CN109076694A - 用于具有高电流承载导体的功率电子器件的系统和装置 - Google Patents

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Abstract

用于电切换电流的系统和装置包括：由导电材料形成并具有第一纵向轴线的第一导体(20)和由所述导电材料形成并具有第二纵向轴线的第二导体(22)；一组开关元件(14)，其每个元件被选择性配置成将所述第一导体电耦合到所述第二导体；以及印刷电路板，所述第一导体和所述第二导体设置在所述印刷电路板上。所述第一导体的宽度沿所述第一纵向轴线变化，使得所述第一导体中的电流密度沿所述第一纵向轴线基本上恒定，所述第二导体的宽度沿所述第二纵向轴线变化，使得所述第二导体中的电流密度沿所述第二纵向轴线基本上恒定。

Description

用于具有高电流承载导体的功率电子器件的系统和装置
背景技术
配电系统管理从能量源到消耗所分配电力的电负载的电力分配。在飞行器中，推进飞行器的燃气涡轮发动机通常还提供机械能，所述机械能最终为许多不同的配件，例如发电机、起动机/发电机、永磁交流发电机(PMA)、燃料泵和液压泵，即除推进功能之外用于飞行器其他功能的设备供电，。同样，当代飞行器需要电力以用于与航空电子设备、通信、电机和其它电气设备有关的电负载。
随着时间的推移，飞行器电源电压已经增加。具有14伏和28伏直流(VDC)电力系统的飞行器已经让位于具有在115伏交流电(VAC)和230VAC下操作的电力系统的飞行器。目前，飞行器可包括以包括正/负270VDC的电压操作并传送范围通常在例如从40安培到100安培的高电流的一个或多个电源。当前宽体双引擎商用喷气客机使用混合电压电气系统，所述混合电压电气系统包括在230VAC，115VAC，28VDC的电压下操作的子系统连同包括正负270VDC电源的双极高压直流子系统。
配电系统通常包括一个或多个固态功率控制器(SSPC)。为了满足SSPC中甚至更高的电流额定值的要求，固态器件的阵列互连，降低SSPC的总阻抗。由于这些阵列包括更多的元件来满足SSPC的总阻抗要求，控制器的设计变得复杂。即，包括大量的固态开关元件的SSPC可能具有复杂的互连和安装方案。
发明内容
在一方面，用于电切换电流的装置包括：由导电材料形成并具有第一纵向轴线的第一导体和由所述导电材料形成并具有第二纵向轴线的第二导体；一组开关元件，其每个元件被选择性配置成将所述第一导体电耦合到所述第二导体；以及印刷电路板，所述第一导体和所述第二导体设置在所述印刷电路板上。所述第一导体的宽度沿所述第一纵向轴线变化，使得所述第一导体中的电流密度沿所述第一纵向轴线基本上恒定，所述第二导体的宽度沿所述第二纵向轴线变化，使得所述第二导体中的电流密度沿所述第二纵向轴线基本上恒定。
在另一方面，一种用于配电的系统，包括：直流源元件；能够从所述直流源元件汲取电力的电负载元件；一组开关元件，所述一组开关元件被配置成通过在打开状态和闭合状态之间切换选择性将功率从所述直流源元件耦合到所述电负载元件，所述打开状态将功率从所述直流源元件到所述电负载元件去耦合，所述闭合状态将功率从所述直流源元件耦合到所述电负载元件；控制元件，所述控制元件被配置成改变所述一组开关部件的状态；第一导电元件，所述第一导电元件被配置成使电流在所述直流源元件和所述一组开关元件之间流动；以及第二导电元件，所述第二导电元件被配置成使电流在所述一组开关元件和所述电负载元件之间流动。所述第一导电元件的宽度变化，使得所述第一导电元件中的电流密度基本上恒定，所述第二导电元件的宽度变化，使得所述第二导电元件中的电流密度基本上恒定。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明中描述的各个方面的直流配电系统的示意图。
图2是根据本发明中描述的各个方面的直流配电系统的实施例的示意图。
图3是根据本发明中描述的各个方面包括一组固态开关元件的直流配电系统的实施例的示意图。
图4是根据本发明中描述的各个方面具有一组固态开关元件的固态开关的实施例的示意图。
图5是根据本发明中描述的各个方面具有固态开关元件的两个子集的固态开关的实施例的示意图。
图6是根据本发明中描述的各个方面具有一组固态开关元件的固态开关中的电流密度的实施例的图形，示出在固态开关中的电流密度的分布。
具体实施方式
本说明书在飞行器的配电系统的上下文中描述本发明的实施例，飞行器的配电系统能够从例如涡轮发动机、喷气燃料、氢气等能量源产生电力。然而，应了解，虽然关于飞行器环境描述了本发明的一个实施例，但本发明并不受此限制，且一般应用到例如其它移动应用和非移动工业、商业和住宅应用等的非飞行器应用中的配电系统。例如，适用的移动环境可以包括飞行器、航天器、太空运载火箭、卫星、机车、汽车等。商业环境可以包括制造设施或发电和配电设施或基础设施。
本发明的至少一些实施例提供了包括高电流开关能力的配电系统和设备。配电系统包括一组开关元件，例如晶体管。要了解，“一组”可包括任何数目的固态开关元件，包括单个固态开关。类似地，如本说明书中所使用的“一组”可包括任何数目的元件，包括一个元件。
在航空电子设备中，配电系统中的电力损耗可能是重要的。配电系统的不高效可能导致在难以散热的飞行器中产生过多的热。电力电子中的过多的热可导致有害效应，包括电迁移，这可能损坏航空电子设备的可靠性。因此，配电系统的元件的设计优化可以降低电力损耗，提高航空电子系统的总体可靠性。
现在转到图1，示出了根据本发明中描述的各个方面的直流配电系统10的示意图。直流配电系统10包括通过第一导电元件20耦合到开关元件组14的直流源元件12。所述开关元件组14选择性将来自直流源元件12的功率通过第二导电元件22耦合到电负载元件18。控制元件16耦合到所述开关元件组14，以控制和监测所述开关元件组14的状态。
直流源元件12为直流功率源或电源。直流源元件12可以输出任何正、负电压电平，以用于将电功率分配到电负载元件18，包括但不限于14VDC，28VDC和正、负270V。
所述开关元件组14包括一组固态开关。这组固态开关可包括能够在外部电压施加在开关的一组控制端子时接通或关断(即闭合或打开)的任何类型的固态开关。所述开关元件组14中的每个固态开关可包括固态电子开关装置和耦合机构，固态电子开关装置将功率切换到电负载元件18的负载电路，耦合机构使得控制信号激励没有机电元件的开关。所述开关元件组14可以是任何类型的固态电子开关，包括但不限于固态功率控制器(SSPC)、包括单个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的固态继电器、包括以并联配置排列的多个MOSFET的固态继电器等等。
控制并监测所述开关元件组14的状态的控制元件16可以与例如飞行器上的其它控制元件通信。在一种配置中，控制元件16包括提供与所述开关元件组14集成的SSPC。SSPC可以执行监测和诊断功能，以便识别过载条件，预防短路。从功能上讲，SSPC类似于具有机电开关元件的断路器，其保护电线和负载不受到故障的影响，但因为SSPC比机电断路元件在关断功率上更可靠，更快速，所以SSPC通常用在安全性很重要的功率系统中，例如，飞行器中的那些功率系统。SSPC可以在微秒的量级内切换状态，这与机电开关形成对比，机电开关需要近似30毫秒完成从一种状态到另一种状态的过渡。用SSPC实现的控制元件16使得所述开关元件组14能够支持内置监测和保护特征，包括但不限于电压监测、电流监测、温度监测、电流限制、12t监测、电弧故障保护和低保真度接地故障保护等。SSPC的内置监测和保护特征使得所述开关元件组14能够象控制器一样作用，可控制给负载的输出以确保适当的操作。SSPC可包括可配置的微处理器，其可以被编程以提高控制特性。
另外，控制元件16可将SSPC的状态报告回其它车辆管理控制系统。控制元件16可以将数据传送到所述开关元件组14；所述数据指示给所述开关元件组14的命令，读所述开关元件组14的状态，包括所述开关元件组14的任何一个是打开还是闭合，并监测所述开关元件组14的健康状况，包括所述开关元件组14的温度。控制元件16可包括能够传送与所述开关元件组14的控制和状态有关的数据的任何数据通信硬件和协议，包括但不限于被配置成实现认可标准485(RS-485)的平衡互连电缆，被配置成实现控制器局域网(CAN总线)的双线串行电缆，被配置成实现认可标准232(RS-232)的三线或五线串行电缆等。
现在转到图2，示出了根据本发明中描述的各个方面的直流配电系统100的实施例的示意图。直流配电系统100类似于图1中图示的直流配电系统；因此，相似部分将使用相似编号加100来标识，且应了解除非另外指出，否则对第一直流配电系统的相似部分的描述适用于第二直流配电系统。
直流源元件112耦合到开关元件组114。直流源元件组114和开关元件组114之间的耦合可包括限流线124和第一导电元件120。所述关元件组114耦合到电负载元件118。所述开关元件组114和电负载元件118之间的耦合可以包括第二导电元件122和限流线126。
所述开关元件组114和控制元件116可以包括用于控制和保护所述开关元件组114的多个子元件和模块。例如，SSPC可包括主固态开关，其打开或闭合将电负载元件118与直流源元件112耦合或去耦合。主固态开关可以包括一个或多个保护元件，包括但不限于金属氧化物变阻器(MOV)，瞬态电压抑制器(TVS)等。其它子元件可以包括跨开关的输入端、开关的输出端或其组合的一个或多个缓冲电路，以抑制电压尖峰并抑制开关断开时由电路电感引起的振荡。SSPC可包括一个或多个内置测试电路，提供能够实现SSPC自测的内置测试(BIT)特征。
现在参照图3，示出图2的直流配电系统100的实施例的示意图，示出根据本发明中描述的各个方面关于开关元件组的额外的细节层次。所述开关元件组114包括并联电耦合的一组金属氧化物半导体场效应晶体管128A，128B，128C和128D。第一导电元件120将电功率具体通过电流流动从直流源元件112耦合到金属氧化物半导体场效应晶体管的每一个。类似地，第二导电元件122将电功率具体通过电流流动从金属氧化物半导体场效应晶体管128A，128B，128C和128D的每一个耦合到电负载元件118。
在常规的功率开关中，在第一晶体管128A处的第一导电元件120比在每个后续晶体管128B，128C，128D处经历更高的电流密度。即，系统中的功耗由于均匀分布的轨迹电阻一开始很大。相反，与常规功率开关中的第二导电元件122一样，当电流密度从晶体管128D到128A建立时，额外的轨迹会引起损耗。因此，在配电系统10，100中，第一导电元件120的宽度变化，使得第一导电元件120中的电流密度基本上恒定，第二导电元件122的宽度变化，使得第二导电元件122中的电流密度基本上恒定。
现在转向图4，示出了根据本发明中描述的各个方面具有一组固态开关元件的固态开关的实施例的示意图。设备200包括印刷电路板220，在印刷电路板220上形成两个导体210，212。一组开关元件218在两个导体210，212之间被配置成基于控制元件232选择性电耦合两个导体。
第一导体210具有第一纵向轴线214，电流从直流源沿第一纵向轴线214流动。类似地，第二导体212具有第二纵向轴线216，通过第二纵向轴线216电流可流出所述一组开关元件218流到电负载元件。第一纵向轴线214相对于第二纵向轴线216的相对对齐可以是对实施和操作电流开关装置有用的任何定向，包括但不限于并联配置。
第一导体210和第二导体212可以由可用于传送电流的任何材料形成，包括但不限于铜。另外，第一导体210和第二导体212可以由任何可用于产生导电轨迹的任何过程形成，包括但不限于制造印刷电路板的过程。
第一导体210沿第一纵向轴线214的宽度224，226从一开始的较大宽度224变成较小的宽度226。以此方式，可以使第一导体210中的电流密度沿第一纵向轴线214基本上恒定。类似地，第二导体212沿第二纵向轴线216的宽度228，230从一开始较小的宽度228变成较大宽度230，使得第二导体212中的电流密度沿第二纵向轴线216基本恒定。即，第二导体212的宽度沿第二纵向轴线216逐渐变小，使得第二导体212的宽度随第一导体210的宽度的增大而减小。如所示，第一导体210和第二导体212的宽度沿其相应的纵向轴线214，216逐渐变小，形成梯形形状，锥形的最宽部分对准电流最大的地方。锥形可以是可用于平衡导体中的电流密度的任何形状，包括但不限于对数型、不对称等。
现在参照图5，根据本发明中描述的各个方面具有固态开关元件的两个子集的固态开关的实施例的示意图。电流开关设备300类似于图4中图示的设备；因此，相似部分将使用相似编号加100来标识，且应了解除非另外指出，否则对第一电流开关设备的相似部分的描述适用于第二电流开关设备。
第二导体312A、312B分成沿第二纵向轴线316A的第一部分312A和沿第三纵向轴线316B的第二部分312B。一组开关元件318A和318B包括耦合到第二导体的第一部分312A的开关元件的第一子集318A和耦合到第二导体的第二部分312B的开关元件的第二子集318B。电流开关设备可包括耦合到第二导体的相当数目的部分的开关元件的任何数目的子集，包括但不限于一个、两个或者更多个。
第二导体可包括瞬态抑制器334，用于限制在所连接的电线上引起的大电压尖峰的影响。第一导体和第二导体可包括任何附加的元件，例如用于保护电流开关设备的保护元件，包括但不限于金属氧化物变阻器(MOV)、瞬态电压抑制器(TVS)等。
现在转向图6，示出根据本发明中描述的各个方面具有一组固态开关元件的固态开关中的电流密度的实施例的示意图，示出固态开关中的电流密度的分布。在导体为一致宽度的常规的电流开关设备中，输出导体上的电流密度如实线上所示的增大。使用如上面描述的锥形导体，用虚线所示的电流密度在导体上是均匀的。
上述的实施例的技术效果包括降低热损耗，提高配电系统和由配电系统供电的下游系统的可靠性，特别是在吸取高电流的系统中。
在尚未描述的程度上，各种实施方案的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。不会在所有实施方案中说明一个特征并非意味着被理解为它不能这样，而是为了描述简洁起见。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，而无论是否已明确描述所述新的实施例。本发明涵盖本说明书所描述的特征的所有组合或排列。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，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所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果此类其它实例具有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书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于电切换电流的装置，包括：
第一导体，所述第一导体由导电材料形成并具有第一纵向轴线；
第二导体，所述第二导体由所述导电材料形成并具有第二纵向轴线；
一组开关元件，其每个元件被选择性配置成将所述第一导体电耦合到所述第二导体；以及
印刷电路板，所述第一导体和所述第二导体被设置在所述印刷电路板上；
其中，所述第一导体的宽度沿所述第一纵向轴线变化，使得所述第一导体中的电流密度沿所述第一纵向轴线基本上恒定，所述第二导体的宽度沿所述第二纵向轴线变化，使得所述第二导体中的电流密度沿所述第二纵向轴线基本上恒定。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一组开关元件的每个元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，每个所述金属氧化物半导体场效应晶体管并联电耦合。
4.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述第一导体的宽度沿所述第一纵向轴线逐渐变小。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二导体的宽度沿所述第二纵向轴线逐渐变小，使得第二导体的宽度随着所述第一导体的宽度的减小而增大。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述第二导体分为沿所述第二纵向轴线的第一部分和沿第三纵向轴线的第二部分。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述一组开关元件包括耦合到所述第二导体的第一部分的开关元件的第一子集和耦合到所述第二导体的第二部分的开关元件的第二子集。
8.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述第一导体和所述第二导体为所述印刷电路板上的轨迹。
9.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述第一导体和所述第二导体还包括瞬态抑制器元件。
10.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述第一导体和所述第二导体被配置成可承载大于40安培的电流。
11.一种用于配电的系统，包括：
直流源元件；
能够从所述直流源元件汲取电力的电负载元件；
一组开关元件，所述一组开关元件被配置成通过在打开状态和闭合状态之间切换选择性将功率从所述直流源元件耦合到所述电负载元件，所述打开状态将功率从所述直流源元件到所述电负载元件去耦合，所述闭合状态将功率从所述直流源元件耦合到所述电负载元件；
控制元件，所述控制元件被配置成改变所述一组开关元件的状态；
第一导电元件，所述第一导电元件被配置成使电流在所述直流源元件和所述一组开关元件之间流动；以及
第二导电元件，所述第二导电元件被配置成使电流在所述一组开关元件和所述电负载元件之间流动；
其中，所述第一导电元件的宽度变化，使得所述第一导电元件中的电流密度基本上恒定，所述第二导电元件的宽度变化，使得所述第二导电元件中的电流密度基本上恒定。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一组开关元件的每个元件为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，每个所述金属氧化物半导体场效应晶体管并联电耦合。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，其中，所述第一导电元件的宽度沿所述第一纵向轴线逐渐变小。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第二导电元件的宽度沿所述第二纵向轴线逐渐变小，使得第二导电元件的宽度随着所述第一导电元件的宽度的减小而增大。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的系统，其中，所述第二导电元件分为沿所述第二纵向轴线的第一部分和沿第三纵向轴线的第二部分。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述一组开关元件包括耦合到所述第二导电元件的第一部分的开关元件的第一子集和耦合到所述第二导电元件的第二部分的开关元件的第二子集。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的系统，其中，所述第一导电元件和所述第二导电元件为印刷电路板上的轨迹。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的系统，其中，所述第一导电元件和所述第二导电元件还包括瞬态抑制器元件。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的系统，其中，所述第一导电元件和所述第二导电元件被配置成可承载大于40安培的电流。
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