DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif de protection de court-circuit. L'invention concerne également un dispositif de protection de court-circuit et un module de puissance comprenant un tel dispositif de protection.

L'invention s'applique au domaine de l'électronique, en particulier au domaine de l'électronique de puissance.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Il est connu de mettre en oeuvre des circuits de conversion d'énergie électrique entre un premier réseau alternatif ou continu vers un deuxième réseau alternatif ou continu. De tels circuits sont, par exemple, courants dans le domaine de l'aéronautique, où ils sont employés pour convertir l'énergie électrique fournie par un réseau principal (par exemple 115 V AC, 230 V AC, ou encore 540 V DC) sous plusieurs formes, qu'elles soient alternatives ou continues. De façon classique, de tels circuits de conversion mettent en oeuvre des éléments de commutation tels que des transistors.

Il est également connu de surveiller l'occurrence de surintensités affectant les éléments de commutation de tels circuits de conversion, et ce afin de prévenir leur vieillissement prématuré, voire leur destruction.

Par exemple, dans le cas de circuits de conversion comportant des éléments de commutation du type transistors IGBT (de l'anglais « Insulated Gâte Bipolar Transistor », ou transistor bipolaire à grille isolée), il est connu de mettre en oeuvre une méthode de protection dite « par mesure de désaturation ».

Toutefois, une telle méthode de protection ne convient pas aux circuits de conversion intégrant des éléments de commutation à semi-conducteur à grand gap, par exemple des transistors à effet de champ du type MOSFET SiC (de l'anglais « Silicon Carbide Métal Oxide Semiconductor Field Effect », ou transistor à effet de champ à structure métal- oxyde-semiconducteur au carbure de silicium). En effet, le transistor MOSFET SiC fonctionne dans une région linéaire où la tension aux bornes dudit transistor (Vds) change plus lentement que la tension aux bornes d'un transistor IGBT, même quand le courant drain source (Ids) augmente. Ainsi, une situation de surintensité peut être présente pendant plusieurs cycles de commutation avant qu'une variation mesurable de la tension Vds ne se produise pour permettre une détection rapide, ce qui peut être suffisant pour endommager le composant. En outre, la résistance à l'état passant et donc la tension à l'état passant d'un transistor MOSFET SiC dépendant davantage de la température que celle d'un transistor IGBT, il est généralement difficile de déterminer une tension de seuil à utiliser pour l'implémentation de la méthode de désaturation.

Pour détecter des surintensités affectant des éléments de commutation à semi-conducteur à grand gap, il a été proposé d'équiper les circuits de conversion intégrant ces derniers de capteurs de courant, tels que des résistances shunt ou des capteurs à effet Hall.

Néanmoins, de tels capteurs de courant ne donnent pas satisfaction.

En effet, de tels capteurs de courant présentent généralement une bande passante insuffisante, un encombrement excessif et une faculté médiocre à supporter les températures élevées régnant au voisinage des éléments de commutation décrits ci- dessus. De plus, recourir à de tels capteurs de courant revient à ajouter des éléments parasites susceptibles de perturber le fonctionnement nominal des éléments de commutation.

Un but de l'invention est donc de proposer un dispositif de protection de court-circuit qui présente une bande passante plus élevée, un encombrement moindre, une meilleure tenue en température, et qui perturbe moins le fonctionnement nominal des éléments de commutation que les dispositifs de protection de l'état de la technique. B

EXPOSÉ DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, comportant :

- la réalisation, sur une première face d'un premier substrat, d'une pluralité de premiers segments électriquement conducteurs, chaque premier segment étant agencé en périphérie d'une première surface de connexion de la première face, chaque premier segment comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité opposée, la première extrémité étant plus proche de la première surface de connexion que la deuxième extrémité, les premiers segments étant électriquement isolés les uns des autres, chaque premier segment étant associé à un rang correspondant, le premier segment associé à un rang donné quelconque étant agencé entre le premier segment de rang immédiatement inférieur et le premier segment de rang immédiatement supérieur ;

- la réalisation, sur la première face du premier substrat, d'une pluralité de plots électriquement conducteurs, distants les uns des autres, chaque plot comportant une embase et une extrémité libre opposée, chaque plot étant en contact mécanique et électrique, par son embase, avec un unique premier segment correspondant, l'extrémité libre étant à distance de la première face ;

- la réalisation, sur une deuxième face d'un deuxième substrat, d'une pluralité de deuxièmes segments électriquement conducteurs, électriquement isolés les uns des autres, chaque deuxième segment étant associé à deux premiers segments de rangs successifs ;

- la mise en regard de la première face du premier substrat et de la deuxième face du deuxième substrat, pour mettre l'extrémité libre de chaque plot en contact mécanique et électrique avec un unique deuxième segment correspondant, de sorte que :

• chaque premier segment soit en contact mécanique et électrique avec deux plots parmi la pluralité de plots ;

• chaque deuxième segment soit en contact mécanique et électrique, d'une part, avec le plot qui est en contact mécanique avec le premier segment de rang inférieur parmi les deux premiers segments de rangs successifs associés au deuxième segment, et qui est le plus proche de la première extrémité du premier segment de rang inférieur, et, d'autre part, avec le plot qui est en contact mécanique avec le premier segment de rang supérieur parmi les deux premiers segments de rangs successifs associés audit deuxième segment, et qui est le plus proche de la deuxième extrémité du premier segment de rang supérieur ;

les premiers segments, les deuxièmes segments et les plots formant ainsi une bobine.

En effet, un tel procédé conduit à la réalisation d'une bobine formant un capteur Rogowski. Un tel capteur présente une bande passante satisfaisante.

En outre, un tel capteur Rogowski ne comporte pas de composants électroniques susceptibles d'être endommagés par une température excessive.

De surcroît, le fonctionnement d'un tel capteur Rogowski repose sur les phénomènes d'induction, de sorte qu'il n'est pas en contact électrique avec les éléments de commutation et est donc moins susceptible de perturber leur fonctionnement que les capteurs de l'état de la technique.

En outre, un tel capteur est destiné à être agencé en périphérie des éléments de commutation, de sorte que son encombrement est moindre.

Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- la réalisation des plots est une réalisation par fabrication additive ;

- la réalisation des premiers segments est une réalisation par fabrication additive concomitante à la réalisation des plots ;

- le procédé comporte l'agencement d'au moins un composant électronique entre la première surface de connexion et une deuxième surface de connexion de la deuxième face, située en regard de la première surface de connexion, une première borne du composant électronique étant connectée électriquement à l'une parmi la première surface de connexion et la deuxième surface de connexion, une deuxième borne du composant électronique étant connectée électriquement à l'autre parmi la première surface de connexion et la deuxième surface de connexion ;

- l'au moins un composant électronique est un élément de commutation à semi-conducteur ;

- l'élément de commutation est un transistor à effet de champ, la première borne étant un drain du transistor à effet de champ, la deuxième borne étant une source du transistor à effet de champ, ou un transistor bipolaire, la première borne étant un émetteur du transistor bipolaire, la deuxième borne étant un collecteur du transistor bipolaire.

En outre, l'invention a pour objet un dispositif de protection de court- circuit, comportant :

- un premier substrat comprenant une première face portant une pluralité de premiers segments électriquement conducteurs, chaque premier segment étant agencé en périphérie d'une première surface de connexion de la première face, chaque premier segment comprenant une première extrémité et une deuxième extrémité opposée, la première extrémité étant plus proche de la première surface de connexion que la deuxième extrémité, les premiers segments n'étant pas directement en contact électrique et mécanique les uns avec les autres, chaque premier segment étant associé à un rang correspondant, le premier segment associé à un rang donné quelconque étant agencé entre le premier segment de rang immédiatement inférieur et le premier segment de rang immédiatement supérieur ;

- un deuxième substrat comportant une deuxième face en regard de la première face du premier substrat, la deuxième face portant une pluralité de deuxièmes segments électriquement conducteurs, chaque deuxième segment étant agencé en périphérie d'une deuxième surface de connexion de la deuxième face située en regard de la première surface de connexion, les deuxièmes segments n'étant pas directement en contact électrique et mécanique les uns avec les autres, chaque deuxième segment étant associé à deux premiers segments de rangs successifs ;

- une pluralité de plots électriquement conducteurs, distants les uns des autres, chaque plot comportant une embase et une extrémité libre opposée, chaque plot étant en contact mécanique et électrique, par son embase, avec un unique premier segment correspondant, l'extrémité libre étant à distance de la première face et en contact mécanique et électrique avec un unique deuxième segment correspondant, de sorte que :

• chaque premier segment soit en contact mécanique et électrique avec deux plots parmi la pluralité de plots ;

• chaque deuxième segment soit en contact mécanique et électrique, d'une part, avec le plot qui est en contact mécanique avec le premier segment de rang inférieur parmi les deux premiers segments de rangs successifs associés au deuxième segment, et qui est le plus proche de la première extrémité du premier segment de rang inférieur, et, d'autre part, avec le plot qui est en contact mécanique avec le premier segment de rang supérieur parmi les deux premiers segments de rangs successifs associés audit deuxième segment, et qui est le plus proche de la deuxième extrémité du premier segment de rang supérieur ;

les premiers segments, les deuxièmes segments et les plots définissant ainsi une bobine formant un capteur de courant configuré pour délivrer un signal représentatif de variations de courant électrique circulant entre la première surface de connexion et la deuxième surface de connexion.

Suivant un aspect avantageux de l'invention, le dispositif de protection de court-circuit comporte, en outre, un organe de commande connecté en sortie du capteur de courant et configuré pour analyser le signal délivré par le capteur de courant.

L'invention a également pour objet un module de puissance comprenant un dispositif de protection de court-circuit tel que défini ci-dessus, et au moins un composant électronique agencé entre la première surface de connexion et la deuxième surface de connexion de la deuxième face, une première borne du composant électronique étant connectée électriquement à l'une parmi la première surface de connexion et la deuxième surface de connexion, une deuxième borne du composant électronique étant connectée électriquement à l'autre parmi la première surface de connexion et la deuxième surface de connexion. Suivant un aspect avantageux de l'invention, le composant électronique est un élément de commutation, l'organe de commande étant configuré pour mettre le composant électronique dans un état bloqué en cas de détection, à partir du signal délivré par le capteur de courant, d'une surintensité.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 est une représentation schématique en section d'un module de puissance intégrant un dispositif de protection de court-circuit selon l'invention, dans un plan orthogonal à des substrats dudit module de puissance ; et

[Fig. 2] la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'une bobine du dispositif de protection intégré au module de puissance de la figure 1.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Un dispositif de protection 2 pour la détection de court-circuit susceptible d'affecter au moins un composant électronique 4 est illustré par la figure 1.

Le composant électronique 4 est, notamment, un élément de commutation à semi-conducteur à grand gap, connu de l'homme du métier. Par exemple, le composant électronique 4 est un transistor MOSFET SiC (de l'anglais « Silicon Carbide Métal Oxide Semiconductor Field Effect », ou transistor à effet de champ à structure métal- oxyde-semiconducteur au carbure de silicium). En variante, le composant électronique 4 est un élément de commutation en nitrure de gallium (GaN), ou encore un élément de commutation en silicium.

Le dispositif de protection 2 est intégré dans un module de puissance 1.

Par « module de puissance », il est entendu, au sens de la présente invention, un module électronique présentant un refroidissement sur deux de ses faces, comprenant un bras de commutation (dont des transistors de puissance), un organe de commande correspondant et un dispositif de protection.

Le module de puissance 1 comporte un premier substrat 6 et un deuxième substrat 8 s'étendant chacun dans un plan orthogonal au plan de la figure 1. Le premier substrat 6 et le deuxième substrat 8 comprennent respectivement une première face 10 et une deuxième face 12, le premier substrat 6 et le deuxième substrat 8 étant agencés de sorte que la première face 10 et la deuxième face 12 soient en regard et à distance l'une de l'autre.

Le premier substrat 6, respectivement le deuxième substrat 8 est, par exemple, un substrat céramique métallisé.

La première face 10 comporte une première surface de connexion 14. En outre, la deuxième face 12 comporte une deuxième surface de connexion 16. La première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16 sont agencées en regard l'une de l'autre.

Chacune de la première surface de connexion 14 et de la deuxième surface de connexion 16 est électriquement conductrice, et est destinée à être électriquement connectée à une borne respective d'au moins un composant électronique 4 logé entre la première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16, comme cela apparaît sur la figure 1.

Par exemple, dans le cas où le composant électronique 4 est un transistor à effet de champ, le drain du transistor à effet de champ est électriquement relié à l'une parmi la première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16, et la source du transistor à effet de champ est reliée à l'autre parmi la première surface de connexion 14 et de la deuxième surface de connexion 16.

Selon un autre exemple, dans le cas où le composant électronique 4 est un transistor bipolaire, l'émetteur du transistor bipolaire est électriquement relié à l'une parmi la première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16, et le collecteur du transistor bipolaire est reliée à l'autre parmi la première surface de connexion 14 et de la deuxième surface de connexion 16. Le dispositif de protection 2 comporte un capteur de courant 20 et un organe de commande 18 connecté en sortie du capteur de courant 20.

Le capteur de courant 20 est configuré pour délivrer, au niveau de ses deux sorties 21, un signal représentatif des variations du courant électrique traversant le ou chaque composant électronique 4. Plus précisément, la bobine formant le capteur de courant 20 est telle qu'une variation du courant circulant entre la première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16 entraîne, par induction, l'apparition d'une tension entre les deux sorties 21, dont la valeur est représentative des variations du courant électrique traversant le ou chaque composant électronique 4 connectés entre la première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16.

L'organe de commande 18 est configuré pour analyser le signal délivré par le capteur de courant 20, et pour détecter l'occurrence d'une surintensité affectant le ou chaque composant électronique 4 à partir d'une telle analyse.

En outre, l'organe de commande 18 est configuré pour piloter les composants électroniques 4 (y compris des fonctions spécifiques ayant pour but de fournir et contrôler la charge et/ou la décharge de l'électrode de grille des composants électroniques 4 afin de permettre leurs changements d'état, tels que le passage de l'état ouvert à l'état fermé ou de l'état fermé à l'état ouvert, ainsi que permettre leur maintien dans un état ouvert ou fermé), et pour commander leur ouverture, c'est-à-dire leur passage dans un état bloqué, en cas de détection d'une surintensité.

Comme cela ressort plus clairement de la figure 2, le capteur de courant 20 présente la forme d'une bobine de courant, ceignant au moins partiellement le volume situé entre la première surface de connexion 14 et la deuxième surface de connexion 16. Le capteur de courant 20 est également appelé « enroulement de Rogowski ».

En référence à la figure 1, le capteur de courant 20 comporte une pluralité de premiers segments 22 électriquement conducteurs, une pluralité de deuxièmes segments 24 électriquement conducteurs et une pluralité de plots 26 électriquement conducteurs.

Les premiers segments 22 et/ou les deuxièmes segments 24 et/ou les plots 26 sont, par exemple, réalisés en aluminium, en cuivre, ou encore en alliage comprenant l'un ou l'autre de ces métaux (par exemple un alliage aluminium silicium magnésium AISiMg).

Les premiers segments 22 prennent la forme de pistes électriquement conductrices réalisées sur la première face 10 du premier substrat 6. Chaque premier segment 22 comprend une première extrémité 28 et une deuxième extrémité 30 opposée.

Plus précisément, chaque premier segment 22 est agencé en périphérie de la première surface de connexion 14 de la première face 10, sa première extrémité 28 étant plus proche de la première surface de connexion 14 que sa deuxième extrémité 30.

Chaque premier segment 22 est associé à un rang correspondant, le premier segment 22 associé à un rang quelconque étant agencé entre le premier segment 22 de rang immédiatement inférieur et le premier segment 22 de rang immédiatement supérieur.

Au sens de la présente invention, un premier segment 22 est dit « entre deux autres premiers segments » lorsque, dans un système polaire de coordonnées ayant comme origine un point quelconque de la première surface de connexion 14 et comme axes deux axes orthogonaux quelconques de la première face 10 sécants audit point origine, la première extrémité 28 dudit premier segment 22 présente une coordonnée polaire (c'est-à-dire un angle polaire, encore appelé azimut) comprise entre la coordonnée polaire de la première extrémité 28 de l'un parmi lesdits deux autres premiers segments, et la coordonnée polaire de la première extrémité 28 de l'autre parmi lesdits deux autres premiers segments.

Les deuxièmes segments 24 prennent la forme de pistes électriquement conductrices réalisées sur la deuxième face 12 du deuxième substrat 8.

Chaque deuxième segment 24 est associé à deux premiers segments 22 de rangs successifs.

Des caractéristiques supplémentaires des deuxièmes segments 24 ressortiront de ce qui suit.

Les plots 26 sont distants les uns des autres. Chaque plot 26 s'étend le long d'un axe orthogonal aux substrats 6, 8. Chaque plot 26 comporte une embase 32 et une extrémité libre 34 opposée.

Chaque plot 26 est en contact mécanique et électrique, par son embase 32, avec un unique premier segment 22 correspondant, l'extrémité libre 34 étant à distance de la première face 10. De préférence, chaque plot 26 est venu de matière avec le premier segment 22 correspondant.

En outre, chaque plot 26 est en contact mécanique et électrique, par son extrémité libre 34, avec un unique deuxième segment 24 correspondant. De préférence, l'extrémité libre 34 de chaque plot 26 est brasée au deuxième segment 24 correspondant.

Les premiers segments 22, les deuxièmes segments 24 et les plots 26 sont agencés de sorte que chaque premier segment 22 soit en contact mécanique et électrique avec deux plots 26, notamment exactement deux plots 26.

Plus précisément, les premiers segments 22, les deuxièmes segments 24 et les plots 26 sont agencés de sorte que chaque deuxième segment 24 soit en contact mécanique et électrique :

- avec le plot 26 qui est en contact mécanique avec le premier segment 22 de rang inférieur parmi les deux premiers segments 22 de rangs successifs associés audit deuxième segment 24, et qui est le plus proche de la première extrémité 28 du premier segment 22 de rang inférieur ; et

- avec le plot 26 qui est en contact mécanique avec le premier segment 22 de rang supérieur parmi les deux premiers segments 22 de rangs successifs associés audit deuxième segment 24, et qui est le plus proche de la deuxième extrémité 30 du premier segment 22 de rang supérieur.

Il résulte de ce qui précède que les premiers segments 22, les deuxièmes segments 24 et les plots 26 sont agencés de façon à former la bobine constituant le capteur de courant 20.

La fabrication du dispositif de protection 2 selon l'invention va maintenant être décrite.

Sur la première face 10 du premier substrat 6, les premiers segments 22 sont réalisés, par exemple par fabrication additive. Comme cela a été décrit précédemment, chaque premier segment 22 est agencé en périphérie de la première surface de connexion 14 de la première face 10, sa première extrémité 28 étant plus proche de la première surface de connexion 14 que sa deuxième extrémité 30.

Les premiers segments 22 sont électriquement isolés les uns des autres.

En outre, sur la première face 10 du premier substrat 6, les plots 26 sont réalisés par fabrication additive. De préférence, les plots 26 et les premiers segments 22 sont réalisés conjointement par fabrication additive. Dans ce cas, les plots 26 et les premiers segments 22 sont réalisés dans un même matériau. En outre, dans ce cas, chaque plot 26 et chaque premier segment 22 correspondant sont venus de matière.

En outre, sur la deuxième face 12 du deuxième substrat 8, les deuxièmes segments 24 sont réalisés. Les deuxièmes segments 24 sont électriquement isolés les uns des autres.

Puis, la première face 10 du premier substrat 6 et de la deuxième face 12 du deuxième substrat 8 sont mises en regard l'une de l'autre, pour mettre l'extrémité libre 34 de chaque plot 26 en contact mécanique et électrique avec le deuxième segment 24 correspondant.

Une opération de brasage est ensuite réalisée, pour solidariser l'extrémité libre 34 de chaque plot 26 au deuxième segment 24 correspondant.

Du fait des caractéristiques géométriques précédemment décrites des premiers segments 22, des deuxièmes segments 24 et des plots 26, un tel procédé de fabrication conduit à la réalisation du capteur de courant 20 en forme de bobine électriquement conductrice.

Les bornes 21 du capteur de courant 20 sont également connectées en entrée de l'organe de commande 18.

La méthode de fabrication additive utilisée est, par exemple, la méthode dite SLM (de l'anglais « Sélective Laser Melting », pour fusion sélective par laser).

Un tel procédé de fabrication est avantageux. En effet, la mise en oeuvre de la fabrication additive pour la réalisation des plots 26 autorise un positionnement précis desdits plots, de sorte que la réponse du capteur de courant 20 est conforme à la réponse attendue. En outre, grâce à un tel procédé, les plots 26 présentent une résistance satisfaisante aux efforts de cisaillement, en particulier une bonne adhésion des plots 26 aux premiers segments 22, ce qui confère une bonne robustesse au capteur de courant 20.

En outre, un tel procédé rend inutile l'ajout de composants discrets, susceptibles de perturber le fonctionnement des composants électroniques 4, pour réaliser la mesure de courant.

En outre, un tel procédé autorise un dimensionnement simple du capteur de courant 20, de façon à ce que ce dernier puisse fonctionner, avec un risque réduit d'endommagement, dans un environnement à haute température.

En outre, un tel procédé autorise de réaliser simplement, et en une seule opération, un capteur de courant 20 autour de chaque composant électronique 4. Ceci autorise, par exemple, une mesure du déséquilibre entre les composants électroniques 4 d'un module de puissance donné (par exemple, des transistors en parallèle d'un module de puissance), dans le but de commander lesdits composants pour réduire un tel déséquilibre et prolonger la durée de vie du module de puissance.

En outre, la réalisation conjointe des premiers segments 22 et les plots 26 simplifie ladite réalisation et lui confère une plus grande répétabilité.

En variante, le procédé de fabrication comporte aussi la réalisation de plots 26 sur les deuxièmes segments 24. Ce qui a été décrit précédemment, notamment en ce qui concerne la mise en regard des substrats 6, 8 s'applique encore, les deuxièmes segments 24 portant un plot 26 jouant le rôle des premiers segments 22 précédemment décrits, et les premiers segments 22 destinés à recevoir l'extrémité libre desdits plots 26 jouant, dans ce cas, le rôle des deuxièmes segments 24 précédemment décrits.