CN104428955A - 用于诸如功率部件的电气部件的互连的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气线路，其包括：至少一个电气部件，诸如功率部件；和柔性电路(1)，其特征在于所述电气线路包括至少一个导电零件(7)，所述导电零件将所述电气部件联接到所述柔性电路，所述导电零件(7)设置有：至少一个第一接触零件(13)，所述第一接触零件构造成接收所述功率部件的接触元件(9)，以便与所述接触元件相接触；第二接触零件(15)，所述第二接触零件构造成接收所述柔性电路的导电层(3)，以便与所述导电层相接触，所述第二接触零件(15)的宽度对应于所述柔性电路(1)的宽度并且长度调节成给予接触表面，所述接触表面适于传输介于4.5和5.5A/mm2之间的电流密度并且使得所述电气线路能够维持适于所述功率部件的电流，即，介于30和80A之间的电流。

Description

用于诸如功率部件的电气部件的互连的电路
技术领域
本发明涉及一种电气线路，所述电气线路包括已知为柔性电路的的柔性电气线路，并且涉及这种电路在互连功率转换器中的应用，所述功率转换器旨在尤其是机载并且尤其是集成到严苛环境以及介于1A和200A之间的电流的管理中。
本发明尤其涉及飞机上的致动器的控制电子装置，诸如，制动致动器、飞行控制致动器，等。
背景技术
目前，低功率转换器通常由电源开关、去耦电容器以及电子装置构成，所述电源开关确保从一个电网路传输到另一个电网的电能传输调制，所述去耦电容器吸收电能的传输调制，所述电子装置根据用户限定的逻辑控制这些开关。通过称作开关的传输调制控制电能传输，所述传输调制由交替耦接两个网路和去耦两个网路构成，开关处理将所述两个网路中的一个网路作为电压源，而另一个网路作为电流源。
在系统的操作过程中，使得电源开关与去耦电容器结合成一体是关键，这是因为用于通过电源开关切换电流源的电流动力学非常重要。
如果没有调节电源开关和去耦电容器之间互连的电感，则电流动力学可以致使在开关处产生数十乃至数百伏特的过压。这些过压可以降低电转换效率，使得开关退化并且造成过度辐射。
当前用于限制关于过压的问题的解决方案是定位金属元件，所述金属元件对于电压源而言具有导电性，以便尤其通过叠置所述导电元件最小化电源开关和去耦电容器之间寄生互连的电感。
如今，由称作“分离”的功率部件和诸如电容器和感应器的无源部件制成低功率转换器并且低功率转换器与刚性多层印刷电路板(PCB)结合成一体，或者可以由电源模块和无源部件制成所述低功率转换器，所述无源部件经由这样的电气线路互连，所述电气线路具有刚性母线，所述刚性母线由因电绝缘材料层而相互分离开的导电层形成。
如今，尤其在航空应用中，机载电子装置通常需要更好地整合一体化，从而涉及到两个限制：
-这些装置的物理结构需要适于可用空间，由此导致使用当前手段生产出物理复杂的组件，所述组件具有欠佳的物理适应性，这是因为PCB和母线装置具有大体本质上是平面的物理结构。
-这些装置的物理结构还需要防止与功能性质相关的环境温度升高，所述功能是在有限空间中转换更多的电能并且在一定程度的效率，从而导致加热。
加热与功率部件的组件的刚性连接相关的系统导致产生与将多种材料(金属材料、聚酯材料，等)结合在一起相关的热机械约束，所述多种材料具有不同的热膨胀系数，并且因此所述加热易于对接触零件(尤其是组件的锡焊的接触接头)施以显著的热机械约束，从而限制其使用寿命和其可靠性。
因此，用于将功率转换器互连的传统电气装置具有有限的操作温度并且因此不适于承受加热的环境。
现今，这些装置通常通过组装“分离”部件(诸如PCBs)或者组装母线制造而成。
“分离”功率部件(例如，具有接触柱的电气模块)安装在由一系列绝缘和导电层形成的刚性PCB上。针对功率部件的控制通常结合在这个线路板上。
这种组装解决方案通常用于生产低功率或者中功率转换器，所述组装解决方案实用且具有经济效益。另外，允许互连功率部件和控制部件，以结合成一体。然而，用于组装部件的这种解决方案不允许所述部件物理结合到三维空间中，并且其使用寿命和操作可靠性仍然有限，尤其是在操作期间的高和/或频繁温度循环的情况中。
当使用母线安装时，功率部件通常连接到刚性基层，能够通过折叠使得所述刚性基层成形并且通常通过由电绝缘层分离开的导电层形成所述刚性基层。经由电源模块上的连接件制成针对部件控制的连接。这些组件昂贵，这是因为它们通常用于生产中和高功率转换器。它们能够实施部件的三维整合，但是这仍然是有限的。而且，可以使用的螺丝和螺母类型的可移除互连设施限制了部件的机械完整性并且增加了组件成本。
发明内容
由本发明针对的问题是互连机载电气线路组件上功率部件，所述功率部件特别地旨在集成到严苛环境中并且确保大于1A且小于200A的电流的管理。
提出了根据权利要求1所述的电路。
“均匀电流密度”指的是在接触表面上的任何部位处均基本恒定不变的电流密度。
所述电流密度有利地介于4.5A/mm2和5.5A/mm2之间，优选地介于4.8A/mm2和5.2A/mm2，并且尤其等于5A/mm2。
这种类型的电气线路因此允许功率部件连接到柔性电路，所述柔性电路相对具有挠性并且因此通过限制接触件处的电流能够以3D形式适于可用空间，由此致使降低在接触零件处传输电流期间的加热并且减小针对接触零件的机械约束。
控制在其条件下电流通过部件的接触零件至柔性电路的密度允许所述电路维持比传统组件的电流更大的电流，并且因此允许功率部件连接到柔性电路，以这种方式在1A和200A的电流，尤其是介于30至80A之间的电流条件下装配所述柔性电路。
所述导电零件有利地是金属零件，优选的是铜、黄铜或者铝零件，所述金属零件包括接触零件，所述接触零件相对较大且为坚实，由此允许在接触区域中控制电流的通过密度并且允许吸收这个接触区域中的局部集中的机械应力。
导电零件可以是柱形套筒状或者柱形套筒状的一部分，所述导电零件设置有平板环；第一接触零件，套筒的柱形内面或者套筒部分形成所述第一接触零件；和第二接触零件，所述第二接触零件由环的面形成。
所述第二接触零件的宽度可以特别地对应于柔性电路的宽度。第二接触的长度(横向于宽度)因此调节成给予接触表面，所述接触表面适于传输小于20A/mm2的所述电流密度。
而且，所述导电层有利地成形为允许接触零件连结到柔性电路和部件，并且可以以指定的连结方法(例如，锡焊或者锡焊、铜焊或者激光焊接或者熔结等)施这种接合。
第一接触零件可以具有这样的表面，所述表面与部件的接触元件，(例如，部件的接触柱或者接触片)互补，并且成形为与部件的接触元件相接触，尤其是与部件的所述接触柱或者接触片相接触。
第二接触零件可以具有平面表面，所述平面表面成形为与柔性电路的所述导电层平面接触。
导电或者电流扩散零件有利地为呈现柱形套筒状，所述导电或者电流扩散零件在其端部中的一个处或者在其外周处设置有平板环，并且所述导电或者电流扩散零件成形为通过套筒的柱形内面与部件的接触柱相接触并且通过环的外面与柔性电路导电层相接触。
因此第一接触零件由套筒的柱形内面的至少一部分形成。
因此第二接触零件由所述环的外面形成。
第一接触零件还可以呈圆柱体的一部分的形状并且与电气部件的接触柱的端部部分相接触并且接触在接触柱的横截面的一部分上，第二接触零件是平板环，平板环凭借其外表面被施加到柔性电路的下导电层的表面上。
接触柱还可以安装成通过部分或者全部柔性电路，例如通过柔性电路的电镀通孔或者过孔。
由铜层形成的柔性电路有利地具有小于大约30微米的厚度，这允许例如当调整适于集成化环境中的可用空间时，柔性电路挠曲或者扭曲并且允许保持其连接到的电气部件的至少一个轴线自由度，所述铜层通过介电绝缘材料而相互隔离开。
柔性电路有利地有两层铜层形成，所述两层铜层通过介电绝缘材料的中间层而相互隔离开。
作为所述功率部件的附加方案，柔性电路可以包括其它电气部件，例如，一个或者多个无源部件，有利地为电路控制部件。
所述介电绝缘材料有利是聚酰胺树脂，所述聚酰胺树脂能够承受大于200℃的温度，从而使得能够除了在高温下锡焊的组件之外生产在有限环境中承受加热的组件，由此提高组件的可靠性和使用寿命。
本发明还涉及上述电气线路的新型用法，用于旨在机载并且特别地结合到严苛环境中的功率转换器的互连。
附图说明
现在参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的电气线路的立面视图；
图2是变形方案的与图1类似的视图。
具体实施方式
在附图中使用的相同附图标记表示相同或者技术等效的元件。
术语“上”、“中间”和“下”指的是用法或者组件的标准模式中的相对定位。
术语“纵向”和“横向”分别规定元件沿着给定方向和在垂直于这个方向的平面中延伸。
参照图1，示出的电气线路包括柔性电路1，所述柔性电路1是双层柔性电路，所述双层柔性电路包括例如由铜制成的两个印刷平面导电层3。这些导电层3叠置并且通过聚酰胺型的平面中间介电树脂层5而相互隔离开，所述平面中间介电树脂层5具有高耐热性。在这种情况中，导电层3中的每一层的厚度和隔离层5的厚度均等于大约10微米。因此，柔性电路的厚度为大约30微米，由此赋予所述电路挠曲和扭曲的能力。电路的宽度等于3厘米至5厘米，由此允许电路传输50至70A的电流(以通过柔性电路的小于10A/mm2的电流密度)。这种类型的电流实际上可以是电气部件的电流，例如如将在下文描述的低功率至中功率部件(未示出)的电流。
柔性电路1包括两个零件7，所述两个零件7形成柔性电路和功率部件之间的接触界面。这些接触零件7在下文称作电流扩散装置。
部件可以包括两个柱状的圆柱接触柱9(仅仅示出了一个)。这些接触柱9通过两个导电零件或者电流扩散装置7电连接到柔性电路1。
这些电流扩散装置7实际上将电气部件的接触柱9中的每一个均连接到柔性电路的相应导电层3。这些接触柱9各个均布置在垂直于所述电路的表面形成在柔性电路中的电镀通孔或者过孔11中。因此针对左手接触柱9(在图中的左侧)在柔性电路上形成下过孔11，而针对右手接触柱在柔性电路上形成上过孔11。
电流扩散器7相同，每个电流扩散器7均由金属零件构成，所述金属零件是优选地为铜的良好导电体，并且所述电流扩散器7包括两个接触零件13、15，所述接触零件13、15各个均构造成分别与电气部件的接触柱9中的一个电接触并且与柔性电路的导电层3相接触。
在这种情况中，电流扩散零件7是柱形套筒17的形状，所述柱形套筒17在其一个端部处设置有平板环19，并且所述电流扩散零件7成形为通过套筒的柱形内面21与部件的接触柱9相接触并且通过平板环的外面23与柔性电路的导电层3相接触。
因此由套筒的柱形内面21形成第一接触零件13。
因此由平板环的所述外面23形成第二接触零件15。
通过锡焊获得两个接触零件13、15之间的接触接头(分别接触连结到部件的接触柱9和柔性电路的导电层3)，以便连结零件。这种锡焊在相对的接触零件之间建立起导电中间焊料层25，所述相应的接触零件中的所述零件13对应于部件的接触柱9，所述零件15对应于柔性电路的导电层3，这种导电中间接合层25与每个接触零件13、15的外部有些轻微的重叠。
在附图中可观察到的是，因电流分散零件7坚实的外形和其与柔性电路接触的表面(零件15的)的面积，电流分散零件7允许相对于分别接触部件和柔性电路的接触零件13、15的面积减小接触区域中的电流密度，所述密度调节成小于20A/mm2，优选地介于4.5A/mm2和5.5A/mm2之间的值。这种特征减小了对接触连接件的加热并且使得连接组件高度可靠。
另外，电流扩散器7的固实的性质向所述扩散器提供了足够的坚固性，以便形成柔性电路和部件之间的可能机械连接点，从而允许例如柔性电路机械连接到安装的电气部件，这是因为柔性电路能够变形，以为了适应部件的定位。另一方面，柔性电路的可能屈曲和扭曲变形允许柔性电路上的部件在定位过程中具有一定程度的自由度，以为了适应可用空间，尤其是在一体化组件的环境中。
如上所述，接触扩散零件7可以具有另一种形状(见图2)。附图中左侧的扩散零件7通常是套筒17的形状，但是其比先前情况中的扩散零件长，这是因为其安装成经由形成在柔性电路中的通孔11贯穿柔性电路。扩散零件在其外周上大体在套筒的上部分中还包括接触环，所述环的下面与柔性电路的上导电层3的表面相接触。
附图中右侧上的扩散零件7包括圆柱的一部分27(例如，半个圆柱体)的形状的第一接触零件，所述第一接触零件与接触柱9的端部部分相接触并且在其横截面的一部分(一半)上接触，并且第二接触零件是平板环29，所述平板环29凭借其外表面施加到柔性电路的下导电层3。根据这个变型，接触柱9位于柔性电路1的外侧且位于所述电路下方。
本发明涉及描述和示出的实施例。例如能够针对电流扩散器的接触零件提供其它形状，所述形状适于待安装的电气部分的接触元件的形状或者与所述接触元件的形状互补。

Claims (11)

1.一种电气线路，其包括：至少一个电气部件，诸如功率部件；和柔性电路(1)，其特征在于所述电气线路包括至少一个导电零件(7)，所述导电零件将所述电气部件联接到所述柔性电路，所述导电零件(7)设置有：至少一个第一接触零件(13)，所述第一接触零件构造成接收所述功率部件的接触元件(9)，以便与所述接触元件相接触；第二接触零件(15)，所述第二接触零件构造成接收所述柔性电路的导电层(3)，以便与所述导电层相接触，所述第二接触零件(15)的宽度对应于所述柔性电路(1)的宽度并且长度调节成给予接触表面，所述接触表面适于传输介于4.5和5.5A/mm2之间的电流密度并且使得所述电气线路能够维持适于所述功率部件的电流，即，介于30和80A之间的电流。
2.根据权利要求1所述的电气线路，其特征在于，所述第一和第二接触零件(13，15)成形为在所述接触零件(13，15)与所述电气部件相接触的表面和所述柔性电路之间传输5A/mm2的电流密度。
3.根据权利要求1或者权利要求2中的任意一项所述的电气线路，其中，所述导电零件(7)是金属零件，所述导电零件包括相对较大且坚实的接触零件(13，15)。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电气线路，其中，所述导电零件(7)呈现柱形套筒(17)的形状或者柱形套筒(27)的一部分的形状，所述导电零件设置有平板环(19，29)，所述第一接触零件(13)由所述套筒的柱形内面(21)或者所述套筒部分的柱形内面形成并且第二接触零件(15)由所述环(19，29)的面形成。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的电气线路，其中，所述导电零件(7)成形为允许所述接触零件(13，15)以指定连结方法连结到所述柔性电路(1)和所述电气部件，所述指定连结方法例如是锡焊或者铜焊、电或者激光焊接或者熔接。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的电气线路，其中，所述第一接触零件(13)具有一个与所述电气部件的所述接触元件(9)互补的表面，例如与所述电气部件的接触柱或者接触片互补，并且所述表面成形为与所述部件的所述接触元件(9)相接触，并且所述第二接触零件(15)具有平面表面，所述平面表面成形为与所述柔性电路的导电层(3)平面接触。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的电气线路，其中，电流扩散零件(7)呈现柱形套筒(17)状，所述电流扩散零件在其端部之一或者在其外周处设置有平板环(19)，并且所述电流扩散零件成形为通过所述套筒的所述柱形内面(21)与所述部件的柱(9)相接触并且通过所述环的外面(23)与所述柔性电路的导电层(3)相接触，所述第一接触零件(13)由所述套筒(27)的所述柱形内面的至少一部分形成并且所述第二接触零件(15)由所述环的所述外面形成。
8.根据前述权利要求中的任意一项所述的电气线路，其中，所述第一接触零件还可以呈圆柱体的一部分(27)的形状并且与所述电气部件的接触柱(3)的端部部分相接触并且接触在所述接触柱的横截面的一部分上，所述第二接触零件是平板环(29)，所述平板环凭借其外表面被施加到所述柔性电路的下导电层的表面上。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的电气线路，其中，所述柔性电路(1)的横截面厚度小于大约30微米，由铜层(3)形成所述柔性电路，所述铜层通过介电绝缘材料(5)层相互隔离开。
10.根据权利要求9所述的电气线路，其中，所述介电绝缘材料(5)是聚酰胺树脂。
11.根据前述权利要求中的任意一项所述的电气线路的用法，用于旨在尤其是机载并且尤其是集成到严苛环境中的功率转换器的互连。
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