TENSlON

D0MA1NE TECHN1QUE La présente invention concerne un circuit électrique, un bras de commutation et un convertisseur de tension.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

La demande internationale PCT publiée sous le numéro WO 2007 003824 A2 décrit un circuit électrique comportant :

- un premier conducteur électrique, dit principal,

- un composant électrique plaqué contre le premier conducteur électrique principal,

- un isolant électrique recouvrant le premier conducteur électrique principal et le composant électrique, l’isolant électrique présentant une face supérieure à l’opposé du premier conducteur électrique principal.

Plus précisément, le composant électrique est un interrupteur commandable d’un bras de commutation d’un convertisseur de tension. Le module de puissance comporte un boîtier délimitant une cuvette dans laquelle se trouve l’interrupteur. La cuvette est remplie d’un isolant électrique, un gel ou une résine époxy, et fermée par un capot plastique.

Or, en cas de surchauffe du composant électrique, par exemple en cas de court-circuit s’il s’agit d’un interrupteur commandable, la chaleur se diffuse dans l’isolant électrique de sorte que sa face supérieure risque de prendre feu, mettant en péril les éléments environnants.

L’invention a pour but de pallier au moins en partie le problème précité. RÉSUMÉ DE L’INVENTION

À cet effet, il est proposé un circuit électrique comportant :

- un premier conducteur électrique, dit principal,

- un composant électrique plaqué contre le premier conducteur électrique principal,

- un isolant électrique recouvrant le premier conducteur électrique principal et le composant électrique, l’isolant électrique présentant une face supérieure à l’opposé du premier conducteur électrique principal, caractérisé en ce que le circuit électrique comporte en outre un élément coupe- feu s’étendant au moins contre 85% d’une partie (604) de la face supérieure (304) de l’isolant électrique (302) ou s’étendant à une distance prédéfinie d’au moins 85% d’une partie de la face supérieure de l’isolant électrique, cette partie regroupant le ou les points de la face supérieure de l’isolant électrique les plus proches du composant électrique.

Ainsi, grâce à l’élément coupe-feu, la propagation du feu est stoppée ou du moins limitée.

Selon une caractéristique supplémentaire, la distance prédéfinie est inférieure à 1 mm, de préférence inférieure à 0,5 mm et de manière encore plus préférée à 0,2 mm.

La distance entre l’élément coupe-feu et la face supérieure de l’isolant électrique est de préférence aussi faible que possible pour stopper la propagation du feu le plus près possible du composant électrique. Cependant il est possible d’intercaler une couche de colle ou de résine entre l’élément coupe-feu et la face supérieure de l’isolant électrique notamment pour favoriser une bonne répartition des efforts d’appui entre l’élément coupe-feu et l’isolant électrique. Une distance entre l’élément coupe-feu et la face supérieure de l’isolant électrique inférieure à 1 mm, de préférence inférieure à 0,5 mm et de manière encore plus préférée à 0,2 mm permet de conserver à l’élément coupe-feu une bonne capacité à stopper ou limiter la propagation du feu. De façon optionnelle, l’élément coupe-feu est métallique, par exemple en acier.

De façon optionnelle également, l’élément coupe-feu est en forme de plaque.

De façon optionnelle également, l’isolant électrique est une résine époxy. Ainsi, l’isolant électrique est suffisamment dur pour former lui-même un boîtier protecteur, de sorte qu’il n’est plus nécessaire de prévoir un boîtier délimitant une cuvette.

De façon optionnelle également, le circuit électrique comporte en outre au moins une connexion électrique destinée à relier le composant électrique à un deuxième conducteur électrique, dit principal, chaque connexion électrique présentant une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à une section conductrice électrique du premier conducteur électrique principal.

De façon optionnelle également, le composant électrique est un interrupteur commandable, par exemple un transistor à effet de champ à grille isolée.

11 est également proposé un bras de commutation comportant des premier et deuxième circuits électriques chacun selon l’invention et un tore magnétique, dans lequel le premier conducteur électrique principal du deuxième circuit électrique comporte des premier et deuxième conducteurs électriques, dits partiels, connectés électriquement l’un à l’autre, dans lequel le tore magnétique est enroulé autour du deuxième conducteur électrique partiel, et dans lequel chaque connexion électrique du premier circuit électrique relie le composant électrique du premier circuit électrique au premier conducteur électrique partiel.

De façon optionnelle, le deuxième conducteur électrique partiel est connecté électriquement au premier conducteur électrique partiel par soudure, brasage ou vissage.

De façon optionnelle également, le bras de commutation comporte en outre un surmoulage de matière plastique entourant le tore magnétique et le deuxième conducteur électrique partiel, et l’élément coupe-feu est fixé au surmoulage de matière plastique. De façon optionnelle également, l’élément coupe-feu présente au moins une languette, chaque languette étant surmoulée dans le surmoulage en matière plastique pour fixer l’élément coupe-feu au surmoulage en matière plastique (402).

11 est également proposé un convertisseur de tension comportant un bras de commutation selon l’invention et deux pièces entres lesquelles le bras de commutation est destiné à s’étendre, dans lequel l’élément coupe-feu présente au moins une lamelle flexible destinée à être déformée par une des deux pièces de manière à plaquer le bras de commutation contre l’autre des deux pièces.

De façon optionnelle, une des deux pièces est un dissipateur de chaleur.

DESCRIPTION DES FIGURES

La figure 1 est un schéma électrique d’un système électrique mettant en œuvre l’invention.

La figure 2 est une vue en trois dimensions d’un module de puissance d’un convertisseur de tension du système électrique de la figure 1, sans surmoulage ni élément coupe-feu.

La figure 3 est une vue en trois dimensions d’un premier sous-module du module de puissance.

La figure 4 est une vue en trois dimensions d’un deuxième sous-module du module de puissance.

La figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4, sans surmoulage.

La figure 6 est une vue de coupe d’une partie du module de puissance, illustrant l’agencement de l’élément coupe-feu.

La figure 7 est une vue de coupe du convertisseur de tension illustrant le positionnement du module de puissance.

La figure 8 est un schéma-blocs illustrant les étapes d’un procédé de fabrication du module de puissance.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE En référence à la figure 1, un système électrique 100 mettant en œuvre l’invention va à présent être décrit.

Le système électrique 100 est par exemple destiné à être implanté dans un véhicule automobile.

Le système électrique 100 comporte tout d’abord une source d’alimentation électrique 102 conçue pour délivrer une tension continue U, par exemple comprise entre 20 V et 100 V, par exemple 48 V. La source d’alimentation électrique 102 comporte par exemple une batterie.

Le système électrique 100 comporte en outre une machine électrique 130 comportant plusieurs phases (non représentées) destinées à présenter des tensions de phase respectives.

Le système électrique 100 comporte en outre un convertisseur de tension 104 connecté entre la source d’alimentation électrique 102 et la machine électrique 130 pour effectuer une conversion entre la tension continue U et les tensions de phase.

Le convertisseur de tension 104 comporte tout d’abord une barre omnibus positive 106 et une barre omnibus négative 108 destinées à être connectées à la source d’alimentation électrique 102 pour recevoir la tension continue U, la barre omnibus positive 106 recevant un potentiel électrique haut et la barre omnibus négative 108 recevant un potentiel électrique bas.

Le convertisseur de tension 104 comporte en outre au moins un module de puissance 110 comportant une ou plusieurs barres omnibus de phase 122 destinées être respectivement connectées à une ou plusieurs phases de la machine électrique 130, pour fournir leurs tensions de phase respectives.

Dans l’exemple décrit, le convertisseur de tension 104 comporte trois modules de puissance 110 comportant chacun deux barres omnibus de phase 122 connectées à deux phases de la machine électrique 130.

Plus précisément, dans l’exemple décrit, la machine électrique 130 comporte deux systèmes triphasés comportant chacun trois phases. Les deux systèmes triphasés sont destinés à être électriquement déphasés de 120° l’un par rapport à l’autre. De préférence, les premières barres omnibus de phase 122 des modules de puissance 110 sont respectivement connectées aux trois phases du premier système triphasé, tandis que les deuxièmes barres omnibus de phase 122 des modules de puissance 110 sont respectivement connectées aux trois phases du deuxième système triphasé.

Chaque module de puissance 110 comporte, pour chaque barre omnibus de phase 122, un interrupteur de côté haut 112 connecté entre la barre omnibus positive 106 et la barre omnibus de phase 122 et un interrupteur de côté bas 114 connecté entre la barre omnibus de phase 122 et la barre omnibus négative 108. Ainsi, les interrupteurs 112, 114 sont agencés de manière à former un bras de commutation, dans lequel la barre omnibus de phase 122 forme un point milieu.

Chaque interrupteur 112, 114 comporte des première et deuxième bornes principales 116, 118 et une borne de commande 120 destinée à sélectivement ouvrir et fermer l’interrupteur 112, 114 entre ses deux bornes principales 116, 118 en fonction d’un signal de commande qui lui est appliqué. Les interrupteurs 112, 114 sont de préférence des transistors, par exemple des transistors à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur (de l’anglais « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor » ou MOSFET) présentant une grille formant la borne de commande 120, et un drain et une source formant respectivement les bornes principales 116, 118.

Dans l’exemple décrit, les interrupteurs 112, 114 ont chacun la forme d’une plaque, par exemple sensiblement rectangulaire, présentant une face supérieure et une face inférieure. La première borne principale 116 s’étend sur la face inférieure, tandis que la deuxième borne principale 118 s’étend sur la face supérieure.

11 sera apprécié que la barre omnibus positive 106, la barre omnibus négative 108 et les barres omnibus de phase 122 sont des conducteurs électriques rigides conçus pour supporter des courants électriques d’au moins 1 A. Elles présentent de préférence une épaisseur d’au moins 1 mm et/ou une section conductrice électrique d’au moins 1 mm ² .

Par ailleurs, dans l’exemple décrit, la barre omnibus positive 106 comporte tout d’abord une barre omnibus commune positive 106A reliant les modules de puissance 110 et, dans chaque module de puissance 110, une barre omnibus locale positive 106B connectée à la barre omnibus commune positive 106A. De manière similaire, la barre omnibus négative 108 comporte une barre omnibus commune négative 108A reliant les modules de puissance 110 et, dans chaque module de puissance 110, une barre omnibus locale négative 108B pour chaque interrupteur de côté bas 114, les barres omnibus locales négatives 108B étant connectées à la barre omnibus commune négative 108A. Les connexions sont représentées sur la figure 1 par des losanges.

En outre, dans l’exemple décrit, la barre omnibus commune positive 106A et la barre omnibus commune négative 108A sont chacune formée d’une seule pièce conductrice.

En outre, dans l’exemple décrit, la machine électrique 130 a à la fois une fonction d’alternateur et de moteur électrique. Plus précisément, le véhicule automobile comporte en outre un moteur thermique (non représenté) présentant un axe de sortie auquel la machine électrique 130 est reliée par une courroie (non représentée). Le moteur thermique est destiné à entraîner des roues du véhicule automobile par l’intermédiaire de son axe de sortie. Ainsi, en fonctionnement comme alternateur, la machine électrique fournit de l’énergie électrique en direction de la source d’alimentation électrique 102 à partir de la rotation de l’axe de sortie. Le convertisseur de tension 104 fonctionne alors comme redresseur. En fonctionnement comme moteur électrique, la machine électrique entraîne l’arbre de sortie (en complément ou bien à la place du moteur thermique). Le convertisseur de tension 104 fonctionne alors comme onduleur.

La machine électrique 130 est par exemple localisée dans une boîte de vitesses ou bien dans un embrayage du véhicule automobile ou bien en lieu et place de l’alternateur.

Dans la suite de la description, la structure et la disposition des éléments du convertisseur de tension 104 vont être décrits plus en détails, en référence à une direction verticale H-B, « H » représentant le haut et « B » représentant le bas. En référence aux figures 2 à 7, un des modules de puissance 110 va à présent être décrit plus en détail, sachant que les autres modules de puissance 110 sont similaires.

En référence à la figure 2, le module de puissance 110 comporte des premier et deuxième sous-modules.

Le premier sous-module comporte la barre omnibus locale positive 106B et les barres omnibus locales négatives 108B. 11 comporte en outre, pour chaque barre omnibus de phase 122, une barre omnibus partielle 202 formant une partie de cette barre omnibus de phase 122. 11 comporte en outre les interrupteurs 112, 114.

Les barres omnibus 106B, 202, 108B ont la forme de plaques planes horizontales ayant une épaisseur comprise entre 1 mm et 1,5 mm, par exemple 1,2 mm, et présentant une face supérieure plane horizontale. En outre, les barres omnibus 106B, 202, 108B sont coplanaires et s’étendent les unes à côté des autres, ce qui permet de limiter l’encombrement vertical du module de puissance 110.

La face inférieure de chaque interrupteur de côté haut 112 est plaquée contre la face supérieure de la barre omnibus locale positive 106B et brasée à cette dernière afin de fixer mécaniquement l’interrupteur de côté haut 112. Cette fixation permet en outre de connecter électriquement sa première borne principale à la barre omnibus locale positive 106B. En outre, le premier sous- module comporte, pour chaque interrupteur de côté haut 112, une ou, de préférence, plusieurs bandes conductrices 210, par exemple en aluminium, s’étendant de la face supérieure de l’interrupteur de côté haut 112 considéré à l’une respective des barres omnibus partielles 202 afin de les connecter électriquement. Les bandes conductrices 210 présentent de préférence une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à la section conductrice électrique des barres omnibus 106B, 202, 108B.

De manière similaire, la face inférieure de chaque interrupteur de côté bas 114 est plaquée contre la face supérieure de la barre omnibus partielle 202 et brasée à cette dernière afin de fixer mécaniquement l’interrupteur de côté bas 114. Cette fixation permet en outre de connecter électriquement sa première borne principale à la barre omnibus de phase 122.

En outre, le premier sous-module comporte, pour chaque interrupteur de côté bas 114, une ou, de préférence, plusieurs bandes conductrices 212, par exemple en aluminium, s’étendant de la face supérieure de l’interrupteur de côté bas 114 à l’une respective des barres omnibus locale négative 108B afin de les connecter électriquement. Les bandes conductrices 212 présentent de préférence une section conductrice électrique au moins dix fois inférieure à la section conductrice électrique des barres omnibus 106B, 202, 108B.

Le deuxième sous-module comporte une autre barre omnibus partielle 204 fixée à la barre omnibus partielle 202, par exemple par brasure, soudure ou vissage, afin que les deux soient fixées mécaniquement et connectées électriquement l’une à l’autre. Ainsi, chaque barre omnibus de phase 122 comporte les deux barres omnibus partielles 202, 204.

A l’exception de leurs extrémités, les barres omnibus partielles 204 ont également une forme de plaques planes horizontales ayant une épaisseur comprise entre 1 mm et 1,5 mm, par exemple 1,2 mm. L’une des extrémités des barres omnibus partielles 204 pouvant prendre une forme courbée pour faciliter leur fixation aux barres omnibus partielles 202.

La barre omnibus partielle 204 comporte en outre une borne de connexion 206 destinée à être connectée à une phase de la machine électrique 130. De manière générale, la forme des bornes de connexion 206 est liée à la forme des bornes des phases de la machine électrique 130.

Le deuxième sous-module comporte, autour de chaque barre omnibus partielle 204, un tore magnétique 208 muni d’un entrefer où un capteur à effet Hall (non représenté) est destiné à être disposé afin de mesurer le courant de phase passant par la borne de connexion 206 correspondante.

En référence à la figure 3, le premier sous-module, désigné par la référence 200, comporte en outre un surmoulage de résine époxy 302 s’étendant autour de la barre omnibus locale positive 106B, des barres omnibus locales négatives 108B, des barres omnibus partielles 202, des interrupteurs 112, 114 et des bandes conductrices 210, 212 pour les protéger. Le surmoulage de résine époxy 302 forme ainsi un isolant électrique recouvrant en particulier les barres omnibus 106B, 202, 108B et les interrupteurs 112, 114. Le surmoulage de résine époxy 302 présente une face supérieure 304 à l’opposé des barres omnibus 106B, 202, 108B. Cette face supérieure 304 est plane et horizontale. Le matériau utilisé pour le surmoulage 302 présente par exemple une limite à la flexion supérieure à 80 N/mm ² , de préférence supérieure à 100 N/mm ² . Par exemple, le matériau utilisé pour le surmoulage 302 peut être une résine époxy portant la dénomination G720E type H dont la limite à la flexion est de 140 N/mm ² ou une résine époxy portant la dénomination XE8495 dont la limite à la flexion est de 105 N/mm ² .

En référence à la figure 4, le deuxième sous-module, désigné par la référence 201, comporte en outre un surmoulage de matière plastique 402 s’étendant autour des tores magnétiques 208 et des barres omnibus partielles 204, afin de maintenir les tores magnétiques 208 mécaniquement fixés aux barres omnibus partielles 204. Le deuxième sous-module 201 comporte en outre un élément coupe-feu 404 formé dans l’exemple écrit d’une plaque métallique horizontale fixée sur une face inférieure du surmoulage 402 et dépassant de ce dernier. La plaque métallique est par exemple une tôle d’acier. L’élément coupe- feu 404 présente au moins une lamelle flexible 406 (trois dans l’exemple décrit), située de préférence dans une les zones dépassant de la face inférieure du surmoulage 402. Dans l’exemple décrit, chaque lamelle flexible 406 est de forme rectangulaire dont une extrémité est connectée au reste de l’élément coupe-feu 404 par une pliure vers le haut. Chaque lamelle flexible 406 est par exemple obtenue par coupage et pliage de la plaque métallique formant l’élément coupe- feu 404. L’élément coupe-feu 404 présente par exemple une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 mm.

Ainsi, le module de puissance 110 complet comporte le premier sous- module 200 tel qu’illustré sur la figure 3 et le deuxième sous-module 201 tel qu’illustré sur la figure 4, fixés l’un à l’autre. En référence à la figure 5, l’élément coupe-feu 404 présente en outre trois languettes 502 destinées à être noyées dans le surmoulage 402 pour y fixer l’élément coupe-feu 404.

En référence à la figure 6, pour chaque interrupteur 112, 114, l’élément coupe-feu 404 s’étend à moins de 1 mm, de préférence à moins de 0,2 mm, d’au moins 85% (100% dans l’exemple décrit) d’une partie 604 de la face supérieure 304 de l’isolant électrique 302 la plus proche de l’interrupteur 112, 114 considéré. Plus précisément, cette partie 604 (représentée par des pointillés épais sur la figure 6) regroupe au moins les points de la face supérieure 304 de l’isolant électrique 302 les plus proches de l’interrupteur 112, 114 considéré. Ces points les plus proches de l’interrupteur 112, 114 sont désignés par la référence 606 sur la figure 6. Dans l’exemple décrit, les points les plus proches de l’interrupteur 112, 114 sont ceux situés à la verticale de l’interrupteur 112, 114. Ainsi, dans l’exemple décrit, l’élément coupe-feu 404 s’étend au moins au-dessus de l’interrupteur 112, 114 pour le recouvrir.

De manière générale, la partie 604 regroupe les points de la face supérieure 304 de l’isolant électrique 302 situés à une distance inférieure ou égale à une distance prédéfinie D de l’interrupteur 112, 114 considéré. Cette distance prédéfinie D est supérieure à l’épaisseur E du surmoulage 302 entre l’interrupteur 112, 114 considéré et la surface supérieure 304 du surmoulage 302, l’épaisseur E correspondant à la distance minimale entre l’interrupteur 112, 114 considéré et la surface supérieure 304 du surmoulage 302. La distance prédéfinie D est par exemple inférieure à 4 mm. Dans l’exemple décrit, elle est environ de 2 mm.

Lors d’un court-circuit du module de puissance 110, les bandes conductrices 210, 212 deviennent de plus en plus chaude jusqu’à ce qu’elles cassent. Or, comme elles sont noyées dans la résine époxy qui est dure, les morceaux des bandes conductrices 210, 212 restent en contact et laisse le courant passer. Le courant qui passe fait alors chauffer les interrupteurs 110, 112 et la chaleur se diffuse dans le surmoulage 302 jusqu’à sa face supérieure 304 qui prend feu. Les points les plus proches de chaque interrupteur 110, 112 sont ceux dont la température s’élève en premier du fait de la proximité de l’interrupteur 110, 112 et sont donc les points à protéger en priorité. Ainsi, la présence de l’élément coupe-feu 404 permet d’éviter la propagation du feu, ou du moins de la retarder.

En référence à la figure 7, le convertisseur de tension 104 comporte un boîtier 702 délimitant un logement de réception d’une carte électronique (non représentée), par exemple une carte de circuit imprimé, de commande des interrupteurs 112, 114. Le convertisseur de tension 104 comporte en outre un dissipateur de chaleur 704 destiné à dissiper la chaleur notamment des interrupteurs 112, 114. Le dissipateur de chaleur 704 comporte en particulier des ailettes 706 de dissipation de chaleur. 11 comporte en outre un fût de réception d’une vis (non représentée) de fixation du boîtier 702 au dissipateur de chaleur 704.

Chaque module de puissance 110 est destiné à s’étendre entre le boîtier 702 et le dissipateur de chaleur 704. Lorsque le boîtier 702 est fixé au dissipateur de chaleur 704, le boîtier 702 est destiné à appuyer sur la ou les lamelles flexibles 406 pour les déformer de manière à plaquer le module de puissance 110 contre le dissipateur de chaleur 704. De préférence, la ou les lamelles flexibles 406 sont conçue de manière à ce que, une fois déformées par le boîtier 702, elles transmettent un effort vertical d’au moins 70 N au module de puissance 110. Ainsi, ce plaquage permet d’éviter que les barres omnibus ne s’éloignent du dissipateur de chaleur 704 avec le temps. Ce plaquage permet également d’éviter l’utilisation de vis pour fixer les modules de puissance 110 au dissipateur de chaleur 704.

De préférence, la carte électronique est logée dans le boîtier 702 et fixée à ce dernier avant que le boîtier 702 ne soit fixé au dissipateur de chaleur 704 et appuie sur la ou les lamelles flexibles 406.

En référence à la figure 8, un procédé 800 de fabrication d’un des modules de puissance 110 va à présent être décrit.

Au cours d’une étape 802, les premier et deuxième sous-modules 200, 201, sans les surmoulages 302, 402, sont obtenus. Au cours d’une étape 804, de la résine époxy est injectée à basse pression puis réticulée pour former le surmoulage de résine époxy 302. L’injection à basse pression permet de ne pas détériorer les bandes conductrices 210, 212, qui sont fragiles.

Au cours d’une étape 806, de la matière plastique est injectée à haute pression pour former le surmoulage de matière plastique 402.

Au cours d’une étape 808, les deux sous-modules 200, 201 sont fixés l’un à l’autre. Pour cela, l’élément coupe-feu 404 est collé contre la face supérieure 304 du surmoulage de résine époxy 302 et les barres omnibus partielles 204 sont fixées aux barres omnibus partielles 202.

La présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. 11 sera en effet apparent à l’homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.

Par exemple, le surmoulage 302 pourrait être dans un matériau autre que la résine époxy.

Par ailleurs, les termes utilisés ne doivent pas être compris comme limités aux éléments des modes de réalisation décrits précédemment, mais doivent au contraire être compris comme couvrant tous les éléments équivalents que l’homme du métier peut déduire à partir de ses connaissances générales.