CN102271484B - 带整体式散热器的固态开关器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固态开关器件，其具有：散热器；与所述散热器处于导热关系的固态开关元件；以及具有与所述散热器邻近的通风开口的外壳，空气能流经所述通风开口以排除来自所述散热器的热量。在一些公开的实施例中，所述散热器具有鳍片和与外壳中的通风开口对齐的管道，以通过辐射和对流来排除热。在另一些实施例中，散热器是大体平面的基板，在外壳的侧壁中的通风开口靠近所述基板以排除来自所述器件的热量。分隔件从器件横向突出并且容许多个器件并排安装成空气能流经器件之间的空间。

Description

带整体式散热器的固态开关器件

技术领域

本发明大体涉及固态开关器件，更具体地，涉及带整体式散热器(integralheatsink)的固态开关器件。

背景技术

固态开关器件，例如固态继电器、电源和功率模块(powermodule)，会产生热量，如果散热或排热不当，热量会限制器件能处理的功率。

普遍用于排除来自固态器件的热的散热器通常由金属制成，对与它们可能形成接触的人会有热和电冲击两种危险。这些危险有时可以通过将散热器封装在非导热和/或非导电的外壳中来避免，但是外壳将热堵住(trap)，除了通过传导到外壳和从外壳传导之外，会阻止(prevent)热的散发。

发明内容

总地来说，本发明的一个目的是提供一种新的和改进的固态开关器件，其具有改进的散热性。

本发明的另一目的是提供一种具有克服现有技术的局限性和缺点的具有以上特点的开关器件。

这些和其它目的根据本发明提供一种固态开关器件来实现，其具有散热器；与所述散热器处于导热关系的固态开关元件；以及具有与所述散热器邻近的通风开口的外壳，空气能流经所述通风开口以排除来自所述散热器的热量。在一些公开的实施例中，所述散热器具有鳍片和与外壳中的通风开口对齐的管道，以通过辐射和对流进行散热。在另一些实施例中，所述散热器是大体平面的基板，在外壳的侧壁中的通风开口靠近所述基板。分隔件从器件横向地突出并且容许多个器件并排安装成空气能流经所述器件之间的空间。

附图说明

图1是根据本发明的开关器件的一实施例的左前轴测视图。

图2是类似于图1的视图，而盖从器件的左侧移除。

图3是图1实施例的右前轴测视图。

图4是图1实施例中的电路板和相关部件的平面视图。

图5是图1实施例中的散热器的轴测视图。

图6是并排安装在DIN导轨上的图1实施例的三个开关器件的前立面视图。

图7是图6实施例中的三个开关器件的顶平面视图。

图8是根据本发明的开关器件的另一实施例的左前轴测视图。

图9是图8实施例的右前轴测视图。

图10是类似于图8的视图，而盖从器件的左侧移除。

图11是图8实施例中的散热器上的电路板和相关部件的平面视图。

图12是图8实施例中的散热器的轴测视图。

图13是并排安装在DIN导轨上的图8实施例的三个开关器件的前立面视图。

图14是图13实施例中的三个开关器件的顶平面视图。

图15至图17是根据本发明开关器件的附加实施例的顶平面视图。

图18是根据本发明开关器件的另一实施例的左前轴测视图，而盖从器件的左侧移除。

图19是图18实施例中的散热器上的电路板和相关部件的平面视图。

图20是图18实施例中的散热器的轴测视图。

图21是根据本发明开关器件的另一实施例的左前轴测视图，而盖从器件的左侧移除。

图22是图21实施例的右前轴测视图。

图23是图21实施例中的电路板和相关部件的平面视图。

图24是用于本发明的电路板和相关部件的另一实施例的平面视图。

图25是能用于本发明的散热器的另一实施例的轴测视图。

具体实施方式

如图1至图5所示，开关器件包括在外壳28之内安装在散热器27上的电路板26。在此特别实施例中，所述器件是在电路板上有开关电路31和控制电路32的固态继电器。引线框(leadframe)33、34在开关电路31与从外壳外部可接近的、用于连接到待控制电路的盒式接线片(boxlug)端子36、37之间延伸，并且引线框38、39在控制电路32与外壳外部可接近的、同样地用于连接到外部控制电路的盒式接线片端子41、42之间延伸。引线框是刚性结构，盒式接线片端子安装在所述引线框上，并且由所述引线框支承，以及电连接到所述引线框。或者，根据需要，引线框可以是柔性的，例如柔性织物(braid)或电线，而端子安装在外壳上并且由外壳支承。类似地，根据需要，可利用端子组件(block)而不用端子接线片。

电路板26是由陶瓷或其它电绝缘材料制成的平的、大体矩形的板。与开关电路和控制电路相关联的部件安装在所述板的一侧，而所述部件之间的连接由结合到所述板的该侧的表面导体实现。所述板的背侧没有突出或者不平整(irregularities)，所述突出或者不平整会妨碍在遍及所述板的全部表面区域上与散热器进行良好的热接触。根据需要，可以在所述板的背侧增加一层铜以进一步改善热接触。另一种可对开关和/或控制电路进行安装的途径是，在散热器上方施加(applying)和固化(curing)绝缘材料层，例如树脂，然后通过印刷(printing)薄铜层来将导电性电路电迹(conductivecircuittrace)增加到所述绝缘层以互连所述部件。

散热器27具有大体平面的基部43，带有中央安装区域44和位于基部的一侧的并位于安装区域的相反两侧的两组冷却管道46、47。所述管道形成在基部与外壁49、49之间延伸的鳍片48之间，所述外壁49、49与基部隔开并且大体平行于基部。基部、鳍片和外壁通过处理例如挤压(extrusion)、铸造(casting)、或机加工(machining)并且由导热材料例如铝、铜、黄铜、或者甚至高导热性的模制(molded)聚合物树脂形成单元式(unitary)结构。所述管道在端部开口，使得空气能穿过它们从而将来自散热器和两组管道之间安装区域中的电路板上部件的热带走。

外壳28是由电绝缘材料例如耐用的硬质塑料(rigidplastic)制成的相对薄的、平的壳体。它包括一对大体平行的侧壁51、52，电路板和散热器安装在所述侧壁51、52之间，而电路板和散热器的基部平行于所述侧壁。外壳的上壁和下壁53、54是台阶式的(stepped)，外(outer)台阶53a、54a朝向外壳的前部，内(inner)台阶53c、54c朝向后部，中间台阶53b、54b介于其余的台阶之间。

盒式接线片端子36、37正好位于上壁53的台阶53a和53c的下方，而在台阶中电源电路电线能穿过的开口56和在台阶下面的梯级板(riser)58中的开口57供(providingaccessto)端子螺钉36a、37a进出。类似地，盒式接线片端子41、42正好位于下壁54的台阶54a、54c的上方，而台阶中的开口56用于控制电路电线，台阶上方的梯级板58中的开口57用于端子螺钉41a、42a进出。

包括发光二极管(LED)59的状态指示器连接到壳体内的控制电路32，并且延伸通过外壳的后壁61中的开口以提供关于开关电路被打开还是关闭的可视性指示。

通风开口62、63设置在外壳的上下壁的内外台阶中，与散热器27的冷却管道46、47处于轴向对齐。另外，通风栅格(ventilatinggrill)64形成在与散热器的安装区域的背侧邻近的外壳侧壁52中。

在此实施例中，开关器件示出为以垂直位置安装在水平延伸的DIN导轨66上，外壳前侧的夹具(jaw)67将所述器件固定在所述导轨上。外壳的前部还包括安装突出物(tab)68，所述突出物68接收安装螺钉69并且容许将所述器件根据需要安装在面板(panel)(未示出)上而不是在DIN导轨上。

当多个这种器件并排安装在一DIN导轨上时，如图6和图7所示，用于与另一个类似的开关器件的侧壁51相结合的分隔件71从侧壁52的外表面横向地突出。所述分隔件维持邻近器件的壁之间的分隔，使得空气能在器件之间自由流动并且穿过侧壁中的栅格(grill)以及穿过散热器管道和外壳的上下壁中的开口，由此避免邻近器件的侧壁之间的直接接触并且使工作过程中器件之间的共热(co-heating)最小化。在此特别实施例中，所述分隔件示出为短的、圆柱体(circularcylinder)，并且它们能具有任意尺寸和期望的形状，并且它们能定位在期望的任何地方，例如定位到将壁52与散热器27固定的宿主铆钉(hostrivet)(未示出)。

图8至图13所示的实施例大体类似于图1至图5所示的实施例，并且相同的附图标记表示(designate)两个实施例中相对应的元件。然而，在图8至图13的实施例中，附加的冷却鳍片72和管道73设置在散热器27的背侧。这些鳍片延伸在基部43和与基部隔开的且与基部大体平行的外壁74之间，而管道形成在所述鳍片之间。所述管道在端部开口并且与基部的背侧大体上是共同扩张的(coextensive)。

在散热器背侧的所述管道延伸成从外壳28的侧壁52横向地突出的隔间76。通风开口77与所述管道对齐地形成在所述隔间的上壁和下壁78、79中。

隔间76的侧壁81的外表面是大体平面的，当多个这种器件并排安装在一DIN导轨上时，如图13和图14所示，用于与另一个类似的开关器件的侧壁51相结合的垂直延伸的分隔件82从所述隔间的侧壁的外表面横向地突出。所述分隔件维持邻近器件之间的分隔，使得空气能在器件之间自由流动，由此避免邻近器件的侧壁之间的直接接触并且使在工作过程中器件之间的共热最小化。

替代将多个单元以独立的壳体并排安装，多个单元能组合在单个外壳中，如图15至图17所示。在这些实施例中，各单元或模块具有安装在图12所示类型的散热器上的图11所示类型的电路板和相关部件。

在图15的实施例中，两个单元或模块安装成在单个外壳83中面对彼此，这大体与图8和9所示类型的两个外壳被面对面布置类似，它们之间没有壁，而在所述两个模块中，通风开口77与散热器背侧的管道73对齐，通风开口62、63与的散热器前侧的管道46、47对齐。

在图16的实施例中，三个单元或模块在单个外壳84中安装成面向相同的方向，这大体与图8和9所示类型的三个外壳前后相接地(front-to-back)堆叠(stack)类似，它们之间没有壁，而在所述全部三个模块中，通风开口77与散热器背侧的管道73对齐，通风开口62、63与散热器前侧的管道46、47对齐。

在图17的实施例中，四个单元或模块安装在单个外壳86中。在此实施例中，所述单元中的三个单元面向一个方向，如图16的实施例，而第四单元面向相反的方向并且定位成与其余三个单元的一个单元面对面(face-to-face)。所述外壳类似于外壳84，但增加了第四部分以容纳第四模块。同样地，在全部模块中，通风开口77与散热器背侧的管道73对齐，通风开口62、63与散热器前侧的管道46、47对齐。

图18至图20示出具有两个独立的电源开关通道的固态继电器。此实施例与图8至图12的实施例不同在于：用于两个通道的开关电路31a、31b安装在散热器27前侧的中央位置的电路板26上，并且控制电路32安装在定位于开关电路的一侧的独立的电路板88上。为适应此配设，将冷却鳍片48和管道46设置在安装区域44的仅一侧，并且所述安装区域延伸以接收第二电路板。

在此实施例中，端子36、37连接到用于通道之一的开关电路31a，并且端子41、42连接到用于另一个通道的开关电路31b。用于控制电路的独立的连接件89安装在电路板88上，并且延伸通过外壳的后壁61以连接到外部控制电路。独立的LED59指示两个开关通道的状态。

电路板26、88的配设容许多种其它替代，例如，两个、三个或四个独立的开关通道；一个开关通道加用于固态继电器的控制电路；以及，一个通道带能够执行各种功能例如定时器、相位控制、和完整周期控制(integralcyclecontrol)的控制电路。另外，连接件89容许外部反馈信号随其它控制信号输入电路板88上的控制电路并得到处理。

图21至图23所示实施例大体类似于图1至图5所示实施例，但是散热器呈大体平面的、导热性基板92的形式。电路板26安装在基板的前侧，而电路板的背侧与基板的前侧处于直接的热接触，并且基板的背侧接近(incloseproximityto)外壳的侧壁52中的栅格开口64。

在此实施例中，来自开关电路31和控制电路32的热，通过传导到基板和随着空气经由通风开口62、63和栅格开口64循环经过电路板和基板利用辐射和对流而排除。

图24示出一实施例，其中，刚性引线框33、34结合到电路板26并且作用为直接安装到所述引线框的固态开关元件93、94的平台(platform)。根据需要，所述开关元件在其它实施例中能以类似方式安装，而不是安装在电路板上引线框的旁边。

图25所示散热器与图20所示散热器相似在于：冷却鳍片48和管道46设置在基部43的前侧的安装区域44的仅一侧，而冷却鳍片72和管道73设置在散热器的背侧。然而，图25所示散热器不同在于，散热器自身没有外壁来封闭所述管道的外侧。而是，鳍片48、72的外边缘抵靠侧壁51、52的内表面以封闭所述管道的外侧。如其它实施例中，所述管道的端部开口，并且所述管道与外壳中的通风开口63、77对齐，而热通过传导到基板和随着空气经由通风开口63、77循环经过电路板和基板利用辐射和对流而排除。

本发明具有许多重要特征和优点。本发明提供对于外壳内的散热器和其它部件的热绝缘和电绝缘，同时容许空气自由循环通过散热器鳍片和管道。因此，对比于现有技术的散热器完全被封闭而散热局限于传导到外壳的器件，由热源例如电源开关器件在内部产生的热首先通过传导经过散热器而排除，然后借助于管道和管道壁的暴露的表面通过辐射和对流散热到空气。

在固态开关的应用例如固态继电器、电源、功率模块中，相比于带完全封闭的散热器的传统固态开关器件，本发明提供在能进行散热的功率上的显著增加、和对应的更高的负载额定电流(loadcurrentrating)和/或更高的工作环境温度。当受迫(forced)空气施加到固态开关器件时，在功率耗散和输出电流方面的增加甚至更剧烈地增大，从而提供很高的功率密度(powerdensity)。

本发明有效地使开关器件例如固态继电器、电源或并排工作的接触件之间的共热问题最小化，利用侧壁上的分隔件保持器件分开，防止来自一个器件的辐射热传导或辐射到另一个器件，并且容许空气在器件之间流动，由此产生限制共热的空气屏障(barrier)并且通过自由空气流动排除热空气。

利用平行于外壳侧壁安装的散热器，器件明显窄于在热源的背侧具有散热器的器件。相比于具有封装的散热器且散热器在热源的背侧的现有技术的器件，此宽度上的减小，与在并排工作的器件上和之间的空气流动相结合，提供非常高的功率密度(在给定空间中同时工作的器件的数量)。

利用作为壳体组成部分(integralparts)的DIN导轨和面板底座，器件能安装在DIN导轨上或在面板上，而无需额外的安装支架(bracket)或部件。而且，器件在重量上显著轻于使用罐封材料(pottingmaterials)的器件，尽管罐封材料仍能根据需要来使用。

由前述显而易见，本发明提供了一种新的和改进的开关器件。虽然仅一些目前优选的实施例做了详细说明，但是如对熟知本领域的人员显然的是，在不背离如随附权利要求所定义的本发明的范围的情况下，可进行一些更改和变型。

Claims (19)

1.一种固态开关器件，包括：具有平面的安装表面和多个导热鳍片的散热器，所述平面的安装表面和所述多个导热鳍片的散热器形成为一体结构，该一体结构的所述鳍片之间有端部开口的管道；电绝缘材料的薄平面体，具有后表面，该后表面在该后表面的整个横向范围内与所述安装表面直接接触；位于所述薄平面体上的固态开关元件和多个导电体；以及具有通风开口的外壳，所述通风开口与所述有端部开口的管道沿轴向对齐，空气能流经所述通风开口以通过辐射和对流排除来自所述散热器的热量。

2.根据权利要求1所述的开关器件，其中，所述散热器具有平面的基部，而所述固态开关元件和鳍片在所述基部的相反两侧。

3.根据权利要求1所述的开关器件，其中，所述一体结构包括平面的基部和与该基部隔开并平行的外壁，所述鳍片延伸在所述基部与所述外壁之间以形成所述管道。

4.根据权利要求1所述的开关器件，其中，所述散热器包括平面的基部，所述鳍片从所述基部的一侧延伸并且接合所述外壳以形成所述管道。

5.一种固态开关器件，包括：散热器，具有平面的基部以及第一组导热鳍片和第二组导热鳍片，所述第一组导热鳍片和所述第二组导热鳍片从所述基部的相反两侧沿相反的方向延伸，有端部开口的管道位于在所述基部两侧的导热鳍片之间；固态开关元件，在所述第二组导热鳍片旁边、与所述基部处于导热关系；以及具有通风开口的外壳，所述通风开口与所述有端部开口的管道沿轴向对齐，空气能流经所述通风开口以通过辐射和对流排除来自所述散热器的热量。

6.根据权利要求5所述的开关器件，包括：位于所述基部的第二侧、与所述第二组导热鳍片一起的第三组鳍片和管道。

7.根据权利要求5所述的开关器件，包括：位于所述基部的侧面、与所述第二组导热鳍片一起的控制电路。

8.一种固态开关器件，包括：散热器，具有平面的基部和在所述基部一侧的两组导热鳍片，有端部开口的管道位于所述鳍片之间；固态开关元件，位于在所述基部一侧的两组导热鳍片之间；以及具有通风开口和通风栅格的外壳，所述通风开口与所述管道配准，空气能流经所述通风开口以通过辐射和对流排除来自所述散热器的热量，所述通风栅格在所述基部的与所述开关元件相对的一侧，空气能流经所述通风栅格以将附加的热量带离所述散热器。

9.一种固态开关器件，包括：散热器，具有多个导热鳍片，有端部开口的管道位于所述鳍片之间；固态开关元件，与所述散热器处于导热关系；外壳，所述外壳具有通风开口以及第一和第二平面的侧壁，所述通风开口与所述管道配准，所述侧壁容许多个所述器件并排安装成一个器件的第一平面的侧壁面向另一个器件的第二平面的侧壁；在所述侧壁之一中的附加的通风开口；以及分隔件，所述分隔件从所述侧壁之一横向突出以维持用于所述器件中相邻器件的所述侧壁之间的空气流动的间隔。

10.一种固态开关器件，包括：外壳，该外壳具有一对横向隔开的侧壁，所述侧壁具有比所述侧壁之间的隔开空间大的尺寸，并且该外壳具有带有对齐的通风开口的上壁和下壁；安装装置，朝向所述外壳的后部，用于将所述外壳安装在竖立位置，所述侧壁竖直地延伸；散热器，位于所述外壳内，具有平面的基部，该基部沿与所述外壳的所述侧壁平行的方向延伸，该基部具有平面的安装表面和位于该基部的相反两侧的多个空气管道，所述多个空气管道与所述上壁和下壁的所述通风开口沿轴向对齐；固态开关元件，安装在电路板上，该电路板具有与所述固态开关元件相反的平面表面，该平面表面与所述散热器的安装表面处于导热接触；从所述外壳外部可接近的端子，所述端子用于连接由所述固态开关元件所控制的电路；以及将所述固态开关元件和所述端子互连的引线。

11.根据权利要求10所述的开关器件，其中，所述端子是安装在所述引线上并且由所述引线支承的接线片。

12.根据权利要求10所述的开关器件，其中，所述端子是端子组件。

13.根据权利要求10所述的开关器件，其中，所述引线直接安装在所述电路板上并且是安装在所述板上的电路的组成部分。

14.根据权利要求10所述的开关器件，其中，所述固态开关元件直接安装在所述引线上，并且，所述引线与所述电路板处于导热接触。

15.根据权利要求10所述的开关器件，其中，所述安装装置包括用于将所述固态开关器件安装在电气面板中的装置和用于将所述固态开关器件安装在DIN导轨上的装置。

16.一种固态开关器件，包括：外壳，该外壳具有一对横向隔开的侧壁，所述侧壁具有比所述侧壁之间的隔开空间大的尺寸，并且该外壳还具有上壁和下壁、隔间以及安装装置，所述上壁和下壁带有对齐的通风开口，所述隔间从所述侧壁之一向外偏置，所述安装装置朝向所述外壳的后面，用于将所述外壳安装在竖立位置；散热器，具有：平面的基部、第一组空气管道和第二组空气管道，该平面的基部定位在所述外壳的所述侧壁之间并且平行于所述外壳的所述侧壁，所述第一组空气管道位于所述基部的第一侧，并且与所述外壳的所述上壁和下壁中的所述通风开口对齐，所述第二组空气管道位于所述基部的第二侧，并且与所述隔间的所述上壁和下壁中的通风开口对齐；固态开关元件，安装在与所述散热器的基部的第一侧处于导热接触的电路板上；从所述外壳外部可接近的端子，用于连接由所述固态开关元件所控制的电路；以及将所述固态开关元件和所述端子互连的引线。

17.根据权利要求16所述的开关器件，其中，所述散热器具有位于所述基部的所述第一侧的、相对于所述第一组管道在所述电路板的相对侧的第三组空气管道，并且所述第三组空气管道与所述外壳的所述上壁和下壁中的附加的通风开口处于轴向对齐。

18.根据权利要求16所述的开关器件，包括从所述外壳的一侧横向地突出的分隔件，所述分隔件用于维持在并排安装的多个所述开关器件的外壳之间的空气流动的空间。

19.一种固态开关器件，包括：散热器，具有平面的基板；电路板，具有平面的后表面，该后表面在该后表面的整个横向范围内与所述基板直接导热接触；固态开关元件，安装在所述电路板的背离所述基板的前侧，通过所述电路板与所述散热器成导热关系；以及外壳，所述外壳具有第一和第二平面的侧壁、通风开口以及分隔件，所述侧壁容许多个所述固态开关器件并排安装，使得一个固态开关器件的第一平面的侧壁面向另一个固态开关器件的第二平面的侧壁，所述通风开口在与所述散热器邻近的所述侧壁之一中形成，并且，所述分隔件从所述侧壁之一横向突出以维持用于所述固态开关器件中相邻器件的所述侧壁之间的空气流动的空间。