WO2010072919A1 - Carte electrique modulaire pour composants de puissance - Google Patents

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Etienne Merlet
Jean-Eric Besold
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    • H05K2201/10272—Busbars, i.e. thick metal bars mounted on the printed circuit board [PCB] as high-current conductors

Definitions

  • the present invention relates to a modular electrical board, more particularly although not exclusively a circuit breaker module board.
  • the power buses are generally made in the form of multi-layer circuits, each module being powered by a conductive plane formed in a layer.
  • This arrangement makes it possible to adapt the topography of the power supply planes to the arrangement of the power components on the card.
  • the currents that are passed through the power modules can reach high intensities, for example several tens of amperes. Such currents cause the conductors to overheat and the current devices provide poor heat diffusion, so that the temperature inside an electrical board can reach critical values, especially when the electrical board is mounted on a circuit board. aircraft intended to fly at high altitudes or the air is thin, or in the event of a failure of the ventilation device. tion of the electric housing supporting the electri ⁇ map.
  • An object of the invention is to provide a fully modular and configurable electrical board, and whose modules have a structure for improved cooling.
  • an electrical board comprising power modules consisting of power components and control components carried by strips fixed on a support plate comprising an electric ground plate, the power components being connected on the one hand to control buses and on the other hand to power buses carried by the support plate and extending in a layer adjacent to the electric ground plate.
  • the electric ground plate acts as a heat sink. Because of its large size, it ensures a rapid diffusion of heat.
  • the support plate also comprises a mechanical reinforcing metal plate on one side of the power bus opposed to the electric ground plate.
  • the metal reinforcement plate also acts as a heat sink and has large dimensions enabling it to rapidly diffuse heat.
  • the power supply buses extend in a single layer adjacent to one face of the ground plate and the connecting buses extend on one side of the ground plate opposite to the power buses.
  • the ground plate not only distributes the heat generated by the power components, but also thermal and electromagnetic protection of the link buses and associated control components.
  • the power components are carried by strips extending perpendicular to the ground plate and arranged to delimit with the ground plate elongate channels
  • the control components are carried by With the bars extending in the channels spaced apart from the power strips, preferably the control components are carried by control rods extending in an axial direction of the channels midway from the ends of the channels.
  • the control components are disposed in the middle of the airflow flowing in the channels, which minimizes the heating resulting from the heat transfer from the power components by conduction or radiation.
  • FIG. 1 is a diagrammatic perspective view of an electrical card according to the invention
  • Figure 2 is a perspective view similar to that of Figure 1 with partial cutaway of some layers.
  • FIG. 1 comprises an outer casing 2 in which are fixed support rails 3 which are fixed cards 4 of which only one has been shown in the figures.
  • the housing has been shown lying on one side.
  • Each card 4 comprises a support plate 5 which, when mounted, extends vertically in the housing.
  • On its edge corresponding to the support rail 3, each card is equipped with a front wall 6 fixed to the support plate 5 perpendicular to it by assembly blocks 7 and equipped with locking members 8 cooperating with the support rails.
  • the support plate 5 comprises a metallic plate 9 of electrical mass 9 which can be seen more clearly in FIG. 2, on which it has been shown disengaged from the component bars and the connection buses with the control components, and has been partially cut to better show the structure of the power buses.
  • the electric ground plate 9 is folded in L.
  • the folded portion 10 forms the rear wall of the card 4.
  • the electric ground plate 9 is sandwiched between two layers of insulating material 11 and 12 .
  • the electrical ground plate 9 has tabs 13 of electrical ground cut into the electric ground plate 9 and folded perpendicular thereto to protrude from one face of the electric ground plate. 9.
  • the support plate 5 is equipped with power strips 14 carrying power components 15 and connected to the electrical ground lugs 13 to extend perpendicularly to the support plate 5 in a longitudinal direction thereof so as to delimit longitudinal channels. 16 in which the air can circulate, as illustrated by arrows in arrows thick in Figure 1, by natural convection or forced ventilation by means of a not shown ventilation device.
  • each module also comprises control strips 17 separated from the power strips 14 and carrying control components 18.
  • the control strips preferably extend halfway between the ends of the channels delimited by the power strips.
  • the control strips thus form a restriction of the duct section, which causes a local acceleration of the cooling flow.
  • the control strips 17 are connected by link buses 19 equipped at one end with connecting lugs 20 for connecting (by means of connectors not shown) the connection buses 19 with control circuits outside the module.
  • These link buses 19 can be made in the form of a conventional electronic card, equipped with a male connector comprising the connecting tabs 20.
  • the support plate 5 here comprises power buses.
  • the power buses 21 in the form of conductive strips sandwiched between the electrically insulating layer 12 and an electrically insulating layer 26 covering a metal reinforcing plate 22 on its inner face, on the side of the power buses 21.
  • the power buses 21 extend in a single layer immediately adjacent on the one hand to the electric ground plate 9 from which it is only separated by the insulating layer 12, and on the other hand to the mechanical reinforcing plate 22 it is only separated by the insulating layer 26.
  • the power buses 21 have L-shaped shapes nested in each other and comprise a end of the power link tabs 23 which extend to openings 24 of the electric ground plate 9 and are connected to the power strips 14.
  • the power link tabs 24 are aligned in both the longitudinal direction and in the transverse direction of the support plate 5 so that the power strips 14 can have an identical structure regardless of the function. they realize, which simplifies the modularity and the assembly of a module.
  • the power buses 21 are equipped with linkages 25 with an external connector not shown.
  • control buses 19 extend on one face of the electric ground plate 9 opposite to the power bus 21.
  • the heat transmitted by the power buses 21 is dissipated by the electric ground plate 9 and the mechanical reinforcing plate 22 so that the control buses 19 and the control members 18 associated with them are protected against excessive heating.
  • the electric ground plate 9 forms an electromagnetic screen between the power buses 21 and the control buses 19, and the mechanical reinforcing plate 22 forms an electromagnetic screen between the whole electronic card and its environment. outside within the housing 1.
  • the module is closed by an L-shaped hood 26.
  • the invention is not limited to the preferred embodiment illustrated and is capable of alternative embodiments which will occur to those skilled in the art without departing from the scope of the invention. invention as defined by the claims.
  • the invention has been illustrated with power buses extending in a single layer, it is possible to provide a plate support in which the power buses extend in two layers on either side of the ground plate to use the ground plate as a radiator. In this case it is better to group the control components in a separate module.
  • power buses 21 have been illustrated in the form of an L-shaped strip, they can be made in any form of conductor.
  • the support plate has been shown in the shape of an L so as to form a rear wall of the module, it is possible to provide a plane support plate to which a rear wall of the module is attached.
  • the electric ground legs 13 have been illustrated grouped at one end of the electric ground plate 9, the electric ground legs 13 could be made in the central portion or in any arrangement on the map.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)
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Abstract

La carte électrique (4) comprend des modules de puissance constitués de composants de puissance (15) et de composants de commande (18) portés par des barrettes (14; 17) fixées sur une plaque support (5) comportant une plaque de masse électrique (9), les composants de puissance (15) étant reliés d'une part à des bus de commande (19), et d'autre part à des bus de puissance (21) portés par la plaque support (5) et s'étendant selon une couche adjacente à la plaque de masse électrique.

Description

Carte électrique modulaire pour composants de puissance
La présente invention concerne une carte électri- que modulaire, plus particulièrement bien que non exclusivement une carte de module de disjoncteur.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Compte tenu de l'usage croissant des commandes électriques dans les véhicules, qu'il s'agisse de véhicu- les terrestres ou aériens, il est maintenant courant d'équiper ces véhicules de boîtiers électriques contenant des cartes électriques incluant des composants de puissance. Pour faciliter la maintenance du boîtier électrique, les fonctions sont généralement réalisées par des composants regroupés selon des modules de puissance comprenant chacun des composants de puissance et des composants de commande.
Dans les cartes existantes, les bus de puissance sont généralement réalisés sous forme de circuits multi- couche, chaque module étant alimentée par un plan conducteur réalisé dans une couche. Cette disposition permet d'adapter la topographie des plans d'alimentation de puissance à la disposition des composants de puissance sur la carte. Toutefois, les courants qui sont amenés à passer dans les modules de puissance peuvent atteindre des intensités importantes, par exemple plusieurs dizaines d'ampères. De tels courants provoquent un échauffement des conducteurs et les dispositifs actuels assurent une mauvaise diffusion de la chaleur, de sorte que la température à l'intérieur d'une carte électrique peut atteindre des valeurs critiques, en particulier lorsque la carte électrique est monté sur un avion prévu pour voler à des altitudes élevées ou l'air est raréfié, ou encore dans le cas d'une défaillance du dispositif de ventila- tion du boîtier électrique supportant la carte électri¬ que .
OBJET DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de proposer une carte électrique entièrement modulaire et configurable, et dont les modules ont une structure permettant un refroidissement amélioré.
RESUME DE L ' INVENTION
En vue de la réalisation de ces buts on propose, selon l'invention, une carte électrique comprenant des modules de puissance constitués de composants de puissance et de composants de commande portés par des barrettes fixées sur une plaque support comportant une plaque de masse électrique, les composants de puissance étant reliés d'une part à des bus de commande et, d'autre part à des bus de puissance portés par la plaque support et s ' étendant selon une couche adjacente à la plaque de masse électrique.
Ainsi la maintenance de la carte électrique contenant des composants de puissance est facilitée et la plaque de masse électrique agit comme un puits de chaleur. En raison de ses grandes dimensions, elle assure donc une diffusion rapide de la chaleur.
De préférence, la plaque support comporte égale- ment, une plaque métallique de renfort mécanique sur un coté des bus de puissance opposé à la plaque de masse électrique .
La plaque de renfort métallique agit également comme un puits de chaleur et possède de grandes dimen- sions lui permettant d'assurer une diffusion rapide de la chaleur.
Selon une version avantageuse de l'invention, les bus d'alimentation de puissance s'étendent selon une couche unique adjacente à une face de la plaque de masse et les bus de liaison s'étendent sur une face de la plaque de masse opposée aux bus de puissance.
Ainsi, la plaque de masse assure non seulement la diffusion de la chaleur générée par les composants de puissance, mais également une protection thermique et électromagnétique des bus de liaison et des composants de commande associés.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, les composants de puissance sont portés par des barrettes s ' étendant perpendiculairement à la plaque de masse et disposées pour délimiter avec la plaque de masse des canaux allongés, les composants de commande sont portés par des barrettes s ' étendant dans les canaux en étant espacés des barrettes de puissance, de préfé- rence, les composants de commandes sont portés par des barrettes de commande s 'étendant selon une direction axiale des canaux à mi-distance des extrémités des canaux. Ainsi, les composants de commande sont disposés au milieu du flux d'air circulant dans les canaux, ce qui minimise 1 ' échauffement résultant de la transmission de chaleur en provenance des composants de puissance par conduction ou par radiation.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de la carte selon l'invention, en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective schéma- tique d'une carte électrique selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en perspective analogue à celle de la figure 1 avec arrachement partiel de certaines couches.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le boîtier électrique généralement désigné en 1 comprend une enveloppe extérieure 2 dans laquelle sont fixés des rails supports 3 auxquels sont fixés des cartes 4 dont une seule a été représentée sur les figures . Dans le mode de réalisation illustré le boîtier a été représenté couché sur un coté. Chaque carte 4 comporte une plaque support 5 qui, lorsqu'elle est montée, s'étend verticalement dans le boîtier. Sur son bord correspondant au rail support 3, chaque carte est équipée d'une paroi avant 6 fixée à la plaque support 5 perpendiculairement à celle-ci par des blocs d'assemblage 7 et équipé d'organes de verrouillage 8 coopérant avec les rails supports 3.
La plaque support 5 comprend une plaque métalIi- que de masse électrique 9 mieux visible sur la figure 2 sur laquelle elle a été représentée dégagée des barrettes de composants et des bus de liaison avec les composants de commande, et a été partiellement écorchée pour mieux montrer la structure des bus de puissance. Le long de son bord arrière, la plaque de masse électrique 9 est repliée en L. La partie repliée 10 forme la paroi arrière de la carte 4. La plaque de masse électrique 9 est prise en sandwich entre deux couches en matériau isolant 11 et 12.
A une de ses extrémités la plaque de masse élec- trique 9 comporte des pattes de masse électrique 13 découpées dans la plaque de masse électrique 9 et repliées perpendiculairement à celle-ci pour être en saillie par rapport à une face de la plaque de masse électrique 9.
La plaque support 5 est équipée de barrettes de puissance 14 portant des composants de puissance 15 et raccordée aux pattes de masse électrique 13 pour s'étendre perpendiculairement à la plaque support 5 selon une direction longitudinale de celle-ci de façon à délimiter des canaux longitudinaux 16 dans lesquels l'air peut circuler, comme illustré par des flèches en traits épais sur la figure 1, par convection naturelle ou par ventilation forcée au moyen d'un dispositif de ventilation non représenté .
Selon un aspect de l'invention, chaque module comprend également des barrettes de commande 17 séparées des barrettes de puissance 14 et portant des composants de commande 18. Les barrettes de commande s ' étendent de préférence à mi-distance des extrémités des canaux délimités par les barrettes de puissance. Les barrettes de commande forment ainsi une restriction de la section du conduit, ce qui provoque une accélération locale du flux de refroidissement. Les barrettes de commande 17 sont reliées par des bus de liaison 19 équipés à une extrémité de pattes de liaison 20 permettant de relier (au moyen de connecteurs non représentés) les bus de liaison 19 avec des circuits de commande extérieurs au module. Ces bus de liaison 19 peuvent être réalisés sous forme d'une carte électronique conventionnelle, équipée d'un connecteur mâle comportant les pattes de liaison 20. Ainsi que cela est illustré par la figure 2, la plaque support 5 comporte ici des bus de puissance 21 se présentant sous forme de bandes conductrices prises en sandwich entre la couche électriquement isolante 12 et une couche électriquement isolante 26 recouvrant une plaque métallique de renfort mécanique 22 sur sa face interne, du côté des bus de puissance 21. Dans le mode de réalisation préféré illustré, les bus de puissance 21 s'étendent selon une couche unique immédiatement adjacente d'une part à la plaque de masse électrique 9 dont elle est seulement séparée par la couche isolante 12, et d'autre part à la plaque de renfort mécanique 22 dont elle est seulement séparée par la couche isolante 26. Les bus de puissance 21 ont des formes en L imbriquées les unes dans les autres et comportent à une extrémité des pattes de liaison de puissance 23 qui s'étendent à tra- vers des ouvertures 24 de la plaque de masse électrique 9 et sont reliées aux barrettes de puissance 14.
Dans le mode de réalisation préféré illustré, les pattes de liaison de puissance 24 sont alignées tant dans la direction longitudinale que dans la direction transversale de la plaque support 5 de sorte que les barrettes de puissance 14 peuvent avoir une structure identique quelle que soit la fonction qu'elles réalisent, ce qui simplifie la modularité et le montage d'un module. A l'extrémité opposée aux pattes de liaison de puissance 23, les bus de puissance 21 sont équipés de pattes de liaison 25 avec un connecteur extérieur non représenté .
On notera que les bus de commande 19 s'étendent sur une face de la plaque de masse électrique 9 opposée au bus de puissance 21. Ainsi, la chaleur transmise par les bus de puissance 21 est dissipée par la plaque de masse électrique 9 et la plaque de renfort mécanique 22 de sorte que les bus de commande 19 ainsi que les organes de commande 18 qui leur sont associés sont protégés contre un échauffement excessif. En outre, la plaque de masse électrique 9 forme un écran électromagnétique entre les bus de puissance 21 et les bus de commande 19, et la plaque de renfort mécanique 22 forme un écran électroma- gnétique entre l'ensemble de la carte électronique et son environnement extérieur au sein du boîtier 1.
Le module est fermé par un capot en L 26. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation préféré illustré et est susceptible de variantes de réalisation qui apparaîtront à l'homme de métier sans sortir du cadre de 1 ' invention tel que défini par les revendications.
En particulier, bien que l'invention ait été illustrée avec des bus de puissance s 'étendant selon une couche unique, on peut prévoir de réaliser une plaque support dans laquelle les bus de puissance s'étendent selon deux couches de part et d'autre de la plaque de masse afin d'utiliser la plaque de masse comme radiateur. Dans ce cas il est préférable de regrouper les composants de commande dans un module séparé.
Bien que les bus de puissance 21 aient été illustrés sous forme de bande en L, ils peuvent être réalisés selon des conducteurs de forme quelconque.
Bien que la plaque support ait été représentée en forme de L de façon à former une paroi arrière du module, on peut prévoir une plaque support plane à laquelle est fixée une paroi arrière du module.
Bien que les pattes de masse électrique 13 aient été illustrées regroupées à une extrémité de la plaque de masse électrique 9, les pattes de masse électrique 13 pourraient être réalisées dans la partie centrale ou selon une disposition quelconque sur la carte.

Claims

REVEND I C AT I ONS
1. Carte électrique (4) comprenant des modules de puissance constitués de composants de puissance (15) et de composants de commande (18) caractérisé en ce que les composants de puissance (15) et les composants de commande (18) sont portés par des barrettes (14 ; 17) fixées sur une plaque support (5) comportant une plaque de masse électrique (9), les composants de puissance (15) étant reliés d'une part à des bus de commande (19), et d'autre part à des bus de puissance (21) portés par la plaque support (5) et s ' étendant selon une couche adjacente à la plaque de masse électrique.
2. Carte électrique selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que la plaque support (5) comporte également, une plaque métallique (22) de renfort mécanique sur un coté des bus de puissance opposé à la plaque de masse électrique (9) .
3. Carte électrique selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que les bus de puissance (21) s'étendent selon une couche unique adjacente à une face de la plaque de masse électrique (9) et en ce que les bus de liaison (19) s'étendent sur une face de la plaque de masse électrique (9) opposée aux bus de puissance (21) .
4. Carte électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les composants de puissance (15) sont portés par des barrettes de puissance (14) s 'étendant perpendiculairement à la plaque de masse électrique (9) et disposées pour délimiter avec la plaque de masse électrique des canaux allongés (16)
5. Carte électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les composants de commande (18) sont portés par des barrettes de commande (17) s 'étendant dans les canaux (16) délimités par les barrettes de puissance en étant espacées de celles-ci.
6. Carte électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les composants de commande (18) sont portés par des barrettes de commande (17) s ' étendant selon une direction axiale des canaux (16) .
7. Carte électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les barrettes de commande (17) s'étendent à mi-distance des extrémités des canaux.
8. Carte électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bus de puissance (21) compren- nent des bandes adjacentes les unes aux autres ayant des extrémités formant des pattes en saillie qui sont alignées tant dans une direction longitudinale que dans une direction transversale de la plaque support (5) .
9. Carte électrique selon la revendication 8, ca- ractérisée en ce que les bus de puissance ont des formes en L imbriquées les unes dans les autres .
10. Carte électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque support (5) a une forme en L dont une partie (10) forme une paroi arrière du mo- dule de puissance.
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