TITRE : Module électronique de puissance Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un module électronique de puissance destiné à équiper par exemple un convertisseur de puissance d’un boîtier de commande, notamment pour des actionneurs de contrôle, des convertisseurs AC/DC ou DC/DC, des ventilateurs, des machines de génération électrique ou des machines de propulsion.

Etat de la technique antérieure

La figure 1 illustre un module électronique de puissance 1 connu de l’art antérieur. Celui-ci comporte des composants 2 à semi-conducteur de puissance, dont la chaleur produite en fonctionnement est évacuée par l’intermédiaire d’un dissipateur 4 comprenant des ailettes 5. Les calories produites au niveau des composants 2 traversent successivement, depuis les composants 2 jusqu’au dissipateur 4, un joint d’interconnexion 6, une première couche métallique 7, une couche 8 électriquement isolante en matériau céramique, une seconde couche métallique 9, un joint d’interconnexion 10, une semelle métallique 11 et une interface thermique 12 telle qu’une graisse thermique. Le module 1 comporte également un boîtier 13 fixé à la première couche métallique 7 par l’intermédiaire d’une colle 14, des connectiques 15, des fils de câblage 16 et un matériau encapsulant 17.

La couche isolante en céramique 8 et l’interface thermique 12 ont une résistance thermique relativement élevée, ce qui limite la capacité d’évacuation des calories vers le dissipateur 4. Afin de remédier en partie à cet inconvénient et comme illustré à la figure 2, le document FR 3 061 989 divulgue un module électrique de puissance 1 pour lequel la chaleur est évacuée des composants à semi-conducteur de puissance 2 vers le dissipateur 4 en traversant successivement un joint d’interconnexion 6, formé par exemple par une brasure 6, un premier empilement de couches successives de transition thermomécanique 18, une première couche métallique 19, une couche isolante en matériau céramique 20, une seconde couche métallique 21 et un second empilement de couches successives de transition thermomécanique 22. Les couches de transition 18, 22 sont réalisées dans des matériaux différents, présentant des coefficients de dilatation thermique diminuant en s’éloignant de la couche isolante en céramique 20, ce qui permet de limiter l’effet de cambrure en fonction de la température.

Une telle forme de réalisation ne présente pas d’interface thermique, le dissipateur 4 formant l’une des couches du second empilement 22, à savoir la couche la plus éloignée de la couche isolante céramique 20, ce qui permet d’améliorer l’évacuation des calories issues des composants de puissance 2 vers le dissipateur 4.

Cependant, la présence d’une couche isolante en matériau céramique 20 continue de générer une résistance thermique pénalisant l’évacuation des calories.

Comme illustré à la figure 3, le document FR 3 084 960 propose un module de puissance 1 comportant des composants de puissance 2 montés sur des couches conductrices 23, 24,

25, par exemple en cuivre, lesdites couches conductrices 23, 24, 25, 26 comportant des bossages 23a, 24a, 25a, 26a s’étendant perpendiculairement aux plans desdites couches 23, 24, 25, 26 et permettant de relier les composants 2 au dissipateur 4, par l’intermédiaire d’une colle thermique 27 assurant également le rôle d’isolant électrique.

Une telle forme de réalisation permet d’améliorer le transfert des calories en direction du dissipateur 4, bien qu’un tel transfert reste affecté par la résistance thermique de la couche de colle 27.

Présentation de l’invention

L’invention vise à améliorer un tel transfert thermique tout en assurant une isolation électrique satisfaisante entre les différents potentiels électriques du module, de façon simple, fiable et peu onéreuse.

A cet effet, l’invention concerne un module électronique de puissance comportant au moins un premier élément électriquement conducteur et un second élément électriquement conducteur, destinés à être respectivement à un premier potentiel électrique et à un second potentiel électrique, au moins un premier et un second composants électroniques de puissance étant montés respectivement sur les premier et second éléments, une première partie et une seconde partie d’un dissipateur étant montées respectivement sur le premier élément conducteur et sur le second élément conducteur de façon à autoriser le transfert de calories de chaque composant de puissance vers la partie correspondante du dissipateur au travers de l’élément conducteur correspondant, lesdites parties du dissipateur comportant une première extrémité située du côté desdits éléments et une seconde extrémité, opposée à la première extrémité, le premier élément conducteur et la première partie du dissipateur étant isolées électriquement du second élément et de la seconde partie du dissipateur, par l’intermédiaire d’au moins un isolant électrique, chaque partie du dissipateur comportant une face latérale tournée en direction de l’autre partie du dissipateur, l’isolant électrique étant logé entre lesdites faces latérales desdites parties du dissipateur, lesdites faces latérales s’écartant l’une de l’autre en direction de la seconde extrémité.

En fonctionnement, de la chaleur est produite par les composants de puissance, les calories étant évacuées par les première et secondes parties du dissipateur au travers des premier et second éléments qui sont en matériau électriquement et thermiquement conducteur, sans traverser de couche présentant une forte résistance thermique, ce qui permet d’améliorer l’évacuation des calories.

Afin d’éviter un court-circuit, le premier élément et la première partie du dissipateur sont isolées électriquement du second élément et de la seconde partie du dissipateur. L’isolant peut être un isolant unique ou plusieurs isolants, issus par exemple de matériaux différents. Le fait que les faces latérales des deux parties du dissipateur s’écartent l’une de l’autre permet d’augmenter la distance entre ces deux faces latérales en direction de la seconde extrémité, de façon à éviter les risques d’arc électriques entre les deux parties dans le fluide de refroidissement, qui peut être par exemple de l’air ou de l’huile. En effet, un tel arc électrique peut survenir compte tenu des fortes différences de potentiel entre les deux parties du dissipateur. De telles différences de potentiel peuvent être de l’ordre de plusieurs centaines de Volts. La forme évasée des faces latérales permet alors d’éloigner les potentiels non isolés et augmenter la distance de cheminement entre les deux parties du dissipateur ayant des potentiels différents.

La forme évasée des faces latérales permet également de faciliter l’insertion de résine entre lesdites faces.

Le dissipateur est apte à échanger de la chaleur avec un fluide de refroidissement, par exemple de l’air, en particulier de l’air filtré ou un fluide caloporteur tel que de l’huile.

Le premier élément et le second élément sont par exemple réalisés en cuivre. Les parties du dissipateur sont par exemple en aluminium.

Les composants de puissance sont par exemple des composants de type transistors ou diodes, tels par exemple que des composants de type MOSFET ou IGBT.

L’invention concerne également un troisième élément conducteur, destiné à être à un troisième potentiel électrique et isolé électriquement des premier et second conducteurs, le troisième élément étant dépourvu de composant électronique de puissance et étant écarté du dissipateur. Une telle configuration permet de réaliser un module de type bras de pont ou demi-pont couramment utilisé dans la plupart des convertisseurs de puissance.

Le deuxième potentiel électrique peut varier et peut être égal au premier potentiel électrique ou au troisième potentiel électrique.

Le troisième élément n’a pas pour fonction de conduire de la chaleur au dissipateur puisque celui-ci ne supporte pas de composant de puissance. Le troisième élément peut donc être placé à distance du dissipateur.

Des fils de câblage peuvent assurer des liaisons électriques entre les composants et/ou les différents éléments précités.

Le module électronique de puissance peut également comporter des connectiques reliées aux différents éléments. Chaque premier et second élément peut être relié à la partie correspondante du dissipateur par l’intermédiaire d’un empilement d’au moins deux couches de transition thermomécanique, réalisées dans des matériaux différents au sein d’un même empilement et présentant des coefficients de dilatation thermique augmentant en direction de la partie correspondante du dissipateur.

Un tel empilement de couches de transition permet de limiter l’effet de cambrure en fonction de la température, sans impacter sensiblement le transfert des calories vers le dissipateur. Les couches de transition ne jouent pas le rôle d’isolant électrique ou d’isolant conducteur. Les couches de transition peuvent être réalisées dans les matériaux identiques ou similaires à ceux décrits dans le document FR 3 061 989.

L’isolant électrique peut être logé entre lesdites faces latérales desdites parties du dissipateur est une résine époxy, par exemple une résine de type ER2223 ou ER2225. L’isolant électrique situé entre les deux éléments peut être différent de celui situé entre les deux parties du dissipateur. L’isolant électrique situé entre les deux éléments peut être un isolant de type FR4, par exemple un isolant couramment utilisé pour la fabrication de circuits imprimés.

Le module électronique de puissance peut comporter une première couche de matériau électriquement conducteur formant le troisième élément et une seconde couche de matériau électriquement conducteur, formant les premier et second éléments, la seconde couche étant intercalée entre la première couche et le dissipateur, la seconde couche comportant des bossages traversant la première couche, les composants de puissance étant montés sur lesdits bossages, un isolant électrique étant situé entre la première couche et la seconde couche et entre les premier et second éléments de la seconde couche.

La superposition des première et seconde couches permet de réaliser une effet mutuel entre les éléments conducteurs et réduire ainsi l’inductance de boucle dans le cas de l’utilisation de composants formant une cellule de commutation de type Diode-MOSFET par exemple. Par ailleurs, la seconde couche peut profiter d’une grande surface d’échange pour assurer le refroidissement.

Chaque partie du dissipateur peut comporter des ailettes, chaque face latérale étant formée au moins en partie sur une ailette. Chaque partie du dissipateur peut également comporter des picots.

La présence d’ailettes ou de picots permet d’augmenter les surfaces d’échange en contact avec le fluide de refroidissement, de manière à améliorer les échanges thermiques et l’évacuation des calories.

Chaque surface latérale peut être plane ou arrondie. Dans le cas de surfaces latérales planes, l’angle entre les surfaces peut être compris entre 45 et 75°. La distance entre les secondes extrémités des faces latérales des deux parties du dissipateur peut être comprise entre 3 et 15 mm.

Les secondes extrémités sont également appelées extrémités libres des parties du dissipateur.

Cette distance est par exemple comprise entre 3 et 8 mm, par exemple de l’ordre de 5 mm lorsque le fluide de refroidissement est de l’huile.

Cette distance est par exemple comprise entre 8 et 15 mm, par exemple de l’ordre de 11 mm lorsque le fluide de refroidissement est de l’air, en particulier de l’air filtré.

La longueur et la largeur des ailettes ou la longueur et le diamètre des picots peut également varier en fonction de la quantité de chaleur à dissiper et débit ou de la nature du fluide de refroidissement.

Le dissipateur peut être réalisé par fabrication additive.

Le module électronique de puissance peut être de type bras de pont.

L’invention concerne également une turbomachine comportant un module électronique de puissance du type précité.

Brève description des figures

[Fig. 1] est une vue schématique en coupe d’un module électronique de puissance selon une première forme de réalisation de l’art antérieur,

[Fig. 2] est une vue schématique en coupe d’un module électronique de puissance selon une deuxième forme de réalisation de l’art antérieur,

[Fig. 3] est une vue schématique en coupe d’un module électronique de puissance selon une troisième forme de réalisation de l’art antérieur,

[Fig. 4] est une vue schématique de dessus d’un module électronique de puissance selon une première forme de réalisation de l’invention,

[Fig. 5] est une vue schématique en coupe du module électronique de puissance de la figure 4.

Description détaillée de l’invention

Les figures 4 et 5 illustrent un module électronique de puissance 1 comportant une première et une seconde couches 30, 31 de matériau électriquement conducteur, par exemple en cuivre.

La seconde couche 31 comporte des bossages 32 traversant la première couche 30, des composants de électroniques de puissance à semi-conducteur 2 étant montés sur lesdits bossages 32. La seconde couche 32 comporte au moins deux pistes ou éléments électriquement conducteurs, respectivement un premier élément 33 et un second élément 34, séparés l’un de l’autre par un matériau électriquement isolant 35.

La première couche 30 forme une troisième piste ou élément électriquement conducteur 36. La première couche 30 est également séparée de la seconde couche 31 par le matériau électriquement isolant 35.

Le premier élément 33 est par exemple à un potentiel électrique noté +DC, par exemple de l’ordre de 800 V. Le deuxième élément 34 forme une phase dont le potentiel peut varier et être par exemple à 800 V ou à 0 V. Le troisième élément 36 est par exemple à un potentiel électrique noté -DC, par exemple de l’ordre de 0 V.

Des fils de câblage 16 assurent des liaisons électriques entre les composants 2 et/ou les différents éléments 33, 34, 36 précités. Le module électronique de puissance 1 peut également comporter des connectiques, non représentées, reliées aux différents éléments 33, 34, 35. Les composants de puissance 2 sont par exemple formés par des transistors ou des diodes, par exemples des composants de type MOSFET ou IGBT. Ces composants 2 dégagent de la chaleur en fonctionnement, qu’il convient d’évacuer.

Pour cela, le module 1 comporte un dissipateur 4, par exemple en aluminium, comportant une première partie 4a et une seconde partie 4b séparées l’une de l’autre par un matériau isolant 37, qui est ici un matériau différent du matériau isolant 35 séparant les différents éléments. Le matériau isolant 37 est par exemple une résine époxy tandis que le matériau isolant 35 est par exemple un isolant de type FR4, tel qu’un isolant couramment utilisé pour la fabrication de circuits imprimés.

Chaque partie 4a, 4b du dissipateur 4 comporte une embase 4c à partir de laquelle s’étendent des ailettes 5 destinées à échanger de la chaleur avec un fluide de refroidissement.

L’embase 4c de la première partie 4a comporte une surface plane formant une première extrémité 38, reliée au premier élément 33, par l’intermédiaire d’un premier empilement 40 de couches de transition thermomécanique. De même, l’embase 4c de la seconde partie 4b comporte une surface plane formant une première extrémité 38, reliée au second élément 34, par l’intermédiaire d’un second empilement 41 de couches de transition thermomécanique. Les extrémités libres des ailettes forment les secondes extrémités 39 des parties 4a, 4b du dissipateur 4.

Chaque empilement de couches 40, 41 comporte au moins deux couches, réalisées dans des matériaux différents au sein d’un même empilement et présentant des coefficients de dilatation thermique augmentant en direction de la partie correspondante 4a, 4b du dissipateur 4.

Un tel empilement de couches de transition 40, 41 permet de limiter l’effet de cambrure en fonction de la température, sans impacter sensiblement le transfert des calories vers le dissipateur 4. Les couches de transition ne jouent pas le rôle d’isolant électrique ou d’isolant conducteur.

Les couches de transition peuvent être réalisées dans les matériaux identiques ou similaires à ceux décrits dans le document FR 3 061 989.

Les deux empilements de couches 40, 41 sont séparés l’un de l’autre par le matériau isolant 37.

Comme cela est visible à la figure 5, chaque partie 4a, 4b du dissipateur 4 comporte une face latérale plane 42 tournée en direction de l’autre partie 4b, 4a du dissipateur 4, lesdites faces latérales 42 s’écartant l’une de l’autre en direction de la seconde extrémité 39.

La distance d entre les seconde extrémités 39 des faces latérales 42 des deux parties 4a, 4b du dissipateur 4 est comprise entre 3 et 15 mm.

Cette distance d est par exemple comprise entre 3 et 8 mm, par exemple de l’ordre de 5 mm lorsque le fluide de refroidissement est de l’huile.

Cette distance d est par exemple comprise entre 8 et 15 mm, par exemple de l’ordre de 11 mm lorsque le fluide de refroidissement est de l’air, en particulier de l’air filtré.

En fonctionnement, de la chaleur est produite par les composants de puissance, les calories étant évacuées par les première et seconde parties du dissipateur 4 au travers des premier et deuxième éléments 33, 34 et des empilements de couches de transition 40, 41 . La présence des isolants thermiques 35, 37 assure l’isolation électrique entre les différents potentiels du module 1 . Par ailleurs, le fait que les faces latérales 42 des deux parties 4a, 4b du dissipateur 4 s’écartent l’une de l’autre permet d’augmenter la distance entre ces deux faces latérales 42 en direction de la seconde extrémité 39, de façon à éviter les risques d’arcs électriques entre les deux parties 4a, 4b à travers le fluide de refroidissement. En effet, en l’absence d’une telle structure, un arc électrique pourrait survenir compte tenu des fortes différences de potentiel entre les deux parties 4a, 4b du dissipateur 4.