FR3161821A1 - Power electronic device for environments with high thermal constraints - Google Patents
Power electronic device for environments with high thermal constraintsInfo
- Publication number
- FR3161821A1 FR3161821A1 FR2404530A FR2404530A FR3161821A1 FR 3161821 A1 FR3161821 A1 FR 3161821A1 FR 2404530 A FR2404530 A FR 2404530A FR 2404530 A FR2404530 A FR 2404530A FR 3161821 A1 FR3161821 A1 FR 3161821A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- power electronic
- heat exchange
- heat
- exchange plate
- hydraulic circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
- H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
- H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
- H05K7/1427—Housings
- H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
- H05K7/14322—Housings specially adapted for power drive units or power converters wherein the control and power circuits of a power converter are arranged within the same casing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
L’invention concerne notamment un dispositif électronique de puissance (200) comprenant au moins un élément électronique de puissance et au moins un élément électronique de commande (505), le dispositif comprenant une plaque d’échange thermique (400), ladite plaque comprenant au moins une partie d’un circuit hydraulique d’évacuation de calories et comprenant une entrée fluidique (510) de ladite au moins une partie dudit circuit hydraulique et une sortie fluidique (405) de ladite au moins une partie dudit circuit hydraulique, la plaque d’échange thermique étant placée entre ledit au moins un élément électronique de puissance et ledit au moins un élément électronique de commande. Figure pour l’abrégé : Figure 8The invention relates in particular to a power electronic device (200) comprising at least one power electronic element and at least one control electronic element (505), the device comprising a heat exchange plate (400), said plate comprising at least a portion of a hydraulic heat dissipation circuit and comprising a fluid inlet (510) of said at least a portion of said hydraulic circuit and a fluid outlet (405) of said at least a portion of said hydraulic circuit, the heat exchange plate being placed between said at least one power electronic element and said at least one control electronic element. Figure for the abstract: Figure 8
Description
L’invention concerne l’intégration de composants électroniques et en particulier l’intégration de composants électroniques de puissance et de commande dans des dispositifs pour des environnements ayant des contraintes thermiques fortes, par exemple des dispositifs électroniques de puissance pour turbomachines d’aéronefs.The invention relates to the integration of electronic components and in particular the integration of power and control electronic components in devices for environments with strong thermal constraints, for example power electronic devices for aircraft turbomachinery.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.Climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies worldwide. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being, or will be adopted by different countries. In particular, an ambitious standard applies to both new types of aircraft and those already in operation, requiring the implementation of technological solutions to bring them into compliance with current regulations. Civil aviation has been actively working for several years now to contribute to the fight against climate change.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.Technological research efforts have already led to very significant improvements in the environmental performance of aircraft. The Applicant takes into account the factors impacting all phases of design and development in order to obtain aeronautical components and products that are less energy-intensive, more environmentally friendly, and whose integration and use in civil aviation have moderate environmental impacts, with the aim of improving the energy efficiency of aircraft.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.Consequently, the Applicant is constantly working to reduce its climate impact by using methods and operating virtuous development and manufacturing processes that minimize greenhouse gas emissions to the minimum possible in order to reduce the environmental footprint of its activity.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.This sustained research and development work focuses on new generations of aircraft engines, the weight reduction of aircraft, particularly through the materials used and lighter on-board equipment, the development of the use of electrical technologies to provide propulsion, and, as essential complements to technological progress, aviation biofuels.
La limitation des émissions de dioxyde de carbone dans le monde aéronautique pousse les constructeurs à s’orienter vers des solutions totalement électriques, les plus décarbonées possibles. Ces nouveaux moteurs doivent être optimisés pour offrir une meilleure compacité, un meilleur rendement et une plus grande flexibilité que les moteurs conventionnels. En attendant de telles solutions totalement électriques, des solutions hybrides ont été développées.The need to limit carbon dioxide emissions in the aviation industry is pushing manufacturers towards fully electric solutions that are as low-carbon as possible. These new engines must be optimized to offer greater compactness, efficiency, and flexibility than conventional engines. While awaiting such fully electric solutions, hybrid solutions have been developed.
L’hybridation électrique d’une turbomachine dans un aéronef est réalisée par un système électrique faisant l’interface entre les arbres mécaniques (par exemple les arbres des systèmes haute-pression et basse-pression) et le réseau électrique de l’aéronef. Ce système doit notamment permettre de fournir le réseau électrique en courant continu (par exemple en prélevant la puissance sur les arbres des systèmes haute-pression et basse-pression et en la distribuant, de façon contrôlée, sur le réseau), injecter ou prélever de la puissance sur les arbres mécaniques en fonction des consignes reçues par un calculateur spécifique (ECU, acronyme de Engine Controller Unit en terminologie anglo-saxonne) de la turbomachine, fournir de la puissance sur les arbres des systèmes haute-pression et basse-pression lors du démarrage de la turbomachine (cette puissance pouvant provenir d’une source externe au réseau) et/ou se reconfigurer en fonction de pannes internes ou externes.The electrical hybridization of a turbomachine in an aircraft is achieved by an electrical system that interfaces between the mechanical shafts (for example, the shafts of the high-pressure and low-pressure systems) and the aircraft's electrical network. This system must, in particular, be able to supply the electrical network with direct current (for example, by drawing power from the shafts of the high-pressure and low-pressure systems and distributing it, in a controlled manner, to the network), inject or draw power from the mechanical shafts according to the instructions received by a specific computer (ECU, acronym for Engine Control Unit in Anglo-Saxon terminology) of the turbomachine, supply power to the shafts of the high-pressure and low-pressure systems during the start-up of the turbomachine (this power may come from a source external to the network), and/or reconfigure itself according to internal or external failures.
Selon certaines solutions, des sources électriques sont mises en parallèle, avec des lois de contrôle appropriées pour garantir la qualité du réseau électrique et la maitrise du partage de puissance. Ces lois sont généralement mises en œuvre dans des dispositifs électroniques de puissance installés à proximité des sources de puissances, par exemple dans des turbomachines.In some solutions, electrical sources are connected in parallel, with appropriate control laws to guarantee the quality of the electrical network and the management of power sharing. These laws are generally implemented in power electronic devices installed near the power sources, for example in turbomachinery.
Cependant, une nacelle, c’est-à-dire un ensemble support et capots d'un moteur d'un aéronef multimoteurs offre peu de place et chaque élément doit être le plus optimisé possible pour gagner en masse, volume et rendement, tout en satisfaisant des contraintes mécaniques et thermiques fortes pour satisfaire les critères de fiabilité requis.However, a nacelle, i.e. a support assembly and cowlings of an engine of a multi-engine aircraft, offers little space and each element must be optimized as much as possible to save mass, volume and efficiency, while satisfying strong mechanical and thermal constraints to meet the required reliability criteria.
Il existe donc un besoin pour améliorer l’intégration de composants électroniques dans un dispositif pour un environnement ayant des contraintes thermiques fortes.Therefore, there is a need to improve the integration of electronic components in a device for an environment with strong thermal constraints.
L'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions.The invention is the result of technological research aimed at significantly improving aircraft performance and, in this sense, contributes to reducing the environmental impact of aircraft.
Un but de l’invention est de proposer une intégration de composants électroniques dans un dispositif pour un environnement ayant des contraintes thermiques fortes et dont l’espace est très restreint. Un tel dispositif peut notamment être intégré dans des systèmes propulsifs électriques ou hybrides d’aéronefs, notamment pour décollages et atterrissages courts ou verticaux, connus sous les noms de VTOL (sigle de Vertical Take Off and Landing en terminologie anglo-saxonne) et STOL (sigle de Short Take Off and Landing en terminologie anglo-saxonne), ou dans des systèmes propulsifs d’aéronefs conventionnels.One aim of the invention is to provide an integration of electronic components in a device for an environment with high thermal constraints and very limited space. Such a device can notably be integrated into electric or hybrid aircraft propulsion systems, particularly for short or vertical takeoffs and landings, known as VTOL (Vertical Take Off and Landing in Anglo-Saxon terminology) and STOL (Short Take Off and Landing in Anglo-Saxon terminology), or into conventional aircraft propulsion systems.
Selon un aspect, l’invention a pour objet un dispositif électronique de puissance comprenant au moins un élément électronique de puissance et au moins un élément électronique de commande, le dispositif comprenant une plaque d’échange thermique, ladite plaque comprenant au moins une partie d’un circuit hydraulique d’évacuation de calories et comprenant une entrée fluidique de ladite au moins une partie dudit circuit hydraulique et une sortie fluidique de ladite au moins une partie dudit circuit hydraulique, la plaque d’échange thermique étant placée entre ledit au moins un élément électronique de puissance et ledit au moins un élément électronique de commande.According to one aspect, the invention relates to a power electronic device comprising at least one power electronic element and at least one control electronic element, the device comprising a heat exchange plate, said plate comprising at least a part of a hydraulic circuit for heat evacuation and comprising a fluidic inlet of said at least a part of said hydraulic circuit and a fluidic outlet of said at least a part of said hydraulic circuit, the heat exchange plate being placed between said at least one power electronic element and said at least one control electronic element.
Le dispositif selon l’invention peut ainsi être installé dans un environnement soumis à des températures élevées de l’air ambiant, pouvant dépasser une limite de température de fonctionnement de composants du dispositif, par exemple plus de 150°C, sans ou avec une faible arrivée d’air frais, tel que l’environnement d’un moteur d’un aéronef.The device according to the invention can thus be installed in an environment subject to high ambient air temperatures, which may exceed an operating temperature limit of components of the device, for example more than 150°C, with little or no fresh air supply, such as the environment of an aircraft engine.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément électronique de commande est plus proche de ladite entrée fluidique que de ladite sortie fluidique.According to one characteristic, said at least one electronic control element is closer to said fluidic inlet than to said fluidic outlet.
Selon une caractéristique, ledit au moins un élément électronique de puissance comprend au moins un premier et un second éléments, le premier élément ayant une limite de température de fonctionnement inférieure à une limite de température de fonctionnement du second élément, le premier élément étant plus proche de ladite entrée fluidique que de ladite sortie fluidique et le second élément étant plus proche de ladite sortie fluidique que de ladite entrée fluidique.According to one characteristic, said at least one power electronic element comprises at least a first and a second element, the first element having an operating temperature limit lower than an operating temperature limit of the second element, the first element being closer to said fluidic inlet than to said fluidic outlet and the second element being closer to said fluidic outlet than to said fluidic inlet.
Toujours selon une caractéristique, le dispositif comprend en outre au moins un drain thermique, le drain thermique comprenant un élément électriquement conducteur reliant un connecteur électrique audit au moins un élément électronique de puissance et comprenant un composant électriquement isolant et thermiquement conducteur entre la plaque d’échange thermique et ledit élément électriquement conducteur.According to another characteristic, the device further includes at least one heat drain, the heat drain comprising an electrically conductive element connecting an electrical connector to said at least one power electronic element and comprising an electrically insulating and thermally conductive component between the heat exchange plate and said electrically conductive element.
Toujours selon une caractéristique, ladite au moins une partie dudit circuit hydraulique d’évacuation de calories comprend au moins une cavité reliée directement ou indirectement à ladite entrée fluidique et à ladite sortie fluidique.According to a further characteristic, said at least one part of said hydraulic heat evacuation circuit comprises at least one cavity connected directly or indirectly to said fluidic inlet and said fluidic outlet.
Toujours selon une caractéristique, ladite au moins une cavité comprend un ensemble de plots s’étendant d’une surface de ladite au moins une cavité à une surface opposée de ladite au moins une cavité, selon un axe transversal de ladite plaque d’échange thermique.According to one characteristic, said at least one cavity comprises a set of studs extending from a surface of said at least one cavity to an opposite surface of said at least one cavity, along a transverse axis of said heat exchange plate.
Toujours selon une caractéristique, ladite plaque d’échange thermique comprend au moins une ouverture configurée pour permettre l’établissement d’un contact électrique entre ledit au moins un élément électronique de puissance et ledit au moins un élément électronique de commande.According to one characteristic, said heat exchange plate includes at least one opening configured to allow the establishment of electrical contact between said at least one power electronic element and said at least one control electronic element.
Toujours selon une caractéristique, le dispositif comprend en outre une enveloppe de protection formant un espace fermé dans lequel sont configurés la plaque d’échange thermique, le circuit hydraulique, ledit au moins un élément électronique de puissance et ledit au moins un élément électronique de commande.According to one characteristic, the device further comprises a protective enclosure forming a closed space in which are configured the heat exchange plate, the hydraulic circuit, said at least one electronic power element and said at least one electronic control element.
Toujours selon une caractéristique, ledit circuit hydraulique est un premier circuit hydraulique, ladite enveloppe de protection comprenant un second circuit hydraulique configuré pour extraire des calories dudit espace fermé.According to one characteristic, the said hydraulic circuit is a first hydraulic circuit, the said protective enclosure comprising a second hydraulic circuit configured to extract calories from the said enclosed space.
Selon un autre aspect, l’invention a pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant un dispositif électronique de puissance tel que décrit précédemment. Les caractéristiques du dispositif électronique de puissance contribuent à la compacité et à la fiabilité de la turbomachine.In another aspect, the invention relates to an aircraft turbomachine comprising a power electronic device as described above. The characteristics of the power electronic device contribute to the compactness and reliability of the turbomachine.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :Other objects, features and advantages of the invention will become apparent from the following description, given solely by way of non-limiting example, and made with reference to the accompanying drawings in which:
La description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention se réfère aux dessins dans lesquels les mêmes références identifient les mêmes éléments de structure dans chacune des figures.The detailed description of particular embodiments of the invention refers to the drawings in which the same references identify the same structural elements in each of the figures.
La
Comme illustré, la turbomachine 100 comprend une zone haute-pression 105 et une zone basse-pression 110. La zone haute-pression 105 comprend ici une machine électrique, par exemple, une machine synchrone à aimants permanents 115 comprenant par exemple deux bobinages statoriques indépendants reliés à l’arbre haute-pression de la turbomachine via une boîte de vitesse 120. De façon similaire, la zone basse-pression 110 comprend ici une machine électrique, par exemple une machine synchrone à aimants permanents 125 comprenant par exemple deux bobinages statoriques indépendants reliés à l’arbre basse-pression de la turbomachine. Chacune des machines électriques peut être utilisée comme une source de courant ou, au contraire, comme un moteur d’entraînement.As illustrated, the turbomachine 100 comprises a high-pressure zone 105 and a low-pressure zone 110. The high-pressure zone 105 includes an electric machine, for example, a permanent magnet synchronous machine 115 comprising, for example, two independent stator windings connected to the high-pressure shaft of the turbomachine via a gearbox 120. Similarly, the low-pressure zone 110 includes an electric machine, for example, a permanent magnet synchronous machine 125 comprising, for example, two independent stator windings connected to the low-pressure shaft of the turbomachine. Each of the electric machines can be used as a power source or, conversely, as a drive motor.
Un convertisseur DC/AC bidirectionnel (sigles de Direct Current et Alternative Current, respectivement, en terminologie anglo-saxonne) est connecté à chaque bobinage statorique de la machine synchrone à aimants permanents 115. Ces convertisseurs DC/AC bidirectionnels, utilisant par exemple des capacités du type BBC (Bus Bar Capacitor en terminologie anglo-saxonne), sont référencés 130-1 et 130-2. De même, un convertisseur DC/AC bidirectionnel est connecté à chaque bobinage statorique de la machine électrique 125. Ces convertisseurs DC/AC bidirectionnels sont référencés 135-1 et 135-2.A bidirectional DC/AC converter (DC/AC stands for Direct Current and Alternating Current, respectively) is connected to each stator winding of the permanent magnet synchronous machine 115. These bidirectional DC/AC converters, using, for example, BBC (Bus Bar Capacitor) type capacitors, are designated 130-1 and 130-2. Similarly, a bidirectional DC/AC converter is connected to each stator winding of the electric machine 125. These bidirectional DC/AC converters are designated 135-1 and 135-2.
Par ailleurs, deux contrôleurs de distribution électrique 140-1 et 140-2, aussi appelés PDMU (sigle de Power Distribution Management Unit en terminologie anglo-saxonne), mettant en parallèle les deux paires de convertisseurs vers un même bus de puissance DC référencé 145, permettent de distribuer l’énergie électrique haute-tension, aussi appelée HVDC (sigle de High Voltage DC en terminologie anglo-saxonne), à l’aéronef et vers les charges internes à la turbomachine, référencées 150-1 et 150-2.In addition, two electrical distribution controllers 140-1 and 140-2, also called PDMU (short for Power Distribution Management Unit in Anglo-Saxon terminology), putting the two pairs of converters in parallel to the same DC power bus referenced 145, allow the distribution of high-voltage electrical energy, also called HVDC (short for High Voltage DC in Anglo-Saxon terminology), to the aircraft and to the internal loads of the turbomachine, referenced 150-1 and 150-2.
Selon des modes de réalisation de l’invention, un dispositif électronique de puissance, par exemple l’un des convertisseurs 130-1, 130-2, 135-1 ou 135-2 illustré sur la
La plaque d’échange thermique est de préférence connectée à une masse, par exemple à l’aide d’une tresse métallique, pour créer un écran de protection électromagnétique entre les éléments situés de chaque côté de la plaque d’échange thermique. Cette protection électromagnétique permet d’éviter que le bruit généré par des éléments électroniques de puissance n’affecte des éléments électroniques de commande, ou de fortement réduire cet effet.The heat exchanger plate is preferably connected to ground, for example using a metal braid, to create an electromagnetic shield between the components located on either side of the heat exchanger plate. This electromagnetic shielding prevents noise generated by power electronics from affecting control electronics, or significantly reduces this effect.
Les figures 2 et 3 illustrent un exemple d’un dispositif électronique de puissance 200, par exemple l’un des convertisseurs 130-1, 130-2, 135-1 ou 135-2 illustré sur la
Comme illustré, le dispositif électronique de puissance 200 comprend un capot ou couvercle, par exemple en deux parties 205-1 et 205-2, formant une enveloppe de protection ou bouclier thermique avec l’environnement extérieur. Le capot ou couvercle forme un espace fermé dans lequel sont configurés la plaque d’échange thermique, le circuit hydraulique ainsi que les éléments électroniques de puissance et de commande. Il peut notamment être réalisé en plastique, en composite ou en aluminium. Selon des modes de réalisation, le couvercle comprend un circuit hydraulique externe, de préférence distinct du circuit hydraulique interne, pour évacuer les calories provenant de l’environnement dans lequel se trouve le dispositif électronique de puissance 200 et qui s’accumuleraient dans son capot. Le circuit hydraulique externe comprend une entrée (non représentée), par exemple une entrée d’un fluide caloporteur tel que l’huile, par exemple une huile à une température comprise entre -40°C et 90°C, et une sortie (non représentée). L’entrée et la sortie peuvent être pourvues de connecteurs standards pour être reliées à un circuit hydraulique extérieur, par exemple un circuit hydraulique de refroidissement d’une nacelle. Alternativement ou de façon complémentaire, le capot ou couvercle comprend un isolant thermique, par exemple un isolant en plastique (e.g., une résine telle que le polyétheréthercétone) ou en composite (e.g., en fibre de carbone), avec, de préférence, une tresse métallique pour permettre une reprise de masse mécanique (e.g., masse des harnais) et de masse électrique.As illustrated, the power electronic device 200 includes a hood or cover, for example in two parts 205-1 and 205-2, forming a protective enclosure or thermal shield with the external environment. The hood or cover forms an enclosed space in which the heat exchanger plate, the hydraulic circuit, and the power and control electronic components are configured. It may be made of plastic, composite materials, or aluminum. In some embodiments, the cover includes an external hydraulic circuit, preferably separate from the internal hydraulic circuit, to dissipate heat from the environment surrounding the power electronic device 200 that would otherwise accumulate in its hood. The external hydraulic circuit includes an inlet (not shown), for example, an inlet for a heat transfer fluid such as oil, for example, oil at a temperature between -40°C and 90°C, and an outlet (not shown). The inlet and outlet can be fitted with standard connectors for connection to an external hydraulic circuit, for example, a nacelle cooling hydraulic circuit. Alternatively or additionally, the hood or cover includes thermal insulation, for example, plastic insulation (e.g., a resin such as polyetheretherketone) or composite insulation (e.g., carbon fiber), preferably with a metal braid to allow for the transfer of mechanical mass (e.g., harness mass) and electrical mass.
Par ailleurs, le dispositif électronique de puissance 200 comprend le circuit hydraulique interne (dont au moins une partie appartient à la plaque d’échange thermique) pour évacuer des calories qui s’accumulent à l’intérieur du dispositif électronique de puissance 200. Le circuit hydraulique interne comprend ici une entrée fluidique (fluide froid), référencée 510, par exemple une entrée d’un fluide caloporteur tel que l’huile, par exemple une huile à une température comprise entre -40°C et 90°C, et une sortie fluidique (fluide chaud), référencée 405. A nouveau, l’entrée et la sortie peuvent être pourvues de connecteurs standards pour être reliées à un circuit hydraulique extérieur, par exemple un circuit hydraulique de refroidissement d’une nacelle. A titre d’illustration,
Les flèches épaisses (sur les figures 2 et 3 et sur les figures suivantes) représentent le sens de circulation préféré du fluide de refroidissement dans le circuit hydraulique interne du dispositif électronique de puissance.The thick arrows (in figures 2 and 3 and in the following figures) represent the preferred direction of flow of the cooling fluid in the internal hydraulic circuit of the power electronic device.
Le dispositif électronique de puissance 200 comprend également des connecteurs électriques, par exemple les connecteurs électriques 220 et 225, des connecteurs HVDC 230-1 et 230-2 pour un courant continu haute-tension et des connecteurs HVAC (sigle de High Voltage AC en terminologie anglo-saxonne) 235-1, 235-2 et 235-3 pour un courant alternatif haute-tension. Ces connecteurs permettent par exemple de relier le dispositif électronique de puissance 200 à des bobinages statoriques de machines électriques et à des contrôleurs de distribution électrique, comme décrit en référence à la
Le dispositif électronique de puissance 200 comprend en outre des éléments de fixation, génériquement référencés 240 pour permettre sa fixation, par exemple sur une nacelle, par exemple à l’aide de vis ou de rivets.The power electronic device 200 also includes fixing elements, generically referenced 240, to allow its fixing, for example on a platform, for example using screws or rivets.
Les figures 4 et 5 représentent une vue schématique, en perspective, du dispositif électronique de puissance illustré sur les figures 2 et 3, sans le couvercle, selon des modes de réalisation de l’invention. La
Les figures 4 et 5 montrent également l’entrée fluidique 510 du circuit hydraulique interne dont au moins une partie est comprise dans la plaque d’échange thermique 400 (une autre partie pouvant par exemple consister en une canalisation située dans l’espace entre la plaque d’échange thermique 400 et l’un des capots ou couvercles 205-1 et 205-2. Une telle canalisation peut être utilisée pour capter des calories d’un élément du dispositif électronique de puissance et/ou relier l’entrée fluidique et/ou la sortie fluidique de la plaque d’échange thermique 400 à un circuit hydraulique extérieur au dispositif électronique de puissance.Figures 4 and 5 also show the fluidic inlet 510 of the internal hydraulic circuit, at least part of which is included in the heat exchange plate 400 (another part could, for example, consist of a pipe located in the space between the heat exchange plate 400 and one of the hoods or covers 205-1 and 205-2). Such a pipe can be used to capture heat from an element of the power electronic device and/or to connect the fluidic inlet and/or the fluidic outlet of the heat exchange plate 400 to a hydraulic circuit external to the power electronic device.
Comme illustré, le dispositif électronique de puissance comprend ici un harnais de câbles 500 et une carte électronique 505 comprenant les composants électroniques de commande.As illustrated, the power electronic device here comprises a 500 cable harness and a 505 electronic board including the electronic control components.
La
Comme illustré, le côté de la plaque d’échange thermique 400 comprenant les composants électroniques de puissance comprend ici plusieurs zones de drainage thermique référencées 600, 605 et 610. La zone de drainage thermique 600 permet de drainer, vers la plaque d’échange thermique 400, des calories issues de résistances, génériquement référencées 602, et des calories provenant de l’environnement extérieur du dispositif électronique de puissance et captées par des drains thermiques (ayant également ici une fonction de connecteurs), génériquement référencées 604, comme décrit plus bas en référence à la
Naturellement, de nombreuses autres implémentations sont possibles, que ce soit en termes de positionnement et/ou d’éléments, ces derniers dépendant notamment de la nature du dispositif électronique de puissance et de ces caractéristiques. A titre d’illustration, les drains thermiques 604 sont optionnels.Naturally, many other implementations are possible, both in terms of positioning and/or components, the latter depending in particular on the nature of the power electronic device and its characteristics. For example, the 604 thermal drains are optional.
L’ensemble des résistances, l’inductance d’entrée et le module de filtrage sont disposés selon leurs caractéristiques (en particulier selon leur fonction et leur besoin de refroidissement) et selon le sens de circulation du fluide dans le circuit hydraulique interne afin de protéger les composants électroniques ayant des limites de température de fonctionnement basses et de confiner la chaleur venant de la partie de puissance en évitant sa diffusion vers la partie commande.All the resistors, the input inductance and the filter module are arranged according to their characteristics (in particular according to their function and their cooling needs) and according to the direction of fluid flow in the internal hydraulic circuit in order to protect the electronic components having low operating temperature limits and to confine the heat coming from the power section by preventing its diffusion towards the control section.
Les éléments de l’étage de puissance ayant les températures d’opération les plus basses et les limites de température de fonctionnement les plus basses, en particulier le module de filtrage (dans la zone de drainage thermique 610), sont ainsi placés côté entrée fluidique. Les éléments moins critiques (en particulier l’inductance et l’ensemble de résistances) sont placés côté sortie fluidique, là où le fluide est plus chaud (car réchauffé par les pertes des différents composants situés en amont, selon le sens de circulation du fluide de refroidissement). Une limite de température de fonctionnement du module de filtrage (dans la zone de drainage thermique 610), de l’inductance de filtrage d’entrée dV/dt (dans la zone de drainage thermique 605) et de l’ensemble de résistances (dans la zone de drainage thermique 600) est, par exemple, 105°C, 150°C et 180°C, respectivement, le dispositif électronique de puissance pouvant être placé dans un environnement dont la température ambiante (environnement du dispositif) dépasse les 150°C.The power stage components with the lowest operating temperatures and lowest operating temperature limits, particularly the filter module (in thermal drainage zone 610), are thus located on the fluid inlet side. Less critical components (especially the inductor and resistor assembly) are located on the fluid outlet side, where the fluid is hotter (due to heat loss from the various upstream components, depending on the direction of the cooling fluid flow). For example, the operating temperature limits for the filter module (in thermal drainage zone 610), the dV/dt inlet filter inductor (in thermal drainage zone 605), and the resistor assembly (in thermal drainage zone 600) are 105°C, 150°C, and 180°C, respectively, as the power electronics device can be placed in an environment where the ambient temperature (device environment) exceeds 150°C.
Comme décrit en référence à la
La
Les composants électroniques de commande sont ici disposés sur la carte électronique 505. Selon des modes de réalisation, la carte électronique 505 est disposée à proximité de l’entrée fluidique 510 du circuit hydraulique interne. Comme illustré sur la
La
Comme illustré, le module de filtrage de sortie (dans la zone de drainage thermique 610), comprenant les composants électroniques de puissance, notamment le condensateur 615, dont la limite de température de fonctionnement est la plus basse, et la carte électronique 505 comprenant les composants électroniques de commande sont placés côté entrée fluidique 510, et séparés par la plaque d’échange thermique 400.As illustrated, the output filter module (in the thermal drainage area 610), including the power electronic components, notably the capacitor 615, which has the lowest operating temperature limit, and the electronic board 505 including the electronic control components are placed on the fluidic inlet side 510, and separated by the heat exchange plate 400.
Comme illustré, les drains thermiques 604 (dans la zone de drainage thermique 600), ayant notamment pour objet de limiter l’apport en calories provenant des câbles électriques extérieurs, reliés aux connecteurs 235-1, 235-2 et 235-3, à l’intérieur du dispositif électronique de puissance, sont ici situés au plus proche des connecteurs 235-1, 235-2 et 235-3 (avec un drain thermique par connecteur) et au plus proche de la sortie fluidique 405.As illustrated, the thermal drains 604 (in the thermal drainage zone 600), whose purpose is to limit the heat input from external electrical cables, connected to connectors 235-1, 235-2 and 235-3, inside the power electronic device, are located here as close as possible to connectors 235-1, 235-2 and 235-3 (with one thermal drain per connector) and as close as possible to the fluidic outlet 405.
Les résistances (dans la zone de drainage thermique 600) ayant une limite de température de fonctionnement supérieure à celle de l’inductance de filtrage d’entrée dV/dt (dans la zone de drainage thermique 605), elle-même ayant une limite de température de fonctionnement supérieure à celle du module de filtrage de sortie (dans la zone de drainage thermique 610), ces éléments sont ici disposés, partant du côté de l’entrée fluidique 510 vers le côté sortie fluidique 405, de la façon suivante : le module de filtrage de sortie puis l’inductance de filtrage d’entrée dV/dt puis les résistances.The resistors (in the thermal drainage zone 600) having an operating temperature limit higher than that of the input filter inductance dV/dt (in the thermal drainage zone 605), itself having an operating temperature limit higher than that of the output filter module (in the thermal drainage zone 610), these elements are arranged here, from the fluidic inlet side 510 to the fluidic outlet side 405, as follows: the output filter module then the input filter inductance dV/dt then the resistors.
La
Comme illustré, le circuit hydraulique interne comprend ici des canaux de circulation du fluide de refroidissement, génériquement référencés 900, reliant l’entrée fluidique 510 à la sortie fluidique 405 via des zones d’échange thermique, génériquement référencées 905. Les zones d’échange thermique sont par exemple des cavités pouvant comprendre des plots, par exemple en forme de losange, pour augmenter la surface de contact entre le fluide de refroidissement et la plaque d’échange thermique 400, améliorant ainsi les échanges thermiques entre le fluide de refroidissement et la plaque d’échange thermique. La taille et la densité de tels plots sont déterminés selon les besoins en termes d’échange thermique. De tels plots peuvent en outre avoir une autre forme, tous les plots ayant la même forme ou non.As illustrated, the internal hydraulic circuit here comprises cooling fluid circulation channels, generically referred to as 900, connecting the fluid inlet 510 to the fluid outlet 405 via heat exchange zones, also generically referred to as 905. These heat exchange zones are, for example, cavities that may include pads, such as diamond-shaped pads, to increase the contact area between the cooling fluid and the heat exchange plate 400, thereby improving heat transfer between the cooling fluid and the heat exchange plate. The size and density of these pads are determined according to the heat exchange requirements. These pads may also have a different shape, or all pads may have a different shape.
Selon l’exemple illustré, l’entrée fluidique 510, accessible via le connecteur 215, donne sur un premier canal de circulation 900-1 permettant au fluide de refroidissement d’atteindre une première zone d’échange thermique consistant essentiellement en une première cavité 905-1 pourvue de plots. La première cavité 905-1 est ouverte sur une deuxième canalisation 900-2 permettant au fluide de refroidissement d’atteindre une deuxième zone d’échange thermique consistant essentiellement en une deuxième cavité 905-2 également pourvue de plots. De la même façon, la deuxième cavité 905-2 est ouverte sur une troisième canalisation 900-3 permettant au fluide de refroidissement d’atteindre une troisième zone d’échange thermique consistant essentiellement en une troisième cavité 905-3 toujours pourvue de plots. De la même façon encore, la troisième cavité 905-3 est ouverte sur une quatrième canalisation 900-4 permettant au fluide de refroidissement d’atteindre une quatrième zone d’échange thermique consistant essentiellement en une quatrième cavité 905-4 toujours pourvue de plots. Comme illustré, la quatrième cavité 905-4 est ici ouverte sur une cinquième canalisation 900-5 permettant au fluide de refroidissement d’atteindre la sortie fluidique 405 de la plaque d’échange thermique sur la laquelle est fixée le connecteur 210.According to the illustrated example, the fluid inlet 510, accessible via connector 215, leads to a first circulation channel 900-1, allowing the cooling fluid to reach a first heat exchange zone consisting essentially of a first cavity 905-1 equipped with studs. The first cavity 905-1 opens onto a second channel 900-2, allowing the cooling fluid to reach a second heat exchange zone, consisting essentially of a second cavity 905-2, also equipped with studs. Similarly, the second cavity 905-2 opens onto a third channel 900-3, allowing the cooling fluid to reach a third heat exchange zone, consisting essentially of a third cavity 905-3, again equipped with studs. Similarly, the third cavity 905-3 opens onto a fourth channel 900-4, allowing the cooling fluid to reach a fourth heat exchange zone, essentially consisting of a fourth cavity 905-4, also equipped with studs. As illustrated, the fourth cavity 905-4 is here open onto a fifth channel 900-5, allowing the cooling fluid to reach the fluid outlet 405 of the heat exchange plate, to which the connector 210 is attached.
En référence aux figures 6 et 8, les deux premières cavités correspondent à la zone de drainage thermique 610, la troisième cavité correspond à la zone de drainage thermique 605 et la quatrième cavité correspond à la zone de drainage thermique 600.With reference to figures 6 and 8, the first two cavities correspond to the thermal drainage zone 610, the third cavity corresponds to the thermal drainage zone 605 and the fourth cavity corresponds to the thermal drainage zone 600.
Par ailleurs, la plaque d’échange thermique 400 peut comprendre des ouvertures, par exemple les ouvertures 910 et 915. De telles ouvertures permettent notamment des échanges, par exemple de signaux électriques, entre les côtés de la plaque d’échange thermique 400, par exemple à l’aide de câbles ou de cartes. Il est ainsi possible de réduire la longueur des câbles de communication et donc d’améliorer la fiabilité et d’améliorer le poids du dispositif électronique de puissance.Furthermore, the heat exchanger plate 400 may include openings, such as openings 910 and 915. These openings allow for the exchange of information, such as electrical signals, between the sides of the heat exchanger plate 400, for example, using cables or cards. This makes it possible to reduce the length of communication cables and thus improve the reliability and reduce the weight of the power electronics device.
Comme décrit précédemment, la plaque d’échange thermique 400 peut être réalisée en alliage d’aluminium, en acier ou en bronze. Elle peut être fabriquée à partir de deux demi-plaques, chacune gravée sur une face selon un motif représentant une portion du circuit hydraulique interne, les deux demi-plaques étant assemblées l’un à l’autre avec les motifs se faisant face. L’étanchéité du circuit hydraulique interne est par exemple réalisé par collage ou par un joint rapporté. Le choix des motifs, comme le choix de la forme, de la taille et de la densité des plots, est déterminé par les zones de drainage thermique à créer. A chaque zone de drainage thermique peut comprendre une zone d’échange thermique dans laquelle circule le fluide de refroidissement. Les zones d’échange thermique peuvent être de formes similaires ou différentes, reliées par des canaux, comme illustré sur la
Les dimensions du circuit hydraulique interne peuvent notamment dépendre de la fluidité du fluide de refroidissement et de sa pression.The dimensions of the internal hydraulic circuit can depend in particular on the fluidity of the cooling fluid and its pressure.
Il est observé ici que si, sur l’exemple illustré, l’entrée fluidique et la sortie fluidique sont situées sur des bords opposés de la plaque d’échange thermique 400, elles peuvent être situées sur des bords adjacents ou sur un même bord. Selon d’autres modes de réalisation, l’entrée fluidique et/ou la sortie fluidique sont situés sur une même face (i.e., d’un même côté) ou sur des faces différentes (i.e., sur des côtés différents) de plaque d’échange thermique 400.It is noted here that while, in the illustrated example, the fluid inlet and fluid outlet are located on opposite edges of the heat exchange plate 400, they can also be located on adjacent edges or on the same edge. According to other embodiments, the fluid inlet and/or fluid outlet are located on the same face (i.e., on the same side) or on different faces (i.e., on different sides) of the heat exchange plate 400.
Il est également observé que plusieurs plaques d’échange thermique peuvent être reliées les unes aux autres et qu’une plaque d’échange thermique peut comporter plus qu’une entrée fluidique et/ou plus qu’une sortie fluidique.It is also observed that several heat exchange plates can be connected to each other and that a heat exchange plate can have more than one fluidic inlet and/or more than one fluidic outlet.
La
Le drain thermique illustré est le drain thermique 604 de la
Comme illustré, le drain thermique comprend un pont ou bornier 1000 pour connecter un bus électrique 1005 au connecteur 235-3, le bus électrique 1005 étant lui-même relié à la résistance 602 de la
L’ensemble formé du pont 1000 et du support 1010 peut être fixé à la plaque d’échange thermique 400 à l’aide d’une pièce de fixation 1015 pouvant prendre la forme d’un capot. Cette pièce de fixation est par exemple réalisée en plastique. Un pad thermique 1020 peut être intercalé entre le support 1010 et la plaque d’échange thermique 400 pour limiter la présence d’air entre le support 1010 et la plaque d’échange thermique 400 et ainsi favoriser le drainage thermique.The assembly consisting of the bridge 1000 and the support 1010 can be attached to the heat exchange plate 400 using a fixing piece 1015, which may be in the form of a cover. This fixing piece is, for example, made of plastic. A thermal pad 1020 can be inserted between the support 1010 and the heat exchange plate 400 to limit the presence of air between the support 1010 and the heat exchange plate 400 and thus promote heat drainage.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d’exemples. Elle s’étend à d’autres variantes.Of course, the present invention is not limited to the embodiments described above by way of example. It extends to other variants.
Bien que décrits à travers un certain nombre d’exemples de réalisation détaillés, le dispositif et le système proposés comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention, telle que définie par les revendications qui suivent. De plus, différents aspects et caractéristiques décrits ci-dessus peuvent être mis en œuvre ensemble, ou séparément, ou bien substitués les uns aux autres, et l’ensemble des différentes combinaisons et sous combinaisons des aspects et caractéristiques font partie de la portée de l’invention. En outre, il se peut que certains systèmes et équipements décrits ci-dessus n’incorporent pas la totalité des modules et fonctions décrits pour les modes de réalisation préférés.Although described through a number of detailed embodiments, the proposed device and system include various variants, modifications, and improvements that will be obvious to those skilled in the art, it being understood that these various variants, modifications, and improvements form part of the scope of the invention, as defined by the following claims. Furthermore, the various aspects and features described above may be implemented together, separately, or substituted for one another, and all the different combinations and subcombinations of these aspects and features form part of the scope of the invention. In addition, some of the systems and equipment described above may not incorporate all the modules and functions described for the preferred embodiments.
Claims (10)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2404530A FR3161821A1 (en) | 2024-04-30 | 2024-04-30 | Power electronic device for environments with high thermal constraints |
| PCT/FR2025/050372 WO2025229284A1 (en) | 2024-04-30 | 2025-04-29 | Power electronics device for environments with strong thermal stresses |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2404530 | 2024-04-30 | ||
| FR2404530A FR3161821A1 (en) | 2024-04-30 | 2024-04-30 | Power electronic device for environments with high thermal constraints |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3161821A1 true FR3161821A1 (en) | 2025-10-31 |
Family
ID=92208953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2404530A Pending FR3161821A1 (en) | 2024-04-30 | 2024-04-30 | Power electronic device for environments with high thermal constraints |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3161821A1 (en) |
| WO (1) | WO2025229284A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030133257A1 (en) * | 2002-01-16 | 2003-07-17 | Beihoff Bruce C. | Modular power converter having fluid cooled support |
| US20080130223A1 (en) * | 2006-11-02 | 2008-06-05 | Hitachi, Ltd. | Power Converter |
| US20140140117A1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-22 | Mitsubishi Electric Corporation | Electric power converter |
| US20200253074A1 (en) * | 2015-11-13 | 2020-08-06 | Valeo Systemes De Controle Moteur | Housing for an electrical apparatus |
-
2024
- 2024-04-30 FR FR2404530A patent/FR3161821A1/en active Pending
-
2025
- 2025-04-29 WO PCT/FR2025/050372 patent/WO2025229284A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030133257A1 (en) * | 2002-01-16 | 2003-07-17 | Beihoff Bruce C. | Modular power converter having fluid cooled support |
| US20080130223A1 (en) * | 2006-11-02 | 2008-06-05 | Hitachi, Ltd. | Power Converter |
| US20140140117A1 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-22 | Mitsubishi Electric Corporation | Electric power converter |
| US20200253074A1 (en) * | 2015-11-13 | 2020-08-06 | Valeo Systemes De Controle Moteur | Housing for an electrical apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025229284A1 (en) | 2025-11-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2115303C (en) | High-power component cooling device | |
| CA2678657A1 (en) | System for cooling and adjusting the temperature of apparatuses in the propulsion assembly of an aircraft | |
| CA2705611A1 (en) | Method for controlling thermal effluents generated by an aircraft and cooling device for an aircraft implementing said method | |
| FR2785376A1 (en) | Heat exchanger for motor vehicle internal combustion engine has inactive tube in bundle separating manifold into two sections | |
| FR3073683B1 (en) | COOLING CHANNEL COOLED ROTOR, ELECTRIC MACHINE OF A TURBOMACHINE COMPRISING SUCH A ROTOR. | |
| FR3161821A1 (en) | Power electronic device for environments with high thermal constraints | |
| FR2982712A1 (en) | PLATE FOR DISTRIBUTING ELECTRIC ENERGY COMPRISING A PROTECTED DISTRIBUTION BAR. | |
| EP3966850B1 (en) | Method for manufacturing a power electronic module | |
| EP3971510A1 (en) | Thermal treatment module for an internal combustion engine | |
| EP4373743A1 (en) | System for the thermal management of an external electric-power-generating nacelle equipping an electrically powered airship, nacelle and airship equipped with said system | |
| EP0807975A1 (en) | Power semiconductor device | |
| FR3108169A1 (en) | Calorie transfer device | |
| EP4344034A1 (en) | Improved superconductor motor stator, aircraft superconductor motor and aircraft | |
| FR3139510A1 (en) | Electronic device for controlling an electric radiator. | |
| WO2025119948A1 (en) | Electrical equipment cooled by immersion in a dielectric fluid | |
| FR3156275A1 (en) | Power electronic module cooled by immersion in a dielectric liquid | |
| EP4576134A1 (en) | Thermal coupling device for a common mode inductor | |
| WO2024042275A1 (en) | Hydraulic thermal management module for a cooling circuit of an electric vehicle, cooling circuit, and electric vehicle comprising such a hydraulic module | |
| FR2827079A1 (en) | Production of diamond substrate comprises use of silicon slice as support for chemical vapor deposition of diamond and elimination of silicon slice by chemical attack | |
| FR3125329A1 (en) | COUNTER-CURRENT COOLING EXCHANGER INTENDED TO BE INTEGRATED INTO A SUSPENSION PYLON OF AN AIRCRAFT ENGINE AND PYLON EQUIPPED WITH SUCH AN EXCHANGER | |
| FR2735942A1 (en) | Electronic computer for use in motor vehicle, especially for engine control | |
| EP1580807A1 (en) | Cooler for elelectronic power device | |
| FR3144702A1 (en) | MOTOR VEHICLE COMPRISING A THERMAL SYSTEM COMPRISING CARBON DIOXIDE AS WORKING FLUID, AND METHOD ON THE BASIS OF SUCH A VEHICLE | |
| FR2765068A1 (en) | Improved cooling technique for power electronics unit | |
| EP2329119A1 (en) | Thermal regulation device for an engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20251031 |