KR101019810B1 - 두 개의 제어된 위상을 갖는 스위칭 장치 - Google Patents

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마르쿠스 메이어
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

두 개의 제어된 위상들(4a,b)을 가진 스위칭 장치(2)에서, 각각의 위상(4a,b)은 히트 싱크(18) 상에서 냉각될 적어도 하나의 컴포넌트(16a,b)를 가진 각각의 인쇄회로 기판 어셈블리(12a,b)와 연관되고, 히트 싱크(18)는 길이 방향(20)에 대하여 횡으로 T-형 단면을 가지며, 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)은 히트 싱크(18)의 중심 림(limb)(26)의 양쪽 측면들(28a,28b) 상에 배열되고, 상기 두 개의 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)의 컴포넌트들(16a,b)은 서로 면하고 중심 림(26)의 각각의 하나의 측면(28a,b) 상에 자리한다.

Description

두 개의 제어된 위상을 갖는 스위칭 장치{SWITCHING DEVICE WITH TWO CONTROLLED PHASES}
본 발명은 두 개의 제어된 위상들을 가진 스위칭 장치에 관한 것이다.
전자 스위칭 장치들은 일반적으로 전기 부하들의 업스트림에, 예를 들어 3-극 모터 부하의 업스트림에 접속된다. 이 경우 이와 같은 스위칭 장치들은 3개 또는 단지 두 개의 실제로 스위칭된, 즉 제어된 위상들을 가진다. 이 경우, 두 개의 스위칭된 위상들을 가진 스위칭 장치들은 기술적으로 재정적으로 최적이고 그러므로 시장에서 인기를 얻고 있다.
전자 스위칭 장치에서 각각의 제어된 위상은 적어도 하나의 컴포넌트, 일반적으로 전력 반도체 의해 당연히 스위칭된다. 이들과 같은 컴포넌트들은 종종 상당한 열 손실을 형성하고 히트 싱크를 통하여 소산되어야 한다. 많은 애플리케이션들에서, 상기 컴포넌트 또는 전력 반도체가 기계적 스위칭 엘리먼트에 의해 영구적으로 스위칭 온 상태로 브리지되는 것이 바람직하므로, 전류 흐름은 기계적 스위칭 엘리먼트를 통하여 통과되고 더 이상 전력 반도체를 통하여 통과되지 않는다. 이와 같은 소위 바이패스 회로는 영구적으로 스위칭 온 상태에서 전력 반도체로부터 열 손실을 크게 감소시키는 것을 가능하게 한다. 그러므로 이들 같은 스위칭 장치들은 각각의 전기 위상에 대한 반도체 스위칭 엘리먼트 및 기계적 스위칭 엘리먼트를 포함하는 쌍을 가진다.
스위칭 장치들이 일반적으로 고전력 레벨들, 즉 고전압들 및 고전류들로 설계되기 때문에, 개별 위상들은 그들이 전기적으로 서로 분리(isolate)되도록 배열되어야 한다. 이런 목적을 위하여, 기하구조적 간격들은 위상들에 의해 전달되는 전압들의 크기에 따라 순응되어야 한다. 전압이 높을수록, 대응 간격은 커져야 한다. 비교적 낮은 전력 레벨 전자 스위칭 장치들, 예를 들어 22kW에 대해, 각각의 위상과 연관된 전력 회로들 및 제어 회로들은 하나 또는 그 이상의 인쇄 회로 기판들 상에 배열된다. 이 경우의 목적은 항상 인쇄 회로 기판 표면적을 최적으로 사용하는 것이지만, 동시에 상기된 안전 간격들을 유지하는 것이다. 반도체 스위칭 엘리먼트가 히트 싱크에 열적으로 부가적으로 링크되어야 하는 부가적인 요구의 결과로서, 스위칭 장치는 종종 많은 물리적 공간을 요구한다.
단일 히트 싱크가 하나의 스위칭 장치에 제공되고, 모든 반도체 스위치들이 히트 싱크에 대해 한쪽 측면 상에 링크되는 것은 이미 공지되었다. 이 경우 또한, 절연 분리(isolation separation)들은 제어 회로들 및 부하 회로들 사이뿐 아니라, 반도체 스위칭 엘리먼트들이 설치되는 인쇄 회로 기판들 상의 대응 개별 위상들 사이에서도 고려되어야 한다. 이들과 같은 스위칭 장치들은 대응하는 많은 공간을 차지한다.
또한 각각의 경우 단일 위상에 대응하는 각각의 전력 섹션이 독립된 인쇄 회로 기판상에 배열되고, 모든 기계적 브리징 스위칭 엘리먼트들이 추가의 인쇄 회로 기판상에 배열되고, 이들 개별 인쇄 회로 기판들이 제어 회로들을 포함하는 제 5 인쇄 회로 기판과 함께 납땜에 의해 서로 접속되는 것은 공지되었다. 이와 같은 설계는 매우 복잡하고 부가적인 접속 및 분리(isolation) 부분들을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 두 개의 제어된 위상들을 가진 보다 우수한 스위칭 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 두 개의 제어된 위상들을 가진 스위칭 장치에 의해 달성되고, 상기에서 각각의 위상은 각각 별개의 인쇄 회로 기판 어셈블리와 연관된다. 이 경우 각각의 인쇄 회로 기판 어셈블리는 히트 싱크 상에 냉각될 적어도 하나의 컴포넌트를 포함한다. 히트 싱크는 스위칭 장치에서 하나의 길이 방향을 따라 연장되고 이 길이 방향과 관련하여 횡으로 T-형 단면을 가진다. 인쇄 회로 기판 어셈블리들은 히트 싱크의 중심 림(limb)의 양쪽 측면 상에 배열되고, 상기 컴포넌트들은 서로 면하여 냉각되고 각각의 경우 중심 림의 한쪽 측면 상에 자리한다.
다른 말로, 본 발명에 따른 스위칭 장치의 설계는 두 개의 위상들이 제어된 스위칭 장치의 두 개의 위상들이 대응하는 인쇄 회로 기판 어셈블리 사이에서 각각 분리되고, 이들 인쇄 회로 기판 어셈블리들은 서로 대향하는 것을 특징으로 한다. 이 경우 냉각될 적어도 하나의 컴포넌트들은 서로 면하고, 즉 컴포넌트가 각각의 경우 다른 인쇄 회로 기판 어셈블리에 면하는 인쇄 회로 기판의 측면 상에 있다. 인쇄 회로 기판 어셈블리들 및 그것들에 대한 다양한 위상들과 연관된 컴포넌트들은 다른 말로 적어도 부분적으로 이들 사이의 히트 싱크의 림을 적어도 부분적으로 에워싼다. 그러므로 각각의 인쇄 회로 기판 어셈블리는 각각의 경우 단일 위상을 갖거나, 적어도 대응 위상과 연관된 부하 전류 경로를 갖는다.
본 스위칭 장치는 공간 절약형 컴팩트 설계를 가진다. 이것은 예를 들어 단일 인쇄 회로 기판 어셈블리 내에 단일 위상만이 있기 때문이고, 이로 인해 단일 인쇄 회로 기판 또는 카드 상의 두 개의 별개 위상들 사이에 기하구조상 분리들을 회피한다. 스위칭 장치 설계는 명확하게 구성되고, 위상들은 대응하여 분리된다. 명확한 설계는 어셈블리를 더 간단하게 하고 결함 또는 잘못의 가능성을 감소시킨다.
히트 싱크는 단일 컴포넌트보다 길이 방향으로 더 길 수 있고, 두 개의 인쇄 회로 기판 어셈블리들의 컴포넌트들은 그들이 길이 방향으로 중심 림에 대하여 겹치지 않도록 배열된다. 길이 방향에서 볼 때, 각각의 컴포넌트는 히트 싱크의 자신의 섹션에서만 접촉을 형성하고, 이것은 히트 싱크로 열의 도입 및 컴포넌트로부터 전체 히트 싱크로의 열의 방산이 균일하게 분배되어 효율적임을 의미한다.
위상들에 대한 콘택 접속부들을 경유하여 스위칭 장치가 외부로 배선되고 위상들에 대한 콘택 접속부들은 히트 싱크의 길이 방향으로 인쇄 회로 기판 어셈블리들의 단부에 배열될 수 있다. 이것은 간단히 콘택 접속부를 사용될 수 있게 하고, 콘택 접속부들은 예를 들어, 납땜에 의해 인쇄 회로 기판 어셈블리들에 직접 피팅될 수 있다. 대응하여 대칭 설계는 예를 들어, 인쇄 회로 기판 어셈블리들 중 하나에 대하여 각각의 경우에 단지 두 가지 타입의 접속 부분들이 요구됨을 의미한다. 개별 위상들의 대응 접속부들의 전기 접촉부인 메인 접속부들은 소수 개의 표준 엘리먼트들을 사용하여 제공될 수 있다.
특히, 단일 인쇄 회로 기판 어셈블리의 경우 위상들에 대한 콘택 접속부들은 각각의 히트 싱크의 길이 방향으로 단부 측에서 양쪽 단부들에 배열될 수 있다. 그 다음 스위칭 장치 또는 인쇄 회로 기판 어셈블리는 길이 방향을 따라 양쪽 단부에 접속될 수 있어서, 특히 명확한 추후 배선뿐 아니라 스위칭 장치 및 인쇄 회로 기판 어셈블리에서 간단한 라인 라우팅을 유도한다. 이 경우, 또한 단지 예를 들어 두 개의 다른 접속 엘리먼트들은 인쇄 회로 기판 어셈블리의 양쪽 측면들에 이용될 수 있게 유지될 필요가 있다.
인쇄 회로 기판 어셈블리들 사이에 배열되고 히트 싱크의 길이 방향으로 진행되는 컨덕터가 추가 위상을 위하여 도입될 때, 두 개의 제어된 위상들을 가진 스위칭 장치는 3개의 위상들에 대하여 쉽게 설계될 수 있다.
일반적으로 서로 전기적으로 도통하기 위하여 개별 인쇄 회로 기판에 대한 필요성이 존재하기 때문에, 히트 싱크의 길이 방향에 대하여 가로질러 연장되는 접속 부분은 인쇄 회로 기판 어셈블리들과의 전기 접촉을 위하여 제공될 수 있다.
이것은 플러그 커넥터일 수 있다. 플러그 커넥터는 특히 간단하게 설계될 수 있는 장점을 가진다. 스위칭 장치의 어셈블리 동안, 인쇄 회로 기판 어셈블리들은 히트 싱크 위에 컴포넌트들을 배치하기 위하여 그리고 그와 동시에 두 개의 인쇄 회로 기판 어셈블리들 사이에 플러그 커넥터를 자동으로 접속하기 위하여 측면 방향으로부터 히트 싱크 위로 각각 제공될 수 있다.
접속부는 부가적인 인쇄 회로 기판일 수 있다. 이것은 부가적인 전기 컴포넌트들, 예를 들어 스위칭 장치를 위한 제어 로직 또는 조절 전위차계가 위에 수용될 수 있고 특히 쉽게 스위치 또는 유사한 것으로서 액세스할 수 있는 장점을 가진다.
컴포넌트들은 히트 싱크에 대해 프리스트레싱(prestressing)될 수 있다. 이것은 컴포넌트 및 히트 싱크 사이의 특히 우수한 열 전도성을 보장한다. 프리스트레싱은 다양한 방식으로 스위칭 장치를 둘러싸는 클램프에 의해 제공될 수 있다. 이것은 전체 스위칭 장치가 기계적으로 강건하게 한다.
컴포넌트 자체는 히트 싱크에 부착되어, 히트 싱크에 대하여 컴포넌트를 프리스트레싱한다. 상기 컴포넌트 자체가 일반적으로 그 위에 단단하게 납땜됨으로써 인쇄 회로 기판 어셈블리에서 인쇄 회로 기판에 단단하게 고정되기 때문에, 이것은 인쇄 회로 기판 어셈블리들이 히트 싱크에 자동으로 설치되어, 스위칭 장치가 기계적으로 강건해지게 한다. 예를 들어 히트 싱크의 양쪽 측면들상에 제공된 나사 접속은 스위칭 장치를 강건하게 하여, 어셈블리 동안의 조작을 단순화시킨다.
본 발명의 다른 설명에 대한 도면들의 예시적인 실시예들이 참조된다. 도면들에서, 각각의 경우 개략적인 윤곽으로 간략화된 형태가 도시된다.
화살표(Ⅰ,Ⅱ)의 방향에서 바라볼 때, 도 1 및 도 2는 3개의 위상(4a-c)을 가진 스위칭 장치(2)를 보여주고, 상기 3개의 위상(4a-c)은 각각의 입력(6a-c) 및 출력(8a-c)을 가지며, 거기에서 스위칭 장치(2)의 면(7) 상에 있는 대응 접속 단자들(10)을 경유하여 전원(미도시)에 접속될 수 있고, 면(9) 상에서 전기 부하에 접속될 수 있다. 위상들(4a,b)은 스위칭되거나 제어된 위상들이다. 따라서 관련 접속 단자들(10)은 각각 인쇄 회로 기판 어셈블리(12a,b)로 안내되고, 접속 단자들은 관련된 입력(6a,b)에서 공급된 전압 및 전류들에 적절히 영향을 미쳐, 그것들을 출력들(8a,b)에서 조정된 형태로 이용가능하게 한다. 위상(4c)은 스위칭되지 않고, 따라서 입력(6c)은 연속적인 컨덕터 트랙(14)을 경유하여, 예시에서 단순한 스탬핑된 부분을 경유하여, 출력(8c)에 직접 접속된다. 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)의 대칭 설계 때문에, 단지 2가지 타입(KI 및 KII)의 접속 단자들(10)만이 요구된다.
위상들(4a,b)을 제어하기 위하여, 전력 반도체 스위치의 형태를 가진 반도체(16a,b)는 각각의 경우에 각각의 인쇄 회로 기판 어셈블리(12a,b) 상에 배열된다. 스위칭 장치(2)의 동작 동안에, 반도체(16a,b)는 소산되어야 하는 큰 열 손실을 생성한다. 따라서 스위칭 장치(2)는 히트 싱크(18)를 포함하고, 상기 히트 싱크(18)는 스위칭 장치(2)를 따라 연장된 길이 방향(선(20)에 의해 표시됨)을 갖는다. 히트 싱크(18)는 T-형 단면을 갖는다. 히트 싱크의 측면부(22) 상에서, 히트 싱크(18)는 냉각 리브(cooling rib)들(24)을 구비하고, 히트 싱크의 림(limb)(26)들은 측면부(22)로부터 떨어져 연장된다.
인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)은 서로에 대해 평행하게 배열되고, 적어도 부분적으로 그들 사이의 림(26)을 에워싼다. 적어도 반도체들(16a,b)은 서로 마주보도록 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)에 끼워진다. 따라서 반도체(16a)는 림(26)의 하나의 면(28a) 상에 놓이고, 반도체(16b)는 림(26)의 나머지 면(28b) 상에 놓인다. 반대로, 반도체들(16a,b)은 히트 싱크(18)의 길이 방향(20)으로 겹치지 않도록 배열되는데, 다시 말하자면, 반도체(16a)는 히트 싱크(18)의 세로 섹션(30a)에, 그리고 반도체(16b)는 히트 싱크(18)의 세로 섹션(30b)에 배열된다.
전위차계(32)는 또한 인쇄 회로 기판 어셈블리(12b) 상에 배열되고, 스위칭 장치(2)의 파라미터들(더 이상 상세히 특정되지 않음)을 조정하기 위해 사용된다. 스위칭 장치(2)가 상부 면(34) 쪽으로 개방된다는 사실은 거기로부터 쉽게 접근가능하게 한다. 전위차계(32)는 도 2에서 점선으로 표현되는데, 그 이유는 그것이 접속 플러그(connecting plug)(36)에 의해 감추어지기 때문이고, 상기 접속 플러그(36)는 예를 들어, 인쇄 회로 기판 어셈블리들 간의 통신을 위해, 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)을 서로 전기적으로 연결한다.
스위칭 장치(2)를 어셈블리하기 위하여, 위상(4c) 또는 대응 컨덕터 트랙(14)은 무엇보다도 도 1 또는 도 2에 도시되지 않은 방식으로 히트 싱크(18)에 부착된다. 그 다음 인쇄 회로 기판 어셈블리(12b)는 반도체(16b)가 림(26) 상에 놓일 때까지 화살표(38)의 방향으로 히트 싱크(18) 쪽으로 이동된다. 그 다음 반도체(16b)는 나사(40)를 사용하여 히트 싱크(18)에 고정되고, 나사(40)는 반도체(16b)에 맞물린다. 반도체(16b)가 솔리드 접점(solid contact)들을 사용하여 인쇄 회로 기판 어셈블리 내로 납땜되므로, 전체 인쇄 회로 기판 어셈블리(12b)는 따라서 기계적으로 강건한 방식으로 히트 싱크(18) 상에 설치된다. 인쇄 회로 기판 어셈블리12b)는 접속 플러그(36)의 플러그 부분(42)과 연관되어 그것에 납땜된다.
그 다음 인쇄 회로 기판 어셈블리(12a)는 화살표(44)의 방향으로 나머지 측면으로부터 히트 싱크(18)에 대응하는 방식으로 끼워지고, 반도체(16a)는 추가의 나사(40)를 사용하여 부착된다. 이러한 프로세스 동안에, 접속 플러그(36) 상의 소켓(46)은 인쇄 회로 기판 어셈블리(12a) 상에 끼워지고, 플러그 부분(42) 안으로 래치되어, 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b) 간의 전기적 접속을 이룬다. 나사들(40)을 사용한 나사 연결은 반도체들(16a,b)이 히트 싱크(18)의 면들(28a,b)에 대하여 기계적으로 프리스트레싱(prestress)되게 하고, 그리하여 양호한 열 전도를 보장한다.
도 3은 스위칭 장치(2)의 대안적인 실시예를 보여주고, 여기서 접속 플러그(36)는 유연성 있는 접속 라인들(50)을 사용하여 2개의 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b) 각각에 접속된다. 인쇄 회로 기판(48)는 부가적으로 컴포넌트들을 배치하기 위한 공간을 제공하기 때문에, 전위차계(32) 및 부가적인 로직 모듈들(52) 양자 모두 인쇄 회로 기판(48) 상에 배치된다. 따라서 부가적인 기능부가 이용가능한 더 큰 인쇄 회로 기판 표면적 덕분에 도 1 및 도 2에 도시된 스위칭 장치(2)의 경우와 동일한 물리적 공간에 제공된다. 전위차계(32)는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예보다 스위칭 장치(2)의 상부 면(34) 상에서 훨씬 더 잘 액세스될 수 있다.
본 발명에 따른 스위칭 장치는 또한 과부하 계전기 기능(overload relay function), 써미스터 보호 및 결함 출력 계전기를 위한 3상 전류 검출을 갖고, 38A의 전류에 대해 설계되며, 그것의 수치는 45mm × 125mm ×153mm이다.
도 1은 본 발명에 따른 스위칭 장치의 평면도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 스위칭 장치의 정면도를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 접속 인쇄 회로 기판을 가진 스위칭 장치의 다른 실시예를 도시한다.

Claims (10)

  1. 2개의 제어된 위상들(4a,b)을 갖는 스위칭 장치(2)로서,
    각각의 위상(4a,b)은 히트 싱크(18) 상에서 냉각될 적어도 하나의 컴포넌트(16a,b)를 갖는 각각의 인쇄 회로 기판 어셈블리(12a,b)와 연관되고, 상기 히트 싱크(18)는 그 연장 방향(20)에 대하여 가로질러 T-형 단면을 가지며, 상기 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)은 상기 히트 싱크(18)의 중심 림(26)의 양쪽 측면들(28a,b) 상에 배열되고, 상기 2개의 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)의 상기 컴포넌트들(16a,b)은 서로 마주보고 각각 상기 중심 림(26)의 일 측면(28a,b) 상에 놓이는,
    스위칭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트 싱크(18)는 상기 연장 방향(20)으로 상기 컴포넌트(16a,b)보다 더 길고, 상기 2개의 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)의 상기 컴포넌트들(16a,b)은 상기 연장 방향(20)으로 상기 중심 림(26)에 대하여 겹치지 않도록(30a,b) 배열되는,
    스위칭 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 위상들(4a,b)에 대한 콘택 접속부들(10)을 포함하고, 상기 콘택 접속부들(10)은 상기 히트 싱크(18)의 연장 방향(20)으로 상기 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)의 단부들(7,9)에 배열되는,
    스위칭 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    각각의 인쇄 회로 기판 어셈블리(12a,b)는 상기 히트 싱크(18)의 연장 방향(20)으로 상기 단부들(7,9) 양쪽에서 상기 위상들(4a,b)에 대한 콘택 접속부(10)를 갖는,
    스위칭 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    추가 위상(4c)에 대한 컨덕터(14)를 포함하고, 상기 컨덕터(14)는 상기 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b) 사이에 배열되며 상기 히트 싱크(18)의 상기 연장 방향(20)으로 연장되는,
    스위칭 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판 어셈블리들(12a,b)과 전기적으로 접촉하기 위해서, 상기 히트 싱크(18)의 상기 연장 방향(20)에 대하여 가로질러 연장되는 접속 부분(36,48)을 포함하는,
    스위칭 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접속 부분(36,48)은 플러그 커넥터인,
    스위칭 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 접속 부분(36,48)은 인쇄 회로 기판인,
    스위칭 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컴포넌트들(16a,b)은 상기 히트 싱크(18)에 대해 프리스트레싱(prestress)되는,
    스위칭 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컴포넌트들(16a,b)은 상기 히트 싱크(18)에 부착되는,
    스위칭 장치.
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