Модульный преобразователь питания
MODULAR POWER CONVERTER

Изобретение относится к области силовой электроники, в частности для использования в системах постоянного или переменного тока в качестве источника вторичного электропитания, например в системах собственных нужд локомотивов.
В последнее время все большее внимание уделяется улучшению массогабаритных показателей преобразователей питания и систем, построенных на их основе при заданной мощности (т.е. повышение удельной мощности). Одним из путей решения этой задачи является осуществление компоновки преобразователя в виде отдельного, максимально компактного модуля без собственной системы охлаждения, имеющего возможность установки на внешний охладитель любого типа. Такой подход позволяет создавать системы питания различной конфигурации, мощности и назначения, а также упрощает их производство, тестирование и ремонтопригодность.
Вместе с тем, для повышения удельной мощности преобразователя необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от компонентов его схемы, при этом обеспечивая электрическую изоляцию от заземленного металлического основания, что создает основную проблему при конструировании. Перегрев компонентов напрямую влияет на надежность изделия и сужает допустимые условия эксплуатации.
Из уровня техники известен «модуль вторичного электропитания» (патент РФ №19440 с датой публикации 27.08.2001), содержащий металлическое основание, печатную плату, теплопроводную изоляционную прокладку, тепловыделяющие электрические элементы (ТВЭ), штыри крепления и выводы, при этом ТВЭ прижимаются печатной платой к металлическому основанию через теплопроводную изоляционную прокладку.
Перечисленные признаки присущи и монолитному DC-DC модулю, известному из патента РФ 53835 с датой публикации 27.05.2006 г. Это решение отличается тем, что прижим ТВЭ дополнительно осуществляется с помощью расширяющегося герметика-демпфера.
Основным недостатком этих технических решений является высокое тепловое сопротивление между основанием и тепловыделяющими элементами, из-за применения изоляционной теплопроводящей прокладки и необходимости обеспечения равномерного прилегания и прижима ТВЭ к основанию. Это ограничивает рассеивание мощности с каждого ТВЭ, что приводит к снижению допустимой мощности модуля или к увеличению его габаритов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному преобразователю является полезная модель RU 153466 с датой публикации 20.07.2015 г. Силовой модуль содержит основание, выводы, корпус, плату с закрепленным на ней полупроводниковым элементом. Полупроводниковые и другие элементы электрической схемы прикреплены пайкой к металлическим проводникам платы, выполненной на алюминиевом основании по алюмооксидной технологии, и соединены с образованием электрической схемы силового модуля, при этом указанная плата является основанием силового модуля
Плата на алюминиевом основании обеспечивает хороший теплоотвод от ТВЭ, однако недостатком данного решения является малая монтажная площадь, ограниченная одной стороной платы - основания, что ограничивает количество размещаемых элементов, а также затрудняет выполнение топологических связей между ними.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такого универсального модульного преобразователя питания, использование которого автономно или в системах позволит устранить вышеперечисленные недостатки существующих и используемых модулей электропитания.
Технические результаты, обусловленные использованием заявляемого универсального модульного преобразователя питания предложенной конструкции, позволят повысить удельную мощность и надежность преобразователя за счет обеспечения низкого теплового сопротивления между теплоотводящим основанием и основными тепловыделяющими элементами схемы, а также эффективного использования полезного объема внутри модульного преобразователя за счет использования создаваемых дополнительных монтажных плоскостей на плате управления.
Заявленные технические результаты достигаются в конструкции модульного преобразователя питания, содержащего несущую силовую печатную плату на металлическом (алюминиевом) основании, тепловыделяющие элементы (ТВЭ), соединительные контакты и выводы. Тепловыделяющие элементы (транзисторы, диоды и др., выделяющие значительное количество тепла) распаяны на печатной плате методом поверхностного монтажа. Также на силовой плате могут быть размещены индуктивные компоненты (трансформатор, дроссель), сердечники которых имеют тепловой контакт с силовой платой, обеспеченный, например с помощью теплопроводного клея. Дополнительно модульный преобразователь питания содержит печатную плату управления, на которой расположены компоненты управления силовой схемой преобразователя и вспомогательные узлы, например драйверы, служебный источник питания, цепи обратной связи и др. Печатная плата управления может быть выполнена многослойной для повышения плотности монтажа, а значит удельной мощности.
Между силовой платой и платой управления размещена пластиковая рамка, формирующая боковые стенки модуля и опору для платы управления, а также пластиковую крышку, формирующую верхнюю стенку модуля, таким образом, обеспечивается усиление конструкции и защита от внешних воздействий, что повышает надежность.
Соединительные контакты между платами, а также входные и выходные выводы выполнены в виде лепестков для поверхностного монтажа из медной проволоки специальной формы, обеспечивающей достаточную площадь паяного соединения с печатными дорожками платы. Использование лепестков позволяет эффективно использовать полезный объем внутри преобразователя за счет сокращения длины межплатных связей и минимальной занимаемой площади. Лепестки, выполняющие функцию выводов преобразователя, могут также обеспечивать электрическое соединение силовой платы и платы управления, что позволяет также сократить количество межплатных связей, тем самым повысить эффективность использования полезного объема.
Компоненты (например, конденсаторы, трансформатор, дроссель) на силовой плате могут иметь профиль выше, чем плоскость платы управления, и размещены в отверстиях или пазах платы управления, что позволяет эффективно использовать внутренний объем преобразователя и уменьшить высоту конструкции.
Модульный преобразователь может быть частично или полностью залит теплопроводящим компаундом для обеспечения дополнительного распределения тепла внутри конструкции и увеличения влаго- и виброустойчивости, используя рамку, которая образует емкость для заливки. Таким образом, дополнительно снижается перегрев электронных компонентов в процессе работы, что позволяет повысить удельную мощность и надежность преобразователя питания.
На фигуре 1 представлен вид сбоку модульного преобразователя питания.
Модульный преобразователь питания содержит силовую печатную плату 1 на металлическом основании, тепловыделяющие элементы - транзистор 2, диоды 3, дроссели 4, лепестки 5, 6 для поверхностного монтажа: 5 (5-1; 5-2) - входные и выходные выводы преобразователя питания, 6 - соединительные контакты.
При этом силовая печатная плата 1 состоит из алюминиевой подложки, изоляционного слоя и медных токопроводящих дорожек, обеспечивающих электрическое соединение компонентов схемы (на фиг. не показано). Печатная плата 1 выполняет функции несущего основания модуля и содержит отверстия, позволяющие крепить модульный преобразователь питания к радиатору или другой внешней системе охлаждения.
Тепловыделяющие элементы (такие как транзисторы, диоды, дроссели и др., выделяющие значительное количество тепла) а также другие электрические элементы схемы распаяны на печатной плате 1 методом поверхностного монтажа.
Модульный преобразователь питания содержит трансформатор 7, сердечник 8 которого выполнен из ферромагнитного материала и имеет тепловой контакт с силовой печатной платой 1 посредством клеевого соединения с применением теплопроводящего клея, что позволяет повысить надежность работы преобразователя с одновременным увеличением удельной мощности.
Модульный преобразователь содержит дроссели 4, также имеющие тепловой контакт с силовой печатной платой 1.
Модульный преобразователь питания также содержит печатную плату управления 9, и содержит компоненты управления силовой схемой: контроллер, служебный источник питания и др.
Компоненты, распаянные на силовой печатной плате 1, имеющие высокий профиль, например, сердечник трансформатора 8, дроссели 4 располагаются в пазах, выполненных в плате управления методом фрезерования, что позволяет уменьшить общую высоту конструкции преобразователя, а значит повысить удельную мощность преобразователя.
Между силовой платой 1 и платой управления 9 размещена пластиковая рамка 10, формирующая боковые стенки модуля и опору для платы управления, а также пластиковую крышку 11, формирующую верхнюю стенку модуля.
Электрические соединения между силовой печатной платой 1 и платой управления 9 обеспечивается лепестками 5, 6 для поверхностного монтажа.
Модульный источник питания с заявленной конструкцией работает следующим образом.
В процессе работы входное напряжение подается через входные лепестки 5-1 на силовую схему преобразователя, где в ключевом режиме на высокой частоте осуществляется преобразование энергии с помощью полупроводниковых диодов 3, транзистора 2, а также трансформатора 7 и дросселей 4. При этом на них выделяется тепловая мощность потерь, которая отводится силовой печатной платой 1 на внешний охладитель. Сигналы управления транзистором 2 формируются на плате управления 9 и подаются на силовую плату 1 через соединительные лепестки 6. Выходное напряжение снимается через выходные лепестки 5-2.