisseur Es d'au moins un support 30 est telle que ;

5. Ep<Es<3Q , Ep,

où Ep est une épaisseur moyenne des puces des composants de puissance montés sur ledit support 30.

En référence à la figure 3, on note que le premier support 30a, le troisième support 30c, le cinquième support 30e et le sixième support 30f portent aussi des pistes 35 sur lesquelles circulent les courants électriques de commande le à destination des grilles des transistors 21.

Chaque transistor 21 présente une première face 36 comprenant un premier élément conducteur relié au drain du transistor 21 et un deuxième élément conducteur relié à la grille du transistor 21, et une deuxième face 37 comprenant un troisième élément conducteur relié à la source du transistor 21.

Comme on l'a vu plus tôt, le matériau de frittage 38 est disposé sur le premier élément conducteur, le deuxième élément conducteur et le troisième élément conducteur .

Entre le matériau de frittage 38 disposé sur le deuxième élément conducteur et la portion métallique 32, on trouve une piste 35 et une couche isolante 39. La couche isolante 39 isole la piste 35 de la portion métallique 32 du support 30 sur laquelle circule le courant de puissance (courant d' alimentation ou courant de phase) .

La piste 35 comporte ici un matériau conducteur comprenant de l'argent et un oxyde. Le matériau conducteur est dispersé dans un liant sérigraphiable .

La couche isolante 39 comporte ici un matériau isolant inorganique de type fritte de verre. Le matériau isolant inorganique est dispersé dans un liant sérigraphiable .

Le module électrique de puissance 1 permet une dissipation de chaleur via un transfert d'énergie isotrope entre les transistors 21 au travers du substrat constitué par les supports 30.

La dissipation de chaleur est une dissipation tri- modale simultanée, par conduction, convexion et radiation. La dissipation de chaleur peut être paramétrable, en utilisant un élément conducteur thermique pour fabriquer les supports 30, dont les contours favorisent une bonne émissivité. On utilisera avantageusement la technique de « fabrication additive » pour former ces contours .

On note par ailleurs que des composants électriques sont disposés sur la surface extérieure du module électrique de puissance 1. Les composants électriques comprennent la capacité de liaison 6, ainsi qu'un composant 40 et une puce 41. La puce 41 est reliée via un « câblage par fil » 42 (ou wi re bonding) à une piste 43. Le substrat 44 sur lequel sont montés ces composants électriques est cette fois un substrat traditionnel.

En référence à la figure 4 , l'agence ent des supports 30 est basé sur une cellule de puissance générique 45 qui comporte le premier support 30a, le deuxième support 30b et le troisième support 30c. On note que, sur la figure 4, le deuxième support 30b et le troisième support 30c sont munis d'ailettes de dissipation de chaleur 46 qui favorisent le refroidissement du module électrique de puissance.

Cette cellule générique 45, qui forme un bras de pont 16 comprenant un premier transistor 48a et un deuxième transistor 48b, peut être dupliquée autant de fois que nécessaire pour créer une fonction de puissance quelconque.

On note que le premier transistor 48a et le deuxième transistor 48b sont positionnés de part et d'autre du deuxième support 30b en étant superposés et centrés l'un par rapport à l'autre. Une distance d entre un premier axe Za perpendiculaire à une face du premier transistor 48a et passant par un centre de ladite face, et entre un deuxième axe Zb perpendiculaire à une face du deuxième transistor 48b et passant par un centre de ladite face, est inférieure ou égale au tiers d'une diagonale de la face ayant une surface la plus importante.

Cette cellule générique 45 peut être configurée différemment, c'est à dire que les supports 30 peuvent présenter des formes différentes, ou être disposés différemment les uns par rapport aux autres.

Une pluralité de cellules génériques 45 de formes diverses peut être utilisée pour réaliser un module électrique de puissance 1 conforme à tout type d'exigence d' intégration .

En référence à la figure 5, le module électrique de puissance 1 comporte un capot 50 étanche, fabriqué en plastique, de forme tubulaire. Le capot 50 est ici fixé au deuxième support 30b, au troisième support 30c, au quatrième support 30d et au cinquième support 30e.

Les supports 30 et le capot 50 définissent un canal 51 à l' intérieur du module électrique de puissance 1.

On fluide de refroidissement Fr, par exemple un gaz ou un liquide caloporteur, circule ainsi dans le canal 51 défini par les supports 30 et par le capot 50. Le fluide traverse le deuxième support 30b, le troisième support 30c et le quatrième support par des orifices 52 pratiqués dans ces supports. La circulation du liquide de refroidissement dans le canal 51 permet de refroidir très efficacement le module électrique de puissance 1.

Le fluide de refroidissement assure une isolation du module électrique de puissance. La vitesse de circulation du fluide de refroidissement est ici d'environ 0, 001m/s . La vitesse de circulation garantit l'absence d'apparition de décharges partielles lors des commutations électriques des interrupteurs formés par les transistors 21.

Les contours des supports 30 sont dimensionnés pour favoriser une grande surface d' échange avec le fluide de refroidissement .

Avantageusement, les supports 30 et, en particulier, les premières portions métalliques 31 et les deuxièmes portions métalliques 32, sont fabriqués en utilisant la technique de fabrication additive . Le matériau utilisé est par exemple l'aluminium. On peut ainsi définir des canaux de refroidissement à l' intérieur des premières portions métalliques 31 et des deuxièmes portions métalliques 32 des supports 30.

La performance thermique obtenue est inversement proportionnelle au diamètre des canaux de refroidissement, mais le bilan des pertes de charge hydraulique est lui proportionnel au diamètre des canaux de refroidissement. Pour des diamètres des canaux de refroidissement compris entre IOmhh et 800mpi, on parle di échangeurs de chaleur à micro-canaux. Pour des diamètres des canaux de refroidissement compris entre lmm et 10mm, on parle d'échangeurs de chaleur à mini-canaux. Pour des diamètres des canaux de refroidissement supérieurs à 10mm, on parle de plaque froide.

Au cours de la fabrication du module électrique de puissance, un premier isolant est tout d'abord appliqué par sérigraphie en couche épaisse sur chaque face des supports 30 portant les transistors 21. Puis, les composants sont montés sur les supports 30, et le module électrique de puissance est assemblé. Un deuxième isolant est alors déposé par un procédé plasma, par un dépôt en phase vapeur, par évaporation ou par laminage. On forme ainsi un revêtement sans fissure et sans bulle, et qui présente des variations d'épaisseur inferieures à Ipm. Ce revêtement recouvre et isole toutes les surfaces internes et externes du module électrique de puissance.

Le module électrique de puissance est enfin recouvert par une résine ou intégré dans un emballage de protection. On préserve ainsi l'isolement électrique de contraintes mécaniques extérieures susceptibles de provoquer des rayures, des chocs, des écrasements, etc. Les connecteurs d'entrée et de sortie, permettant de relier le module électrique de puissance à un moteur ou à un autre équipement, sont eux laissés libres.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications .

Le module électrique de puissance décrit ici comprend un onduleur, mais l'invention peut bien sûr s'appliquer à tout type de module de puissance électrique mettant en œuvre tout type de fonction de puissance. Le nombre de bras de pont pourrait bien sûr être different, tout comme les composants de puissance utilisés ,

Bien que l' on ait indiqué que les composants sont fixés par frittage aux supports, un moyen de fixation différent pourrait être utilisé, par exemple le brasage ou le collage.

On a décrit ici que les premières portions métalliques 31 et les deuxièmes portions métalliques 32 sont orthogonales entre elles. Une première portion métalliques et une deuxième portion métallique orientées d'au moins un support pourraient cependant être orientées l' une par rapport à l'autre d'un angle d'orientation différent, supérieur à 0°.

On a aussi indiqué que l'orientation des portions métalliques est réalisée au moment de la fabrication du module électrique de puissance. On peut aussi prévoir que le ou les angles d' orientation soient réglés au moment de l'intégration du module électrique de puissance dans un boîtier contenant ledit module électrique de puissance.

Les portions métalliques sont alors fixées entre elles par des moyens de fixation permettant d'effectuer le réglage de l'angle d'orientation.