Cap sur l’intégration mécanique - Partie 2

| Créé: Janvier 8, 2020 | Mise à jour: Mai 15, 2020

1. Introduction

L’article précédent présentait les aspects généraux de la modélisation 3D sous Altium Designer du composant au PCB en définissant les objets 3D soit avec des primitives (objets 3D simples) directement disponibles dans le logiciel soit en incorporant des modèles 3D issus d’outils de CAO mécanique (au format STEP). Nous avons vu également que l’intégration de la 3D dans la partie PCB impliquait des règles de conception spécifiques pour détecter d’éventuelles collisions entre composants. Dans cette suite, nous allons nous appuyer sur un exemple de réalisation suffisamment complexe pour justifier une vérification approfondie de l’intégrabilité de plusieurs cartes électroniques à l’intérieur d’un boîtier. Les « à côté » de ce projet tels que les raisons pour lesquelles une conception multicartes a été adoptée sont également évoqués au fil de l’article.

2. Description et fonctionnalités du projet

Le projet présenté ici est un bras de pont à IGBT utilisé à des fins d’enseignement et de recherche permettant de le mettre en œuvre soit de manière indépendante (hacheur utilisé pour l’alimentation d’une machine à courant continu dans 2 quadrants unidirectionnel en tension et bidirectionnel en courant) soit en association avec d’autres bras de pont (un bras supplémentaire pour réaliser un hacheur à 4 quadrants ou un onduleur monophasé ou avec deux bras supplémentaires pour réaliser un onduleur triphasé [1]).

^{Figure 1. Bras de pont à IGBT associé à quelques fonctions auxiliaires}

L’objectif étant d’avoir une brique de base suffisante à elle-même, on souhaite non seulement disposer de composants de puissance associés à leur commande rapprochée (drivers d’IGBT) mais aussi tous les éléments permettant d’élaborer au besoin une commande éloignée (contrôle PWM) ainsi que les capteurs utiles au monitoring du convertisseur (mesures de courant, tension et température) avec une éventuelle ventilation du module de puissance.

3. Une première version

Dans une première version, un maximum de fonctions a été intégré à une carte principale devant se loger dans la rainure dédiée d’une face latérale d’un boîtier Schroff 24813 714 (figure 2).

^{Figure 2. Modèle 3D du boîtier Schroff 24813 714}

Cette carte comprend donc :

Les raccordements de commande et de puissance vers un module de type « half-bridge »,
Les drivers opto-couplés pour le pilotage des deux IGBT associés à deux alimentations flottantes +15/-5V,
Un capteur de courant à effet Hall,
Une mesure de tension basé sur un opto-coupleur linéaire,
Un pont diviseur utilisant une thermistance NTC vissée sur le dissipateur thermique du module de puissance,
Deux fusibles pour la protection contre les courts-circuits placés sur les rails de puissance « + » et « - »,
Des relais permettant de mettre hors tension des lames de puissance du connecteur de fond de panier lorsque le boîtier n’est pas inséré dans un rack,
Un microcontrôleur pilotant l’ensemble en gérant les protections requises (surintensité, surtension, surchauffe) et interagissant avec l’utilisateur via une deuxième carte placée en face avant et reliée à celle-ci par un bord de carte de type PCI-Express.

4. Les raisons d’une conception multicartes

L’objectif initial de simplicité du design (minimisant le nombre de cartes – cf. figure 3) s’est finalement heurté à divers obstacles :

La carte principale nécessite à la fois de traiter des forts courants et des fortes tensions tout en nécessitant par endroits des densités importantes de composants (de type CMS) avec lesquelles une conception à 4 couches est si ce n’est requise tout du moins fortement conseillée.
Le raccordement du PCB au module IGBT utilise un bloc de raccordement à la fois compact et « facile à mettre en place ». Néanmoins, deux pièces en plastique (impression 3D), trois entretoises hexagonales en laiton, trois micro-PCB et quelques fils se sont avérés nécessaires.
La fixation des ventilateurs sur la carte principale en vis-à-vis du dissipateur thermique (monté sur le boîtier) a également nécessité la réalisation de 4 équerres en plastique (impression 3D).
Enfin, la carte d’interface utilisateur nécessitait un codeur incrémental (composant traversant) pour le pilotage du bras de pont (dans ses différents modes de fonctionnement) ainsi qu’un nombre important de composants (de type CMS) à placer des côtés TOP et BOTTOM de la carte. Pour plaquer ce PCB contre la face avant en aluminium du boîtier, il a fallu une fois encore réaliser en impression 3D une nouvelle pièce en plastique (intercalaire).

^{Figure 3. Conception à deux cartes}

Bien que fonctionnel (voir ici), ce design s’est avéré coûteux et difficile à monter contrairement à l’objectif initial, notamment à cause des nombreuses pièces nécessaires en plus des cartes assemblées.

En outre, certaines contraintes antagonistes conduisent inévitablement à des surcoûts :

forts courants/hautes tensions dans certaines zones peu denses de la carte où deux couches (TOP et BOTTOM) suffisent,
fortes densités de composants de petite taille où on souhaite disposer de 4 couches avec des faibles tensions et courants permettant d’utiliser des épaisseurs de cuivre faibles autorisant des largeurs de pistes et d’isolation réduites.

5. Conclusion

Pour toutes ces raisons, une conception scindée en davantage de cartes (figure 4) est probablement le meilleur compromis technico-économique dans pareil cas.

^{Figure 4. Conception à 5 cartes}

On peut par exemple concentrer toute la partie « commande » sur une carte unique commune avec l’IHM et donc placée derrière la face avant alors que d’autres cartes constituent l’interface avec le module de puissance :

carte de commande rapprochée (drivers),
carte de mesure de courant,
carte de mesure de tension,
carte « busbar » pour les connexions de puissance du bus DC,
carte « ventilateurs ».

Dans chaque cas, il est alors possible de choisir la technologie de PCB la plus adaptée en fonction des besoins :

1. Par exemple, dans le cas de la carte « ventilateurs », les tensions et courants mis en jeu sont faibles de même que la densité des composants à y placer (connecteurs, condensateurs de découplage, transistors de petite puissance, etc.). Une carte disposant d’une épaisseur de cuivre standard de 35 µm est donc parfaitement suffisante dans ce cas et le routage peut aisément être mené à bien avec 2 couches seulement,

2. Les cartes « busbar » et de mesure de courant sont quant à elles traversées par des courants forts (typiquement 50 A). Dans ces conditions, une épaisseur de cuivre (toujours standard) de 70 voire 105 µm est souhaitable. Et comme la densité de composants reste faible, une carte double face est encore une fois à privilégier.

3. Pour la mesure de tension, les courants sont faibles mais les tensions sont importantes : l’épaisseur du cuivre importe donc peu (35 µm suffisent) mais une découpe du PCB sera probablement nécessaire pour vérifier une règle sévère de creepage. L’usinage de carte étant une option (payante), il peut être utile de limiter cette opération à une carte de taille réduite à double voire simple face déjà peu coûteuse.

4. Finalement, la mise en œuvre d’une carte à 4 couches ne se justifiera réellement que sur la carte de face avant intégrant la circuiterie de commande associée à une interface tactile réduisant les coûts mais nécessitant une surface TOP parfaitement plate (sans composant [2]).

[1] On peut ajouter davantage de bras de pont pour obtenir des structures encore plus complexes.

[2] A l’exception de connecteurs de type BNC soudés à la carte mais traversant la plaque en aluminium de la face avant.

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A propos de l'auteur

Nicolas Patin a obtenu en 2006 un doctorat en électronique, électrotechnique et automatique de l’école normale supérieure de Cachan. Il est depuis septembre 2007 maître de conférences à l’université de technologie de Compiègne (UTC) où il enseigne l’électronique et plus particulièrement l’électronique de puissance au sein de la formation d’ingénieur au sein d’une filière Mécatronique Actionneurs, Robotisation et Systèmes (MARS). Il mène en parallèle des recherches en électronique de puissance et plus précisément sur les stratégies de modulation appliquées aux convertisseurs statiques et à leur impact sur le vieillissement des condensateurs de découplage (aluminium électrolytiques).

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