FR3076178A1 - ELECTRONIC POWER UNIT AND VOLTAGE CONVERTER COMPRISING SAME - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet une unité électronique de puissance (12), notamment destinée à être intégrée dans un convertisseur de tension pour véhicule automobile, et destinée à être supportée par un dissipateur thermique (14), comprenant au moins un plot (30 ; 40) formé et/ou une rainure formée pour maintenir une distance prédéterminée entre l'unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l'unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique.The invention relates to an electronic power unit (12), in particular intended to be integrated in a voltage converter for a motor vehicle, and intended to be supported by a heat sink (14), comprising at least one stud (30; 40) formed and / or a groove formed to maintain a predetermined distance between the power electronics unit and the heat sink when the power electronics unit is supported by the heat sink.
Description
Unité électronique de puissance et convertisseur de tension le comportantElectronic power unit and voltage converter comprising it
La présente invention concerne une unité électronique de puissance, notamment destinée à être intégrée dans un convertisseur de tension pour véhicule automobile, et destinée à être supportée par un dissipateur thermique. L’invention se rapporte également à un ensemble comportant une telle unité électronique de puissance et un dissipateur thermique la supportant. L’invention concerne également un convertisseur de tension, notamment destiné à alimenter en puissance une machine électrique pour véhicule automobile, comprenant un tel ensemble.The present invention relates to an electronic power unit, in particular intended to be integrated in a voltage converter for a motor vehicle, and intended to be supported by a heat sink. The invention also relates to an assembly comprising such an electronic power unit and a heat sink supporting it. The invention also relates to a voltage converter, in particular intended to supply power to an electric machine for a motor vehicle, comprising such an assembly.
Usuellement, une unité électronique de puissance, destinée à alimenter une machine électrique, nécessite un boîtier permettant l’isolation électrique de l’unité électronique et la connexion électrique de l’unité électronique de puissance à des éléments électriques de la machine électrique.Usually, an electronic power unit, intended to power an electrical machine, requires a box allowing the electrical isolation of the electronic unit and the electrical connection of the electronic power unit to electrical elements of the electrical machine.
De telles unités électroniques de puissance comportent un substrat comprenant des traces de puissance surmoulées au moins en partie de matériau isolant électriquement et une face supérieure destinée à recevoir des composants électroniques de manière à être connecté électriquement aux traces de puissance.Such electronic power units comprise a substrate comprising traces of power overmolded at least in part from electrically insulating material and an upper face intended to receive electronic components so as to be electrically connected to the traces of power.
Afin d’évacuer la température générée par les unités de puissance en fonctionnement, celles-ci sont supportées par un ou des dissipateurs thermiques. Notamment, chaque unité électronique de puissance est généralement pressée, soudée ou collée sur la surface du dissipateur thermique. Une interface thermique, par exemple de la graisse thermique, peut en outre être ajoutée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique afin de favoriser les échanges de chaleur. Néanmoins, il est important de contrôler l’épaisseur de la soudure ou de la colle et de l’interface thermique afin de garantir le bon fonctionnement de l’unité électronique de puissance par des échanges de chaleur vers le dissipateur thermique efficaces.In order to remove the temperature generated by the power units in operation, these are supported by one or more heat sinks. In particular, each electronic power unit is generally pressed, welded or bonded to the surface of the heat sink. A thermal interface, for example thermal grease, can also be added between the electronic power unit and the heat sink in order to promote heat exchange. However, it is important to control the thickness of the solder or glue and the thermal interface in order to guarantee the proper functioning of the electronic power unit by efficient heat exchanges to the heat sink.
Ainsi, l’invention propose de fournir une unité électronique de puissance permettant de remédier à ce problème. À cet effet, la présente invention a pour objet une unité électronique de puissance, notamment destinée à être intégrée dans un convertisseur de tension pour véhicule automobile, et destinée à être supportée par un dissipateur thermique, comprenant au moins un plot formé et/ ou une rainure formée pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique.Thus, the invention proposes to provide an electronic power unit making it possible to remedy this problem. To this end, the subject of the present invention is an electronic power unit, in particular intended to be integrated in a voltage converter for a motor vehicle, and intended to be supported by a heat sink, comprising at least one formed stud and / or one groove formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink.
Ainsi, le(s) plot(s) et/ou le(s) rainure(s) de cette unité électronique de puissance forme une entretoise entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique garantissant une épaisseur minimum de matériau isolant électriquement (graisse thermique). L’unité électronique de puissance selon l’invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’unité électronique de puissance comprend une pluralité de plots formés pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique ; - l’unité électronique de puissance comprend une pluralité de rainures formées pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique ; - l’unité électronique de puissance comprend au moins un premier et un deuxième plot, chaque plot étant formé pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique, le premier plot a des dimensions différentes du deuxième plot ; - l’unité électronique de puissance comprend au moins une première et une deuxième rainure, chaque rainure étant formée pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique, la première rainure a des dimensions différentes de la deuxième rainure ; - les surfaces de chaque plot de la pluralité de plots destinées à être en regard du dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique sont coplanaires ; - les surfaces de chaque rainure de la pluralité de rainures destinées à être en regard du dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique sont coplanaires ; - l’unité électronique de puissance comprend : • un substrat comprenant une face supérieure et une face inférieure, • au moins un composant électronique agencé sur la face supérieure du substrat plan, et dans laquelle le ou chaque plot est agencé en regard de la face inférieure du substrat plan, et dans laquelle le substrat plan, le au moins un composant électronique et le ou chaque plot sont au moins en partie surmoulés ; - l’unité électronique de puissance comprend : • un substrat comprenant une face supérieure et une face inférieure, • au moins un composant électronique agencé sur la face supérieure du substrat plan, et dans laquelle la ou chaque rainure est agencée en regard de la face inférieure du substrat plan, et dans laquelle le substrat plan, le au moins un composant électronique et la ou chaque rainure sont au moins en partie surmoulés ; - le substrat est de préférence plan ; - le surmoulage est réalisé en moulage par transfert, le ou chaque plot étant réalisé en moulage par transfert ; - le surmoulage est réalisé en moulage par transfert, la ou chaque rainure étant réalisé en moulage par transfert ; - le surmoulage est réalisé en moulage par compression ; - le ou chaque plot étant réalisé en moulage par compression ; - la ou chaque rainure étant réalisé en moulage par compression ; - l’unité électronique de puissance est configurée pour convertir une tension électrique ; - l’unité électronique de puissance est un module électronique de puissance ; - le au moins un composant électronique est une puce électronique semi-conductrice montée sur le substrat ; - le ou chaque composant électronique est brasé, collé ou fixé par frittage sur le substrat ; - le substrat est réalisé en céramique ou en cuivre ; - le surmoulage est réalisé en matériau isolant électriquement, par exemple en résine époxy ; - chaque plot est réalisé en résine époxy ; - chaque plot est réalisé dans un matériau différent de celui du surmoulage ; - chaque rainure est réalisée en résine époxy ; - chaque rainures est réalisée dans un matériau différent de celui du surmoulage ; - le matériau isolant électriquement agencé entre l’unité électronque de puissance et le dissipateur thermique est une graisse thermique ; - le dissipateur thermique est réalisé en matériau ayant une bonne conductivité thermique, de préférence en aluminium, en cuivre ou en céramique.Thus, the stud (s) and / or the groove (s) of this electronic power unit forms a spacer between the electronic power unit and the heat sink ensuring a minimum thickness of electrically insulating material ( thermal grease). The electronic power unit according to the invention can also include one or more of the characteristics below, considered individually or according to all technically possible combinations: - the electronic power unit comprises a plurality of studs formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink; - the electronic power unit comprises a plurality of grooves formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink; the electronic power unit comprises at least a first and a second pad, each pad being formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink , the first pad has different dimensions from the second pad; - the electronic power unit comprises at least a first and a second groove, each groove being formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink , the first groove has different dimensions from the second groove; - the surfaces of each stud of the plurality of studs intended to be facing the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink are coplanar; - the surfaces of each groove of the plurality of grooves intended to be opposite the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink are coplanar; the electronic power unit comprises: a substrate comprising an upper face and a lower face, at least one electronic component arranged on the upper face of the planar substrate, and in which the or each pad is arranged opposite the face bottom of the planar substrate, and wherein the planar substrate, the at least one electronic component and the or each pad are at least partially overmolded; the electronic power unit comprises: a substrate comprising an upper face and a lower face, at least one electronic component arranged on the upper face of the planar substrate, and in which the or each groove is arranged opposite the face bottom of the planar substrate, and wherein the planar substrate, the at least one electronic component and the or each groove are at least partially molded; - The substrate is preferably planar; - overmolding is carried out by transfer molding, the or each stud being produced by transfer molding; - Overmolding is carried out by transfer molding, the or each groove being produced by transfer molding; - overmolding is carried out by compression molding; - the or each pad being produced by compression molding; - the or each groove being produced by compression molding; - the electronic power unit is configured to convert an electrical voltage; - the electronic power unit is an electronic power module; - the at least one electronic component is a semiconductor electronic chip mounted on the substrate; - the or each electronic component is soldered, glued or fixed by sintering on the substrate; - the substrate is made of ceramic or copper; - the overmolding is carried out in electrically insulating material, for example in epoxy resin; - each pad is made of epoxy resin; - Each stud is made of a material different from that of the overmolding; - each groove is made of epoxy resin; each groove is made of a material different from that of the overmolding; - the electrically insulating material arranged between the electronic power unit and the heat sink is a thermal grease; - The heat sink is made of a material having good thermal conductivity, preferably aluminum, copper or ceramic.
Un autre objet de l’invention concerne un ensemble, notamment destiné à être intégré dans un convertisseur de tension pour véhicule automobile, comprenant au moins une unité électronique de puissance selon l’invention et un dissipateur thermique configuré pour supporter l’unité électronique de puissance, le dissipateur thermique supportant l’unité électronique de puissance. L’ensemble comprenant au moins une unité électronique de puissance selon l’invention et un dissipateur thermique, selon l’invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’ensemble comprend un matériau isolant électriquement agencé entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique ; - le dissipateur thermique comprend au moins un plot formé pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique.Another object of the invention relates to an assembly, in particular intended to be integrated in a voltage converter for a motor vehicle, comprising at least one electronic power unit according to the invention and a heat sink configured to support the electronic power unit , the heat sink supporting the electronic power unit. The assembly comprising at least one electronic power unit according to the invention and a heat sink, according to the invention can also include one or more of the characteristics below, considered individually or according to all technically possible combinations: - the assembly comprises an electrically insulating material arranged between the electronic power unit and the heat sink; - the heat sink comprises at least one stud formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink.
Un autre objet de l’invention porte sur un convertisseur de tension, notamment destiné à alimenter en puissance une machine électrique pour véhicule automobile, comprenant un ensemble selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs et illustrés, accompagnée des figures 1 et 2. Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en section d’un ensemble respectivement selon un premier et un second modes de réalisation de l’invention.Another object of the invention relates to a voltage converter, in particular intended to supply power to an electric machine for a motor vehicle, comprising an assembly according to the invention. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description of embodiments given by way of nonlimiting examples and illustrated, accompanied by Figures 1 and 2. Figures 1 and 2 are schematic views in section of an assembly respectively according to a first and a second embodiment of the invention.
Sur les figures, les éléments analogues sont désignés par des références identiques. En outre, les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l’échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l’invention. L’invention se rapporte à une unité ou module électronique de puissance, notamment destinée à être intégrée dans un convertisseur de tension pour véhicule automobile.In the figures, similar elements are designated by identical references. In addition, the different elements are not necessarily shown to scale in order to present a view making it easier to understand the invention. The invention relates to an electronic power unit or module, in particular intended to be integrated in a voltage converter for a motor vehicle.
Le convertisseur de tension est notamment destiné à transmettre un courant électrique d’une source d’énergie électrique à la machine électrique dans laquelle il est intégré.The voltage converter is in particular intended to transmit an electric current from an electric energy source to the electric machine in which it is integrated.
Une unité électronique de puissance est configurée pour convertir une tension électrique. En particulier, une unité électronique de puissance peut convertir une tension alternative en une tension continue, et inversement. L’unité électronique de puissance est généralement supportée par un dissipateur thermique permettant d’évacuer la chaleur générée par le fonctionnement de l’unité électronique de puissance.An electronic power unit is configured to convert an electrical voltage. In particular, an electronic power unit can convert an alternating voltage into a direct voltage, and vice versa. The electronic power unit is generally supported by a heat sink allowing the heat generated by the operation of the electronic power unit to be removed.
Les figures illustrent deux modes de réalisation d’un ensemble 10 selon l’invention comportant une unité électronique de puissance 12, 32 selon l’invention et un dissipateur thermique 14 la supportant.The figures illustrate two embodiments of an assembly 10 according to the invention comprising an electronic power unit 12, 32 according to the invention and a heat sink 14 supporting it.
Le dissipateur thermique est réalisé dans un matériau de bonne conductivité thermique, i.e. supérieure à 150 W.m'1.K'1. Par exemple, le dissipateur thermique est en aluminium, en cuivre ou en céramique. L’unité électronique de puissance 12 comprend un substrat 20 comportant une face supérieure 22 et une face inférieure 24. De préférence, les faces supérieure et inférieure du substrat sont planes telle qu’illustrées sur la figure 1.The heat sink is made of a material with good thermal conductivity, i.e. greater than 150 W.m'1.K'1. For example, the heat sink is made of aluminum, copper or ceramic. The electronic power unit 12 comprises a substrate 20 comprising an upper face 22 and a lower face 24. Preferably, the upper and lower faces of the substrate are planar as illustrated in FIG. 1.
Le substrat 20 comprend au moins une trace de puissance (non illustrée) surmoulée au moins en partie de matériau isolant électriquement, de préférence de matériau plastique. Une trace de puissance est une trace conductrice électriquement, notamment métallique, par exemple une piste de cuivre. Une trace de puissance est notamment configurée pour supporter un courant électrique destiné à circuler dans la machine électrique.The substrate 20 comprises at least one trace of power (not shown) overmolded at least in part from electrically insulating material, preferably from plastic material. A trace of power is an electrically conductive trace, in particular metallic, for example a copper track. A power trace is notably configured to support an electric current intended to circulate in the electric machine.
Chaque trace de puissance comprend au moins une portion dépourvue de surmoulage, notamment destinée à être connectée électriquement à des éléments électriques extérieurs au module électronique de puissance 12.Each power trace comprises at least one portion without overmolding, in particular intended to be electrically connected to electrical elements external to the electronic power module 12.
En outre, l’unité électronique de puissance 12 comprend au moins un composant électronique (non illustré), agencé sur la face supérieure 22 du substrat 20, de sorte à être connecté électriquement à une des traces de puissance.In addition, the electronic power unit 12 comprises at least one electronic component (not shown), arranged on the upper face 22 of the substrate 20, so as to be electrically connected to one of the power traces.
Les composants électroniques peuvent être des puces électroniques semi-conductrices, notamment des puces nues, montés sur le substrat. Les composants électroniques peuvent être des transistors.The electronic components can be semiconductor electronic chips, in particular bare chips, mounted on the substrate. The electronic components can be transistors.
Les composants électroniques sont brasés, collés ou fixés par frittage sur le substrat. Le substrat est réalisé en céramique, en cuivre, en Epoxy ou SMI pour Substrat Métallique Isolé.The electronic components are soldered, glued or fixed by sintering on the substrate. The substrate is made of ceramic, copper, Epoxy or SMI for Isolated Metallic Substrate.
Selon l’invention, l’unité électronique de puissance 12 comporte en outre au moins un plot 30 formé pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique 14 lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique.According to the invention, the electronic power unit 12 further comprises at least one stud 30 formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink 14 when the electronic power unit is supported by the heat sink thermal.
Ainsi, l’invention permet de garantir une épaisseur minimum de matériau isolant électriquement 31, tel que de la graisse thermique, entre l’unité électronique de puissance 12 et le dissipateur thermique 14, lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique.Thus, the invention makes it possible to guarantee a minimum thickness of electrically insulating material 31, such as thermal grease, between the electronic power unit 12 and the heat sink 14, when the electronic power unit is supported by the heat sink. thermal.
De préférence, l’unité électronique de puissance 12 selon l’invention comporte une pluralité de plots formés pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique. Avantageusement, l’unité électronique de puissance 12 selon l’invention comporte trois plots formés pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique, tel qu’illustré sur les figures 1 et 2.Preferably, the electronic power unit 12 according to the invention comprises a plurality of studs formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink. Advantageously, the electronic power unit 12 according to the invention comprises three studs formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink, such as illustrated in Figures 1 and 2.
Les plots peuvent être identiques notamment de même extension longitudinale comme sur la figure 1, en particulier lorsque la face inférieure de l’unité électronique de puissance est plane. Cette configuration est en particulier le cas lorsque la face inférieure 24 du substrat 20 est plane. Néanmoins, en référence à la figure 2, lorsque la face inférieure de l’unité électronique de puissance n’est pas plane, les plots 40 sont formés pour maintenir au moins une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique. Leurs dimensions et notamment leurs extensions longitudinales peuvent alors varier d’un plot à l’autre.The studs can be identical in particular with the same longitudinal extension as in FIG. 1, in particular when the underside of the electronic power unit is flat. This configuration is in particular the case when the lower face 24 of the substrate 20 is planar. However, with reference to FIG. 2, when the underside of the electronic power unit is not flat, the studs 40 are formed to maintain at least a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink. Their dimensions and in particular their longitudinal extensions can then vary from one pad to another.
Ce mode de réalisation présente l’avantage de compenser le défaut de planéité de la face inférieure de l’unité électronique de puissance destinée à être en regard du dissipateur thermique. Ce défaut de planéité peut résulter d’une légère incurvation en sortie de fabrication du substrat (non représenté sur la figure 2) due aux contraintes mécaniques du matériau le composant. Les plots permettent ainsi de garantir d’avoir une surface rectifiée « plane », formée par les plots, en appui sur le dissipateur thermique.This embodiment has the advantage of compensating for the flatness defect of the underside of the electronic power unit intended to be opposite the heat sink. This flatness defect can result from a slight curvature at the end of the manufacture of the substrate (not shown in FIG. 2) due to the mechanical stresses of the material making it up. The studs thus make it possible to guarantee having a rectified “flat” surface, formed by the studs, resting on the heat sink.
De préférence, les surfaces dites libres de chaque plot de la pluralité de plots destinées à être en regard du dissipateur thermique lorsque l’unité électronique de puissance est supportée par le dissipateur thermique sont coplanaires permettant ainsi à l’ensemble des surfaces libres des plots de former une surface sensiblement plane destinée à être en appui sur le dissipateur thermique.Preferably, the so-called free surfaces of each stud of the plurality of studs intended to be opposite the heat sink when the electronic power unit is supported by the heat sink are coplanar, thus allowing all of the free surfaces of the studs to form a substantially flat surface intended to be supported on the heat sink.
Avantageusement, le substrat, le au moins un composant électronique et le ou chaque plot sont au moins en partie surmoulés.Advantageously, the substrate, the at least one electronic component and the or each pad are at least partially molded.
Dans un mode de réalisation particulier, les plots sont entièrement réalisés lors de l’opération de surmoulage. En d’autres termes, les plots font partie du surmoulage.In a particular embodiment, the pads are entirely made during the overmolding operation. In other words, the studs are part of the overmolding.
Ainsi, les entretoises formées par les plots ont un coût de production très faible et la tolérance est très bonne grâce au procédé de surmoulage.Thus, the spacers formed by the studs have a very low production cost and the tolerance is very good thanks to the overmolding process.
De préférence, le surmoulage et notamment le surmoulage du ou chaque plot, est réalisé en moulage par transfert. Cette technique présente l’avantage d’être très économique et de ne nécessiter aucune pièce supplémentaire pour la réalisation des plots. Néanmoins, selon d’autre modes de réalisation, le surmoulage, et notamment le surmoulage du ou chaque plot, peut être réalisé par compression.Preferably, the overmolding and in particular the overmolding of the or each stud, is carried out by transfer molding. This technique has the advantage of being very economical and does not require any additional parts for the production of the studs. However, according to other embodiments, the overmolding, and in particular the overmolding of the or each stud, can be achieved by compression.
Le surmoulage est réalisé en matériau isolant électriquement, par exemple en résine époxy.Overmolding is made of electrically insulating material, for example epoxy resin.
Les plots sont réalisés en résine époxy.The studs are made of epoxy resin.
Les plots peuvent également être réalisés dans un matériau différent du surmoulage selon d’autres modes de réalisation.The studs can also be made of a material different from the overmolding according to other embodiments.
Selon un autre mode de réalisation de l’ensemble formé par le dissipateur thermique et l’unité électronique de puissance, le dissipateur thermique peut également comprendre au moins un plot formé pour maintenir une distance prédéterminée entre l’unité électronique de puissance et le dissipateur thermique.According to another embodiment of the assembly formed by the heat sink and the electronic power unit, the heat sink can also include at least one stud formed to maintain a predetermined distance between the electronic power unit and the heat sink .
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