CN107516821A - 一种高功率密度的数字配电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率密度的数字配电器，该配电器在大功率配电的应用环境下，采用固态开关方式，避免了传统配电器中机械触头氧化、腐蚀、电弧等问题的影响；在小体积的情况下，对元器件布局和印制板结构进行低热阻设计，提高配电器传导散热效率；配电器外壳集成了散热器结构，形成良好的散热通道，从传导和辐射两个方面提高配电器的散热效率，解决大功率配电的散热瓶颈问题；多路配电集成设计，基于数字自检测技术统一监控管理，有效提高了配电器使用的可靠性。

Description

一种高功率密度的数字配电器
技术领域
本发明涉及一种高功率密度的数字配电器，特别是一种大功率的高功率密度的数字配电器，属于电力电子与电工技术领域。
背景技术
在航天系统中，对于大功率配电，如果采用传统的机械式触点开关方式进行电气切换，开关时产生的拉弧会烧蚀触头，造成寿命指标低；并且，采用传统配电方式时，配电器体积大、重量大、功率密度低；内部线缆多，走线复杂；可靠性和测试性都比较差。
相对传统的配电器，数字配电器从技术上避免了传统继电器中的电弧、氧化、腐蚀和焊接等问题，提高了配电器的使用寿命；多路配电集成设计，提高了配电器的功率密度；基于数字自检测技术统一监控管理，可在线反馈开关和负载状态信息，及时隔离故障负载，有效的提高了配电器的可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高功率密度的数字配电器，满足航天领域长寿命、高功率密度、高可靠的应用需求。
本发明的技术解决方案是：
一种高功率密度的数字配电器，包括：左侧板、上盖板、起拔器、前盖板、锁紧条、印制板组、右侧板、后盖板和下盖板；
左侧板、右侧板、上盖板、下盖板、前盖板以及后盖板形成数字配电器外壳体，印制板组固定在所述配电器外壳体内部，两个锁紧条分别设置在前盖板的两侧，用于数字配电器的固定，两个起拔器分别安装在左侧板和右侧板上，用于数字配电器的拆卸。
所述上盖板上留有缺口，用于数字配电器处于非拆卸状态时，起拔器隐藏在所述缺口中。
印制板组上的功率器件布置在两侧，靠近左侧板和右侧板的位置。
印制板组与左侧板之间，以印制板组与右侧板之间均设置有绝缘导热垫。
印制板组上设置有连接器、汇流条和DC电源模块，汇流条用于连接器与功率器件的电连接，DC电源模块用于印制板组的供电。
所述汇流条采用无氧铜材料，且汇流条导通电阻小于0.1mΩ。
所述印制板组上设置有驱动电路，驱动电路用于功率器件的开通与关断。
所述驱动电路包括电源隔离模块、信号隔离模块、状态检测模块、驱动模块和阻容网络模块；
电源隔离模块对输入电源进行隔离处理，分别为信号隔离模块和驱动模块配电；驱动模块通过信号隔离模块接收配电控制指令，然后根据指令要求驱动功率器件的开通和关断，从而实现负载的供电和断电；状态检测模块对功率器件的工作状态进行检测，并通过信号隔离模块上传，阻容网络模块用于调节功率器件的开通和关断时间。
后盖板上对应DC电源模块的位置设置有凸台，且凸台上设置有绝缘导热垫，与DC电源模块接触。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明由于采用基于无机械触点的固态开关，避免了传统配电器中机械触头电弧、氧化、腐蚀和焊接等问题的影响，提高了配电器的使用寿命。
(2)本发明由于对元器件布局和印制板结构进行低热阻设计，提高配电器传导散热效率；配电器外壳集成了散热器结构，形成良好的散热通道，从传导和辐射两个方面提高配电器的散热效率，解决大功率配电的散热瓶颈问题，提高了配电器的功率密度。
(3)本发明由于设计了内部电路和软件程序，可以自动监测和定位配电自身的故障，并可及时隔离故障负载，提高了配电器使用的可靠性。
附图说明
图1是数字配电器结构正面示意图；
图2是数字配电器结构背面示意图；
图3是隔离驱动电路原理框图；
图4(a)是数字配电器印制板组布局示意图；图4(b)是覆铜示意图；
图5是数字配电器印制板组安装结构示意图；
图6是数字配电器DC电源模块热设计示意图；
图7是数字配电器自检测原理框图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明高功率密度的数字配电器包括：左侧板1、上盖板2、起拔器3、前盖板4、锁紧条5、印制板组6、右侧板7、后盖板8和下盖板9；
左侧板1、右侧板7、上盖板2、下盖板9、前盖板4以及后盖板8形成数字配电器外壳体，印制板组6固定在所述配电器外壳体内部，两个锁紧条5分别设置在前盖板4的两侧，用于数字配电器的固定，两个起拔器3分别安装在左侧板1和右侧板7上，可以通过起拔器杠杆原理轻松拔起配电器，方便产品检修，提高维修性。左/右侧板上设计有防误插沟槽，避免因插错带来危害。
所述上盖板2上留有缺口，用于数字配电器处于非拆卸状态时，起拔器3隐藏在所述缺口中。
印制板组6上设置有驱动电路，驱动电路用于功率器件的开通与关断。
如图3所示，隔离驱动电路包括电源隔离模块、信号隔离模块、状态检测模块、MOSFET驱动模块和阻容网络模块。电源隔离模块对输入电源进行隔离处理，分别为信号隔离模块和MOSFET驱动模块配隔离5V和隔离10V电源；MOSFET驱动模块通过信号隔离模块接收配电控制指令，然后根据指令要求驱动MOSFET的开通和关断，从而实现负载的供电和断电；状态检测模块对MOSFET的工作状态进行检测，并通过信号隔离模块上传；阻容网络模块用于调节功率器件的开通和关断时间。
本发明中的数字配电器功率较大而产品体积又偏小，因此，如图4(a)、(b)所示，将隔离驱动部分13做成整体封装，与MOSFET功率器件11分开，使其不会功率器件发热的影响。
如图4(a)所示，将MOSFET功率器件11统一布置在印制电路板的两侧，靠近左侧板1和右侧板7的位置，缩短功率器件将热散到壳体的传导距离；并且如图4(b)所示，在印制板正反两面安放功率器件的位置及印制板中间层覆铜，并打通孔进行连接，从而降低功率器件传导散热的热阻，提高MOSFET功率器件11的散热效率。功率器件11统一布置，也便于实现与汇流条12的连接。
汇流条12采用无氧铜材料，其导通电阻小于0.1mΩ，降低负载通路的导通电阻，降低功耗；同时，采用汇流条方式，还可以避免导线走线复杂、强度低的弱点，提高整个产品的抗振动冲击性能。
如图5所示，本发明将印制板组6安装在左侧板1和右侧板2的凸台上，并且在凸台和印制板组之间垫0.25mm厚的导热垫片16；如图6所示，在后盖板8上增加一个散热凸台17，让凸台与DC电源模块14接触，并在凸台和电源模块之间垫0.51mm厚的导热垫片19，从而形成热传导通路，提高DC电源模块的散热效率。同时，对后盖板8内表面涂覆黑色温控漆18，使其太阳比吸收率大于0.8，提高整个印制板组的辐射散热效率。
如图7所示，R1为检测电阻，D1为反向耐压二极管，当MOSFET关断时，检测端为5V，当MOSFET开通时，检测端为0.5V。利用此特性可以判断出MOSFET通断。数字配电器内部的固体开关采用冗余设计时，配电器可基于对每一个固体开关的自检，在配电器上电后，通过MCU10对配电开关完成表1所示的检测时序，从而判断冗余开关是否正常。状态检测信息通过信号隔离模块上传，为整个系统的安全管理提供基础数据。
表1数字配电器冗余开关状态检测时序表
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高功率密度的数字配电器，其特征在于包括：左侧板(1)、上盖板(2)、起拔器(3)、前盖板(4)、锁紧条(5)、印制板组(6)、右侧板(7)、后盖板(8)和下盖板(9)；
左侧板(1)、右侧板(7)、上盖板(2)、下盖板(9)、前盖板(4)以及后盖板(8)形成数字配电器外壳体，印制板组(6)固定在所述配电器外壳体内部，两个锁紧条(5)分别设置在前盖板(4)的两侧，用于数字配电器的固定，两个起拔器(3)分别安装在左侧板(1)和右侧板(7)上，用于数字配电器的拆卸。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：所述上盖板(2)上留有缺口，用于数字配电器处于非拆卸状态时，起拔器(3)隐藏在所述缺口中。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：印制板组(6)上的功率器件(11)布置在两侧，靠近左侧板(1)和右侧板(7)的位置。
4.根据权利要求1或3所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：印制板组(6)与左侧板(1)之间，以印制板组(6)与右侧板(7)之间均设置有绝缘导热垫。
5.根据权利要求1或3所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：印制板组(6)上设置有连接器(15)、汇流条(12)和DC电源模块(14)，汇流条(12)用于连接器(15)与功率器件(11)的电连接，DC电源模块(14)用于印制板组(6)的供电。
6.根据权利要求5所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：所述汇流条(12)采用无氧铜材料，且汇流条导通电阻小于0.1mΩ。
7.根据权利要求1或3所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：所述印制板组(6)上设置有驱动电路，驱动电路用于功率器件的开通与关断。
8.根据权利要求7所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：所述驱动电路包括电源隔离模块、信号隔离模块、状态检测模块、驱动模块和阻容网络模块；
电源隔离模块对输入电源进行隔离处理，分别为信号隔离模块和驱动模块配电；驱动模块通过信号隔离模块接收配电控制指令，然后根据指令要求驱动功率器件的开通和关断，从而实现负载的供电和断电；状态检测模块对功率器件的工作状态进行检测，并通过信号隔离模块上传，阻容网络模块用于调节功率器件的开通和关断时间。
9.根据权利要求5所述的一种高功率密度的数字配电器，其特征在于：后盖板(8)上对应DC电源模块(14)的位置设置有凸台(17)，且凸台上设置有绝缘导热垫(19)，与DC电源模块(14)接触。
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