КОМПОНОВКА ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА ПИТАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L25/16 H01L23/373 

Настоящее изобретение относится к блоку электропитания, который предназначен для использования при применении, например, в авиации, путем присоединения к пускателю, которым он управляет, и блок должен обеспечивать высокую надежность в сложных условиях и малую массу и объем.

Уровень техники

Такой блок инвертера предназначен для включения между источником напряжения и электромагнитным пускателем для подачи сигнала электропитания на электродвигатели пускателя, сигнал питания которого обладает частотой, зависящей от команды, переданной на блок и меняющейся с течением времени.

В качестве примера, этот тип блока может быть использован для перемещения щитка закрылка или некоторого другого аэродинамического элемента самолета в зависимости от команд и рабочих условий, которые могут непрерывно меняться.

На практике такой блок принимает управляющие команды, и, в зависимости от этих команд, регулирует частоту сигнала питания, который он подает на пускатель, и другие параметры сигнала питания.

Такой блок, участок которого показан в схематичном разрезе на фиг. 1 и снабженный номером 1 ссылочной позиции в настоящем документе, включает силовые транзисторы 2, которые удерживаются на платах 3 питания, которые сами удерживаются на медной пластине 4 для диссипации тепла, генерируемого силовыми транзисторами. Он также включает управляющие компоненты 6, которые управляют силовыми транзисторами, при этом удерживаясь на другой плате 7, и интерфейсную плату 8, которая предусмотрена с другими компонентами 9.

Как показано на фиг. 1, плата 7, удерживающая управляющие компоненты 6, расположена над сборкой, сформированной платами 3 питания и пластиной 4, которая их удерживает, при этом они также расположены с промежутком от сборки, тем самым позволяя сократить длину соединителей 11, соединяющих управляющие компоненты с силовыми транзисторами 2.

Платы 3 питания, которые в основном относятся к типу подложек “медь с непосредственной связью/оксид алюминия” (DBC/Al₂O₃), содержат медные дорожки на их верхних поверхностях для приема силовых транзисторов 2, а их нижние поверхности покрыты медью.

Каждая плата 3 питания прикреплена к медной пластине 4 припаиванием к верхней поверхности пластины, и медная пластина 2 обладает противоположной поверхностью, примыкающей к опорной структуре, представляющей собой теплоотвод для охлаждения блока 1 за счет теплопроводности, когда сборка установлена на своем месте, и самыми горячими участками блока являются силовые транзисторы.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение структуры блока электропитания, которая обладает надежностью, компактностью и массой, которые являются более удовлетворительными, чем у известных блоков.

Раскрытие изобретения

Для этого в настоящем изобретении предлагается блок электропитания, содержащий силовые транзисторы, и управляющие компоненты для управления силовыми транзисторами, блок охлаждается за счет теплопроводности, и блок электропитания отличается тем, что он дополнительно содержит:

основную плату типа “активное металлическое заземление/нитрид кремния” (AMB/Si₃N₄), удерживающую силовые транзисторы, эта основная плата сама представляет собой рассеивающую тепло пластину для диссипации тепла, генерируемого силовыми транзисторами, за счет компоновки в блоке для прямого контакта с опорной структурой, что обеспечивает охлаждение за счет теплопроводности, когда блок установлен на своем месте; и

керамическую плату, удерживающую управляющие компоненты, эта керамическая плата поддерживается основной платой.

При такой компоновке дополнительный слой меди больше не нужен, поскольку диссипация тепла обеспечивается непосредственно платой, удерживающей все силовые транзисторы. Таким образом, число компонентов блока уменьшается, тем самым можно повысить его надежность, снизить массу и увеличить компактность.

По настоящему изобретению также предлагается описанный выше блок, в котором дорожки на основной плате и дорожки на керамической плате, удерживаемой основной платой, соединены проводами, каждый из которых обладает одним концом, присоединенным к дорожке на основной плате, и другим концом, присоединенным к дорожке на керамической плате.

По настоящему изобретению также предлагается описанный выше блок, в котором керамическая плата относится к типу с толстым слоем оксида алюминия.

По настоящему изобретению также предлагается описанный выше блок, который дополнительно содержит силовые контактные площадки, каждая из которых имеет форму полоски листа проводящего металла, отрезанной и согнутой для удержания соединения зажимной гайки, каждая контактная площадка прикреплена к основной плате присоединением одного или более концов согнутой полоски металлического листа, из которого она сделана, к дорожке платы, каждая гайка предназначена для приема крепежного болта для крепления подающего питание элемента к контактной площадке.

По настоящему изобретению также предлагается описанный выше блок, дополнительно содержащий шину питания в виде многослойной части, изготовленной из листов меди и каптона и содержащей выводы в виде отверстий, эта шина прикреплена к остальной части блока посредством крепежных болтов, проходящих через блок и ввинченных в контактные площадки.

По настоящему изобретению предлагается описанный выше блок, содержащий металлическую монтажную панель, в котором шина питания содержит слой меди, примыкающий к монтажной панели, когда шина установлена на месте, таким образом, чтобы совместно с монтажной панелью создавать клетку Фарадея.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 (описан выше) показан неполный схематичный вид в разрезе компоновки блока предшествующего уровня техники;

на фиг. 2 показан неполный схематичный вид в разрезе компоновки по настоящему изобретению;

на фиг. 3 показан вид силовых контактных площадок, удерживаемых основной платой блока по настоящему изобретению;

на фиг. 4 показан вид силовых контактных площадок, присоединенных к силовой шине блока по настоящему изобретению;

на фиг. 5 показан вид сверху в перспективе силовой контактной площадки блока по настоящему изобретению;

на фиг. 6 показан вид в перспективе снизу силовой контактной площадки блока по настоящему изобретению;

на фиг. 7 показан вид сверху силовой шины силового блока по настоящему изобретению;

на фиг. 8 показана в разобранном виде силовая шина блока по настоящему изобретению, где показаны слои, составляющие ее пакет; и

на фиг. 9 показан вид в перспективе силовой шины блока по настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Основная идея настоящего изобретения состоит в объединении силовых транзисторов на одной подходящей общей основной плате, чтобы избежать необходимости дополнительной рассеивающей тепло пластины. Это позволяет уменьшить размеры и массу результирующей сборки, в то же самое время устраняя недостоверность надежности, путем припаивания силовых плат к медной пластине.

Такое припаивание составляет источник отказа для известных блоков из-за относительного расширения, которому подвержены эти блоки, тем самым создавая напряжение пайки в месте ее растрескивания, или, действительно, разрушая ее.

Более точно, по настоящему изобретению основная плата, удерживающая силовые транзисторы, представляет собой одиночную плату (подложку) типа AMB/Si₃N₄. Плата этого типа обладает механическими и тепловыми характеристиками, которые дают повышенную механическую и термическую стойкость в течение рабочих циклов, так что она также может представлять собой рассеивающую тепло пластину без риска ухудшения.

В блоке по настоящему изобретению, который схематично показан на фиг. 2, и который обозначен номером 14 ссылочной позиции в настоящем документе, различные силовые транзисторы 15, составляющие силовой мост блока, удерживаются на общей основной плате 16 типа AMB/Si₃N₄, которая предусмотрена с медными дорожками на верхней поверхности, а также обладает нижней поверхностью из меди.

Чтобы дополнительно повысить компактность, управляющие компоненты 17 и связанные с ними цепи подачи питания, которые управляют силовыми транзисторами 15, а также температурные датчики, удерживаются на плате, изготовленной из керамики 18, которая сама удерживается непосредственно на основной плате 16, к которой она присоединена адгезивом.

Предпочтительно керамическая плата 18 относится к типу с толстым слоем оксида алюминия, чтобы она обладала высокой теплопроводностью для облегчения эффективного отвода тепла, генерируемого управляющими компонентами.

Все силовые транзисторы и все компоненты, которые ими управляют, таким образом, сгруппированы на одной и той же общей опоре, составляющей основную плату 16, которая также действует как рассеивающая тепло пластина.

Как показано на фиг. 2, управляющие компоненты 17 присоединены к силовым транзисторам 15 посредством термокомпрессионного соединения 19 проволочных выводов, которое позволяет соединить дорожки, расположенные на верхней поверхности керамической платы 18 с дорожками, расположенными на верхней поверхности основной платы 15.

В предшествующем уровне техники каждый силовой транзистор 15 присоединен к дорожке платы 16 питания посредством термокомпрессии (сварки) проволочных выводов непосредственно на дорожке, и он присоединен к другой дорожке на верхней поверхности этой платы посредством термокомпрессии (сварки) проволочных выводов на верхней поверхности транзистора и на рассматриваемой дорожке, используемыми силовыми транзисторами являются транзисторы, которые не имеют защитной упаковки.

Как показано на фиг. 2, основная плата 16 смонтирована непосредственно напротив опорной структуры 21, которая образует теплоотвод, когда блок по настоящему изобретению находится на месте, таким образом, чтобы эффективно охлаждать силовые транзисторы. Другими словами, основная плата у основания сборки по настоящему изобретению также представляет собой рассеивающую тепло пластину для блока.

Кроме того, управляющие компоненты, удерживаемые керамической платой, физически находятся очень близко от силовых транзисторов, которыми они управляют, тем самым давая вклад в лучшее функциональное поведение системы.

Интерфейсная плата 22, удерживающая другие компоненты 23, может быть помещена над сборкой, представляющей собой плату 16 питания с различными элементами, которые она удерживает, а именно силовыми транзисторами, керамической платой и управляющими компонентами. Эта интерфейсная плата 22 затем расположена с промежутком от сборки, представляющей собой основную плату 16 с элементами, которые она удерживает, когда она продолжается параллельно этой сборке.

Дополняющим образом металлический каркас 24, который присоединен адгезивом к плате питания, позволяет прикрепить эту плату с ее элементами к интерфейсной плате 22, при этом образуя внутреннее пространство, окружающее силовые транзисторы и их управляющие элементы. Эта внутренняя полость предпочтительно заполнена гелем для защиты электронных компонентов.

Как указано выше, электрический блок подвержен циклическим изменениям температуры, которые являются значительными, порождая относительное расширение, которое может создавать механическое напряжение его компонентов до точки их разрушения.

В этом контексте блок по настоящему изобретению снабжен силовыми контактными площадками 26, удерживаемыми основной платой 16, для питания блока, и посредством которых блок подает сигнал питания. По настоящему изобретению площадки предназначены для обладания некоторой способностью сгибаться, чтобы лучше выдерживать эффект относительного расширения.

Как показано на фиг. 5, каждая площадка 26 содержит листовой металлический элемент, который отрезан и согнут, во-первых, для удержания соединения гайки и, во-вторых, для образования двух концевых язычков, которые отогнуты назад таким образом, чтобы они находились в одной плоскости, чтобы можно было прикрепить их спаиванием к дорожке платы 16.

Когда они установлены на месте, т.е. когда они припаяны к основной плате 16, каждая контактная площадка 26 принимает болт 27 для сцепления с резьбой гайки, которая его окружает, чтобы закрепить полоску силового электрического соединения, эти полоски обозначены номером 28 ссылочной позиции на фиг. 6.

Как показано на фиг. 5 и 6, все разные контактные площадки 26, которые идентичны, обладают верхними поверхностями на одном и том же уровне, когда они припаяны к основной плате 16, тем самым сохраняя зазор между соединительными полосками 28 и основной платой 16, когда сборка находится на месте.

Как очевидно, полоска 28 прикреплена к площадке 26 посредством болта 27, который проходит через отверстие, предусмотренное в конце полоски, и который сцепляется с площадкой 26 таким образом, чтобы плотно зажать указанный конец соединительной полоски 28 между головкой 27 болта и основной частью площадки 26.

Каждая площадка 26 изготовлена из полоски медного листа 29, отрезанного для создания, по существу, прямоугольного контура и с центральным отверстием 31, расположенным между двумя основными язычками 32 и 33, которые продолжаются при совмещении друг с другом и которые соответствуют основным концам прямоугольного контура.

Эта отрезанная полоска листа 29 также обладает четырьмя язычками 36, 37, 38 и 39, продолжающимися радиально наружу относительно центральной области, которая образует отверстие 31. Как показано на чертежах, два основных язычка и четыре язычка расположены с промежутком друг от друга на шестьдесят градусов вокруг центрального отверстия 31.

Основные язычки 32 и 33 полоски листа 29 отогнуты назад и вниз, чтобы они охватывали шестигранную гайку 41, при этом удерживая ее соединение. Дополнительно свободные концы 42 и 43 язычков 32 и 33 отогнуты назад и вниз, чтобы они лежали в одной плоскости, позволяя припаять их к медной дорожке основной платы 16.

Дополняющим образом язычки 36 и 38 также отогнуты назад и вниз, чтобы совместно с остальной частью полоски листа 29 они образовывали клетку, удерживающую гайку 41 совершенно неподвижно, и язычки 37 и 39 отогнуты назад в противоположных направлениях, чтобы они выступали за верхнюю поверхность площадки 26 для удержания в положении соединительной полоски 28, которую должна принимать площадка.

Посредством их общей структуры эти площадки 26, изготовленные из согнутого медного листа, обладают способностью сгибаться, тем самым нет риска относительного расширения, которому подвержен блок, приводящего к повреждению блока или его соединений. Каждая площадка значительно отгибается в случае относительного расширения, тем самым вызывая соответствующее снижение механического напряжения, вызванного в компонентах блока.

В частности, каждая площадка 26 обладает некоторой способностью сгибаться в предпочтительном направлении, соответствующем оси, перпендикулярной основным частям отогнутых назад язычков 32 и 33.

Блок по настоящему изобретению также содержит шину передачи питания, которая присоединена к площадкам 26 посредством болтов 27 и которая также образует крышку, закрывающую основную часть или панель блока 14, и которая не видна на чертежах.

Эта шина питания, которая показана на фиг. 7, 8 и 9, на которых она обозначена номером 44 ссылочной позиции, представляет собой шину питания, которая проводит сильный электрический ток для питания блока и сильный электрический ток, который блок подает на пускатель, которым он управляет.

По настоящему изобретению эта шина передачи питания, которая обладает, по существу, плоской формой, которая определяется прямоугольным контуром, изготовлена в виде многослойного элемента, формирующего пакет слоев меди и слоев каптона, которые образуют изоляторы.

Она предусмотрена с пятью внешними соединительными язычками, которые выступают из одного из ее продольных краев и обозначены номерами 46а-46е ссылочных позиций, и которые электрически соединены с пятью соответствующими выводами 47а-47е, расположенными в центральной области шины 44 и обладающими формой сквозных отверстий с проводящими внешними кольцами.

Язычок 46а присоединен к выводу 47а посредством площадки 28, часть которой он составляет, и, аналогичным образом, язычки 46b, 46с, 46d, 46е электрически соединены с соответствующим выводами 47b, 47с, 47d и 47е посредством отдельных площадок 28.

Эти электрические соединения в шине 44 обеспечиваются пакетом элементов, содержащих три слоя 48, 49 и 50 меди, показанные на фиг. 8, которые изолированы друг от друга слоями каптона (не показаны). Дополнительно два добавочных слоя 52 и 53 смонтированы на верхней поверхности и на нижней поверхности тины 44, как показано на фиг. 8 и 9.

Верхний слой 48 меди имеет форму пластины, предусмотренной с четырьмя отверстиями большого диаметра на выводах 47b-47е. Она предусмотрена с меньшим отверстием на выводе 47а, чтобы сформировать этот вывод, и она также предусмотрена с язычком 46а, который, таким образом, соединен электрически с выводом 47а.

Средний слой 49 меди содержит четыре отдельных медных элемента, которые образуют язычки 46а-46е и выводы 47b-47е. Как очевидно, каждый из четырех элементов представляет собой одну из четырех площадок 28 по фиг. 4. Другими словами, эти четыре элемента, соответственно, соединяют язычки 46b-46е с выводами 47b-47е, будучи расположенными таким образом, чтобы они были электрически изолированы друг от друга. Каждый вывод 47b-47е образован в одном из этих элементов в виде отверстия относительно малого диаметра. Кроме того, элемент, который проходит через вывод 47а, обладает отверстием с большим диаметром (не показано на фиг. 8) у вывода.

Нижний слой 50 имеет форму одиночной медной пластины, образованной, по существу, прямоугольным контуром, и он примыкает к панели блока, когда шина 44 прикреплена к этой панели, чтобы совместно с панелью блока они образовывали клетку Фарадея, т.е. клетку, которая изолирует внутренние компоненты блока от внешних электромагнитных помех.

Как очевидно, этот нижний слой 50 меди предусмотрен с пятью отверстиями большого диаметра на выводах 47а-47е.

Как показано на фиг. 8, нижний слой 53 изолятора обладает размерами, по существу, меньше, чем размеры пластины 50, чтобы контур пластины был разомкнут и чтобы она электрически контактировала с панелью блока, когда сборка установлена на своем месте.

Два дополнительных слоя каптона проложены соответственно между слоями 48 и 49 и между слоями 49 и 50, чтобы эти слои были полностью изолированы друг от друга.

Дополняющим образом шина 44 питания удерживает два конденсатора, обозначенные номерами 55 и 56 ссылочных позиций, смонтированные на верхнем слое изолятора 52, каждый из этих конденсаторов соединен сначала с верхним слоем 48 меди, а затем со средним слоем 49 меди, который присоединяет язычок 46b к выводу 47b.

Как показано на фиг. 9, когда шина 44 установлена на место на панели блока по настоящему изобретению, который она оснащает, болты 27 проходят через шину у каждого вывода 47а-47е, чтобы они были зажаты в способных сгибаться площадках 26, которые удерживаются основной платой 16. Таким образом, шина и закрывает панель или пакет, тем самым создавая клетку Фарадея, электрически изолирующую инвертер, а также обеспечивает соединения с источником питания и пускателем посредством язычков 46а-46е.

Использование: для создания блока питания. Сущность изобретения заключается в том, что блок электропитания содержит силовые транзисторы и управляющие компоненты для управления силовыми транзисторами и охлаждаемый посредством теплопроводности, при этом блок электропитания дополнительно содержит: основную плату типа AMB/Si₃N₄, несущую силовые транзисторы, причем основная плата представляет собой рассеивающую тепло пластину для диссипации тепла, генерируемого силовыми транзисторами, посредством их расположения в блоке в непосредственном контакте с несущей структурой, обеспечивающей охлаждение посредством теплопроводности, когда блок установлен на своем месте; и керамическую плату, несущую управляющие компоненты, причем керамическая плата установлена на основной плате. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения числа компонентов блока, повышения надежности, снижения массы, увеличения компактности. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Блок (14) электропитания, содержащий силовые транзисторы (15) и управляющие компоненты (17) для управления силовыми транзисторами (15) и охлаждаемый посредством теплопроводности, при этом блок электропитания дополнительно содержит:
основную плату (16) типа AMB/Si₃N₄, несущую силовые транзисторы (15), причем основная плата (16) представляет собой рассеивающую тепло пластину для диссипации тепла, генерируемого силовыми транзисторами (15), посредством их расположения в блоке (14) в непосредственном контакте с несущей структурой (21), обеспечивающей охлаждение посредством теплопроводности, когда блок (24) установлен на своем месте; и
керамическую плату (18), несущую управляющие компоненты (17), причем керамическая плата (18) установлена на основной плате (16).

2. Блок по п. 1, в котором дорожки основной платы (16) и дорожки керамической платы (18), установленной на основной плате (16), соединены проводами (19), у каждого из которых один конец соединен с дорожкой основной платы (16), а другой конец соединен с дорожкой керамической платы (18).

3. Блок по п. 1, в котором керамическая плата (18) относится к типу платы с толстым слоем оксида алюминия.

4. Блок по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащий силовые контактные площадки (26), каждая из которых имеет вид полоски проводящего металлического листа (29), отрезанного и согнутого для удержания соединения зажимной гайки (41), причем каждая площадка (26) прикреплена к основной плате (16) путем соединения одного или более концов согнутой полоски металлического листа, из которого она выполнена, к дорожке платы, причем каждая гайка (41) выполнена с возможностью приема крепежного болта для прикрепления элемента питания к площадке.

5. Блок по п. 4, дополнительно содержащий шину (44) питания в виде многослойной детали, выполненной из слоев меди и каптона и имеющей выводы (47а-47е) в виде отверстий, причем шина прикреплена к остальной части блока посредством крепежных болтов (27), проходящих через блок и ввинченных в площадки (26).

6. Блок по п. 5, содержащий металлическую панель, при этом шина (44) питания содержит слой (50) меди, примыкающий к панели, когда шина (44) установлена на месте, чтобы совместно с панелью образовывать клетку Фарадея.