ITMI970917A1

ITMI970917A1 - Partizione di gruppo di alimentazione in cascata elettrica per controllore di motore di 10 cavalli

Info

Publication number: ITMI970917A1
Application number: IT97MI000917A
Authority: IT
Inventors: Courtney Furnival
Original assignee: Int Rectifier Corp
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-10-18
Also published as: GB9707818D0; IT1291611B1; DE19716113A1; US5914577A; FR2747876B1; GB2312342B; FR2747876A1; KR970069540A; GB2312342A; KR100433685B1; DE19716113B4; JP3304818B2; SG77593A1; JPH1093220A

Description

DESCRIZIONE

di una domanda di brevetto d'invenzione dal titolo:

"PARTIZIONE DI GRUPPO DI ALIMENTAZIONE IN CASCATA ELETTRICA PER CONTROLLORE DI MOTORE DI 10 CAVALLI"

RIFERIMENTO INCROCIATO CON LA DOMANDA CORRELATA

In base alle norme della legge 35 U.S.C.par.120,questa domanda rivendica la priorità in opposizione alla domanda provvisoria . correlata degli Stati Uniti No. 60/015.839, depositata il 18 aprile 1336 e intitolata "POWER TRAIN PARTITIONING FOR 10 HORSEPOWER MOTOR CONTROLLER".

FONDAMENTI DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce alla circuiteria di controllo elettronica e più in particolare ad un controllore di motore con una disposizione perfezionata di partizione di un gruppo di alimentazione in cascata elettrica.

In particolare con prodotti di volume elevato è evidente la necessità di fornire circuiti che richiedano meno spazio della scheda del circuito e che possano essere impaccati in contenitori più piccoli e preferibilmente modulari che possono essere adatti ad una diversa gamma di requisiti.

La presente invenzione è direttamente interessata ai circuiti di grippi in cascata elettrici per controllori di motori e simili che incorporano dispositivi elettrici montati su superiici (SMD) e schede di supporto di substrato metallico isolato (IMS) che sono più compatte, di fabbricazione e manutenzione più efficienti e, cosa importante, hanno un numero di parti ridotto.

SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Un oggetto principale della presente invenzione è quello di fornire un modulo di alimentazione per le applicazioni come i controllori di motori che richiedono un numero minore di componenti elettrici e che è costruito in modo modulare e più facilmente . adattabile per differenti necessità.

Quanto sopra ed altri oggetti dell'invenzione sono realizzati tramite un modulo di alimentazione che dispone ed alloca in modo accurato i suoi vari componenti fra una scheda di substrato di metallo isolato (IMS) e una scheda a circuito stampato (PCB). La partizione degli elementi fra le schede IMS e PCB ottimizza i collegamenti elettrici, di modo che i collegamenti siano fom iti per quanto possibile tramite la scheda PCB. La partizione degli elementi circuitali riduce la dimensione della scheda IMS e pertanto ha un costo minore e realizza un modulo di alimentazione più standardizzato nel quale le differenze specifiche per l'applicazione del cliente sono contenute nella scheda PCB.

Il modulo di alimentazione della presente invenzione, in accordo con una sua forma di realizzazione preferita, include solo l'invertitore (comprendente sei elementi SMD10 Copak), un raddrizzatore di ingresso (comprendente sei diodi SMD in un contenitore di tipo TO220) e un termistore sulla scheda IMS. Inoltre sono inclusi alcuni connettori verticali verso la scheda PCB del controllore, che è disposto superiormente.

L'elemento SMD10 Copak comprende una scheda IGBT e un diodo a recupero rapido montato in un contenitore a montaggio superficiale comune. La combinazione IMS/PCB complessiva elimina dieci (10) terminali M5 di grandi dimensioni e quattro (4) trasformatori di corrente dalla scheda IMS.

Quanto sopra è combinato con una ottimizzazione addizionale del circuito comprendente un contenitore a singolo spessore o un contenitore a doppio spessore, che riduce la dimensione del substrato IMS da circa 36,5 pollici quadrati (5,7 cm2) a: 1) 18,9 pollici quadrati (2,9 cm2) per una scheda IMS con contenitori a singolo spessore (per un risparmio del 52%), o 2) 14,7 pollici quadrati (2,28 cm2) (40% di risparmio della scheda del circuito) per una scheda IMS con contenitori a doppio spessore. Esso riduce anche l'altezza del modulo IMS da 1,000 pollici (25,4 man) a 0,320 pollici (8,1 mm). Infine con una dimensione ridotta l'invenzione evita la necessità di un conposto di ceramica convenzionale solitamente richiesto per tali gruppi, utilizzando invece un rivestimento superficiale sottile.

Altri caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno evidenti dalla descrizione seguente dell'invenzione, che fa riferimento ai disegni allegati.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

- La Figura 1 è un disegno di assieme di una scheda IMS in accordo con la prima forma di realizzazione dell'invenzione di un dispositivo a montaggio superficiale a singolo spessore;

- La Figura la illustra la scheda IMS della Figura 1, come viene vista lungo le linee la-la;

- La Figura 2 è un disegno di assieme della scheda PCB;

- La Figura 3 è un assieme della scheda IMS in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente invenzione di un dispositivo a montaggio superficiale a doppio spessore;

- La Figura 3a illustra la scheda IMS della Figura 3, come è vista lungo le sue linee 3a-3a;

- Le Figure 4a-4b; 5a-5d; 6a-6e e 7a-7b sono altri disegni di assieme di differenti forme di realizzazione dell'invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FORME DI REALIZZAZIONE DELL'INVEN-ZIONE

Con riferimento alle figure, viene resa nota una scheda a circuito stampato che è prevista per fornire controllori personalizzati, circuiti di rilevamento di corrente e connessioni ad un'altra scheda che comprende la scheda di alimentazione che incorpora il blocco di terminali di CA e del motore e il connettore del controllore. Le Figure 1 e 2 illustrano complessivamente un gruppo 10 di alimentazione elettrica SMD/IMS/PCB per un controllore di motore con potenza di 10 cavalli comprendente una scheda o gruppo IMS 12 e una scheda PCB 14. Il gruppo IMS 12 comprende (Figura la) un dispersore di calore 17, un substrato di SMD/IMS 18, una circuiteria di un controllore e di partizione 20, due capacitori collegati in serie, e un capacitore stabilizzatore opzionale.

Con ulteriore riferimento alle Figure 1 e la, il gruppo IMS 12 è un modulo SMD/IMS con potenza di 10 cavalli che fornisce un invertitore, un raddrizzatore e un termistore di alimentazione, realizzati con i transistori Q1-Q6 e i diodi D1-D6. I transistori Q1-Q6 possono essere i nuovi componenti a singolo spessore o a doppio spessore con componenti di intercomunicazione. I diodi DI—D6 possono essere componenti SMD 220. L'area della scheda IMS, che misura 5,1 x 3,7 pollici (129,5 ratix 94 mm), ha un'area di 18,9 pollici quadrati (2,9 cm2). Come illustrato nella Figura la, l'altezza del gruppo con i componenti 20 è di circa 0,320 pollici (8 mm).

Con riferimento alle Figura 2, sono previsti quattro trasformatori di corrente in connessione con tre elementi MOV (varistori ad ossidi metallici), un resistore ad avviamento lento e un relè ad avviamento lento. Il connettore con il controllore è illustrato assieme con una striscia di connettore per le linee a CA 13 e le linee del motore 15.L'elemento 17 è un dispersore di calore. Inoltre è incluso un modulo di rallentamento 30;un IGBT,un FRED (diodo a ricupero rapido)e un resistore (opzionale).

I vantaggi della disposizione di conponenti della presente invenzione derivano da:

1. un substrato IMS più sottile e meno costoso;

2. eliminazione di conposti di ceramica;

3. minore induttanza;

4. un substrato IMS standard di 10HP; e

5. un circuito che viene facilmente personalizzato in base alle necessità del cliente nel componente PCB (comprendente controllori,protezione,MOV,avviamento lento,stabilizzatore, rallentatore,capacitore e connettori esterni e rallentatore).

II concetto della presente invenzione è sostanzialmente basato su una nuova partizione della componentistica di potenza e di controllo e sull'allocazione delle stesse sulle schede IMS 12 e PCB 14. L'invenzione fornisce anche, in un modo nuovo, l'uso di connettori centrali verticali di 100 mil (2,54 mm)per trasferire la potenza ed il segnale dalla scheda IMS inferiore al livello della scheda PCB (controllore) superiore, che viene usata per i soli segnali e i connettori di alimentazione. Si noti che tutti i connettori sono identici.

Nella Figura 1,Q1-Q6 rappresentano i nuovi dispositivi a singolo spessore o a doppio spessore con transistori intercomunicanti. I D1-D6 comprendono schede SMD 220s. Inoltre l'area complessiva della scheda IMS è di 18,9 pollici quadrati (2,9 cm2), e la scheda IMS misura 5,1x3,7 pollici (130 mm x 94 mm). L'altezza del substrato è di 0,120 pollici (3 mm) senza i componenti.

Le corrispondenti dimensioni della scheda PCB 14 sono 7,3x5,9 pollici (185 mm xl50 mm). Si noti il modulo 24, che misura 4,9x3,0x0,3 pollici (124 x 76x7,6 mm).

Nella forma di realizzazione della Figura 3, Q1-Q6 comprendono il dispositivo a doppio spessore con i componenti dei conduttori di uscita di ritorno (emettitori verso il basso). La dimensione della scheda PCB è di 4,9x3,000 pollici (124x76 mm), cosa che realizza un'area di IMS inferiore di solo circa 14,7 pollici quadrati (2,3 cm2). L 'altezza della scheda IMS con i suoi componenti 20 è illustrata nella Figura 3a.

Le rimanenti Figure 4a-7b sono disegni di assieme e disegni correlati di varie forme di realizzazione e accessori della presente invenzione. Più in particolare, la Figura 4a illustra il grippo di substrato della scheda IMS per un progetto di SMD di un cavallo di potenza che ha dimènsioni 2,750x4,100 pollici (70x104 mm). Altre informazioni dimensionali sono indicate nella Figura 4b. I componenti elettrici che possono essere usati in connessione con la forma di realizzazione della Figura 4a sono indicati nel seguito.

* Usare solo elementi 403 e 410. In altre parole, questi pezzi sono intercambiabili. ;* I piedini non desiderati devono essere rimossi prima del montaggio.

L'area della scheda IMS della Figura 4a è di 11,275 pollici quadrati (1,75 cm2).

La Figura 5a è un ulteriore disegno di assieme di una forma di realizzazione di scheda IMS che è utilizzabile a 600 volt. Altri dettagli dei parametri dimensionali della piastra di base del dispositivo della Figura 5a sono illustrati nella Figura 5b. La Figura 5c è la configurazione di conduttori del dispositivo della Figura 5a,e la Figura 5d illustra la sua disposizione di strato di protezione di lega per saldatura.Altri attributi della scheda IMS della Figura 5a sono indicati nel seguito.

1. Le dimensioni sono indicate in pollici (millimetri)salvo diversamente specificato.

2. Dimensioni di controllo:pollici,salvo diversamente specificato.

3. Piastra di base:

3.1) Il materiale è alluminio A5052H34.

3.2) Spessore: 0,118 0,004 (3,00 0,11 mm).

3.3)Bave attorno ai fori:0,006 (0,15 mm)massimo.

4. Pellicola di isolamento:

4.1)Resistenza dielettrica: 3 KV CA per 1 minuto.

4.2) Spessore:0,005 0,001 pollici (125 25 uM ).

4.3)Conduttività termica 8,4 xlO-3 Cal/°C x cm.sec minimo.

4.4)Resistenza alla pelatura: 1,3 kg/cm minimo a 25°C dopo esposizione a 260°C per 60 minuti.

4.5) Costante dielettrica: 7,7 (100 kHz a 23°C).

4.6)Resistività specifica:lxlO16 Ohm.cm a 23°C.

5.Metallizzazione dei conduttori:

5.1) Il materiale è rame OFHC.

5.2)Spessore:0,0041 0,0004 (105 10 ^)

5Λ3) Definizione della linea: ± 0,012 pollici (+300 uM)· 5.4) Planarità delle piste saldatili: 0,006 (0,04 mm).

5.5) La superficie deve essere saldatile con lega 62Sn/36Pt/2Ag con fondente RMA a 200°C.

La Figura 6a è il disegno di assieme di un'altra scheda IMS che è progettata per 10 cavalli con uso a 600 volt o 1200 volt. Essa ha dimensioni di 5,3 x 3,7 pollici (135x94 mm) per un'area totale di 19,61 pollici quadrati (3 cm2). La piastra di base, il conduttore, lo strato di protezione di lega di saldatura (600 volt) e lo strato di protezione di lega per saldatura (1200 volt) sono rispettivamente illustrati nelle Figure 6b, 6c, 6d e 6e. Altri parametri di questa forma di realizzazione sono indicati più avanti.

1. Le dimensioni sono indicate in pollici (millimetri) salvo diversamente specificato.

2. Dimensioni di controllo: pollici, salvo diversamente specificato/

3. Piastra di base:

3.1) Il materiale è alluminio A5052H34.

3.2) Spessore: 0,118 0,004 (3,00 0,11 mm).

3.3) Bave attorno ai fori: 0,006 (0,15 mm) massimo.

4. Pellicola di isolamento : (600 V)

4.1) Resistenza dielettrica: 3 KV CA per 1 minuto.

4.2) Spessore; 0,005 0,001 pollici (125 25 uH ).

4.3)Conduttività termica:8,4 xlO-3 Cal/°C x cm.sec minimo. 4.4) Resistenza alla pelatura:1,3 kg/cm minimo a 25°C dopo esposizione a 260°C per 60 minuti.

4.5) Costante dielettrica: 7,7 (100 kHz a 23°C).

4.6)Resistività specifica:lxlO16 Ohm.cm a 23°C.

5.Pellicola di isolamento (1200 V):

5.1)Resistenza dielettrica:5KV CA per 1 minuto

5.2)Spessore: 0,007 ±0,001 (170 ±30 uH)

5.3)Conducibilità termica:8,4x10"3 Cal/°C x cm.sec minima 5.4)Resistenza alla pelatura 1,3 kg/cm minima a 25°C dopo esposizione a 260°C per 60 minuti.

5.5)Costante dielettrica:7,7 (100 kHz a 23°C).

5.6)Resistività specifica:lxlO16 Ohm.cm a 23°C.

6.Metallizzazione dei conduttori:

6.1) Il materiale è rame OFHC.

6.2)Spessore: 0,0041 ±0,0004 (105 ±10 uH)

6.3)Definizione di linea:± 0,012 pollici (±300 uM) ·

6.4)Planarità delle piste saldabili: 0,006 (0,04 mm).

6.5)La superfìcie dovrebbe essere saldabile con lega 62Sn/36Pb/ 2Ag con fondente RMA a 200°C.

Un gruppo di alimentazione in cascata elettrica per applicazione di 10 cavalli,1200 volt è illustrato nella Figura 7a.

I criteri di produzione e di prestazioni per questo gruppo sono illustrati nella Figura 7b.Altre caratteristiche di questa forma di realizzazione sono indicate più avanti.

Il concetto della presente invenzione rende possibile realizzare una scheda IMS con solo l'invertitore {6 SMD 10 compak), raddrizzatori di ingresso (diodi 6 SMD 220) ed un termistore sul substrato IMS. Un connettore verticale centrale fornisce la connettività per la scheda PCB disposta superiormente. L'invenzione elimina i 10 terminali M5 grandi e quattro trasformatori di corrente dal substrato IMS. Questo fatto combinato con l'uso del nuovo conte nitore di spessore singolo o del nuovo contenitore di spessore doppio riduce la dimensione del substrato della scheda IMS dai convenzionali 36,5 pollici quadrati (5,6 cm2) a: 1) una scheda IMS

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un gruppo di alimentazione in cascata elettrica per fornire l'alimentazione elettrica ad un dispositivo alimentato,il gruppo conprendendo: - una scheda IMS (substrato di metallo isolato)per i componenti di alimentazione di trasferimento ed interconnessione elettrica e una scheda PCB (scheda a circuito stampato)per contenere i componenti di controllo e di alimentazione; la scheda IMS avendo montati sulla sua superficie esclusivamente i transistori di alimentazione per formare un circuito invertitore di alimentazione, i diodi raddrizzatori di ingresso,un termistore e un connettore per fornire la connettività alla scheda PCB, in tal modo realizzando una scheda IMS standardizzata con area di substrato comparativamente inferiore; - la scheda PCB comprendente i detti componenti di controllo e di alimentazione, i quali componenti includono elementi di alimentazione, un rilevatore di corrente, un connettore con la scheda IMS, e i terminali per realizzare i collegamenti elettrici con il dispositivo azionato; e - la scheda PCB potendo essere montata direttamente sopra la scheda IMS, e i rispettivi connettori delle schede IMS e PCB accoppiandosi reciprocamente in direzione verticale.
2. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 1, nel quale i componenti della scheda IMS sono esclusivamente conponenti montati su superfici.
3. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 2, inoltre comprendente un dispersore di calore per eliminare il calore dal gruppo di alimentazione in cascata elettrica e per dissipare il calore nell'ambiente.
4. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3, nel quale i componenti della scheda PCB includono due capacitori di collegamento seriale.
5. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3, nel quale i componenti della scheda PCB includono un capacitore di stabilizzazione.
6. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3, nel quale la scheda PCB include una pluralità di trasformatori di corrente.
7. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda PCB include una pluralità di elementi MOV (varistori ad ossido metallico).
8. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda PCB include un resistore ad avviamento lento.
9. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda PCB include un relè ad avviamento lento.
10. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3, nel quale i terminali per realizzare il collegamento con il dispositivo azionato comprendono una striscia di connettore per le linee a CA e le linee del motore.
11. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda PCB include un modulo di rallentamento.
12. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda IMS è standardizzata per un azionamento di potenza di 10 cavalli.
13. lì gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda IMS è senza composto di isolamento ed invece comprende un rivestimento superficiale sottile sui suoi componenti.
14. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda IMS ha un'area della superficie di circa 19 pollici quadrati, in tal modo realizzando più del 50% dì riduzione della dimensione della superficie della scheda.
15. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3,nel quale la scheda IMS ha un'area della superficie di circa 15 pollici quadrati (2,3 cm2) in tal modo realizzando più del 40% di riduzione della dimensione della superficie della scheda.
16. Il gruppo di alimentazione in cascata elettrica della rivendicazione 3, nel quale la scheda IMS ha una dimensione di altezza dell'ordine- di circa 0,50 pollici (12,7 mm) .