ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КОМПОНЕНТОМ, ТАКИМ КАК СИЛОВОЙ КОМПОНЕНТ
ELECTRICAL CIRCUIT FOR CONNECTION WITH ELECTRICAL COMPONENT, SUCH AS POWER COMPONENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к электрической цепи, содержащей гибкие электрические цепи, называемые гибкими цепями, и применению этой цепи для соединения преобразователей мощности, предназначенных, в частности, для установки на борту, в особенности, интегрированных в суровые окружающие условия для управления токами, составляющими от 1 А до 200 А.
Изобретение применяется, в частности, в электронике управления приводами летательных аппаратов, такими как тормозные приводы, приводы управления полетом и т.д.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время преобразователи малой мощности обычно состоят из прерывателей мощности, которые обеспечивают изменение передачи энергии от одной сети к другой, развязывающих конденсаторов, которые сглаживают изменение передачи энергии, и электроники, которая управляет этими прерывателями в соответствии с логикой, заданной пользователем. Передача энергии контролируется изменением передачи, называемым чередованием, которое заключается в попеременном подключении и отключении двух цепей, при этом одна цепь обрабатывается выключателями как источник напряжения, а вторая цепь - как источник тока.
Сочленение выключателей мощности с развязывающими конденсаторами является ключевым моментом работы системы, так как важным моментом является динамика токов размыкания источника тока выключателями мощности.
Эта динамика токов может привести к перенапряжениям на выключателях в несколько десятков, и даже сотен вольт, если индуктивность соединения между выключателями мощности и емкостью размыкания не согласована. Эти перенапряжения могут ухудшить кпд преобразования электроэнергии, повредить выключатели и вызывать чрезмерное свечение.
Существующие в настоящее время решения проблем перенапряжений заключаются в размещении металлических проводников источника напряжения таким образом, чтобы уменьшить индуктивность паразитного соединения между выключателями мощности и емкостью размыкания, в частности, путем наложения этих проводящих элементов.
До сего дня преобразователи малой мощности выполнялись из компонентов, называемых дискретными, и пассивных компонентов, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, и устанавливаемых на жестких многослойных печатных платах, называемых РСВ («printed circuit board» на англ. яз.), или из силовых модулей и пассивных компонентов, соединенных между собой через электрическую цепь жесткой шины, называемую жесткой шиной, содержащей проводящие слои, разделенные между собой электроизолирующими слоями.
В настоящее время находящиеся на борту электронные устройства должны быть все более интегрированными, в частности в области самолетостроения, что подразумевает два ограничения:
- физическая конструкция этих устройств должна быть адаптирована к доступному пространству, следствием чего является выполнение физически сложных монтажных операций существующими средствами, которые физически к этому мало приспособлены, так как устройства РСВ и шины по своей природе являются обычно плоскими;
- физическая конструкция этих устройств должна, кроме того, быть более стойкой к повышению температуры окружающей среды, связанному с природой работы вследствие преобразования в ограниченном пространстве большего количества электроэнергии и с определенным кпд, что вызывает разогревы.
Этот разогрев системы, совмещенный с жестким переносом узла из силовых компонентов, вызывает термомеханические напряжения, связанные с использованием многих материалов (металлические полимеры …), которые имеют различные коэффициенты теплового расширения и могут, таким образом, вызвать значительные термомеханические напряжения на контактных участках, в частности, паяных контактных соединениях узла, что ограничивает срок службы и надежность узла.
Таким образом, обычные электрические устройства для соединения электрических преобразователей имеют ограниченную температуру работы и не подходят для работы в условиях перегрева.
В настоящее время эти устройства, как правило, изготовляются либо монтажом компонентов, называемых дискретными, на подложках печатных плат РСВ, либо на шине.
Силовые компоненты, называемые дискретными, например, электрические контактные модули, установлены на жесткой печатной плате (РСВ), содержащей последовательность изолирующих слоев и проводников. Управление силовыми компонентами обычно встроено в эту плату. Такое выполнение узла, удобное и экономически обоснованное, обычно используется для изготовления преобразователей малой и средней мощности. Кроме того, оно позволяет объединить силовые и управляющие компоненты. Однако это решение объединения компонентов не обеспечивает легкости физического объединения последних по трем осям в пространстве или в 3D и его срок службы, как и надежность работы, остаются ограниченными, особенно в случае повышенных термических циклов и/или частоты работы.
В шинных монтажах силовые компоненты обычно устанавливаются на жесткой основе, форма которой может быть придана посредством изгибания, состоящей обычно из слоев проводников, разделенных слоями электрической изоляции. Связь с управлением компонентами осуществляется через электрические соединения на силовых модулях. Такой монтаж имеет более высокую стоимость и обычно используется для изготовления преобразователей средней и большой мощности. Они легче в интеграции объемных компонентов, однако, остаются ограниченными. Кроме того, съемные средства соединения типа винт-гайка, которые можно использовать, ограничивают механическую интеграцию компонентов и повышают стоимость монтажа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на осуществление соединения силовых компонентов при монтаже бортовых электрических цепей, в частности, используемых в суровых окружающих условиях и обеспечивающих управление токами, превышающими 1 А и меньшими 200 А.
Предложена электрическая цепь в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
Под однородной плотностью тока понимают плотность тока, по существу, постоянную в любой точке поверхности контакта.
2
2
2
Упомянутая плотность тока предпочтительно составляет от 4,5 до 5,5 А/мм, предпочтительно составляет от 4,8 до 5,2 А/мм и, в частности, равна 5 А/мм.
Такая электрическая схема позволяет, таким образом, связать силовой электрический компонент с гибкой электрической платой, платой относительно гибкой и адаптируемой в объеме имеющегося пространства, ограничивая плотность тока на контактах, следствием чего является уменьшение, с одной стороны, нагрева при передаче тока на контактные части и, с другой стороны, механических напряжений на контактных частях. Этот контроль плотности прохождения тока по контактным частям компонента гибкой платы позволяет последней, таким образом, выдерживать более значительный электрический ток, чем ток при классическом монтаже, и, таким образом, позволяет подключить силовой компонент к гибкой плате с токами, составляющими от 1 до 200 А, в частности, с токами от 30 до 80 А.
Упомянутая электропроводящая деталь представляет собой предпочтительно металлическую деталь, предпочтительно, из меди, латуни или алюминия, содержащую относительно протяженные и массивные контактные части, что позволяет контролировать плотность прохождения тока в зоне контакта и сгладить локальные концентрации механических усилий в этой зоне контакта.
Электропроводящая часть может иметь форму цилиндрической втулки или части цилиндрической втулки, снабженной плоским кольцом, причем первая контактная часть образована внутренней цилиндрической стороной втулки или части втулки, а вторая контактная часть образована стороной кольца.
2
Протяженность в ширину упомянутой второй контактной части может, в частности, соответствовать ширине гибкой платы. Протяженность в длину (перпендикулярную ширине) второй контактной части выбрана такой, чтобы обеспечить контактной поверхности возможность передачи плотности электрического тока, меньшей 20 А/мм.
Кроме того, упомянутая электропроводящая деталь предпочтительно выполнена с возможностью обеспечения стыка контактных частей с гибкой платой и компонентом, которое может быть осуществлено в определенном способе соединения, например, мягкой или твердой пайкой, лазерной или электрической сваркой, спеканием и т.д.
Первая контактная часть может иметь поверхность, комплементарную контактному элементу компонента, например, штифту или контактной лапке компонента, выполненную с возможностью осуществления контакта с контактным элементом компонента, в частности, упомянутым контактным штифтом или упомянутой контактной лапкой компонента.
Вторая контактная часть может иметь плоскую поверхность, выполненную с возможностью осуществления плоского контакта с упомянутым проводящим слоем гибкой платы.
Электропроводящая деталь или диффузор тока предпочтительно имеет форму цилиндрической втулки, снабженной плоским кольцом на одном из своих концов или на периферии, причем выполнена с возможностью осуществления контакта со штифтом компонента посредством внутренней цилиндрической стороны втулки и осуществления контакта с проводящим слоем гибкой платы посредством наружной стороны кольца.
Первая контактная часть, таким образом, образована, по меньшей мере, одной частью внутренней цилиндрической стороны втулки.
Вторая контактная часть, таким образом, образована упомянутой наружной стороной кольца.
Первая контактная часть может быть также выполнена в форме части цилиндра, входящей в контакт с концевой частью контактного штифта электрического компонента и на части сечения контактного штифта, а вторая контактная часть является плоским кольцом, наложенным своей наружной поверхностью на поверхность нижнего проводящего слоя гибкой платы.
Штырь или контактный штифт может, кроме того, проходить частично или полностью через гибкую плату, например, через металлизированное отверстие или через гибкую плату.
Гибкая плата, образованная слоями меди, изолированными между собой слоем из диэлектрического изолятора, предпочтительно имеет сечение по толщине, примерно меньшее 30 микрометров, что дает возможность изгиба и скручивания гибкой платы, например, при адаптации к имеющемуся пространству в интегрированной среде, что обеспечивает, по меньшей мере, ось свободы упомянутому электрическому компоненту, с которым она связана.
Гибкая плата, предпочтительно, образована двумя слоями меди, изолированными между собой средним слоем из диэлектрического изолятора.
Гибкая плата может содержать, кроме упомянутого силового компонента, другие электрические компоненты, например, один или несколько пассивных компонентов, предпочтительно, управляющий компонент цепи.
Упомянутым диэлектрическим изолятором является, предпочтительно, полиимидная смола, которая обладает стойкостью при температуре, превышающей 200°С, что позволяет осуществить, кроме паяного монтажа при повышенной температуре, улучшающего надежность и срок службы сборки, монтаж, устойчивый к нагревам в замкнутом объеме.
Изобретение относится также к новому применению описанной выше электрической цепи для соединения силовых преобразователей, предназначенных, в частности, для установки на борту, интегрированных в суровые окружающие условия.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематично изображает вид спереди электрической цепи по варианту воплощения изобретения и
Фиг. 2 изображает вид, аналогичный Фиг. 1, варианта воплощения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Идентичные обозначения, используемые на чертежах, относятся к идентичным или технически эквивалентным элементам.
Термины «верхний», «средний» и «нижний» относятся к положению, относящемуся к стандартному положению использования или монтажа.
Термины «продольный» и «поперечный» описывают элементы, проходящие соответственно в заданном направлении и в плоскости, перпендикулярной этому направлению.
2
На Фиг. 1 представленная электрическая цепь содержит гибкую плату 1, которая является гибкой двухсторонней платой, содержащей два плоских печатных электропроводящих слоя 3, например, медных. Эти проводящие слои наложены друг на друга и изолированы один от другого средним плоским диэлектрическим слоем смолы 5 с высокой термостойкостью, например, типа полиимида. Толщина каждого из проводящих 3 и изолирующего 5 слоев в данном случае равна примерно 10 мкм. Следовательно, толщина сечения гибкой платы составляет примерно 30 мкм, что придает ей способность к изгибу и скручиванию. Ширина гибкой платы равна от 3 до 5 сантиметров, что позволяет передавать по цепи ток от 50 до 70 А при плотности тока, проходящего по гибкой плате, меньшей 10 А/мм. Такой ток действительно может быть током электрического компонента, например, током компонента от малой до средней мощности (не изображенного на чертеже), как будет описано ниже.
Гибкая плата 1 содержит две детали 7, образующие контактную связь между гибкой платой и силовым компонентом. Эти контактные детали 7 названы ниже устройствами-диффузорами электрического тока.
Компонент может содержать два цилиндрических контактных штифта 9 в форме штырей (изображенных на чертеже). Электрическая связь этих штифтов 9 с гибкой платой 1 осуществляется с помощью двух электропроводящих деталей или устройств-диффузоров 7 электрического тока.
Эти устройства-диффузоры 7 электрического тока действительно связывают каждый из штифтов 9 электрического компонента с соответствующим проводящим слоем 3 гибкой платы. Эти штифты 9 расположены каждый в металлизированном отверстии или по пути 11, образованном в гибкой плате, перпендикулярно поверхности последней. Нижний путь 11 в гибкой плате также образован для левого штифта 9 (слева на чертеже), а верхний путь 11 на гибкой плате образован для правого штифта.
Диффузоры 7 электрического тока являются идентичными, выполненными каждое из металлической детали с хорошей электропроводностью, предпочтительно медной, и содержащую две контактные части 13, 15, каждая из которых соответственно предназначена для обеспечения электрического контакта с одним из штифтов 9 электрического компонента и с проводящим слоем 3 гибкой платы.
Деталь-диффузор 7 тока в данном случае имеет форму цилиндрической втулки 17, снабженной на одном из своих концов плоским кольцом 19, предназначенным для осуществления контакта с контактным штифтом 9 компонента посредством внутренней цилиндрической стороной 21 втулки и обеспечения контакта с проводящим слоем 3 гибкой платы наружной стороны 23 кольца.
Первая контактная часть 13 образована, таким образом, внутренней цилиндрической стороной 21 втулки.
Вторая контактная часть 15 образована, таким образом, упомянутой наружной стороной 23 кольца.
Контактный стык двух контактных частей 13, 15 соответственно со штифтом 9 компонента и с проводящим слоем 3 гибкой платы получают пайкой соединяемых деталей. При этой пайке между двумя контактными частями получается промежуточный проводящий слой 25 припоя между расположенными одна напротив другой частями - часть 13, соответствующая штифту 9 компонента, и часть 15, соответствующая проводящему слою гибкой платы, при этом этот промежуточный проводящий слой 25 стыка несколько выходит снаружи каждой контактной части 13, 15.
2
2
На чертеже видно, что деталь-диффузор 7 тока благодаря своей массивности и протяженности своей поверхности (от части 15), контактирующей с гибкой платой, позволяет уменьшить плотность электрического тока в контактных зонах, которая выбрана величиной, меньшей 20 А/мм, предпочтительно составляет между 4,5 и 5,5 А/мм, относительно контактной поверхности контактных частей 13, 15 с компонентом и гибкой платой, соответственно. Эта характеристика уменьшает нагрев контактных соединений и значительно повышает надежность монтажа соединения.
Кроме того, массивность диффузоров 7 тока придает им достаточную прочность, чтобы быть точкой механического соединения между гибкой платой и компонентом, обеспечивающей, например, механическую связь гибкой платы с установленным электрическим компонентом, зная, что гибкая плата может быть деформирована для расположения компонента. И наоборот, возможная деформация гибкой платы на изгиб и кручение позволяет придать определенную свободу размещения компонента на гибкой плате для приспособления в замкнутом пространстве, в частности, в рамках комплексного монтажа.
Детали-диффузоры 7 тока могут иметь другую форму, изображенную на Фиг. 2, чем форма, описанная выше. Деталь-диффузор 7 тока, слева на чертеже, также имеет форму втулки 17, но последняя является более длинной, чем предыдущая, установленная поперечно в гибкой плате через сквозной проход 11, выполненный в гибкой плате. Эта деталь-диффузор тока содержит, кроме того, контактное кольцо 19 на своей периферии, по существу, в верхней части втулки, причем это кольцо своей нижней стороной контактирует с поверхностью верхнего проводящего слоя 3 гибкой платы.
Деталь-диффузор 7 тока, справа на чертеже, содержит первую контактную часть в форме цилиндрического участка 27, например, полуцилиндра, контактирующего с концевой частью штифта 9, и на части его сечения (середины), а второй контактной частью является плоское кольцо 29, наложенное своей наружной поверхностью на поверхность нижнего проводящего слоя 3 гибкой платы. В соответствии с этим вариантом контактные штифты 9 являются внешними относительно гибкой платы 1, находясь снизу последней.
Изобретение не ограничено описанными и представленными примерами воплощения. Например, можно предусмотреть другие формы для контактных частей диффузоров тока, которые адаптированы (комплементарны) к форме контактных элементов устанавливаемого электрического компонента.