Composants et connexions

Nous avons déjà montré que l’inductance dépend de la distance entre les points d’entrée et sortie de courant des plaques, c'est-à-dire de la taille de la boucle. La distribution des composants sur le busbar laminé et la façon de les connecter définissent les chemins de courant et en conséquence l’inductance du busbar. Cette disposition est donc très importante pendant la conception.

a. Placement des composants

L’emplacement physique des condensateurs sur le busbar est une étape critique [Zare02]. Les condensateurs doivent être placés de telle sorte que les boucles de commutation entre les différents transistors soient de la même longueur pour éviter les déséquilibres. Il est donc important d’utiliser une disposition symétrique et de placer les condensateurs entre les différents transistors (Figure 41).

Par la suite, nous allons réaliser différentes simulations pour déterminer la variation de la valeur d’inductance de la boucle de commutation en fonction de la disposition des condensateurs sur un busbar laminé. La taille du busbar simulé est 200x400x1mm et la distance entre les deux couches DC+ et DC- est de 0.3mm. Trois condensateurs sont placés sur le busbar dont le diamètre est de 40mm. Les paramètres à faire varier sont : X la distance entre les condensateurs et D la distance vers le module de puissance (Figure 42).

Figure 42. Paramètres de positionnement des condensateurs par rapport au module de puissance. D séparation entre le banc de condensateurs et le module. X séparation entre les condensateurs.

X X

D

Figure 41. Position d’un condensateur C sur un convertisseur. Les boucles de commutation des transistors (T1 et T2) sont représentées en bleu et rouge.

T1 C T2

T1 T2

Figure 43. Evolution de l’inductance en fonction de la distance de séparation entre les condensateurs et le module de puissance. Différentes courbes selon la séparation entre condensateurs sont tracées.

Avec les résultats de la simulation (Figure 43), on constate que la distance entre les condensateurs a un impact mineur sur l’inductance par rapport à leurs distances avec le module de puissance. L’inductance minimale est atteinte aux 40mm de séparation entre le module de puissance et les condensateurs. A cette distance, le courant peut se répartir de façon plus homogène sur les différents condensateurs. En augmentant la valeur de D la boucle devient plus grande et systématiquement l’inductance augmente. La configuration optimale correspond à la distance entre condensateurs X la plus petite possible et la distance au module de puissance D égale à cette valeur pour avoir les courants équilibrés. [Smirnova14] démontre qu’une distribution circulaire autour du transistor minimise l’inductance, ce qui confirme les résultats précédents.

Une fois la position des condensateurs définie, il faut choisir la rotation du condensateur [Wang09] et [Zou13]. Chaque condensateur a deux inserts pour se connecter avec le bus positif et avec le bus négatif respectivement. Afin de déterminer l’angle de rotation optimale deux simulations sont faites à 90° et 0° selon le dessin (Figure 44).

Angle de rotation 90° 0°

Inductance géom. sans trous 7.28576 nH 7.15260 nH

Inductance géom. avec trous 7.37019 nH 7.33515 nH

Tableau VIII. Résultats d’inductance selon l’angle de rotation d’un condensateur

La première ligne du Tableau VIII correspond aux résultats d’une géométrie simplifiée où les trous permettant de visser les condensateurs avec les bus positif et négatif ne sont pas modélisés. Autrement, la deuxième ligne correspond à une géométrie plus réaliste contenant ces trous. Les trous dégradent la valeur d’inductance, néanmoins les résultats restent

Figure 44. Position du condensateur par rapport à son angle de rotation.

0° 90°

équivalents. L’angle de rotation à 0° donne une inductance plus petite car les chemins de courant du bus positif et du bus négatif sont superposés et l’aire délimitée pour la boucle de courant est plus petite. Il est donc conseillé de placer les condensateurs avec un angle 0° avec les modules de puissance.

b. Formes de connexion

Le type de connexions utilisé pour fixer les composants est un élément qui joue un rôle important pour la valeur d’inductance. Leur géométrie modifie la surface entourée par le courant (où le flux magnétique est calculé) comme il est illustré sur la Figure 45.

La Figure 45 précédente représente la connexion d’un condensateur avec un busbar. Le courant est représenté par des flèches rouges qui entourent la surface hachurée où le flux magnétique est calculé. Afin de minimiser l’inductance, la surface hachurée doit être minimisée.

La connexion est réalisée au moyen de deux vis au travers du busbar et vissées directement sur le condensateur. Pour atteindre le niveau de connexion sur le bus négatif il faut appliquer un insert ou une déformation plastique. Dans le cas de la Figure 46 une colonnette (insert) est ajoutée sur le bus négatif. La colonnette est un cylindre massif qui est traversé par la vis. L’autre option est la déformation plastique appelée bossage (Figure 46). Cette technique est néanmoins limitée par la hauteur à atteindre en fonction de l’épaisseur de la plaque.

Figure 46. A gauche, connexion par colonnette. A droite, connexion par bossage.

Les éléments finis 3D et Code_Carmel sont utilisés afin de modéliser avec précision la géométrie de la connexion. Les points de connexion vers le condensateur ont été reliés par une plaque afin de fermer la boucle de courant (Figure 47). La plaque est la même sur les deux géométries.

Figure 45. Schéma de l’aire entouré par la boucle de commutation entre les connexions d’un condensateur.

+ -

Figure 47. Liaison physique entre les connexions.

Pour bien prendre en compte les effets de la fréquence sur la distribution de courant un maillage très fin est imposé sur les bords des géométries (Figure 48).

Figure 48. Maillage raffiné sur les bords de connexion pour prendre en compte les effets de la fréquence.

Connexion Colonnette Bossage

Inductance 3.136277 nH 2,942137 nH

Tableau IX. Résultats d’inductance selon l’utilisation d’une colonnette ou un bossage.

Figure 49. Schéma de l’aire entouré par la boucle de commutation lors du passage par les différents types de connexions. A gauche, connexion par colonnette. A droite, connexion par bossage.

Grâce aux résultats fournis par la MEF (Tableau IX) il est clair que le bossage est un type de connexion plus performant que la connexion par colonnette au niveau inductive. La coupe de la section (Figure 49) permet de voir que la surface entourée par le courant (surface hachurée) est plus petite lors de l’utilisation de bossages. Il faut donc privilégier ce type de connexion qui s’avère également moins chère et plus rapide de conception.