CN113454775A - 包括电源模块和电弧闪光护套的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种系统，其包括：‑高压电源模块(1)，其包括容纳所述模块的电子构件的介电壳体(2)，并至少包括可从所述模块外部通达的第一(101)和第二(102)连接端子，所述模块的电子构件能够在所述第一和第二连接端子之间施加至少等于1kV的电势差，所述第一和第二端子由设置在所述介电壳体(2)的外部面中的至少一个交替的槽(6)和肋部(7)间隔开；‑在第一和第二连接端子(101、102)之间延伸的介电保护元件(10)，所述保护元件(10)覆盖所述壳体的肋部并包括容纳在所述壳体的槽(6)中的肋部(17)。
Description
本发明涉及电源模块，尤其涉及用于限制电弧风险的这种电源模块的设计。
电源模块能够具有不同功能，例如电气转换功能。电源模块包括容纳实现模块的基础电子功能的不同的电气和电子构件的介电绝缘壳体和能够从壳体外部通达的用于将模块连接到其它电气构件的多个螺钉连接端子。在使用电源模块时，在该模块的连接端子之间施加电势差。
尤其是为了新应用的需求，电源模块可能会在它们的连接端子之间施加日益增长的不间断电势差。由此存在对用于3.3kV、6.5kV、10kV甚至更高的额定电压的电源模块的需求。设计约束源于对不同制造商的模块的尺寸的标准化需求，以具有相对类似的形状因数，以便方便电气系统的设计。由此，用于高达10kV的额定电压的电源模块必须满足尺寸限制。
为了满足关于电弧形成的标准，这些尺寸限制使得电源模块的设计存在问题。实际上，对于给定电压水平，对于壳体外部，必须满足端子之间的介电壳体表面的轮廓和在空气中的最小路程距离。这些条件尤其在IEC60664-1标准中详细说明。这样的尺寸设置可能会在受污染环境中显得相当具有限制性，路径距离必须考虑到壳体表面上的尘埃、湿度或污水的潜在沉积，从而有利于产生电弧的。由此，对于10kV的模块，端子之间的路径距离必须超过100mm，对于例如由Infineon公司提出的具有140x100mm的占用面积的XHP-3的形状因子模块的电源模块来说，这代表了大的距离。为了能够使用兼容的模块，不同的制造商遵守模块的几何形状，尤其是关于在此间隔26mm的端子的位置。端子之间的距离因此是固定的。为了增大路径距离，在端子之间插入壳体的交替的槽和肋部。这样的解决方案也具有限制，这是因为对于适用于3级污染度的IEC标准，槽必须具有至少为1.5mm的宽度。XHP-3形式因子模块的实现对于10kV电压是一个挑战。
文献US2009/213553描述了一种模块，该模块的壳体具有用于允许机械固定介电保护插件的突出部。
本发明旨在克服这些缺陷中的一个或更多个。本发明因此涉及所要求保护的系统。
本发明还涉及从属权利要求的变型。本领域技术人员将理解，本说明书或权利要求书的特征中的每个可独立地与独立权利要求的特征组合，而不因此构成中间概括。
参照附图，通过非限制性的指示，本发明的其他特征和优点将在下面的描述中变得明显，其中：
图1示出具有介电壳体的高压电源模块的俯视图；
图2示出根据本发明的示例性实施例的由介电保护元件覆盖的高压电源模块的俯视图；
图3和图4示出根据本发明的示例性实施例的由介电保护元件覆盖的高压电源模块的组件的两幅剖视图，该介电保护元件被连接到两个高压接触件；
图5示出图3的一个组件细节的分解图；
图6是根据本发明的示例性实施例的由介电保护元件覆盖的高压电源模块相对于根据现有技术的裸模块的电压耐压值的比较图；
图7示出根据本发明的另一个示例性实施例的由介电保护元件覆盖的高压电源模块的组件的剖视图，该介电保护元件被连接到两个高压接触件；
图8示出根据本发明的又一个示例性实施例的由介电保护元件覆盖的高压电源模块的组件的剖视图，该介电保护元件被连接到两个高压接触件；
图9示出根据本发明的又另一个示例性实施例的由介电保护元件覆盖的高压电源模块的组件的剖视图，该介电保护元件被连接到两个高压接触件。
图1是高压电源模块1的俯视图，该高压电源模块包括容纳所述模块的电子构件(未示出)的壳体介电壳体2。模块1还包括能够从壳体2的顶面3通达的连接端子101、102、103和104。连接端子101和102在此沿着纵向方向对齐并沿着横向方向偏移。连接端子103和104在此沿着纵向方向对齐并沿着横向方向偏移。连接端子101和103在此沿着横向方向对齐并沿着纵向方向偏移。
在模块1运行期间，其电子构件(未示出)可能会在端子101与102之间施加或已经施加例如至少等于1kV、或者甚至高于3kV、或者甚至高于6kV或甚至至少为10kV的电势差。模块1由此能够被视为高压模块。端子101和102由在壳体2的上部外部面3中的交替的槽6和肋部7间隔开。例如在端子101与103之间或101与104之间能够观察到相同的电势差。端子101和103由在壳体2的上部外部面3中的交替的槽60和肋部70间隔开。
本发明提出一种能够不更改形状因数(例如在110mm x150mm的矩形内的占用面积)且满足现行标准(尤其是对于3级污染度)的增大可施加在模块1的端子101至104之间的电势差的解决方案。壳体2能够例如具有由Infineon公司以标记XHP-3命名的形状因数。本发明的一个实施例在于用由与壳体2的材料不同的材料制成的柔性介电保护元件10来封装壳体2的连接件。而壳体2的材料能够根据其介电强度和机械刚性来选择，而保护元件10的材料则能够根据其变形以贴合壳体2的顶面3的能力或为了其抵抗污染条件的能力来选择。元件10的材料还能够有利地根据其介电特性来选择。
图2是图1的电源模块的俯视图，该电源模块被根据本发明的一个实施方式的示例的介电保护元件10覆盖。介电保护元件10通过覆盖壳体2的整个顶面3(除了连接端子101、102、103和104)来形成密封罩。介电保护元件10还在壳体2的侧部的整个或部分高度上覆盖这些侧部。介电保护元件10有利地一体地形成，以改善介电保护元件10在壳体的顶面3上的密封性。介电保护元件10能够例如由弹性体(例如橡胶、硅树脂或聚氨酯)制成。保护元件10有利地通过壳体2所施加的弹性变形，维持与顶面3接触，以方便其自主地机械地保持在壳体2上。
图3是包括模块1和其介电保护10的组合的组件的剖视图，其带有借助螺钉201和202固定在连接端子101和102处的电连接器31和32。剖面沿着图2中所示的A-A轴线示出。介电保护元件10有利地包括容纳在壳体2的槽6中的肋部17中。通过覆盖壳体2的顶面3并通过具有容纳在壳体2的槽6中的肋部17，由此避免在槽6中沉积可能的污染物，这防止了这样的污染物在连接端子101与102之间促进电弧形成。由此，即使壳体2的尺寸减小，在污染的环境中，电弧也会转移到明显更高的电压水平。
在连接端子101处，螺钉201螺纹旋入到壳体2的螺纹孔8中(螺纹孔8也能够被例如卡式螺母代替)。螺钉201在此提供了连接端子101与电连接器31(在文献中有时称为母线)之间的电连接。螺钉201还提供了电连接器31与壳体2之间的机械连接。根据本发明的一个实施例，螺钉头201由介电材料制成。螺纹孔8的周边有利地由保护元件10的延伸部21覆盖，以限制尽可能接近连接器101来沉积污染物的能力。
延伸部21覆盖螺纹孔8的周边。延伸部21具有相对于螺纹孔8竖直布置的孔23。螺钉201穿过该延伸部21的孔23。延伸部21的孔23在此由竖直的圆柱形壁27界定。这样的圆柱形壁能够通过在螺钉头201(通过连接器31)与壳体2之间的压缩而变形，以改善螺钉头部下方的密封性并使得更难以形成电弧。这确保了没有金属部件暴露于空气，并在连接端子101处形成气密屏障。这确保了，无论是在旁路中还是路径中，都没有可能的电弧路径。介电保护元件10能够例如具有30至50的邵氏A级硬度，以促进竖直圆柱形壁27在这种压缩过程中的弹性变形。竖直圆柱形壁27在此有利地被竖直套筒25环绕。这样的竖直套筒25进一步改善了连接器101处的密封性。具有30至50的邵氏A级硬度的介电保护元件10还有助于竖直套筒25在这样的压缩过程中的弹性变形。
在连接端子102处，螺钉202螺纹旋入到壳体2的螺纹孔9中。螺钉202在此提供了连接端子102与电连接器32(在文献中有时称为母线)之间的电连接。螺钉202还提供了电连接器32与壳体2之间的机械连接。根据本发明的一个实施方式，螺钉头202由介电材料制成。螺纹孔9的周边有利地由保护元件10的延伸部22覆盖，以限制尽可能接近接器102来沉积污染物的能力。
延伸部22覆盖螺纹孔9的周边。延伸部22具有相对于螺纹孔9竖直布置的孔24。螺钉202穿过该延伸部22的孔24。延伸部22的孔24在此由竖直圆柱形壁28界定。这样的圆柱形壁能够通过在螺钉头202(经由连接器32)与壳体2之间的压缩而变形，以改善螺钉头下方的密封性并使得更难以形成电弧。介电保护元件10能够例如具有30至50的邵氏A级硬度，以有助于竖直圆柱形壁28在这样的压缩过程中的弹性变形。竖直圆柱形壁28在此有利地由竖直套筒26环绕。这样的竖直套筒26进一步改善了连接器102处的密封性。具有30至50的邵氏A级硬度的介电保护元件10还有助于促进竖直套筒26在这样的压缩过程中的弹性变形。
所述竖直壁27与螺钉201之间的剩余空间在此有利地填充有介电树脂50，以进一步限制污染风险和对应的电弧。类似地，所述竖直壁28与螺钉202之间的剩余空间在此有利地填充有介电树脂50。
图4是包括模块1及其介电保护元件10的组合的组件的剖视图，其带有借助于螺钉201和203固定在连接端子101和103处的电连接器31和33。剖面沿着图2中所示的B-B轴线示出。介电保护元件10包括容纳在壳体2的槽60中的肋部18。
图5是图3所示的组件的细节的分解图。在此仅示出其壳体2的一个纵向端部4的模块1由在此仅示出其端部11的根据本发明的一个示例性实施例的介电保护元件10覆盖。该组件组装到电连接器31和32，并借助螺钉201和202固定在连接端子101和102处。
图6是根据不同构造的高压电源模块在形成电弧之前的电压的比较图。测量值A、B、C、D、E和F在带有根据现有技术的裸露顶面的模块上获得。测量值A’、B’、C’、D’、E’和F’在被根据本发明的一个示例性实施例的介电保护元件覆盖的模块上获得。测量值A、A’、B、B’、C和C’在干燥的模块上获得。测量值D、D’、E、E’、F和F’在其上用人工喷洒喷射有去离子水的模块上获得。测量值A、A’、D和D’在干净的模块上取得。测量值B、B’、E和E’在经过高岭土处理的模块上获得，这对应于2级污染度。测量值C、C’、F和F’在经过盐处理的模块上获得，这对应于3级污染度。
在图6中能够看出，使用根据本发明的介电保护元件能够在所有情况下获得高于20kV的电弧形成电压，其中根据现有技术的未受保护的模块能够在低于10kV的电压下产生电弧。
参照高压电源模块1对本发明进行了说明。本发明还能够应用于其它类型的电源模块。
本发明的一个独立方面涉及一种系统，该系统包括：
-高压电源模块，其包括容纳所述模块的电子构件的介电壳体，并至少包括能够从模块外部通达的第一和第二连接端子，模块的电子构件能够在所述第一和第二连接端子之间施加至少等于1kV的电势差，所述第一和第二端子由介电壳体的外部面中的至少一个交替的槽和肋部间隔开；
-在所述第一和第二连接端子之间延伸的介电保护元件，保护元件覆盖壳体的肋部并包括容纳在壳体的槽中的肋部。
本发明的该独立方面能够与在本说明书中和所附权利要求书中说明的每个技术特征组合。
图7是包括模块1和介电保护10的组合的组件的另一实施例的剖视图，其带有借助螺钉201和202固定在连接端子101和102处的电连接器31和32。模块1和介电保护10具有与前述实施例相同的结构。电连接器31和32在此封装在介电保护元件30中。螺钉201和202保持连接器31和32的端部分别与连接端子101和102电接触。螺钉201和202在此由介电材料制成。螺钉201和202在此穿过连接器31和32的相应孔。介电保护元件10在此有利地包括容纳在壳体2的槽6中的肋部17。
图8是图7的实施例的变型的剖视图。该变型与图7的实施例的不同之处仅在于存在突出部35，该突出部竖直地从介电保护元件30突出。突出部35在此定位在螺钉201与202之间。突出部35呈鳍片的形式，其作用在于使电弧路径在电连接器31和32的上方延伸。
图9是图7的实施例的变型的剖视图。该变型与图7的实施例的不同之处仅在于存在突出部36，该突出部竖直地从介电保护元件30上突出。突出部36在此定位在螺钉201与202之间，其它突出部定位在介电保护元件30周边。突出部36呈鳍片的形式，其作用在于使电弧路径在电连接器31和32的上方延伸。
Claims (16)
1.一种系统，其包括：
-高压电源模块(1)，其包括容纳所述模块的电子构件的介电壳体(2)，并至少包括能够从所述模块外部通达的第一连接端子(101)和第二连接端子(102)，所述模块的电子构件能够在所述第一和第二连接端子之间施加至少等于1kV的电势差，所述第一和第二端子(101、102)具有相应的固定元件(8、9)，其特征在于，所述第一和第二端子通过设置在所述介电壳体(2)的外部面中的至少一个交替的槽(6)和肋部(7)间隔开；
-在所述第一和第二连接端子(101、102)之间延伸的介电保护元件(10)，所述保护元件(10)覆盖所述壳体的肋部，所述保护元件包括分别覆盖所述第一和第二端子的固定元件的周边的第一和第二延伸部(21、22)，所述第一和第二延伸部中的每个包括穿过所述第一和第二端子的固定元件垂直定位的通孔(23、24)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述介电保护元件(10)具有容纳在所述壳体的槽(6)中的肋部(17)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述固定元件是螺纹孔。
4.根据权利要求3所述的系统，其包括第一和第二螺钉(201、202)，所述第一和第二螺钉分别螺纹旋入到所述第一和第二端子的螺纹孔(8、9)中并穿过所述第一和第二延伸部的通孔(23、24)。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一和第二螺钉(201、202)由介电材料制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述通孔(23、24)由所述保护元件(10)的第一和第二延伸部的竖直壁(27、28)界定。
7.根据权利要求6所述的系统，其包括插入在所述固定元件与保护元件的第一和第二延伸部的竖直壁(27、28)之间的介电树脂(50)。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述延伸部包括分别环绕所述第一和第二竖直壁(27、28)的第一和第二竖直套筒(25、26)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其包括第一和第二电连接器(31、32)，所述第一延伸部被压缩在所述第一电连接器与第一端子(101)之间，所述第二延伸部被压缩在所述第二电连接器与第二端子(102)之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述保护元件(10)形成覆盖除所述固定元件(8、9)以外的介电壳体(2)的顶面(3)的密封罩。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述保护元件(10)通过由所述壳体施加的弹性变形保持与所述介电壳体(2)的顶面接触。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述保护元件(10)一体地形成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述保护元件(10)的材料不同于所述介电壳体(2)的材料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述保护元件(10)由邵氏A级硬度为30至50的材料制成。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中：
-所述电源模块(1)包括能够从所述模块外部通达的第三连接端子(103)，所述模块的电子构件能够在所述第一和第三连接端子(101、103)之间施加至少等于1kV的电势差，所述第一和第三端子由设置在所述介电壳体(2)的外部面中的至少一个交替的槽(60)和肋部(70)间隔开；
-所述介电保护元件(10)在所述第一和第三连接端子之间延伸，所述保护元件覆盖设置在所述第一和第三端子之间的壳体的肋部，并且具有容纳在所述壳体(2)的设置在所述第一和第三端子之间的槽(60)中的肋部(18)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述壳体(2)具有在110mm x 150mm的矩形内的占用面积。
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