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CA 02872746 2014-11-05
WO 2013/178957 PCT/FR2013/051223
CIRCUIT ELECTRIQUE POUR L'INTERCONNEXION D'UN COMPOSANT
ELECTRIQUE, TEL QU'UN COMPOSANT DE PUISSANCE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un circuit électrique comportant des circuits électriques
flexibles dits circuits flex, et l'application de ce circuit à
l'interconnexion de
convertisseurs de puissance destinés notamment à être embarqués, en
particulier
intégrés dans des environnements sévères et dans la gestion de courants
compris
entre lA et 200A.
L'invention s'applique en particulier à l'électronique de commande
d'actionneurs
d'aéronefs, tels que des actionneurs de freinage, des actionneurs de commande
de vol,
etc..
ETAT DE LA TECHNIQUE
Actuellement, les convertisseurs de faible puissance sont généralement
composés
d'interrupteurs de puissance qui assurent la modulation du transfert d'énergie
d'un
réseau électrique à un autre, de condensateurs de découplage qui absorbent la
modulation de transfert d'énergie et d'une électronique qui commande ces
interrupteurs
selon une logique définie par l'utilisateur. Le transfert d'énergie est
contrôlé par une
modulation de transfert, dite de découpage, qui consiste à alterner le
couplage et le
découplage des deux réseaux, dont un réseau est traité par les interrupteurs
comme
une source de tension et l'autre réseau comme une source de courant.
L'intégration des interrupteurs de puissance avec les condensateurs de
découplage est un point clé du fonctionnement du système car la dynamique des
courants de découpage de la source de courant par les interrupteurs de
puissance est
importante.
Cette dynamique des courants peut induire des surtensions sur les
interrupteurs
de plusieurs dizaines voire centaines de volts si l'inductance
d'interconnexion entre les
interrupteurs de puissance et la capacité de découplage n'est pas adaptée. Ces
surtensions peuvent dégrader le rendement de la conversion électrique,
dégrader les
interrupteurs et rayonner de façon excessive.
Les solutions actuellement utilisées pour limiter les problèmes de surtensions
est
de positionner les éléments conducteurs métalliques de la source de tension de
manière à minimiser l'inductance d'interconnexion parasite entre les
interrupteurs de
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puissance et la capacité de découplage, notamment en superposant ces éléments
conducteurs.
A ce jour, les convertisseurs de faible puissance sont réalisés à partir de
composants de puissance dit discrets et de composants passifs tels que des
condensateurs et inductances, et sont intégrés sur des cartes imprimées
multicouches
rigides, dites PCB ( printed circuit board en anglais), ou à partir de
modules de
puissance et de composants passifs interconnectés via un circuit électrique de
bus bar
rigide, dit bus bar rigide, composé de couches de conducteurs séparées les
unes des
autres par des couches d'isolant électrique .
Actuellement, les dispositifs électroniques embarqués nécessitent d'être
toujours
plus intégrés, notamment pour les applications aéronautiques, ce qui implique
deux
contraintes:
- la structure physique de ces dispositifs doit s'adapter à l'espace
disponible, ce
qui a pour conséquence de réaliser des montages physiquement complexes avec
les
moyens actuels, lesquels sont peu adaptables physiquement car les dispositifs
PCB et
bus-bar sont de structure physique généralement plane par nature ;
- la structure physique de ces dispositifs doit en outre résister à une
augmentation
de la température ambiante liée à la nature de la fonction qui est de
convertir dans un
espace confiné plus d'énergie électrique et avec un certain rendement, ce qui
induit des
échauffements.
Cet échauffement du système associé au report rigide de l'assemblage des
composants de puissance engendre des contraintes thermomécaniques liées à
l'intégration des multiples matériaux en jeu (métallique polymères, ...) ,
lesquels ont des
constantes d'expansion thermique propres différentes, et donc est susceptible
de
générer des contraintes thermomécaniques importante sur les parties de
contact,
notamment les joints de brasure de contact de l'assemblage, ce qui limite la
durée de
vie et la fiabilité de ce dernier.
Ainsi, les dispositifs électriques conventionnels pour l'interconnexion de
convertisseurs électriques ont une température limitée de fonctionnement et ne
conviennent pas dans des environnements sujets à un échauffement.
Actuellement, ces dispositifs sont généralement réalisés, soit par montage de
composants dits discrets tels que supports à carte PCB, soit par BUS BAR.
Les composants de puissance dits discrets, par exemple des modules électriques
à picots, sont montés sur un support à carte rigide (PCB) composé d'une
succession de
couches d'isolants et de conducteurs. La commande des composants de puissance
est
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généralement utilisée pour la réalisation de convertisseurs de faible ou
moyenne
puissance. De plus, elle permet d'intégrer l'interconnexion des composants de
puissance et des composants de commande. Cependant, cette solution
d'assemblage
des composants n'offre pas une facilité d'intégration physique de ceux-ci dans
les trois
axes de l'espace ou en 3D et sa durée de vie ainsi que la fiabilité de
fonctionnement
restent limitées, en particulier dans le cas de cycles thermiques élevés et/ou
fréquents
de fonctionnement.
Dans les montages par bus bar, les composants de puissance sont généralement
reportés sur un support rigide pouvant être mis en forme par pliage, composés
généralement de couches de conducteurs séparées de couches d'isolant
électrique.
La connexion avec la commande des composants se fait via des connectiques sur
des
modules de puissance. Ces montages sont d'un cout élevé, étant généralement
utilisés pour la réalisation de convertisseurs de moyenne et forte puissance.
Ils offrent
des facilités d'intégration 3 D des composants qui restent cependant limitées.
Par
ailleurs, les moyens d'interconnexion démontables de type vis-écrou qui
peuvent être
utilisés limitent l'intégration mécanique des composants et augmentent les
coûts de
montage.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention vise à réaliser une interconnexion de composants de puissance sur
des
montages de circuit électrique embarqués, notamment intégrés dans des
environnements sévères et assurant la gestion de courants supérieurs à -1A et
inférieurs à 200A.
On entend par densité de courant homogène une densité de courant sensiblement
constante en tout point de la surface de contact.
Ladite densité de courant est avantageusement comprise entre 4,5 et 5,5 A/mm2,
de préférence comprise entre 4,8 et 5,2 A/mm2 et en particulier est égale à 5
A/mm2.
Un tel circuit électrique permet ainsi de relier un composant de puissance
électrique à un circuit flex électrique, circuit relativement souple et donc
adaptable en
3 D dans un espace disponible, en limitant la densité de courant sur les
contacts, ce
qui a pour effet de réduire d'une part, l'échauffement de transmission du
courant sur
les parties de contact et d'autre part, les contraintes mécaniques sur les
parties de
contact.
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Cette maitrise de la densité de passage du courant sur les parties de contact
du
composant au circuit flex permet alors à ce dernier de supporter un courant
électrique
plus important que celui d'un montage classique et donc autorise une connexion
d'un
composant de puissance au circuit flex ainsi équipé dans des courants compris
entre 1
et 200 A, en particulier des courants de 30 à 80 A.
Ladite pièce conductrice électrique est avantageusement une pièce métallique,
de
préférence en cuivre, laiton ou aluminium, comportant des parties de contact
relativement étendues et massives, ce qui permet de nnaitriser la densité de
passage du
courant dans la zone de contact et d'absorber les concentrations locales
d'effort
mécanique dans cette zone de contact.
La pièce conductrice électrique peut avoir la forme d'un manchon cylindrique
ou
d'une portion de manchon cylindrique pourvu d'une couronne plate, la première
partie
de contact étant constituée par la face interne cylindrique du manchon ou de
la portion
de manchon et la deuxième partie de contact est constituée par une face de la
couronne.
L'étendue en largeur de ladite deuxième partie de contact peut notamment
correspondre jusqu'à la largeur du circuit flex. L'étendue en longueur
(transversalement
à la largeur) de la deuxième partie de contact est alors ajustée pour conférer
une
surface de contact propre à transmettre ladite densité de courant électrique
inférieure à
20 A/mm2.
En outre ladite pièce conductrice électrique est avantageusement conformée
pour
permettre une jonction des parties de contact avec le circuit flex et le
composant qui
puisse être effectuée dans un procédé de jonction déterminé, par exemple un
brasage
tendre ou dur, un soudage électrique ou laser, un frittage etc..
La première partie de contact peut avoir une surface complémentaire de
l'élément
de contact du composant, par exemple de la broche ou patte de contact du
composant,
étant conformée pour venir en contact avec l'élément de contact du composant,
en
particulier ladite broche de contact ou ladite patte de contact du composant.
La deuxième partie de contact peut avoir une surface plane conformée pour
venir
en contact plan avec ladite couche conductrice du circuit flex.
La pièce conductrice électrique ou diffuseur de courant a avantageusement la
forme d'un manchon cylindrique pourvu d'une couronne plate à l'une de ses
extrémités
ou sur sa périphérie, étant conformée pour venir en contact avec une broche
pin du
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composant par la face interne cylindrique du manchon et venir en contact avec
une
couche conductrice du circuit flex par une face externe de la couronne.
La première partie de contact est ainsi constituée par au moins une partie de
la
face interne cylindrique du manchon.
La deuxième partie de contact est alors constituée par ladite face externe de
la
couronne.
La première partie de contact peut encore être à forme de portion de cylindre,
venant en contact avec une partie d'extrémité d'une broche de contact du
composant
électrique et sur une partie de la section de la broche de contact, et la
deuxième partie
de contact est une couronne plate appliquée par sa surface externe sur la
surface de la
couche conductrice inférieure du circuit flex.
La broche de contact ou broche pin peut être en outre montée traversante,
partiellement ou totalement, du circuit flex, par exemple par un trou
métallisé ou via.du
circuit flex.
Le circuit flex, constitué de couches de cuivre isolées entre elles par une
couche
d'isolant diélectrique, a avantageusement une section d'épaisseur inférieure à
environ
30 micromètres, qui autorise la flexion et torsion du circuit flex, par
exemple en
adaptation à un espace disponible dans un environnement intégré, et de ménager
au
moins un axe de liberté audit composant électrique qui lui est relié.
Le circuit flex est avantageusement constitué de deux couches de cuivre
isolées
entre elles par une couche médiane d'isolant diélectrique.
Le circuit flex peut comporter en plus dudit composant de puissance d'autres
composants électriques, par exemple un ou des composants passifs,
avantageusement
un composant de commande du circuit.
Ledit isolant diélectrique est avantageusement une résine polyimide, laquelle
résiste à une température supérieure à 200 C, ce qui permet de pouvoir
réaliser, outre
un montage brasé à une température élevée améliorant la fiabilité et la durée
de vie de
l'assemblage, un montage résistant aux échauffements en environnement confiné.
L'invention concerne également une nouvelle utilisation d'un circuit
électrique tel
que décrit ci dessus pour l'interconnexion de convertisseurs de puissance
destinés
notamment à être embarqués, en particulier intégrés dans des environnements
sévères.
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Des exemples de réalisation de l'invention sont à présent décrits en référence
au
dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 est une vue schématique en élévation d'un circuit électrique selon
un
mode de réalisation de l'invention et
la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation.
DESCRIPTION DETAILLEE
Des signes de référence identiques, utilisés dans les figures, se rapportent à
des
éléments identiques ou techniquement équivalents.
Les termes supérieur , médian et inférieur se réfèrent au
positionnement relatif en mode standard d'utilisation ou de montage.
Les termes longitudinal et transversal qualifient des éléments
s'étendant
respectivement selon une direction donnée et selon un plan perpendiculaire à
cette
direction.
Avec référence à la figure 1, le circuit électrique représenté comprend un
circuit
flex 1 qui est un circuit flex double face comportant deux couches
conductrices
électriques planes imprimées 3, en cuivre par exemple. Ces couches
conductrices 3
sont superposées et isolées l'une de l'autre par une couche de résine
diélectrique plane
médiane 5, à haute résistance thermique, de type polyimide par exemple.
L'épaisseur
de chacune des couches conductrices 3 et isolante 5 est égale ici à environ 10
micromètres. Par conséquent, l'épaisseur de la section du circuit flex est
d'environ 30
micromètres, ce qui lui confère une capacité de flexion et torsion. La largeur
du circuit
flex est égale à 3 à 5 centimètres, ce qui autorise la transmission par le
circuit d'un
courant de 50 à 70 A pour une densité de courant passant dans le flex
inférieure à 10A
/mm2. Un tel courant peut en effet être celui d'un composant électrique, par
exemple
celui d'un composant de faible à moyenne puissance (non représenté), tel qu'il
sera
décrit ci après.
Le circuit flex 1 comprend deux pièces 7 formant interface de contact entre le
circuit flex et le composant de puissance. Ces pièces de contact 7 sont
dénommées ci
après dispositifs diffuseurs de courant électrique.
Le composant peut comporter deux broches de contact cylindriques 9 à forme de
pin (seules représentées). La liaison électrique de ces broches 9 avec le
circuit flex 1
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est réalisée au moyen des deux pièces conductrices électriques ou dispositifs
diffuseurs
de courant électrique 7.
Ces dispositifs diffuseurs de courant électrique 7 relient en effet chacune
des
broches 9 du composant électrique à une couche conductrice respective 3 du
circuit
flex. Ces broches 9 sont disposées chacune dans un trou métallisé ou via 11
formé
dans le circuit flex, perpendiculairement à la surface de ce dernier. Un via
inférieur 11
sur le circuit flex est ainsi formé pour la broche gauche 9 (à gauche sur la
figure) et un
via supérieur 11 sur le circuit flex est formé pour la broche droite.
Les diffuseurs de courant électrique 7 sont identiques, consistant chacun en
une
pièce métallique bon conducteur électrique, de préférence en cuivre, et
comportant
deux parties de contact 13, 15, configurées chacune, respectivement, pour
s'appliquer
en contact électrique avec l'une des broches 9 du composant électrique et avec
une
couche conductrice 3 du circuit flex.
La pièce diffuseur de courant 7 a ici la forme d'un manchon cylindrique 17
pourvu
d'une couronne plate 19 à l'une de ses extrémités, étant conformée pour venir
en
contact avec une broche pin 9 du composant par la face interne cylindrique 21
du
manchon et venir en contact avec une couche conductrice 3 du circuit flex par
une face
externe 23 de la couronne.
La première partie de contact 13 est ainsi constituée par la face interne
cylindrique
21 du manchon.
La deuxième partie de contact 15 est alors constituée par ladite face externe
23
de la couronne.
La jonction de contact des deux parties de contact 13, 15, respectivement avec
une broche 9 du composant et avec une couche conductrice 3 du circuit flex,
est
obtenue par un brasage de jonction des pièces. Ce brasage apporte une couche
de
brasure intermédiaire conductrice 25 entre les parties de contact en vis à
vis, celles 13
correspondant à la broche 9 du composant et celles 15 correspondant à la
couche
conductrice 3 du circuit flex, cette couche intermédiaire conductrice de
jonction 25
débordant légèrement à l'extérieur de chaque partie de contact 13, 15.
On voit sur la figure que la pièce diffuseur de courant 7 de par son aspect
massif
et l'étendue de sa surface (de la partie 15) en contact avec le flex permet de
réduire la
densité de courant électrique dans les zones de contact, laquelle est ajustée
à une
valeur inférieure à 20 A/mm2, de préférence comprise entre 4,5 et 5,5 A/mm2,
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relativement à la surface de contact des parties de contact 13, 15 avec le
composant et
le circuit flex, respectivement. Cette caractéristique réduit l'échauffement
des liaisons
de contact et fiabilise largement le montage de connexion.
De plus, le caractère massif des diffuseurs de courant 7 leur donne
suffisamment
de solidité pour constituer un éventuel point de liaison mécanique entre le
circuit flex et
le composant, permettant par exemple de lier mécaniquement le circuit flex au
composant électrique monté sachant que le circuit flex peut être déformé pour
s'adapter
au positionnement du composant. Inversement, la déformation possible du
circuit flex
en flexion et en torsion permet de donner une certaine liberté de
positionnement du
composant sur le circuit flex pour s'adapter à l'espace disponible, notamment
dans le
cadre d'un montage intégré.
Les pièces diffuseurs de contact 7 peuvent avoir une autre forme, voir la
figure 2,
que celle décrite ci-dessus. La pièce diffuseur 7, à gauche sur la figure, a
toujours une
forme de manchon 17 mais celui-ci est plus long que précédemment, étant monté
traversant dans le circuit flex par un via traversant 11 formé dans le circuit
flex. Cette
pièce diffuseur comporte en outre une couronne de contact 19 sur sa
périphérie,
sensiblement dans la partie supérieure du manchon, cette couronne venant en
contact
par sa face inférieure avec la surface de la couche conductrice supérieure 3
du flex.
La pièce diffuseur 7, à droite sur la figure, comporte une première partie de
contact de forme en portion de cylindre 27, par exemple demi cylindrique,
venant en
contact avec une partie d'extrémité de la broche 9 et sur une partie de sa
section (la
moitié), et la deuxième partie de contact est une couronne plate 29 appliquée
par sa
surface externe sur la surface de la couche conductrice inférieure 3 du flex.
Selon cette
variante, les broches de contact 9 sont externes au circuit flex 1, étant au
dessous de
celui-ci.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et
représentés. Il
est par exemple possible de prévoir d'autres formes pour les parties de
contact des
diffuseurs de courant, lesquels sont adaptés à la forme (complémentaire) des
éléments
de contact du composant électrique à monter.
