CN112822899A - 一种双余度270v高压大功率负载监控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双余度270V高压大功率负载监控装置，包括上层壳体、第一负载监控单元、隔板、第二负载监控单元和下层壳体，第一负载监控单元和第二负载监控单元为双余度设计；上层壳体靠近隔板的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于固定第一负载监控单元的印制板；隔板与印制板上的功率器件直接接触，实施导热；下层壳体底部靠近底板的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于固定第二负载监控单元的印制板，下层壳体的底板与印制板上的功率器件直接接触，实施导热；第一负载监控单元和第二负载监控单元采用通断时间可控的驱动电路控制配电开关。本发明中负载监控装置用于高电压、大功率配电，解决了驱动技术不足、散热能力差的问题。

Description

一种双余度270V高压大功率负载监控装置
技术领域
本发明属于高电压负载监控技术领域，涉及一种负载监控装置，特别涉及一种双余度270V高压大功率负载监控装置。
背景技术
截止目前，高电压、大功率负载监控装置因为驱动技术和散热技术的短板尚处空白，重型运载、大型无人机对于高电压、大功率负载监控装置存在大量需求，迫切需要解决高电压、大功率负载监控装置的驱动和散热难题，制造出一款能用于高电压、大功率负载的监控单元。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种双余度270V高压大功率负载监控装置，用于高电压、大功率配电，解决驱动技术不足、散热能力差的问题，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种双余度270V高压大功率负载监控装置，包括上层壳体、第一负载监控单元、隔板、第二负载监控单元和下层壳体，上层壳体和隔板形成的上层结构中安装有第一负载监控单元，下层壳体与隔板形成的下层结构中安装有第二负载监控单元，其中，第一负载监控单元和第二负载监控单元为双余度设计；
上层壳体靠近隔板的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于安装固定第一负载监控单元的印制板；隔板与印制板上的功率器件直接接触，实施导热；
下层壳体底部靠近底板的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于安装固定第二负载监控单元的印制板，所述下层壳体的底板为平板结构，用于封闭下层壳体，并与印制板上的功率器件直接接触，实施导热。
根据本发明提供的一种双余度270V高压大功率负载监控装置，具有以下有益效果：
(1)本发明中双余度270V高压大功率负载监控装置，采用接触式散热技术，解决系统散热问题，利用层叠式双余度设计实现系统的易安装、易更新和易维护；
(2)本发明中双余度270V高压大功率负载监控装置，采用通断时间可控的驱动电路控制配电开关，实现低动态损耗和高可靠配电输出。
附图说明
图1是本发明的双余度270V高压大功率负载监控装置的外形图；
图2是本发明的双余度270V高压大功率负载监控装置的外形图；
图3是本发明的隔板的结构示意图；
图4是本发明驱动电路的原理框图。
附图标号说明
1-上层壳体；2-第一负载监控单元；3-隔板；4-第二负载监控单元；5-下层壳体；21-第一对外连接器；22-第二对外连接器；23-第三对外连接器；24-第四对外连接器；25-第五对外连接器；26-第六对外连接器；31-散热片加强筋；32-条形散热片。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
如图1和图2所示，本发明提供了一种双余度270V高压大功率负载监控装置，包括上层壳体1、第一负载监控单元2、隔板3、第二负载监控单元4和下层壳体5，上层壳体1和隔板3形成的上层结构中安装有第一负载监控单元2，下层壳体5与隔板3形成的下层结构中安装有第二负载监控单元4，其中第一负载监控单元2和第二负载监控单元4为双余度设计，确保发生一度故障时负载监控单元仍能工作，同时采用层叠式装配方案，易安装、易更新和易维护。
上层壳体1靠近隔板3的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于安装固定第一负载监控单元2的印制板；如图3所示，所述隔板3为围框结构，围框内部加工有散热片加强筋31和条形散热片32，散热片加强筋31和条形散热片32与印制板上的功率器件直接接触。第一负载监控单元2的印制板与上层壳体1的侧板之间存在空隙的位置设置绝缘导热垫。
下层壳体5底部靠近底板的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于安装固定第二负载监控单元4的印制板，所述下层壳体5的底板为平板结构，用于封闭下层壳体5，并与印制板上的功率器件直接接触，实施导热。第二负载监控单元4的印制板与下层壳体5的侧板之间存在空隙的位置设置绝缘导热垫。
进一步地，上层壳体1和下层壳体5的空间内部安装至少一层散热结构，所述散热结构与隔板3结构相似，为围框结构，围框内部加工条形散热片和散热片加强筋。
本发明采用接触式散热，通过隔板和散热结构上条形散热片和散热片加强筋、以及加绝缘导热垫的设计来增加功率器件与壳体接触面积，通过热传导方式将产生的热量散到壳体上，保证负载监控单元能有效散热，解决了高电压大功率负载监控装置普遍面临的散热问题。
在本发明中，所述第一负载监控单元2包括固定在上层壳体1上的第一对外连接器21、第二对外连接器22、第三对外连接器23、第四对外连接器24、第五对外连接器25和第六对外连接器26，其中，
第一对外连接器21为功率电源输入连接器，用于负载监控装置的功率输入；
第二对外连接器22为功率电源输入连接器，用于负载监控装置的功率输入；
第三对外连接器23为功率电源输出连接器，用于负载监控装置的功率输出；
第四对外连接器24为通信连接器，用于与外部控制系统进行通信；
第五对外连接器25为控制电源输入连接器，用于为负载监控装置的驱动电路供电；
第六对外连接器26为功率电源输出连接器，用于负载监控装置的功率输出。
所述第二负载监控单元4的外连接器与第一负载监控单元2的一致，对外连接器固定在下层壳体5上。多外连接器的设置，以负载监控单元的功能为设计依据，一方面可将功率电源、控制电源、通信电缆分开，减少高压信号、低压信号和通信信号之间的相互干扰，另一方面以连接器型号不同区分，减少使用过程中的错插、误插事件的发生。
如图4所示，所述第一负载监控单元2和第二负载监控单元4均包括安装在印制板上的大功率驱动电路，所述驱动电路包括隔离电源、驱动芯片和功率MOSFET，所述隔离电源一端与系统电源连接，另一端与驱动芯片连接，用于将系统电源与驱动电源隔离开，保证信号之间的相互隔离，并接收控制端控制指令，将控制指令转换后输出至驱动芯片；所述驱动芯片与功率MOSFET栅极之间分别连接有电阻R1和电阻R2两路电阻，驱动芯片接收控制指令后，与电阻R1或电阻R2连通，分别输出高电平或低电平驱动功率MOSFET开通或断开；所述功率MOSFET的漏极为功率输入端，连接高压电源(如270V高压电源)，源极为功率输出端，一路连接用电器件，另一路连接至驱动芯片的接地引脚。
对于功率MOSFET，由于开通和关断瞬间功率较高，如果开通关断时间过长，动态损耗大，极易造成MOSFET烧毁，如果开通时间过短，在容性负载接通过程中，浪涌电流峰值过大，对能源系统的要求较高，因此本发明中对驱动芯片后端电阻网络进行设计，设计了两路电阻，通过对阻值的设计，保证MOSFET开关时间可以自行控制。在驱动芯片接收控制指令输出高电平驱动功率MOSFET开通时，通过电阻R1，在驱动芯片接收控制指令输出低电平驱动功率MOSFET断开时，通过电阻R2，电阻R1的阻值大于电阻R2的阻值。
优选地，功率MOSFET栅极前端增加一个电阻R3，用于消除驱动电路中寄生电容与电感导致的谐振问题，解决MOSFET关断时栅极电压在米勒平台区震荡问题，保证MOSFET在关断时不烧毁。电阻R3的阻值≤200Ω。
优选地，所述驱动电路还包括升压器件，两端分别连接隔离电源和驱动芯片，该升压器件用于输出驱动芯片所需电压，如将隔离电源输出的+5V电压提升至+10V，提供至驱动芯片，使驱动芯片输出满足功率MOSFET开启的电压。
实施例
采用本发明中双余度270V高压大功率负载监控装置，包括上层壳体1、第一负载监控单元2、隔板3、第二负载监控单元4和下层壳体5，上层壳体1和隔板3形成的上层结构中安装有第一负载监控单元2，下层壳体5与隔板3形成的下层结构中安装有第二负载监控单元4，上层壳体1和下层壳体5中安装散热板，与隔板3共同促进散热。
第一负载监控单元2和第二负载监控单元4均包括安装在印制板上的大功率驱动电路，所述驱动电路包括隔离电源、升压器件、驱动芯片和功率MOSFET，驱动芯片与功率MOSFET栅极之间连接有电阻R1、电阻R2和电阻R3，电阻R1和电阻R2并联后经电阻R3连接至功率MOSFET的栅极。
经过设计，功率MOSFET的开通时间为200～600μs，功率MOSFET的关断时间为50～300μs，设置电阻R1为12KΩ，电阻R2为5.1KΩ，电阻R3为130Ω，驱动电路中功率MOSFET无烧毁，且温升相较于无散热结构时的50℃下降至20～25℃。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
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)

1.一种双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，包括上层壳体(1)、第一负载监控单元(2)、隔板(3)、第二负载监控单元(4)和下层壳体(5)，上层壳体(1)和隔板(3)形成的上层结构中安装有第一负载监控单元(2)，下层壳体(5)与隔板(3)形成的下层结构中安装有第二负载监控单元(4)，其中，第一负载监控单元(2)和第二负载监控单元(4)为双余度设计；
上层壳体(1)靠近隔板(3)的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于安装固定第一负载监控单元(2)的印制板；隔板(3)与印制板上的功率器件直接接触，实施导热；
下层壳体(5)底部靠近底板的侧板上加工有向壳体中部延伸的支撑结构，用于安装固定第二负载监控单元(4)的印制板，所述下层壳体(5)的底板为平板结构，用于封闭下层壳体(5)，并与印制板上的功率器件直接接触，实施导热。
2.根据权利要求1所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，所述隔板(3)为围框结构，围框内部加工有散热片加强筋(31)和条形散热片(32)，通过散热片加强筋(31)和条形散热片(32)与印制板上的功率器件直接接触，实施导热。
3.根据权利要求1所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，所述第一负载监控单元(2)的印制板与上层壳体(1)的侧板之间存在空隙的位置设置绝缘导热垫；
所述第二负载监控单元(4)的印制板与下层壳体(5)的侧板之间存在空隙的位置设置绝缘导热垫。
4.根据权利要求1所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，上层壳体(1)和下层壳体(5)的空间内部安装至少一层散热结构，所述散热结构为围框结构，围框内部加工条形散热片和散热片加强筋。
5.根据权利要求1所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，所述第一负载监控单元(2)包括固定在上层壳体(1)上的第一对外连接器(21)、第二对外连接器(22)、第三对外连接器(23)、第四对外连接器(24)、第五对外连接器(25)和第六对外连接器(26)，其中，
第一对外连接器(21)为功率电源输入连接器，用于负载监控装置的功率输入；
第二对外连接器(22)为功率电源输入连接器，用于负载监控装置的功率输入；
第三对外连接器(23)为功率电源输出连接器，用于负载监控装置的功率输出；
第四对外连接器(24)为通信连接器，用于与外部控制系统进行通信；
第五对外连接器(25)为控制电源输入连接器，用于为负载监控装置的驱动电路供电；
第六对外连接器(26)为功率电源输出连接器，用于负载监控装置的功率输出；
所述第二负载监控单元(4)的外连接器与第一负载监控单元(2)的一致，对外连接器固定在下层壳体(5)上。
6.根据权利要求1所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，所述第一负载监控单元(2)和第二负载监控单元(4)均包括安装在印制板上的驱动电路，所述驱动电路包括隔离电源、驱动芯片和功率MOSFET，
所述隔离电源一端与系统电源连接，另一端与驱动芯片连接，用于将系统电源与驱动电源隔离开，并接收控制端控制指令，将控制指令转换后输出至驱动芯片；所述驱动芯片与功率MOSFET栅极之间分别连接有电阻R1和电阻R2两路电阻，驱动芯片接收控制指令后，与电阻R1或电阻R2连通，分别输出高电平或低电平驱动功率MOSFET开通或断开；所述功率MOSFET的漏极连接高压电源，源极一路连接用电器件，另一路连接至驱动芯片的接地引脚。
7.根据权利要求6所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，功率MOSFET栅极前端增加一个电阻R3，从电阻R1和电阻R2输出的驱动信号经电阻R3连接至功率MOSFET的栅极。
8.根据权利要求7所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，电阻R3的阻值≤200Ω。
9.根据权利要求6所述的双余度270V高压大功率负载监控装置，其特征在于，所述驱动电路还包括升压器件，两端分别连接隔离电源和驱动芯片，该升压器件用于输出驱动芯片所需电压，使驱动芯片输出满足功率MOSFET开启的电压。
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