CN108886867A - 具有改进的热性能的功率控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种配电系统。所述配电系统包括一个或多个配电卡(200)，所述一个或多个配电卡(200)包括第一部分(202)和第二部分(204)。所述配电系统还包括一个或多个功率开关元件，所述一个或多个功率开关元件耦连到所述一个或多个配电卡的一个的第一部分。所述配电系统还包括一个或多个控制装置(206)，所述一个或多个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作。每个控制装置耦连到所述一个或多个配电卡的一个的第二部分。每个配电卡的第一部分与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。

Description

具有改进的热性能的功率控制系统
技术领域
本发明的主题主要涉及配电系统。
背景技术
与飞行器和其它交通工具关联的电力系统可以具有多个电力子系统，每个子系统具有一个或多个配电系统。这些配电系统可包括以类似机架的方式竖直安装到电力系统的一个或多个配电卡(distribution card)。这些配电卡可包括一个或多个具有一个或多个开关装置的印刷电路板，所述一个或多个开关装置被配置成控制流到与电力系统关联的负载的电流。印刷电路板还可包括一个或多个控制装置，所述一个或多个控制装置被配置成控制至少一个开关装置的操作。
常规的配电卡可以具有这样的布局配置：其中，一个或多个开关装置紧密靠近对应的控制装置定位。例如，开关装置和对应的控制装置可耦连到配电卡，作为预制固态功率控制器(SSPC)“模块”的一部分。图1描绘了示例的常规配电卡100。如所示，卡100包括SSPC块A-L、路由装置102和卡控制器104。卡100还包括连接器106，连接器106被配置成将卡100连接至电力系统。每个SSPC块A-L可以与一个或多个电力子系统关联。具体讲，每个SSPC块A-L可以被配置成调节送到与对应的电力子系统关联的负载的电流。如所示，每个SSPC块A-L包括两个功率开关装置(例如功率FET)、电流传感器和彼此紧密靠近定位的控制逻辑。
在卡100的操作期间，SSPC块A-L的配置可在卡100上提供大致均匀的温度分布。与功率FET关联的散热可以与负载电流的平方成正比，而与控制逻辑关联的散热可以保持大致不变。因此，当与功率FET关联的负载电流为高负载电流时，由电流流动产生的热量将远大于由相对低功率控制逻辑产生的热。以此方式，控制装置可能经历升高的局部温度环境，这可能降低可靠性或引起控制装置中不可预测的行为。例如，如果控制逻辑的平均操作温度超过控制逻辑的规定的最大操作温度，则控制逻辑可能失效和/或以不可预测的方式动作。
发明内容
本发明的方面和优势将在以下描述中予以部分地阐述，或可从所述描述而得知，或可通过实践本文中所公开的实例而得知。
本发明的一个实例方面涉及一种与用于飞行器的电力系统关联的配电系统。配电系统包括一个或多个配电卡。每个配电卡包括第一部分和第二部分。所述配电系统还包括一个或多个功率开关元件。每个功率开关元件耦连到所述一个或多个配电卡的一个的第一部分。所述配电系统还包括一个或多个控制装置。每个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作。每个控制装置耦连到所述一个或多个配电卡的一个的第二部分。每个配电卡的第一部分与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。
本发明的另一实例方面涉及一种与配电系统关联的配电卡。所述配电卡包括一个或多个功率开关元件。每个功率开关元件耦连到所述配电卡的第一部分。所述配电卡还包括一个或多个控制装置，所述一个或多个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作。每个控制装置耦连到所述配电卡的第二部分。所述配电卡的第一部分与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。
本发明的又一个实例方面涉及一种与飞行器关联的电力系统。所述电力系统包括一个或多个配电系统，所述一个或多个配电系统包括一个或多个配电卡。每个配电卡包括一个或多个功率开关元件。每个功率开关元件耦连到所述配电卡的一个的第一部分。每个配电卡还包括一个或多个控制装置，所述一个或多个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作。每个控制装置耦连到所述配电卡的一个的第二部分。每个配电卡的第一部分与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。
可对本公开的这些示例性方面进行改变和修改。
参考以下描述以及所附权利要求书将更好地理解各种实例的这些和其它特征、方面和优势。包含在本说明书中且构成其部分的附图说明本公开的各方面，并且与所述描述一起用以解释相关原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对所属领域的技术人员的实施例的详细论述，在附图中：
图1描绘根据本发明的实例实施例与配电系统关联的常规配电卡；
图2描绘根据本发明的实例实施例的配电卡的总图；以及
图3描绘根据本发明的实例实施例的配电卡的总图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，在图中说明本发明的实施例的一个或多个示例。每个示例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。
本发明的实例方面涉及具有改进的热性能的配电单元。在一些实施方式中，配电单元可以与飞行器或其它交通工具中的电力系统关联。要认识到，在不偏离本发明的范围下，这种配电单元可以在各种其它适合环境和/或应用中实施。例如，每个配电单元可包括多个配电卡。每个配电卡可包括一个或多个功率开关装置，例如，一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。功率开关装置可以被配置成调节送到与电力系统关联的负载的电流。每个功率开关装置可具有被配置成控制功率开关装置的操作的关联的控制装置。
在一些实施方式中，每个配电卡可包括上部和下部。上部和下部可以定向成使得当配电卡安装到或以其它方式连接至飞行器或其它交通工具的电力系统时，上部位于下部上方。例如，配电卡可以竖直方式以机架或箱式配置安装到电力系统，使得上部位于下部上方。配电卡可以被配置成使得功率开关装置位于配电卡的上部，控制装置位于配电卡的下部。以此方式，功率开关装置可以在空间上与控制装置分开，从而降低控制装置相对于功率开关装置的平均操作温度。
具体讲，在一些实施方式中，功率开关装置的散热可以与流过功率开关装置的负载电流的平方成正比，而控制装置的散热可以保持不变。以此方式，在较高的负载电流，大多数散热可源自功率开关装置，功率开关装置通常还具有比控制装置更高的操作温度耐受。通过将功率开关装置与控制装置分开，使得功率开关装置位于配电卡的上部，控制装置位于配电卡的下部，在配电系统的常规操作中，控制装置的平均操作温度可低于功率开关装置的平均操作温度。以此方式，在较高温度操作耦连到配电卡的上部的元件可以提供配电卡的上部和环境温度之间的更大的温度差。此增大的温度差可以提高系统的热流速和/或散热能力，这可带来控制装置的提高的操作效率。
在一些实施方式中，控制装置可以被配置成至少部分地基于通过功率开关装置流到与电力系统关联的负载的电流，控制一个或多个功率开关装置的操作。例如，配电卡还可包括一个或多个电流传感器，每个电流传感器与一个或多个功率开关装置关联。电流传感器可包括于配电卡的上部。电流传感器可以被配置成监测通过功率开关装置的电流，提供指示送到与功率开关装置关联的控制装置的电流的信号。控制装置可以将指示电流的信号与预定电流阈值比较，并至少部分地基于该比较控制功率开关装置的操作。例如，如果指示电流的信号大于电流阈值，则控制装置可将一个或多个控制信号提供至功率开关装置，使得功率开关装置“关断”，从而限制或消除通过功率开关装置的电流。要认识到，控制装置还可以被配置成实施各种其它控制任务或功能，例如与监测、开关、通信和/或保护有关的各种功能。
每个配电卡可包括一个或多个印刷电路板。例如，在一些实施方式中，配电卡可只包括一个印刷电路板，使得配电卡的上部和下部为同一印刷电路板的分开的分区或区域。在一些实施方式中，配电卡的上部和下部可以由不同材料制成。例如，上部可以由能够耐受较高温度的材料(例如陶瓷)制成，下部可以由不能够耐受如此高温的不同材料(例如FR4)制成。以此方式，配电卡可包括由两种或更多种不同材料(例如高温材料和低温材料)制成的单个印刷电路板。作为另一实例，配电卡可包括两个或更多个印刷电路板，每个印刷电路板由不同材料制成。
在使用两个或更多个印刷电路板的实施方式中，第一印刷电路板可对应于配电卡的上部，第二印刷电路板可对应于配电卡的下部。在这些实施方式中，两个或更多个印刷电路板可通过板内连接装置连接。板内连接装置可包括板与板连接器，带分立电线的柔性印刷电路和/或各种其它适合的连接机构。
配电系统可使用被动冷却技术和/或主动冷却技术。例如，配电卡可以只依赖自然空气对流，耗散由配电系统产生的热。在一些实施方式中，一个或多个配电卡可包括各种适合的散热装置(heat dissipation device)，例如，一个或多个散热器(heat sink)、冷壁散热器、烟囱结构、强制通风装置和/或各种其它适合的散热装置。在一些实施方式中，可在配电卡的上部和下部之间提供隔热。
现参看附图，将更详细论述本公开的实例方面。例如，图2描绘根据本发明的实例实施例的实例配电卡200的总图。类似于图1的卡100，卡200包括多个开关装置(例如功率FET)，每个开关装置具有对应的电流传感器和控制逻辑。在一些实施方式中，开关装置可以是碳化硅功率FET、氮化镓功率FET或其它开关装置。具体讲，卡200包括FET块A-L，每个FET块A-L具有对应的控制逻辑A-L。控制逻辑A-L可包括各种适合的元件或装置，例如包括一个或多个处理装置，放大器、比较器、隔离器和/或其它被配置成实施与对应的功率FET关联的各种控制功能的元件。卡200还包括路由装置206、卡控制器208和连接器210。连接器210可以被配置成将卡200连接至例如与飞行器或其它交通工具关联的电力系统。FET块A-L各自包括两个功率FET和电流传感器，电流传感器被配置成监测与功率FET关联的负载电流。要认识到，在图2中描绘的FET的数目(例如，FET块或每个FET块的FET)只出于示意目的，在不偏离本公开的范围的情况下可以使用各种其它适合数目的FET。如所示，卡200包括上部202和下部204。虚线212提供上部202和下部204之间的划分位置的示意指示。FET块A-L位于上部202中，而控制逻辑A-L位于下部204中。
如上面指出的，在操作中，这种功率FET可以生成比控制逻辑A-L更多的热。另外，功率FET和电流传感器通常耐受更高温度，而控制逻辑A-L可能不耐受如此的高温。例如，控制逻辑A-L可以具有大约为125摄氏度的最大规定操作温度，而功率FET可额定为更高温度。如本发明中所使用，术语“大约”在结合数值使用时，旨在指数值的40％之内。要认识到，在不偏离本发明的范围的情况下，可以使用具有各种其他适合的温度额定值的各种控制逻辑。以这种方式(例如将控制逻辑与FET块A-L分开，使得FET块A-L位于控制逻辑A-L上方)配置卡200的元件布局可提高与电力系统关联的气流和热性能和/或降低控制逻辑A-L的平均操作温度，从而提高控制逻辑A-L的可靠性和/或效率。
要认识到，在一些实施方式中，卡200还可包括各种其它适合的元件或装置。例如，卡200还可包括各电阻器、电容器等。这些附加元件可位于卡200的上部202。
在各种实施方式中，卡200可以被配置成使用被动冷却和/或主动冷却技术来散热。例如，在使用主动冷却技术的实施方式中，卡200还可包括一个或多个关联的散热装置，例如一个或多个翅片或其它散热器装置、烟囱结构、冷壁散热器、强制通风装置等。此外，可在上部202和下部204之间提供隔热。
在一些实施方式中，可至少部分地基于与相应元件关联的规定温度额定值确定元件相对于卡200的位置(例如上部202或下部204)。例如，在这些实施方式中，如果元件具有超过阈值的规定的最大操作温度，则元件可附连或耦连到卡200的上部202。类似地，如果元件具有低于阈值的规定的最大操作温度，则元件可附连或耦连到下部204。以此方式，具有较低温度耐受的元件可与具有较高温度耐受的元件分开，使得可允许高温元件在比低温元件可耐受的更高的温度操作。
卡200可以由各种适合材料制成。例如，在一些实施方式中，卡200可以由能够耐受高温的材料(例如陶瓷)制成。在一些实施方式中，卡200可以由多种材料制成。例如，上部202可以由高温材料(例如陶瓷)制成，而下部204由低温材料(例如FR4)制成。在这些实施方式中，卡200可以由多种材料制成的一个印刷电路板制成。
如上面指出的，在一些实施方式中，配电卡可包括多个印刷电路板。例如，图3描绘根据本发明的示例实施例的示例配电卡300的总图。如所描绘，卡300包括上印刷电路板302和下印刷电路板304。具体讲，印刷电路板302可以是与印刷电路板304分开的不同的板。可使用板内连接装置306连接印刷电路板302、304，所述板内连接装置306例如一个或多个板与板连接器或者柔性印刷电路和分立电线。印刷电路板302和304可各自具有连接器308，连接器被配置成将印刷电路板连接至电力系统。
印刷电路板302可对应于图2的卡200的上部202。以此方式，印刷电路板302可包括FET块A-L。如上述，FET块A-L可包括能够耐受较高温度(例如超过阈值的温度)的各个元件(例如功率FET、电流传感器、各种电阻器、电容器等)。具体讲，如上所述，要认识到，图3中描绘的FET的数目(例如，FET块和/或每个FET块的FET)只出于示意目的，在不偏离本发明的范围的情况下可使用各种其它适合数目的FET。以此方式，生成大量热和/或能够耐受高温的元件位于卡300的顶部附近。类似地，印刷电路板304可对应于卡200的下部204。印刷电路板304可包括控制逻辑A-L。如上面指出的，构成控制逻辑A-L的这些控制元件可以不额定到耐受如构成FET块A-L的元件一样高的温度。以此方式，控制逻辑A-L可与FET块A-L分开，从而保持操作期间控制逻辑A-L的较低的平均操作温度。
在一些实施方式中，印刷电路板302可以由第一材料制成，印刷电路板304可以由第二材料制成。例如，印刷电路板302可以由能够耐受超过阈值的温度的材料制成，而印刷电路板304可以由额定为较低温度的材料制成。例如，印刷电路板302可以由陶瓷材料制成，而印刷电路板304可以由FR4制成。在这些实施方式中，功率FET能够在比制成印刷电路板304的材料能耐受的更高的温度操作。
虽然各种实施例的具体特征可能在一些图中示出而未在其它图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护某一附图的任何特征。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它示例。如果此类其它示例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (20)

1.一种配电系统，包括：
一个或多个配电卡，每个配电卡包括第一部分和第二部分；
一个或多个功率开关元件，其中，每个功率开关元件耦连到所述一个或多个配电卡的一个的第一部分；以及
一个或多个控制装置，每个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作，其中，每个控制装置耦连到所述一个或多个配电卡的一个的第二部分；
其中，每个配电卡的第一部分在空间上与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。
2.根据权利要求1所述的配电系统，其中，至少一个配电卡包括第一印刷电路板和第二印刷电路板，使得所述第一印刷电路板包括所述配电卡的第一部分，所述第二印刷电路板包括所述配电卡的第二部分。
3.根据权利要求2所述的配电系统，其中，所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板由板内连接装置连接。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的配电系统，其中，所述第一印刷电路板由第一材料制成，所述第二印刷电路板由第二材料制成。
5.根据权利要求1所述的配电系统，其中，每个配电卡包括单个印刷电路板。
6.根据权利要求5所述的配电系统，其中，所述配电卡的第一部分由第一材料制成，所述配电卡的第二部分由第二材料制成。
7.根据任一前述权利要求所述的配电系统，还包括耦连到所述配电卡的第一部分的一个或多个电流传感器，所述一个或多个电流传感器的每一个被配置成监测通过至少一个功率开关元件流到负载的电流。
8.根据权利要求7所述的配电系统，其中，每个电流传感器被配置成将一个或多个信号提供至控制装置，所述一个或多个信号指示通过所述至少一个功率开关元件流到负载的电流，并且其中，所述控制装置被配置成至少部分地基于指示所述电流的信号控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作。
9.根据任一前述权利要求所述的配电系统，其中，每个配电卡被配置成以竖直方式连接至所述电力系统，使得当连接时，每个配电卡的第一部分位于所述配电卡的第二部分上方。
10.根据任一前述权利要求所述的配电系统，其中，至少一个配电卡还包括一个或多个散热装置。
11.根据权利要求10所述的配电系统，其中，所述一个或多个散热装置包括一个或多个散热器装置、一个或多个烟囱装置、一个或多个冷壁散热器装置或一个或多个强制通风装置。
12.根据任一前述权利要求所述的配电系统，其中，在至少一个配电卡的第一部分和所述至少一个配电卡的第二部分之间提供隔热。
13.根据任一前述权利要求所述的配电系统，其中，所述一个或多个功率开关元件包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
14.根据权利要求13所述的配电系统，其中，所述金属氧化物半导体场效应晶体管包括碳化硅或氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管。
15.一种与配电系统关联的配电卡，所述配电卡包括：
一个或多个功率开关元件，其中，每个功率开关元件耦连到所述配电卡的第一部分；以及
一个或多个控制装置，所述一个或多个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作，其中，每个控制装置耦连到所述配电卡的第二部分；
其中，所述配电卡的第一部分与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。
16.根据权利要求15所述的配电卡，其中，所述配电卡包括第一印刷电路板和第二印刷电路板，使得所述第一印刷电路板包括所述配电卡的第一部分，所述第二印刷电路板包括所述配电卡的第二部分。
17.根据权利要求16所述的配电卡，其中，所述第一印刷电路板由第一材料制成，所述第二印刷电路板由第二材料制成。
18.根据权利要求17所述的配电卡，其中，所述第一材料是陶瓷材料，并且其中，所述第二材料是FR4。
19.根据权利要求15到权利要求18中任一项所述的配电卡，其中，在所述配电卡的第一部分和所述配电卡的第二部分之间提供隔热。
20.一种与飞行器关联的电力系统，所述电力系统包括：
包括一个或多个配电卡的一个或多个配电系统，每个配电卡包括：
一个或多个功率开关元件，其中，每个功率开关元件耦连到所述配电卡的一个的第一部分；以及
一个或多个控制装置，所述一个或多个控制装置被配置成控制所述一个或多个功率开关元件的至少一个的操作，其中，每个控制装置耦连到所述配电卡的一个的第二部分；
其中，每个配电卡的第一部分与第二部分分开，使得在所述配电卡的操作期间，所述控制装置在比所述功率开关元件更低的平均温度操作。
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