电路连接器、电源转换器及其方法与流程

本发明大致涉及一种电路连接器，尤其涉及一种用于电源转换器的母线。

背景技术：

现代电源转换器与多种电子元件相结合，将来自电源的能量转换为负载所需的可用电能。在电能转换过程中，这些电子元件中有一些可能会将谐和激励(harmonic excitations)引入到电路连接器和电容器之间的转换器结构中。为了避免在转换器内产生潜在地具有破坏性的共振，需要通过电阻抑制连接器和电容器对于这些激励的响应(阻尼过程)。然而，阻尼过程常常产生的大量的热量，这成为另一个损坏转换器的潜在原因。因而阻尼过程往往伴随冷却操作，需要额外的冷却设备。对电源转换器的阻尼和冷却既增加了成本，又降低了转换器的效率。这些措施还会牺牲转换器的功率密度，特别是在需要进行液体冷却的时候。

因此，需要一种适用于电源转换器或其他电子系统的元件，能够提供适当的系统阻尼，还能增加效率，降低热量的产生。

技术实现要素：

根据本发明的一个示例性的实施例，一种电路连接器包括主体、穿过该主体的第一电通路和第二电通路。其中，所述第一电通路具有对应第一频率范围内的电流的第一电阻，所述第二电通路具有对应第二频率范围内的电流的第二电阻。

根据本发明的另一示例性的实施例，一种电源转换器包括输入段、输出段、以及位于所述输入段和输出段之间的连接器。所述输入段用于接收交流 或直流电。所述输出段用于输出交流或直流电。所述连接器包括主体、穿过该主体的第一电通路和第二电通路，其中，所述第一电通路具有对应第一频率范围内的电流的第一电阻，所述第二电通路具有对应第二频率范围内的电流的第二电阻。

根据本发明的另一示例性的实施例，一种将电流通过电源转换器的母线的方法，其包括将第一频率范围内的电流通过所述母线的具有第一电阻的第一层，并且将第二频率范围内的电流通过所述母线的具有第二电阻的第二层。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的一个示例性的实施例的电路连接器的立体图。

图2是图1所示的电路连接器的横截面图。

图3是一种电源转换器的原理图。

图4是根据本发明的另一个示例性的实施例的电路连接器的横截面图。

图5显示了传统的母线、钢制电阻器、以及图2所示的电路连接器的扫频测试结果。

图6显示了传统的母线相较于与图4所示的电路连接器串联的母线的转换器热力试验结果。

图7显示了根据一个示例性的实施例的方法。

图8显示了根据本发明的另一个示例性的实施例的电路连接器；及

图9显示了图8所示的电路连接器的横截面图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施例。在以下对这些具体实施例的详细 描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本说明书中的“实施例”是指与该实施例相关的特定特征、结构或性能包含在本文所描述的至少一个实施例中，因此，出现在本说明书中不同地方的表述“实施例”并不都指同一个实施例。一个或多个实施例中的特定特征、结构或性能可以通过任何合适的方式进行组合。

图1和图2显示了根据本发明一个示例性的具体实施例的电路连接器14。其中，电路连接器14届定了一个具有矩形截面的长形主体20，长形主体20包括内层22和两个外层28和32。

内层22由第一导电材料，例如金属或金属合金制成。外层28和32由第二导电材料，例如金属或金属合金制成。其中，内层22的材料的导电性高于外层28和32的材料的导电性。所述层22、28和32在主体20的两端16和18电连接，从而使得进入主体20的电流可以迁移至、层22、28和32中的任意一个中。所述层22、28和32还可沿层之间的界面24和26电连接，从而实现电流跨越层22、28和32的进一步迁移和控制。

从图1和图2中能够理解的是，连接器14在纵向末端16和18之间形成 有至少两条电通路。具体地，第一电通路形成于内层22的第一材料，第二电通路形成于外层28和32的第二材料。

虽然所述层22、28和32提供了两条电通路，但层22、28和32在其末端16和18的导电性和电互相联接使得主体20与传统单一材料导体类似。具体地，流经主体20的电流的较高频率部分可能会由于集肤效应产生迁移，由内层22迁移至外层28和32。

此外，穿过主体20的高频率电流分量会在各外层28和32中引发电感。例如，参照图4，每个第一主体320和第二主体340的电感可以用于进一步促使电流的较高频率部分，基于邻近效应，向层328、332、348和352的外表面迁移。因此，减少第一主体320和第二主体340之间距离会导致外层328、332、348和352内高频率电流的集肤深度相对应地减少。

除了根据频率控制电流的集肤效应和集肤深度，所述层22、28和32中的每一个还可以设置成具有不同的材料、几何尺寸、电阻率和导磁率，以控制或处理从主体20的末端16至末端18的纵向电流。

特别地，电路连接器14的每一层可以设置来提供一特定频率的电阻。如上所述，集肤效应和邻近效应往往会促使电流的较高频率部分向层28和32的外表面方向位移。因此，可以将层28和32设置为，例如，具有较高电阻，从而使得高于某一预设值的电流可以通过层28和32相对自由地从末端16流到末端18。更具体地，可设置层28和32的材料、几何尺寸(长、宽和高)、电阻率和导磁率，使得预选频率范围内的几乎所有电流在层28和32中流动。层28和32还可设置来提供一个针对该电流的电阻，或者设置来让该电流相对自由地从其中通过主体20。相似地，也可设置层22的材料、几何尺寸(长、宽和高)、电阻率和导磁率，使得一个较低的预选频率范围内的几乎所有电流在层22中流动。层22还可设置来提供一个针对该电流的电阻，或者设置来让该电路相对自由地从其中通过过主体20。层28和32的预选频率范围和层22的预选频率范围可能会相互重叠，为主体20提供一个整体电阻，该整体 电阻可能会与频率以一种可预知的方式相关，例如线性相关。

通过每一层22、28和32的矩形截面设置，可增强连接器14的多项功能，在电流流经连接器14时，矩形截面为优化集肤效应、集肤深度和邻近效应提供了充足的表面面积，同时矩形截面的层具有较小的体积，有助于减少材料的使用量。此外，在一些实施例中，分层22、28和32之间的界面包括气隙，可以很容易地通过多种工艺对连接器14进行制造或者组装，而无需担心沿界面24和26是否保持电连接。将第二层28和第三层32连接至第一层22的示例性方法包括涂层、粘附、焊接、铜焊或钎焊等化学方法以及夹钳、卡扣或捆扎等机械方法。

所述电路连接器14在电源转换器中可能具有特别的优势。图3显示了一种电源转换器电路100的示意图。电源转换器电路100包括输入段101和输出段102，其中，输入段101可以接收来自交流电源103的固定频率的交流电流，输出段102可以为交流负载104提供可变频率的交流电流。输入段101可包括三相整流器(未图示)，输出段102可包括六相桥臂，该六相桥臂有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)、绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)、集成门极换向晶闸管(IGCTs)和/或其他任何适合脉冲宽度调制的功率元件。

输入段101通过第一和第二直流母线106和108连接到输出段102。第一和第二电容器桥臂110和112在第一和第二直流母线106和108之间延伸，并且包括电容器组114和116。

在运行中，电源转换器100中的电流环130由第一电容器桥臂110、第一母线106、第二电容器桥臂112和第二母线108组成。每个母线106和108可以作为感应器132和134，并假设每个母线提供一个平衡的电感，可以说具有电感1/2L。类似地，第一和第二电容器组114和116可以说每个具有电容1/2C。因此，电流环130形成的系列LC电路具有电感L和电容C，并且电源转换器100内LC电路的共振频率可以通过如下方程式计算：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

在运行中，电源转换器100的第一段101中的上述元件生成的脉冲宽度调制信号会生成等于或者接近共振频率的电流振荡。为了避免电源转换器100的共振引起的潜在破坏，可以为电源转换器100安装一对电阻器140和142，从而形成平衡的RLC电路，其中每个电阻器的电阻为1/2R。将电阻器132和134包含在电流环130中使得等于或者接近共振频率的电流振荡被阻尼，从而避免了损坏电源转换器。

对于具有高共振频率的系统，一般母线所具有的固有电阻可以为其提供足够的阻尼。然而，在需要添加额外的显式阻尼电阻器(explicit damping resistors)时，母线106和108可具有足够的长度。例如，第一段和第二段101和102可以分别位于两个分开的机柜中。

当然，通过将高电阻导体，例如不锈钢包含在内，使其与每个母线串联，可以使电流环实现较大的阻尼电阻。然而，随着功率级的增长和母线长度的增加，来自阻尼电阻的能量损失变得明显。而且，如前文所述，这些以热量形式表现的能量损失需要大量的空间，用以确保足够多的热量从热敏感元件处转移。例如，如前文所述，一些电源转换器为了在连续高负载运转过程中实现足够的热量转移能力，可能要配备液体冷却装置。除了处理来自高电阻导体的热量所面临的困难，阻尼电阻器还有可能干扰优化电源转换器运转所需的低频电流的传导。

为了减少和尽量避免这类冷却装置的需求，同时也为了促进低频率电流的输送，根据本发明实施例的连接器可以串联于每个母线106和108，为频率在或接近电源转化器100的共振频率f的电流提供电阻，同时允许其余的较低频率的电流相对畅通的通过。

图4显示了双导体连接器314的一个具体实施例，其适用于电源转化器，例如图3所示的电源转化器100。连接器314包括被绝缘体310隔开的第一和第二主体320和340。主体320包括内层322和与内层322电连接的一对外层328和340。主体340包括内层342和与内层342电连接的一对外层348 和352。以下将会进一步描述，主体320和340固定于绝缘体310上，形成连接器314。

电主体320可以通过将外层328和332紧压在内层322上，并将层328、332和322于末端316和318紧扣在一起形成。电主体340可以通过将外层348和352紧压在内层342上，并将层348、352和342于末端316和318紧扣在一起形成。其后，将电主体320和340通过粘贴，紧扣或以其他方式固定于绝缘体310。

原型连接器314设置有钢制的外层328、332、348和352和铜制的内层332和342。钢材的高导磁率使得高频率电流集中到位于主体320的外层328和332和主体340的外层348和352中的一个非常薄的集肤深度。另外，因为钢的电阻率在数量级上大约是铜的10倍，连接器314可以设置来对频率处在或接近电源转换器100的共振频率的高频率电流提供阻尼电阻。主体320或340内的铜制层322或342使得低频率电流相对无障碍的通过转换器314。

图5显示了传统铜制母线、钢制电阻器和根据图2所示的实施例的电路连接器的扫频测试对比结果。由图5可知，传统铜制母线的有效电阻在整个测试频率谱中一直维持在1.0微欧姆(micro-Ohms)以下。钢制电阻器的有效电阻在初始时相对稳定，在400到1000赫兹(Hz)之间时，其有效电阻大约为2.8微欧姆，在频率通过7000Hz后，其有效电阻增加。与此相反，根据图4所示的实施例的电路连接器的有效电阻从大约350Hz时的0.5微欧姆到大约7000Hz时的4.5微欧姆相对线性增长。同时，根据图2所示的实施例的电路连接器，在整个测试频率谱中，其电阻值位于铜制母线电阻和钢制电阻器电阻之间。图6显示了包含连接器314的母线和传统母线之间的功率损耗比较测试的结果。需要指出的是，对于接近大约7千赫共振频率的电流，包含连接器314的母线和传统母线的电阻相同，均为大约3.7微欧姆。然而，对于流经各内层322和342的低频率电流或直流电流，包含连接器314的母线具有减小的电阻，约为90微欧姆，而传统母线的电阻约为3.7毫欧姆 (milli-Ohms)(大约40:1的比例)。对于流经包含连接器314的母线的低频率电流或直流电流，减少的电阻实现了减少功率消耗的目的，其在母线的阳极实现了1110瓦特的节约，在母线的阴极实现了760瓦特的节约，总平均热负荷减少大约60％。除了降低了能源成本，这一在效率上的提升使得体积较小的热量转移装置的安装成为可能，有助于进一步降低装置成本，增加安全性，并且提高电源转换器的可靠性。

通过图4所示的三层结构，可进一步促进电流在连接器中的流动。具体地，第一主体320的杂散电感可以抵消或以其他方式与第二主体340的杂散电感相互作用，使得母线结构的谐振频率被推离电源转换器100的谐振频率。因此，连接器314可有力地减少需要阻尼电阻的电流总部分。

相应地，如图7所示，本发明提供了一种将电流通过电源转换器的母线的方法100，其可包括在步骤1002中将第一频率范围内的电流通过母线的具有第一电阻的第一层，在步骤1004中将第二频率范围内的电流通过母线的具有第二电阻的第二层和第三层中的至少一个。其中所述第二频率范围内的电流可以同时通过所述母线的第二层和第三层。在一些实施例中，方法100还包括在所述第二层和第三层中的一个中产生电感，以促使所述第二层和第三层中的另一个中的电流远离所述第一层。如上所述，所述第一电阻可小于所述第二电阻。所述第一频率范围可小于所述第二频率范围，或者与所述第二频率范围有重叠。所述第二层和第三层可分别连接到所述第一层的相对的第一侧和第二侧。所述第一层可包括铜，所述第二和第三层可包括钢。所述第一层、第二层和第三层可具有矩形截面。

在图1-4的具体实施例中，每一个电主体都具有矩形截面和三个层。然而，根据本发明的电主体可具有其他横断面形状，例如，连接器可能具有圆形的或多边形的横截面。此外，电主体可具有少于三个层或者多于三个层的结构。例如，具有圆形横截面形状的电主体的最内层可能具有空心的或实心的横截面形状，而其一个或多个外层可能具有环形的轮廓。同样，每一个层 可以具有不同的横截面轮廓，例如，外层可以是多边形的或是多面形的横截面，而内层可以是圆形的或非多面形的横截面轮廓。

图8和9显示了包含铜制实心内层422和铁制外层428的圆柱形电路连接器414的一个示例性的具体实施例。圆柱形电路连接器414的每端包括一个螺纹孔52。连接器414可通过具有定位垫圈58和防松垫圈62的螺纹紧固件56固定于一对支架54。圆柱体连接器414和支架54的设置使得连接器414可以很方便地用具有不同特征的连接器替换。

虽然结合特定的具体实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。