CN1510985A - 一种电隔离的模块 - Google Patents

Abstract

一种电控模块，在内部线电压和分开的用作热汇的工具外壳之间提供了双绝缘层，因此可使电控模块安装到工具外壳内时具有多样性，并减少了接触工具外壳外表面的使用者出现电击的危险。控制模块包括功率器件，其连接到线电压和热垫。功率器件在线电压和功率器件的外引线之间提供了第一电绝缘层，而热垫提供了第二电绝缘层。第一和第二层结合在线电压和工具外壳之间提供了至少量的电绝缘，因此可防止电击。另外，热垫可设置在控制模块和工具外壳之间。

Description

一种电隔离的模块

本申请是2001年8月10日向美国专利和商标局提交的名为“一种电隔离的模块(Electrically Isolated Module)”的美国专利申请No.09/927,418的部分继续申请。所述申请的内容在本文中参考引用。并根据35 U.S.C§120要求具有所述申请的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及一种电隔离的控制模块，具体地涉及一种在内部线电压和外热汇之间具有双绝缘层的电隔离的控制模块。

背景技术

可在较高的交流线电压下工作的电子装置已经存在很多年了。动力工具如斜切锯、砂带磨光机以及家用电器只是这类装置的几个示例。一般的动力工具带有电压系统，向工具提供线电压(利用商业交流电源)；和包围该系统的工具外壳。控制模块(如速度控制器)通常连接到线电压，也设置到工具外壳中。因此，在斜切锯的情况下，速度控制器可根据线电压和一个或多个开关信号控制锯条的转速。为了防止电击接触工具外壳外表面的人员，这种控制器一般是嵌入内部的封装中并位于距工具外壳足够远的位置，以在工具外壳和线电压之间形成要求数量的电绝缘。

尽管上面介绍的电隔离控制模块的方式在许多情况下是可以接受的，但仍存在一些困难。例如，当动力工具的尺寸和工具内的气流数量减少，模块在工具内定位的灵活性也减少。考虑到现代安全标准的严格要求，这个事实会带来很大麻烦。例如，安全认证实验室(UL)要求交流线电压与任何使用者可接触到(或使用者握到)的工具或装置外壳之间的隔离电压至少为3700伏。为了满足这些安全标准给定的漏电和净空拘束要求，设计工程师面临很大的困难。因此，希望提供一种电绝缘的模块，其在相对使用者可接触到的外壳的模块位置方面具有很大的灵活性。

发明内容

根据本发明原理的动力工具可实现上述和其他的目的。所述工具有电压系统，可向工具提供线电压；使用者把握的工具外壳包围电压系统。双层绝缘(DI)的控制模块连接到线电压并机械连接到工具壳体内部表面，使得金属工具外壳用作控制模块的热汇。通过机械连接控制模块到工具外壳内部表面，工具内部设计上和工具外壳内的控制模块位置上的灵活性有了极大提高。

另外，根据本发明，提供了一种电子模块。该模块包括功率器件和热垫。功率器件连接到线电压，功率器件在线电压和功率器件外引线之间提供了第一层电绝缘。热垫设置在外引线和热汇之间。热垫在外引线和热汇之间提供了第二层电绝缘，因此，第一和第二层结合在线电压和热汇之间提供了预定至少量的电绝缘。

根据本发明的另一方面，提出了一种隔离线电压和热汇的方法。该方法包括步骤：功率器件电连接到线电压，在线电压和功率器件的外引线之间提供第一电绝缘层。该方法还将热垫定位在热汇和工具外壳之间，使热垫在热汇和工具外壳之间提供了第二层电绝缘，因此第一和第二层结合形成了电隔离。

应当认识到，前面的一般介绍和下面的详细介绍仅仅是本发明的示例说明，只是为了解本发明如权利要求所提出的性质和特征提供了总体情况或框架。附图提供了对本发明的进一步了解，并与本说明结合成为说明书的一部分。附图显示了本发明的各种特征和实施例，与本说明一起对本发明的原理和操作进行说明。

附图说明

通过参考附图阅读下面的说明和权利要求，所属领域的技术人员将对本发明的各种优点更加清楚，其中：

图1是根据本发明原理的带有使用者可接触到的工具外壳的动力工具的透视图；

图2是根据本发明原理的动力工具外壳的透视图，显示了典型的控制模块位置；

图3是根据本发明原理的动力工具外壳的空腔的透视图，显示了控制模块；

图4是根据本发明原理的电子控制模块的透视图；

图5是图4所示电子控制模块的平面图；

图6A是沿图5中剖面6A-6A的控制模块的截面图；

图6B是沿图5中剖面6B-6B的控制模块的截面图；

图6C是沿图5中剖面6C-6C的控制模块的截面图；

图6D是沿图5中剖面6D-6D的控制模块的截面图；

图7是固定到动力工具外壳外面的控制模块的另一实施例的透视图，显示出外热垫；

图8A是沿图5中剖面6D-6D的控制模块另一实施例的截面图，其包括第三绝缘层；和

图8B是图8A所示控制模块的分解图。

具体实施方式

下面对优选实施例的介绍仅是说明性的，不能用来限制本发明，不能限制本发明的应用或使用。

参见图1，其显示了示意性的动力工具10的透视图。应当注意到，尽管本发明主要参考动力工具和器件进行介绍。但本发明并不限于动力工具。实际上，本文所介绍的原理可改进任何要求电隔离的电子器件的功能。此外，下面介绍的控制模块仅仅是本发明可带来益处的一类电子模块。从而，传感模块、电源模块、显示模块、和其他电子模块都可利用本发明的原理得到改进，虽然下面的讨论显示动力工具控制模块具有许多特别适合本发明的方面。现在介绍本发明，可以看到动力工具10带有电源线12，可向工具10提供交流电；和使用者16可接触的工具外壳14。工具外壳14围绕一部分电源线12，本发明的控制模块18的位置用虚线显示。可以理解模块18可支承于工具10内的不同位置。图中的控制模块18位于把手部分内，代表了工具10可设置控制模块18的适合内部区域。外壳14可完全由金属材料制造，或一部分由其他材料如塑料来制造。

参见图2和3，其显示出通常控制模块18是如何连接到电源线12，和如何机械连接到工具外壳14的内表面20，使工具外壳14成为电子控制模块18的热汇。这里进行的讨论主要涉及工具外壳14形成的热汇的具体使用。应当理解热汇不只是限于这种应用。通过将控制模块18直接连接到工具外壳14，实现了大量空间节约和固定控制模块18的灵活性。

继续参考图1-3，重要地，应当注意到由使用者16操纵的动力工具10具有使用者16可接触或接近的，或以另外方式接触到的，各种外表面。此外，至少大部分工具外壳14通常是用导电材料制成的，如金属合金。或者，可将绝缘材料如塑料用于工具外壳14或工具外壳14的外表面。因此，向电源线12提供电力的交流电源必须与工具外壳14电隔离，其中控制模块18连接到电源线，以便使用者16不会受到电击。

参见图4和5，其更加详细地显示了电子控制模块18。控制模块18具有形成了容器的外壳22，其带有通过螺钉26和28固定到模块外壳22的热汇盖24。控制模块18通过延伸穿过孔30和32的固定件固定到安装表面，如图3所示的工具外壳14的内表面20。或者，控制模块18可通过粘接剂固定到安装表面。热汇盖24和模块外壳22形成了供线束36通过的间隙34，以便线束有效地连接到电源线12。此外，模块外壳22包围电路板，功率器件和热垫(下面进行介绍)。

参考图6A到6D，将更详细地介绍控制模块18的结构。具体地，可看到控制模块18包括功率器件38和热垫40。功率器件38最好是分离引线式半导体闸流管，其电连接到交流电压源。通过选择分离引线式半导体闸流管作为功率器件38，可使功率器件38的外引线42与交流电压源电隔离。分离引线式半导体闸流管可从商业途径买到，一般可提供2700伏的最小击穿电压。因此，功率器件38在线电压和外引线42之间提供了第一电绝缘层。

热垫40设置在外引线42和热汇盖24之间。热垫40在外引线42和热汇盖24之间提供了第二电绝缘层。因此，功率器件38和热垫40结合在交流电源和工具外壳14(见图1)之间提供了预先规定数量的电绝缘。双层绝缘令使用者16可接触工具外壳14的全部外表面，而不必担心发生电击危险。此外，双层绝缘满足了TUV和UL对绝缘的要求，和控制模块与使用者接触表面的间隔要求。

对于图6A和6B中的热垫40，可看到连接机构44连接到模块外壳22。连接机构由螺钉26，28和支撑件49组成。支撑件49由第一支柱50、第二支柱52和在支柱50和52之间延伸的桥状件54组成。连接机构44用于将热垫40压缩到大约1.0毫米的可控最小厚度。例如，可从日本Fuji Polymer Industries公司买到商标为Sarcon的这种热垫40。这种材料可提供至少大约为2000伏的电绝缘，并且可以压缩大约1.1毫米的厚度。1.1毫米厚度满足了UL对隔离的机械要求。选择热垫40要考虑材料的强度，柔度，导热性和导电性。

参考图5-6D，可看到线束36将电源线12的交流线电压连接到控制模块18。电路板46连接到功率器件38和线束36。电路板46含有连接交流线电压到功率器件38的导线。如已经讨论过的，控制模块18包括连接到工具外壳14的模块外壳22，而模块外壳22包围电路板46，功率器件38和热垫40。灌注混合物48灌入到模块外壳22内，提供要求的进一步隔离、结构支承和环境保护。使用的灌注混合物可从许多熟悉的来源买到。

继续参考图6A和6B，现在将介绍连接控制模块的方法。优选的连接机构44包括支撑件49，其带有接触电路板46第一边的第一支柱50，和连接到第一支柱50的第一螺钉26。第二支柱52接触电路板46的第二边，第二螺钉28连接到第二支柱52。还可以看到桥状件54包括壁部分56，58，其共同形成容器，其中可容纳功率器件38。桥状件54还要保证位于外引线42和热汇盖24之间的热垫40的具有要求的厚度，增强对功率器件38的机械支撑，并维持螺钉26和28与交流线电压之间的隔离。支撑件49最好用塑料制造，最好是单个整体形成件。

安装本发明的控制模块18需要将功率器件钎焊到电路板46，包括弯曲功率器件38的电引线成普通的L形结构38a，其延伸穿过电路板46，并进入灌注混合物48，如图6D所示。桥状件54设置在功率器件38和电路板46之间。然后在热垫40上施加热汇盖24，热垫40和热汇盖24组件通过图6A和6B所示的连接机构44连接到电路板46和相连的桥状件54。当固定螺钉26，28、电路板46、连接机构44和热垫40组件设置到模块壳体22后，用灌注混合物48进行灌封。

参考图7，其显示了根据本发明的控制模块60的另一可选实施例。控制模块60包括位于模块热汇盖64和工具外壳66之间的热垫62。热垫62的厚度最好大约为1.2毫米，这样提供了额外要求的绝缘，以超过欧洲和美国的电流D1标准。线束68延伸穿过模块外壳74的外壳表面72上形成的孔70。螺钉76和78分别延伸穿过孔80和82，以连接模块外壳74到工具外壳66。另外沿箭头65方向的工具外壳66和热汇盖64之间的漏电和净空距离/路径需要设置为大约4毫米。

通过图7所示的结构，工具外壳66用作控制模块60的热汇，当使用者接触工具外壳66时不会受到电击危险。与图1到6D中的实施例不同，图7实施例的控制模块60没有如图6A-6D所示封闭在控制模块18内的热垫40。控制模块60显示出具有不同于双绝缘层概念的外热垫62方式。应当注意到线束68必须满足所采用的UL绝缘要求。

现在参考图8A和8B，其显示出控制模块100。控制模块100是根据本发明的控制模块18(见图4到6D)的可选择的优选实施例，其包括第三绝缘层。图8A和8B中显示的元件与图4到6D中的元件相同的采用加上100的图4到6D中相同元件的标号。交流电源和工具外壳14(见图1)之间的第三绝缘层通过将绝缘体190设置在热垫140和功率器件138之间来形成。因此，功率器件138，热垫140和绝缘体190结合在交流电源和工具外壳14之间形成了三层电绝缘，接触全部工具外壳14外表面的使用者16(见图1)不必担心或冒电击危险。此外，三层绝缘满足了TUV和UL对于使用者接触表面的绝缘要求。

在一个优选实施例中，绝缘体90通过使用适当的粘接剂固定到控制模块外引线142而设置在热垫140和功率器件138之间。或者，可使用适当的固定机构来设置及保持绝缘体90位于热垫140和功率器件138之间的适当位置。例如，通过螺钉连接热汇盖124到桥状件149，使热垫140压缩到绝缘体190上，因此保持绝缘体190位于面对外引线142的位置。绝缘体190的尺寸应使绝缘体190的表面区域等于或大于外引线142的表面区域，其形状使外引线142的整个表面区域被绝缘体190包围。

另外，绝缘体190用满足TUV和UL要求的电绝缘材料来制造。例如，绝缘体190可用硅树脂基材料制造，可从Bergquist公司买到商标为Sil-Pad的这种材料。选择绝缘体190的电绝缘值，即介质击穿值，应使功率器件138和/或热垫140的电绝缘值可以变化，同时保持交流电源和工具外壳14之间的电绝缘在要求的至少值。三层绝缘最好在任何二层之间提供至少大约3750伏的隔离。更具体地，功率器件138和绝缘体190结合，功率器件138与热垫140结合，绝缘体190与热垫140结合，各自在交流电源和工具外壳14之间提供至少大约为3750伏绝缘。因此，在功率器件138和热垫140之间设置绝缘体190为模块100提供了额外的电绝缘，并使三层绝缘中的各层的电绝缘值具有了灵活性。

因此，提出了一种电子控制模块18和100，其在交流电源和工具外壳14之间具有双或三层绝缘。工具外壳14还可用作热汇，允许装配电子控制模块18，100到内表面20时具有多样性，并减少了接触工具外壳14的使用者16产生电击的危险。此外，双绝缘的控制模块18或100满足或超过了YUV和UL对其应用于工具外壳14内的安全标准。

所属领域的技术人员根据前面所作介绍应当理解，本发明的广义内容可通过不同方式来实施。因此，尽管本发明通过特定的示例进行介绍，但本发明的实际范围不应受到限制，因为，对于研究了本发明的附图、说明和后附权利要求的所属领域的技术人员来说，其他的改进是很明显的。

Claims (24)

1.一种电模块，适合设置在交流供电的动力工具的外壳内，所述外壳一部分用作热汇，所述模块包括：

功率器件，具有外引线，可连接到线电压源，所述功率器件在所述线电压源和所述动力工具外壳之间提供了第一层电绝缘；和

热垫，设置在所述外引线和所述动力工具外壳之间，所述热垫在所述线电压源和所述动力工具外壳之间提供了第二层电绝缘；

所述第一和第二层结合在所述线电压源和所述动力工具外壳之间提供了预定至少量的电绝缘，同时所述动力工具外壳用作热汇，可散发所述功率器件产生的热量。

2.根据权利要求1所述的电模块，其特征在于，还包括设置在所述外引线和所述热垫之间的绝缘体，所述绝缘体提供了在所述线电压和所述工具外壳之间的第三层绝缘，其中所述第一，第二和第三层相结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了预定至少数量的电绝缘。

3.根据权利要求2所述的电模块，其特征在于，所述功率器件和所述绝缘体结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了至少大约3750伏的绝缘。

4.根据权利要求2所述的电模块，其特征在于，所述功率器件和所述热垫结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了至少大约3750伏的绝缘。

5.根据权利要求2所述的电模块，其特征在于，所述绝缘体和所述热垫结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了至少大约3750伏的绝缘。

6.根据权利要求1所述的电模块，其特征在于，还包括桥状支承，所述桥状支承包括第一壁和第二壁，形成了容纳所述功率器件的容器。

7.根据权利要求6所述的电模块，其特征在于，所述桥状支承还包括第一支柱和第二支柱，所述第一支柱和所述第二支柱互相间隔开，用于在所述模块内固定所述功率器件。

8.根据权利要求1所述的电模块，其特征在于，还包括电路板，所述电路板固定连接到所述功率器件。

9.根据权利要求8所述的电模块，其特征在于，所述模块还包括模块外壳，和灌入所述模块外壳内的灌注混合物，可在所述模块外壳内支撑所述电路板。

10.根据权利要求9所述的电模块，其特征在于，在所述电子模块组件完全装配好后，所述灌注混合物灌入所述模块外壳内，充填所述模块外壳内的空隙。

11.一种交流电源的动力工具，设有位于动力工具外壳内的电子控制模块，所述工具外壳用作所述电子控制模块的热汇，所述动力工具包括：

线电压，通过所述工具外壳并连接到所述电子控制模块，所述模块位于所述工具外壳内，所述电子控制模块包括：

功率器件，所述功率器件连接到所述线电压并在所述线电压和所述功率器件的功率引线之间提供了第一层电绝缘；

热垫，所述热垫设置在所述功率引线和控制模块盖之间，所述热垫在所述功率引线和所述盖之间提供了第二层电绝缘，并在所述线电压和所述工具外壳之间提供了预定至少量的电绝缘，以防止接触所述工具外壳外表面的使用者产生电击，其中所述工具外壳和所述控制模块盖用作热汇，以散发所述功率器件产生的热量。

12.根据权利要求11所述的动力工具，其特征在于，所述电子控制模块还包括设置在所述外引线和所述热垫之间的绝缘体，所述绝缘体在所述功率引线和所述热垫之间提供了第三层绝缘，其中所述第一、第二和第三层结合在所述线电压和所述工具外壳之间提供了预定至少数量的电绝缘，可防止接触所述工具外壳外表面的使用者产生电击。

13.根据权利要求12所述的动力工具，其特征在于，所述第一层和所述第二层结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了至少大约3750伏的绝缘。

14.根据权利要求12所述的动力工具，其特征在于，所述第一层和所述第三层结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了至少大约3750伏的绝缘。

15.根据权利要求12所述的动力工具，其特征在于，所述第二层和所述第二层结合在所述线电压和所述动力工具外壳之间提供了至少大约3750伏的绝缘。

16.根据权利要求11所述的动力工具，其特征在于，所述控制模块还包括连接机构，其包括：

第一支柱，位于所述功率器件的第一侧；

第二支柱，位于所述功率器件的第二侧；

连接所述第一支柱和第二支柱的桥状部分，所述支柱含有螺纹并分别固定第一螺钉和第二螺钉。

17.根据权利要求16所述的动力工具，其特征在于，当所述第一螺钉和所述第二螺钉拧紧时，所述连接机构的桥状部分保持所述功率器件和所述热垫相对所述控制模块盖。

18.根据权利要求17所述的动力工具，其特征在于，所述热垫可压缩到1毫米的最小厚度。

19.根据权利要求11所述的动力工具，其特征在于，所述工具外壳包括内表面和外表面，当所述控制模块连接到所述工具外壳的内表面时，所述工具外壳用作所述控制模块的热汇，以散发所述控制模块产生的热量。

20.根据权利要求11所述的动力工具，其特征在于，所述动力工具还包括电路板，所述电路板在所述控制模块内接触所述功率器件。

21.根据权利要求20所述的动力工具，其特征在于，所述动力工具还包括灌注混合物，所述灌注混合物在所述控制模块内提供了固定电路板的基础。

22.一种用于动力工具的电隔离的双绝缘电子控制模块，所述电控模块包括：

模块外壳，所述模块外壳具有4个壁，底部在所述4个壁的端部与4个壁相连，所述4个壁具有形成开口的相对底部的端部；

盖，覆盖所述模块外壳的开口；

功率器件，具有第一侧和第二侧，所述功率器件的第二侧面对所述盖，所述功率器件第一侧位于桥状部分的第一侧，所述桥状部分包括第一壁和第二壁，形成可容纳所述功率器件的容器，和第一支柱和第二支柱，所述第一和第二支柱分别通过第一固定件和第二固定件连接到所述盖；

热垫，具有第一侧和第二侧，所述第一侧面对所述盖，所述第二侧面对所述功率器件的第二侧，所述第一固定件和所述第二固定件保持所述桥状部分、所述功率器件和所述热垫面对所述模块外壳盖；和

电路板，具有第一侧和第二侧，所述电路板的第一侧面对所述桥状部分的第二侧，所述电路板的第二侧面对所述灌注化合物层，所述灌注化合物位于所述模块外壳的底部之上。

23.一种用于动力工具的电隔离的三层绝缘电子控制模块，所述电控模块包括：

模块外壳，所述模块外壳具有4个壁，底部在所述4个壁的端部与4个壁相连，所述4个壁具有形成开口的相对底部的端部；

盖，覆盖所述模块外壳的开口；

功率器件，具有第一侧和第二侧，所述功率器件的第二侧面对所述盖，所述功率器件第一侧位于桥状部分的第一侧，所述桥状部分包括第一壁和第二壁，形成可容纳所述功率器件的容器；和第一支柱和第二支柱，所述第一和第二支柱分别通过第一固定件和第二固定件连接到所述盖；

绝缘体，具有第一侧和第二侧，所述绝缘体第一侧面对所述盖，所述绝缘体第二侧面对所述功率器件的第二侧；

热垫，具有第一侧和第二侧，所述热垫第一侧面对所述盖，所述热垫第二侧面对所述绝缘体的第一侧，所述第一固定件和所述第二固定件保持所述桥状部分、所述功率器件、所述绝缘体和所述热垫面对所述模块外壳盖；和

电路板，具有第一侧和第二侧，所述电路板的第一侧面对所述桥状部分的第二侧，所述电路板的第二侧面对所述灌注化合物层，所述灌注化合物位于所述模块外壳的底部之上。

24.一种用于动力工具外壳的电隔离的双绝缘电子控制模块，所述电控模块包括：

模块外壳，所述模块外壳具有4个壁，底部在所述4个壁的端部与4个壁相连，所述4个壁具有形成开口的相对底部的端部；

盖，覆盖所述模块外壳的开口；

功率器件，具有第一侧和第二侧，所述功率器件的第二侧面对所述盖，所述功率器件第一侧位于桥状部分的第一侧，所述桥状部分包括第一壁和第二壁，形成可容纳所述功率器件的容器，和第一支柱和第二支柱，所述第一和第二支柱分别通过第一固定件和第二固定件连接到所述盖；

热垫，具有第一侧和第二侧，所述第一侧面对所述盖，所述第二侧面对所述动力工具外壳，所述第一固定件和所述第二固定件保持所述桥状部分和所述功率器件面对所述模块外壳盖；和

电路板，具有第一侧和第二侧，所述电路板的第一侧面对所述桥状部分的第二侧，所述电路板的第二侧面对所述灌注化合物层，所述灌注化合物位于所述模块外壳的底部之上。

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