CN108832341B - 一种基于Nanofoil的微型快速连接器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于Nanofoil的微型快速连接器，包括第一基层和下方的第二基层，第一基层和第二基层固定连接，第一基层的上表面设有第一铜布线层，第二基层的上表面设有第二铜布线层，第二基层的下表面设有第三铜布线层，第一基层的中部设有空腔，空腔位于第一铜布线层的下方，空腔内设有绝缘层，绝缘层的中部设有Nanofoil纳米合金箔片，Nanofoil纳米合金箔片通过探针与第三铜布线层固定连接，第二铜布线层设有供探针穿过的通孔。本发明结构简单，成本低廉，可控性高，易于更换和集成化，既具备了工业快速连接器的功能，同时也解决了工业连接器不能集成的问题，对于电气设备实际运行中的故障支路旁路和切换表现出良好的工作特性。

Description

一种基于Nanofoil的微型快速连接器

技术领域

本发明涉及电气工程继电保护的技术领域，尤其涉及一种基于Nanofoil的微型快速连接器，基于印刷电路板（PCB）为主要材料，集成可控型开关器件和线路连接器的功能于一体，可用于电力电子装置中对故障电路的旁路和对线路间的切换。

背景技术

近年来，虽然电能转换装置可靠性在不断的提高，但功率电力电子元器件本身及其控制电路依然是故障率最集中的部分，可以占到总故障率的93%。针对电力装置常见的故障，一般采用的保护方式就是将故障单元或支路隔离，并将备用支路或备用系统加载到负载上，以此避免电能转换系统停机或降额工作。现有技术通常采用可控的电力电子器件进行支路切换或旁路，但由于额外增加了功率器件，同时也需要增加控制信号及其单元，这无疑降低了系统整体的可靠性，一旦控制信号丢失或器件损坏，切换将无法完成，以此带来的损失是严重的。因此，如何将故障支路旁路或切换到另一支路，同时又不降低系统可靠性指标成为实际面临的问题，并且集可控、廉价、可靠、集成化程度高等优点于一体的微型线路连接器成为了该发明的创新点。

发明内容

针对如何为故障支路或旁路进行快速切换，同时也为了满足电力电子装备在不增加成本、不降低系统可靠性的技术问题，本发明提出一种基于Nanofoil的微型快速连接器，具备了可控功率器件的优点，同时结构简单、可靠性高、易于更换、易于集成、成本低廉，在工作状态下有良好的性能表现，满足可控化、微型化，集成化的发展趋势。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于Nanofoil的微型快速连接器，包括第一基层和位于第一基层下方的第二基层，第一基层和第二基层固定连接，所述第一基层的上表面设有第一铜布线层，第二基层的上表面设有第二铜布线层，第二基层的下表面设有第三铜布线层，所述第一基层的中部设有空腔，空腔位于第一铜布线层的下方，空腔内设有绝缘层，绝缘层的中部设有Nanofoil纳米合金箔片，Nanofoil纳米合金箔片通过探针与第三铜布线层固定连接，第二铜布线层设有供探针穿过的通孔。

所述绝缘层包括焊锡层和绝缘垫片，焊锡层中部设有Nanofoil纳米合金箔片，焊锡层下方设有绝缘垫片，绝缘垫片设置在第二铜布线层上。

所述第一基层和第二基层由PCB印刷电路板制成。

所述焊锡层设有两层，Nanofoil纳米合金箔片加在两层焊锡层之间，上层的焊锡层的上部与第一铜布线层相连接，下层的焊锡层的下部与绝缘垫片相连接。

所述焊锡层的水平轴向长度小于Nanofoil纳米合金箔片的水平轴向长度，绝缘垫片的大小与Nanofoil纳米合金箔片的大小一致。

所述第二基层的中部设有两个呈中心对称的探针连接导孔，探针设置在探针连接导孔中，探针的下部与第三铜布线层焊接，探针的上部与Nanofoil纳米合金箔片侧边缘相接触。

所述探针为直角弯头探针，所述空腔内填充有硅胶。

所述第一铜布线层为长条形，第一铜布线层关于第一基层的中心对称，位于第一基层中部的第一铜布线层的宽度大于位于第一基层端部的第一铜布线层的宽度；所述第二铜布线层为长条形，第二铜布线层沿水平轴向设置在第二基层上；所述通孔设置在第二铜布线层的中部，通孔的直径大于探针的直径，通孔的位置与探针连接导孔的位置相对应。

所述第一基层和第二基层的两侧均设有相匹配的固定连接导孔，第一基层和第二基层每侧固定连接导孔数量设有两个；所述第一铜布线层、第二铜布线层和第三铜布线层均是35μm的均匀铜布线层。

所述第一铜布线层的两端分别与负载、主工作单元的IGBT桥臂中点相连，第二铜布线层的任意一端与备份支路的IGBT桥臂相连接；第三铜布线层一端与主工作单元的IGBT桥臂的驱动单元故障诊断信号输入端相连接，第三铜布线层另一端与驱动单元接地端相连；当备份单元处在冷冗余状态下，主工作单元与备份支路之间由绝缘垫片隔离；当主工作单元的驱动单元的保护信号检测到过电压或过电流故障时，驱动单元将故障信号的高电平通过第三层铜布线层的两个控制端和探针，触发Nanofoil纳米合金箔片使其自燃，将夹在Nanofoil纳米合金箔片两侧的焊锡层和绝缘垫片瞬间融化并形成导体，实现故障支路切换到备份支路。

本发明的有益效果：本发明通过利用成本低廉的PCB印刷电路板为原材料，通过对PCB板上的铜布线层平面结构进行设计，利用Nanofoil易于触发燃烧的特性，瞬间在其周围形成高温的现象，实现了集可控型功率器件和机械连接器为一体的微型快速连接器。本发明结构简单，连接迅速、成本低廉，可控性高，易于更换和集成化，既具备了工业快速连接器的功能，同时也解决了工业连接器不能集成的问题，具备了连接器微型化、集成化、可控化的综合优点，对于电气设备实际运行中的故障支路旁路和切换表现出良好的工作特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中第一基层的俯视图。

图3为图1中第二基层的俯视图。

图4为图1中第为基层的仰视图。

图5为本发明在实际应用中的电路图。

图中，1为第一基层，2为第二铜布线层，3为探针，4为焊锡层，5为Nanofoil纳米合金箔片，6为绝缘垫片，7为第一铜布线层，8为第三铜布线层，9为第二基层，10为固定连接导孔10，11为探针连接导孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种基于Nanofoil的微型快速连接器，包括第一基层1和位于第一基层1下方的第二基层9，第一基层1为上面部分，第二基层9为下面部分，第一基层1和第二基层9固定连接，所述第一基层1的上表面设有第一铜布线层7，第二基层9的上表面设有第二铜布线层2，第二基层9的下表面设有第三铜布线层8，所述第一基层1的中部设有空腔，空腔位于第一铜布线层7的下方，空腔上部设有绝缘层，绝缘层中部设有Nanofoil纳米合金箔片5，Nanofoil纳米合金箔片5通过探针3与第三铜布线层8固定连接，第二铜布线层2设有供探针3穿过的通孔。Nanofoil纳米合金箔片5的边缘与第三铜布线层8引出的探针3接触，作为触发连接点。第二铜布线层2与第一铜布线层7为功率传输主要路径，第三铜布线层8为控制信号的通路。

绝缘层包括焊锡层4和绝缘垫片6，焊锡层4的中部设有Nanofoil纳米合金箔片5，焊锡层4的下方设有绝缘垫片6，绝缘垫片6设置在第二铜布线层2上。

所述第一基层1和第二基层9由PCB印刷电路板制成，成本低廉。

所述焊锡层4设有两层，Nanofoil纳米合金箔片5加在两层焊锡层4之间，上层的焊锡层4的上部与第一铜布线层7相连接，下层的焊锡层4的下部与绝缘垫片6相连接。

所述焊锡层4的水平轴向长度小于Nanofoil纳米合金箔片5的水平轴向长度，绝缘垫片6的大小与焊锡层4的大小一致。Nanofoil纳米合金箔片5的长度要大于焊锡层，这样箔片两端横截面才能露出一小部分与探针相连，在箔片的侧横截面通电流才能激活箔片。

所述第二基层9的中部设有两个呈中心对称的探针连接导孔11，探针3设置在探针连接导孔11中，探针3的下部与第三铜布线层8焊接，探针3的上部与Nanofoil纳米合金箔片5侧边缘相接触。

所述探针3为直角弯头探针，所述空腔的形状为长方形，空腔内填充有硅胶，用于限位探针3。

所述第一铜布线层7为长条形，第一铜布线层7的成中心对称结构，位于第一基层1中部的第一铜布线层7的宽度大于位于第一基层1两端部的第一铜布线层7的宽度；所述第二铜布线层2为长条形，第二铜布线层2沿水平轴向设置在第二基层9上。所述通孔设置在第二铜布线层2的中部，通孔的直径大于探针3的直径，通孔的位置与探针连接导孔11的位置相对应。通孔中间需要穿过探针3，同时探针3与第二铜布线层2之间无接触。

所述第一基层1和第二基层9的两侧均设有相匹配的固定连接导孔10，第一基层1和第二基层9每侧固定连接导孔10数量设有两个。

所述第一铜布线层7、第二铜布线层2和第三铜布线层8均是35μm的均匀铜布线层。

工作过程：电力电子装置中功率器件都包含有驱动单元，特别是全控型器件如IGBT。如图2所示，本发明的微型快速连接器设置在主工作单元的3个IGBT桥臂的后端与负载相连。正常工作时，负载经由微型快速连接器的第一铜布线层7与IGBT桥臂中点相连，第二铜布线层2的任意一端与备份支路的IGBT相连接；第三铜布线层8一端与主工作单元的IGBT桥臂的驱动单元故障诊断信号输入端相连接，第三铜布线层8另一端与驱动单元接地端相连。驱动单元一般都具有过电流过电压检测电路以保护功率器件，一旦保护电路发出信号，则驱动单元接收信号并停止工作。为了使系统继续工作，达到不间断供电的目的，这时需要将故障单元或支路隔离出来，备份的支路替代故障单元继续工作，以此达到功率“无缝”切换的目的。此时，本发明的微型快速连接器可位于故障支路与备份支路之间，在正常工作时，备份单元处在冷冗余状态下并不工作，备份支路IGBT桥臂中点与第二铜布线层2相连接，此时备份支路与故障支路的第一铜布线层7之间由微型快速连接器中的绝缘垫片6隔离，两者之间并不连通。当驱动单元的保护信号检测到过电压或过电流的故障时，此信号不但发给驱动单元本身使其停止工作，同时，该故障信号的高电平通过微型快速连接器的第三层铜布线层8的两个控制端和探针，触发Nanofoil纳米合金箔片5使其自燃，触发电压可低至1V，触发时间可控制在几百纳秒，瞬间使第一基层空腔中的温度上升至1000多度，并将夹在Nanofoil纳米合金箔片5两侧的焊锡层和绝缘层瞬间融化，使第一铜布线层7与第二铜布线层2相连接并形成导体，以此达到故障支路切换到备份支路的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于Nanofoil的微型快速连接器，包括第一基层（1）和位于第一基层（1）下方的第二基层（9），第一基层（1）和第二基层（9）固定连接，其特征在于，所述第一基层（1）的上表面设有第一铜布线层（7），第二基层（9）的上表面设有第二铜布线层（2），第二基层（9）的下表面设有第三铜布线层（8），所述第一基层（1）的中部设有空腔，空腔位于第一铜布线层（7）的下方，空腔内设有绝缘层，绝缘层的中部设有Nanofoil纳米合金箔片（5），Nanofoil纳米合金箔片（5）通过探针（3）与第三铜布线层（8）固定连接，第二铜布线层（2）设有供探针（3）穿过的通孔；

所述绝缘层包括焊锡层（4）和绝缘垫片（6），焊锡层（4）中部设有Nanofoil纳米合金箔片（5），焊锡层（4）下方设有绝缘垫片（6），绝缘垫片（6）设置在第二铜布线层（2）上；

所述焊锡层（4）设有两层，Nanofoil纳米合金箔片（5）夹在两层焊锡层（4）之间，上层的焊锡层（4）的上部与第一铜布线层（7）相连接，下层的焊锡层（4）的下部与绝缘垫片（6）相连接；

所述第二基层（9）的中部设有两个探针连接导孔（11），探针（3）设置在探针连接导孔（11）中，探针（3）的下部与第三铜布线层（8）焊接，探针（3）的上部与Nanofoil纳米合金箔片（5）侧边缘相接触。

2.根据权利要求1所述的基于Nanofoil的微型快速连接器，其特征在于，所述第一基层（1）和第二基层（9）由PCB印刷电路板制成。

3.根据权利要求1所述的基于Nanofoil的微型快速连接器，其特征在于，所述焊锡层（4）的水平轴向长度小于Nanofoil纳米合金箔片（5）的水平轴向长度，绝缘垫片（6）的大小与Nanofoil纳米合金箔片（5）的大小一致。

4.根据权利要求1所述的基于Nanofoil的微型快速连接器，其特征在于，所述第二基层（9）的中部设有两个呈中心对称的探针连接导孔（11）。

5.根据权利要求4所述的基于Nanofoil的微型快速连接器，其特征在于，所述探针（3）为直角弯头探针，所述空腔内填充有硅胶。

6.根据权利要求4所述的基于Nanofoil的微型快速连接器，其特征在于，所述第一铜布线层（7）为长条形，第一铜布线层（7）关于第一基层（1）的中心对称，位于第一基层（1）中部的第一铜布线层（7）的宽度大于位于第一基层（1）端部的第一铜布线层（7）的宽度；所述第二铜布线层（2）为长条形，第二铜布线层（2）沿水平轴向设置在第二基层（9）上；所述通孔设置在第二铜布线层（2）的中部，通孔的直径大于探针（3）的直径，通孔的位置与探针连接导孔（11）的位置相对应。

7.根据权利要求1所述的基于Nanofoil的微型快速连接器，其特征在于，所述第一基层（1）和第二基层（9）的两侧均设有相匹配的固定连接导孔（10），第一基层（1）和第二基层（9）每侧固定连接导孔（10）数量设有两个；所述第一铜布线层（7）、第二铜布线层（2）和第三铜布线层（8）均是厚度为35μm的均匀铜布线层。