CN101491168A - 构造为故障遏制的电子模块及包括其的系统 - Google Patents

Abstract

一种电子模块(10)。该电子模块包括底架(12)、多个电容器(36)、和散热器(38)。该底架包括第一端(14)和第二端(16)。第一端与第二端相对。该底架还包括第一侧面(18)、第二侧面(20)、第三侧面(22)和第四侧面(24)。第二侧面与第一侧面相对。第三侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个。第四侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个且与第三侧面相对。该底架由阻挡部件碎屑穿过底架侧面的材料制成。电容器布置于底架内。散热器布置于电容器和第二端之间。

Description

构造为故障遏制的电子模块及包括其的系统

相关申请的交叉引用

[0001]本发明要求在2006年6月30日公布的美国临时专利申请号60/818，081的优先权。

技术领域

[0002]本申请公开的发明总体上和在不同实施例中涉及构造为故障遏制的电子模块。

背景技术

[0003]电子模块有不同形状、大小和构造，且被广泛使用。例如在一些应用中，电子模块形成电源的部分，接收三相交流输入功率且输出单相交流电压。这种电子模块包括内部部件，所述内部部件产生可测量数量的热量且该热量能影响相应部件和电子模块本身的性能。

[0004]在许多应用中，所产生的所述数量的热量使得某些部件出现故障。例如，公知的是，温度的升高导致电容器出现故障。这种故障可能导致爆炸，而且爆炸产生的碎屑不仅能对电子模块而且对靠近电子模块的其他装置产生重大的损害。

发明内容

[0005]在一个总的方面，本申请公开了一种电子模块。根据不同的实施例，该电子模块包括底架、多个电容器、和散热器。该底架包括第一端和第二端。第二端与第一端相对。该底架还包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面。第二侧面与第一侧面相对。第三侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个。第四侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个且与第三侧面相对。该底架由阻挡部件碎屑穿过底架侧面的材料制成。电容器布置于底架内。散热器布置于电容器和第二端之间。

[0006]在另一个总的方面，本申请公开了一种系统。根据不同的实施例，该系统包括风扇和电子模块。该电子模块包括底架、多个电容器、和散热器。该底架包括第一端和第二端。第二端与第一端相对。该底架还包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面。第二侧面与第一侧面相对。第三侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个。第四侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个且与第三侧面相对。电容器布置于底架内。散热器布置于电容器和第二端之间，且布置为当风扇产生空气流时，该空气流朝该散热器传送部件碎屑。

附图说明

[0007]通过例子并结合下面的附图描述了本发明的不同实施例。

[0008]图1示出了电子模块的不同实施例；

[0009]图2示出了图1的电子模块的不同实施例；

[0010]图3示出了图1的电子模块的不同实施例；

[0011]图4示出了图1的电子模块的不同实施例；和

[0012]图5示出了包括图1的电子模块的系统的不同实施例。

具体实施方式

[0013]应该理解的是，本发明的至少一些附图和描述被简化以集中在有助于清楚理解本发明的的元件上，同时为了清楚起见，删除了本领域普通技术人员明白也构成本发明一部分的其他元件。然而，由于这些元件在本领域中是众所周知的，并且因为其对于更好地理解本发明不是必要的，所以在此将不再对这种元件进行描述。

[0014]图1和图2示出了电子模块10的不同实施例。该电子模块10可实施为任何类型的模块，例如动力装置、电源、变换器和驱动底架等。根据不同的实施例，该电子模块10实施为动力装置，该动力装置接收三相交流输入功率且输出单相交流电压。这种动力装置在美国专利5,625,545(Hammond)已经描述，且包括交流-直流整流器、平滑电路、输出直流-交流转换器和控制电路。

[0015]电子模块10包括具有第一端14和与该第一端14相对的第二端16的底架12。该第一端14可认为是电子模块10的“前部”。该第二端16与该第一端14相对且可认为是电子模块10的“后部”。根据不同的实施例，该底架12可能包括连接在一起的几个部分(如顶部、底部和四个侧面)，该底架12的一个或多个部分是可拆卸的。该底架12限定电子模块10的外部部分，且包围电子模块10的多个部件(如，下列部件中的任何一个或全部：电容器、印刷电路板、散热器、开关装置和电阻等)。该底架12可由任何合适的材料制成。例如，根据不同的实施例，该底架12由导电性材料如金属(如镀锌钢)制成。对于这种实施例，该底架12的导电性材料可用于在底架12内为电弧故障提供低阻抗路径以使由此产生的潜在损害最小化。该底架12具有足够的厚度以阻挡电子模块10的内部部件出现故障导致的任何碎屑离开由底架12包围的空间，从而防止对电子模块10附近的其它部件造成任何间接损害。此外，该底架12在装运和操纵期间用于保护电子模块10的内部部件免受损害，且构造为使得电子模块10能置于其任何侧面上而不会对电子模块10的部件造成任何损害。而且，如在此后更详细描述的那样，该底架12还限定了用于辅助强制空气冷却底架12内所有部件的风室。

[0016]该底架12还包括第一侧面18、第二侧面20、第三侧面22(见图3)和第四侧面24。该第一侧面18可认为是底架12的“右”侧面。该第二侧面20与第一侧面18相对，且可认为是底架12的“左”侧面。该第三侧面22连接到第一和第二侧面18、20中的至少一个，且可认为是底架12的“顶部”。为了清楚起见，图1和图2示出了移除了第三侧面22的电子模块10。该第四侧面24与第三侧面22相对，连接到第一和第二侧面18、20中的至少一个，且可认为是底架12的“底部”。该底架的侧面由阻挡部件碎屑穿过底架侧面的材料(如镀锌钢)制成。如图1所示，该第一端14限定邻近于第四侧面24的开口26，且还限定邻近于该开口26的一个或多个开口28。共同地，底架12的第一端14和第二端16及第一侧面18、第二侧面20、第三侧面22和第四侧面24基本上包围了整个电子模块10。

[0017]如图2所示，该电子模块10包括布置在底架12内邻近于第二端16的多条母线30、布置成邻近于第二端16的多个电源插头连接器32、和布置成邻近于第二端16的多个电阻34。电阻34电连接到电子模块10的电容器，且在到电子模块10的功率中断或关闭时用于放出来自电容器的电流。

[0018]母线30可由任何合适的导电性材料制成，且共同地构造为传输功率给电子模块10或从电子模块10传输功率。对此实施例而言，至少两条母线30构造为输入母线且至少两条母线30构造为输出母线。母线30的数量、大小和形状能够因应用而异。总体上，各自母线30定尺寸为适应于与特定应用有关的需求。

[0019]根据不同的实施例，每个电源插头连接器32包括导电性材料和环绕该导电性材料的壳体。该导电性材料可由任何合适的导体(例如铜)制成。该壳体可由任何合适的绝缘材料例如塑料制成。在电子模块10连接到系统总线时，该壳体限定构造为接收一部分系统总线的开口。该开口环绕该导电性材料，且在电子模块10连接到该系统总线时，该导电性材料限定构造为接收所述一部分系统总线的更小开口。因此，在电子模块10连接到该系统总线时，该壳体和导电性材料共同地限定定尺寸为接收所述一部分系统总线的开口。

[0020]如图2所示，该电源插头连接器32连接到相应的母线30上。给定的电源插头连接器32可以任何合适的方式连接到相应的母线30上。例如，根据不同的实施例，电源插头连接器32以将导电性材料设置成与母线30直接接触的方式经由紧固件(如螺钉或螺母和螺栓)机械地连接到母线30。因此，该母线30还可用作连接至其的电源插头连接器32的散热器。该电源插头连接器32构造为使得它能以允许电源插头连接器32进行某些移动的方式连接到母线30。

[0021]根据其他实施例，电源插头连接器可以不同的方式来构造。例如，根据不同的实施例，给定的电源插头连接器可包括凸部和分开的凹部，它们共同用作把电子模块10连接到系统总线。对于一些实施例，凸部连接到相应的母线而凹部连接到系统总线。在其他实施例中，凸部连接到系统总线而凹部连接到相应的母线。总体上，对于给定的应用，可选择电源插头连接器的特定构造以适应与特定应用有关的需求。

[0022]根据不同的实施例，图3示出了电子模块10的截面图。如图3所示，该电子模块10还包括多个电容器36、散热器38、第一开关装置40、第二开关装置42、一个或多个电容器托盘、控制板46和偏转器48。如在此后更详细描述的那样，电子模块10的相应部件以限定空气流动通过底架12的不同路径的方式布置。为了清楚起见，路径在图3中示为单线格式(single line format)，并包括第一路径50、第二路径52和第三路径54。

[0023]电容器36布置于底架12内，且至少一个电容器36邻近于底架12的第一端14。根据不同的实施例，电容器36是电解电容器。散热器38布置于该电容器36和母线30之间。该散热器38可由任何合适的热传导性材料制成。例如，根据不同的实施例，该散热器38由金属(如轻质铝)制成且包括机械地悬挂的中空翅片设计。所述翅片彼此间隔开，且操作为散热并阻挡部件碎屑在其间穿过。该第一开关装置40布置于散热器38和底架12的第三侧面22之间。该第二开关装置42布置于散热器38和底架12的第三侧面22之间，以及第一开关装置40和底架12的第二端16之间。根据不同的实施例，该第一开关装置40和第二开关装置42实施为绝缘栅双极晶体管模块且构造成作为一个装置并行地操作。

[0024]每个电容器托盘44布置在底架12内电容器36和底架12的第四侧面24之间，且可由任何合适的材料(如塑料)制成。该电容器托盘44用于帮助支撑电容器36处于远离底架12的第四侧面24的位置处。该电容器托盘还用作阻挡部件碎屑中的至少一部分在其间穿过。根据不同的实施例，给定的电容器托盘44限定与相应电容器36对准的一个或多个开口56(见图4)，其中每个开口56的尺寸比相应电容器36的外围尺寸更小。

[0025]控制板46布置于电容器托盘44和底架12的第四侧面24之间，其包括多个部件且构造为监视和/或控制电子模块10的操作。例如根据不同的实施例，控制板46构造为控制第一开关装置40和第二开关装置42的操作和控制电子模块10的光纤通信等。如图4所示，根据不同的实施例，控制板46连接到的底架12第四侧面24的部分可铰接地连接到底架12以允许容易地接近控制板46。

[0026]回到图3，偏转器48布置于电容器36和底架12的第二端16之间，以及散热器34和底架12的第四侧面24之间。该偏转器48可由任何合适的材料制成。根据不同的实施例，制成偏转器48的材料(如金属、塑料等)具有足够的厚度以阻挡至少一些碎屑经过偏转器48，所述碎屑是由电子模块10的内部部件出现故障而造成的。该偏转器48构造为将趋近于偏转器48的一部分空气重新定向为朝向散热器38。尽管如图3所示的偏转器48具有明显的弯曲，但偏转器48的功能可通过其他构造实现。如图3所示，偏转器48限定通过其的开口58。该开口58允许空气朝着偏转器48流动以穿过开口58流向电阻34。根据不同的实施例，开口58与电阻34对准。

[0027]图5示出了系统60的不同实施例。该系统60可有不同的应用。例如，系统60可用作电源。系统60包括图1的电子模块10。根据不同的实施例，系统60可包括任意数量的电子模块10。例如，根据不同的实施例，系统60可包括一个到二十四个电子模块10。为了清楚起见图5仅示出了三个电子模块10。

[0028]系统60还包括风扇62。所述风扇62可为适合移动空气的任何类型的风扇。例如，根据不同的实施例，风扇62可以是向后倾斜的离心式风扇。此外，风扇62可相对于电子模块10以任何合适的构造设置。例如，风扇62可设置为如图5所示的直抽式(draw-thru)构造。根据其它实施例，风扇62可设置为不同的构造(如直吹式(blow-thru))。系统60可包括任意数量的风扇62。例如，根据不同的实施例，系统60包括两个风扇。对于这种实施例，两个风扇62中的一个可作为冗余风扇使用。

[0029]在操作中，风扇62用于产生通过系统60的相应电子模块10的空气流64。第一部分空气流在由第一端14限定的一个或多个开口28处进入底架12并沿着第一路径50前进。随着该第一部分空气流沿着第一路径50朝向第二端16前进，该空气流在电容器36周围循环并与电容器36接触，从而用于冷却电容器36。在穿过邻近电容器36的容积之后，该第一部分空气流与散热器38接触，同时在其翅片周围及翅片之间循环，从而用于从散热器38散热。与此同时，该第一部分空气流还依次与第一开关装置40及第二开关装置42接触，从而用于冷却开关装置40、42。在穿过由散热器38及第一和第二开关装置40、42所占据的容积之后，该第一部分空气流在离开底架12的第二端16之前在母线30和电源插头连接器32周围循环并与母线30和电源插头连接器32接触，从而用于冷却母线30和电源插头连接器32。

[0030]与该第一部分空气流流动通过底架12同时，第二部分空气流在由第一端14限定的开口26处进入底架12并沿着第二路径52前进。随着该第二部分空气流沿着第二路径52朝向第二端16前进，该空气流在电容器托盘44周围循环并与电容器托盘44接触，且经由电容器托盘44限定的开口56也与电容器36的部分接触，从而用于冷却电容器36和电容器托盘44。与此同时，该第二部分空气流还在控制板46周围循环并与控制板46接触，从而用于冷却控制板46。

[0031]在通过由电容器托盘44及控制板46所占据的容积之后，该第二部分空气流接近偏转器48。第二部分空气流的一部分通过由偏转器48限定的开口58，然后在电阻34周围循环并与电阻34接触，从而用于冷却电阻34。在通过由电阻34所占据的容积之后，第二部分空气流的该一部分还可在离开底架12的第二端16之前在母线30和电源插头连接器32周围循环并与母线30和电源插头连接器32接触，从而用于冷却母线30和电源插头连接器32。

[0032]当第二部分空气流的其余部分靠近或接触偏转器48时，沿着第三路径54朝着散热器38和第二开关装置42偏转第二部分空气流的该其余部分。第二部分空气流的该其余部分与散热器38接触且在其翅片周围及翅片之间循环，从而用于从散热器38散热。第二部分空气流的该其余部分还与第二开关装置42接触，从而用于进一步冷却开关装置42。第二部分空气流的该其余部分对第二开关装置42的额外冷却用于保持开关装置40、42处于大约相同的温度。第二部分空气流的该其余部分与第一部分空气流有效地汇合(也就是第一路径50和第三路径54彼此结合)，并在离开底架12的第二端之前在母线30和电源插头连接器32周围循环且与母线30和电源插头连接器32接触。

[0033]前述的空气流和电子模块10的构造还用于遏制在底架12内出现的任何故障。通常，公知的是，在缺少足量的空气流时，电容器过热并出现故障。一些这种故障导致电容器的爆炸。由于底架12是由足够厚的合适的高强度材料(如镀锌钢)制成并基本上包围整个电子模块10，因此由这种爆炸产生的与底架12接触的任何碎屑不大可能通过底架12(如通过底架的一个侧面)。类似地，由于电子模块10的底架12内的其他部件(如控制板、开关装置和电阻等)出现故障所产生的与底架12接触的任何碎屑也不大可能通过底架12。因此，在给定的电子模块10出现故障时，底架12的结构操作为减少对任何附近的电子模块10造成损害的故障发生的机会。

[0034]在电容器36布置于作为第一部件与第一部分空气流接触的位置，电容器36暴露于第一部分空气流的最冷空气中，从而减少了过热的机会。此外，借助于把每个电容器的一部分经由电容器托盘44内的开口56暴露于第二部分空气流中，这种电容器部分也暴露于第二部分空气流的最冷空气中，从而减少了最可能过热的相应部分变得过热的机会。在一个电容器36确实爆炸的情况中，相对大量的空气流朝向散热器38传送电容器碎屑，且散热器38的间隔开的翅片阻挡这种碎屑中的相当大一部分在其中通过。未被散热器38阻挡住的任何碎屑相对较小且是冷的，但仍可能会被底架12的第二端16阻挡而不离开底架12。

[0035]通过把控制板46也布置成接收第二部分空气流的最冷空气，控制板46出现故障的可能性会显著地降低。在控制板46的一个部件确实爆炸的情况下，相对大量的空气流经由偏转器48朝向散热器38传送电容器碎屑，在此这种碎屑的相当大一部分被阻挡住不再前进。未被散热器38阻挡住的任何碎屑仍可能会被底架12的第二端16阻挡而不离开底架12。

[0036]由于第一开关装置40和第二开关装置42可作为单个装置并行运行，所以有助于保持开关装置40、42处于大约相同的温度。由于把第一开关装置40沿着第一空气流路径50布置于第二开关装置42之前，从第一开关装置40传递给第一部分空气流的热量导致第二开关装置42与第一开关装置40相比暴露于更热的空气，该空气来自第一部分空气流。为了促进第一开关装置40和第二开关装置42相似的冷却，偏转器48布置成使得第二开关装置42也暴露于来自第三空气流路径54的空气流中。

[0037]由于底架12内的空气可能被电离，通过底架12的空气流降低了这种电离发生的可能性，从而减少了底架12内电弧的时间和由电弧产生的相关损害。

[0038]本文通过实例已经描述了本发明的几个实施例，本技术领域技术人员能理解的是在不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可实现对所描述的实施例的不同的修改、替换和改写。

Claims (20)

1.一种电子模块，包括：

底架，其具有第一端和与第一端相对的第二端，其中所述底架包括：

第一侧面；

与第一侧面相对的第二侧面；

第三侧面，该第三侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少

一个；和

第四侧面，该第四侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少

一个，其中第四侧面与第三侧面相对；

布置于底架内的多个电容器；和

布置于电容器和第二端之间的散热器，其中底架由阻挡部件碎屑穿过底架侧面的材料制成。

2.根据权利要求1所述的电子模块，其中所述材料是金属。

3.根据权利要求2所述的电子模块，其中所述材料是镀锌钢。

4.根据权利要求4所述的电子模块，其中一个侧面的的一部分铰接地连接到所述底架。

5.根据权利要求1所述的电子模块，其中至少一个电容器是电解电容器。

6.根据权利要求1所述的电子模块，其中所述散热器由热传导性材料制成。

7.根据权利要求6所述的电子模块，其中所述热传导性材料是铝。

8.根据权利要求1所述的电子模块，其中所述散热器包括间隔开的翅片，所述翅片阻挡部件碎屑中的至少一些在其间穿过。

9.根据权利要求1所述的电子模块，还包括布置于电容器和底架的一个侧面之间的电容器托盘，其中该电容器托盘由阻挡部件碎屑中的至少一些在其间穿过的材料制成。

10.根据权利要求9所述的电子模块，还包括布置于电容器托盘和底架的一个侧面之间的控制板。

11.根据权利要求1所述的电子模块，还包括布置于电容器和第二端之间的偏转器，其中所述偏转器由阻挡部件碎屑中的至少一些在其间穿过的材料制成。

12.根据权利要求1所述的电子模块，还包括布置于散热器和底架的一个侧面之间的第一开关装置。

13.根据权利要求12所述的电子模块，还包括布置于散热器和底架的一个侧面之间的第二开关装置。

14.根据权利要求1所述的电子模块，还包括布置于偏转器和第二端之间的电阻。

15.一种系统，包括：

风扇；和

电子模块，其中所述电子模块包括：

底架，其具有第一端和与第一端相对的第二端，其中所述底架包括：

第一侧面；

与第一侧面相对的第二侧面；

第三侧面，该第三侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个；和

第四侧面，该第四侧面连接到第一侧面和第二侧面中的至少一个，其中第四侧面与第三侧面相对；

布置于底架内的多个电容器；和

布置于电容器和第二端之间的散热器，其中所述散热器布置成当风扇产生空气流时，该空气流朝向该散热器传送部件碎屑。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述底架由阻挡部件碎屑穿过底架侧面的材料制成。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述散热器包括间隔开的翅片，所述翅片阻挡部件碎屑中的至少一些在其间穿过。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子模块还包括布置于电容器和底架的一个侧面之间的电容器托盘，其中该电容器托盘由阻挡部件碎屑中的至少一些在其间穿过的材料制成。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述电子模块还包括布置于电容器托盘和底架的一个侧面之间的控制板。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述电子模块还包括布置于电容器和第二端之间的偏转器，其中所述偏转器由阻挡部件碎屑中的至少一些在其间穿过的材料制成。

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