一种多通道高压功率电路和包含此电路的分布式X射线源的制作方法

文档序号:20011240发布日期:2020-02-22 04:12阅读:144来源:国知局
一种多通道高压功率电路和包含此电路的分布式X射线源的制作方法

本发明涉及x射线源领域,具体地,涉及用于分布式x射线源的控制电路板和分布式x射线源。



背景技术:

分布式x射线源在一个管体内高密度集成多个阴极-阳极组件,可以从多个不同位置辐射x射线,对目标对象进行不同视角的透射成像。分布式x射线源的每个阴极-阳极组件独立工作,且在同一时刻内仅有一个阴极-阳极组件处于工作状态。针对分布式x射线源的工作特性,需要一种多功率通道高压功率型电路控制各阴极工作,这种控制电路可以多路并联,形成多功率通道的控制电路系统,每一功率通道对应一个阴极-阳极组件。分布式x射线源的工作时,这些高压功率元件产生大量的热量,如果不及时将热量散发出去,功率元件就会持续的升温,导致功率元件因过热而失效。因此,增强电路板的散热能力是非常重要的。



技术实现要素:

本公开的实施例提供一种多通道功率电路板,包括:

绝缘基板;

多个功率元件,彼此间隔开空气间隙排布在绝缘基板的第一面;

金属膜电路,布置在绝缘基板的第一面,配置成电连接所述多个功率元件以便形成多个功率通道,各功率通道之间保持绝缘;

陶瓷散热片,布置在绝缘基板的第二面上,其中第二面是绝缘基板的与第一面相反的面;并且陶瓷散热片在绝缘基板上的投影面积大于所述第一面上构成多个功率通道的多个功率元件在绝缘基板上的投影总面积,多个功率通道共同使用同一个大面积的陶瓷散热片,一方面利用陶瓷的高绝缘特性,既能保持各功率通道间千伏级电压差的有效绝缘,又实现了陶瓷散热片的散热面积远大于多个功率元件的散热面积,使得电路散热能力多倍加强;

散热过孔,布置在绝缘基板上,穿透绝缘基板,连通所述多个功率元件和陶瓷散热片,增强了功率元件向陶瓷散热片导热的能力,让发热的元率元件快速冷却。

在一个实施例中,其中,预定数量的功率元件通过金属膜电路被串联为一个功率通道,多个功率通道并联连接,金属膜电路包括控制电路,控制电路配置成控制所述多个功率通道以设定的工作模式逐一工作,向分布式x射线源的多组的阴极-阳极提供电信号使得所述分布式x射线源按预设的工作模式发射x射线。

在一个实施例中,金属膜电路包括第一金属镀层部,第一金属镀层部包括布置在绝缘基板的第一面上的多个分离的岛状部分和布置在过孔的孔壁上的孔壁部分,

其中,每个功率元件包括主体部和位于所述主体部的第一侧面上的第一引脚,第一金属镀层部的每个岛状部分布置在绝缘基板的第一面上的对应的一个功率元件的所述主体部在绝缘基板的正投影区域内,也可以与其形状和面积相同,

其中每个功率元件的主体部通过所述第一引脚焊接至绝缘基板的第一面的第一金属镀层部的对应的岛状部分,第一金属镀层部不但可以用于焊接功率元件和绝缘基板,还提高了功率元件的热传递的效率,因为第一引脚和第一金属镀层都是热的良导体,并且焊接的方式进一步改善了热传导效率。

在一个实施例中,多通道高压功率电路板还包括第二金属镀层,包括布置在绝缘基板的第二面上的多个分离的岛状部分,

其中,陶瓷散热片的第一侧面上设置具有多个岛状部分的第三金属镀层,陶瓷散热片通过其第一侧面上的第三金属镀层焊接至第二金属镀层,其中,第一金属镀层的每个岛状部分通过孔壁部分连接第二金属镀层,第一金属镀层和第二金属镀层连通,增强了功率元件向陶瓷散热片导热的能力,让发热的功率元件快速冷却。第三金属镀层和第二金属镀层的分布区域对应设置,防止焊接后第二金属镀层和第三金属镀层连通成片,保证了各通道间的高绝缘。

在一个实施例中,多通道高压功率电路板还包括绝缘散热胶,用于将所述陶瓷散热片粘结至绝缘基板的第二面,绝缘散热胶具有优秀的热传导性,能高效的把功率元件产生的热量传导至陶瓷散热片,散去热量。

在一个实施例中,功率元件还包括自所述主体部引出的至少一个第二引脚,所述至少一个第二引脚焊接并电连接到所述金属膜电路的金属膜电路部,以便连接至金属膜电路。

在一个实施例中,电路工作时,相邻功率通道之间的电压高达几千伏,考虑电气绝缘问题,每个功率通道之间空气间隙大于1mm,保证足够的空气间隙,绝缘电压不小于1kv,以保证各功率通道之间的高绝缘性。

在一个实施例中,在每个功率元件的主体部在绝缘基板的正投影区域内,绝缘基板包括一个过孔,过孔的尺寸小于功率元件的尺寸使得每个功率元件的主体部通过第一引脚固接至过孔周边的绝缘基板。

在一个实施例中,在每个功率元件的主体部在绝缘基板的正投影区域内,绝缘基板包括多个过孔,所述多个过孔使得每个功率元件在绝缘基板的正投影区域中过孔所占面积不低于总面积的一半。

在一个实施例中,控制电路板还包括金属散热片,布置在陶瓷散热片的远离所述多个功率元件的一侧表面上,金属散热片连接在陶瓷散热片的表面上,允许陶瓷散热片的一部分热量传递至金属散热片,从而加快了陶瓷散热片的热量散失,散热效果被进一步改善。

在一个实施例中,陶瓷散热片包括氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。

在一个实施例中,绝缘基板的第二面上布置有一个或多个陶瓷散热片,每个陶瓷散热片覆盖一个或多个功率通道,多个通道共同使用同一个大面积的陶瓷散热片,一方面利用陶瓷的高绝缘特性,既能保持各通道间千伏级电压差的有效绝缘,又实现了陶瓷散热片的散热面积远大于多个功率元件的散热面积,使得电路散热能力多倍加强。

本公开的实施例提供一种分布式x射线源,包括上述的多通道高压功率电路板;

多个阴极,每个阴极连接到所述多通道高压功率电路的一个功率通道,每个阴极在对应的功率通道的驱动下产生电子束流;

阳极,所述电子束流在施加于阴极与阳极之间的高压电场的作用下轰击阳极并产生x射线发射。因此,用于分布式x射线源的多通道高压功率电路板在高压条件下工作时,功率元件产生大量的热,为避免功率元件因温度过高而被烧坏,需要将功率元件在工作期间产生的热量尽快散去。多个功率通道以设定的工作模式逐一工作,同一时间只有一个功率通道工作,多个通道共享一个大面积的陶瓷散热片,每个功率通道包括一个或多个功率元件,所以陶瓷散热片的散热面积远大于功率元件的面积,使得散热能力多倍加强,而且陶瓷散热片是绝缘体,能保持各功率通道间千伏级电压差的有效绝缘,同时散热过孔连通功率元件和陶瓷散热片,可将功率元件工作时产生的热量高效传导至陶瓷散热片,进一步提高散热效果。

附图说明

图1为根据本公开一个实施例的多通道高压功率电路板的截面图;

图2为根据本公开一个实施例的多通道高压功率电路板的结构分解图;

图3为根据本公开一个实施例的多通道高压功率电路板的俯视图;

图4为根据本公开一个实施例金属膜电路图;

图5为根据本公开一个实施例的多通道高压功率电路板的结构分解图;

图6为根据本公开一个实施例的单个功率元件的正面图和背面图;

图7为根据本公开一个实施例的多通道高压功率电路板的截面图;

图8为根据本公开一个实施例的多通道高压功率电路板的截面图;

具体实施方式

分布式x射线源的每个阴极-阳极组件独立工作,且在同一时刻内仅有一个阴极-阳极组件处于工作状态。针对分布式x射线源的工作特性,需要一种高压功率型电路控制各阴极工作,这种控制电路可以多路并联,形成多功率通道的控制电路系统,每一电路控制单元对应一个阴极-阳极组件。

在高压功率型电路工作时,相邻电路控制单元之间的电压差高达几千伏,考虑电气绝缘问题,在进行电路的布局时,各电路控制单元之间需间隔足够的空气间隙与爬电距离,以保证各电路控制单元之间的高绝缘性;各电路控制单元主要由功率型元件组成,功率元件的能量损耗大部分以热能的形式积蓄在元器件内,单靠功率元件本身散热无法满足使用要求,需要采取相应的散热措施,增强元器件的散热能力。

常用的散热方案是给每个功率元件安装金属散热器,用散热胶或紧固件把金属散热器固定在各个功率元件的表面,各个功率元件的散热器各自独立,然而,这种散热方式的散热效率不高;并且,由于相邻电路控制单元之间的电压差(一般是一个电路控制单元工作,相邻电路控制单元不工作)高达几千伏,相邻的散热器必须高绝缘,距离足够大的空气间隔,因而占用空间大。

如图1至4所示,本实施例公开一种多通道高压功率电路板包括:绝缘基板2;多个功率元件1,彼此间隔开空气间隙排布在绝缘基板的第一面21;金属膜电路,布置在绝缘基板的第一面21,配置成电连接所述多个功率元件1以便形成多个功率通道3;陶瓷散热片6,布置在绝缘基板2的第二面22上,其中第二面22是绝缘基板2的与第一面21相反的面;散热过孔4,布置在绝缘基板2上,并穿透绝缘基板2,连通所述多个功率元件1和陶瓷散热片6,陶瓷散热片6的面积大于第一面上的多个功率元件1在绝缘基板上的投影面积,和绝缘基板2的面积相当。在其他实施例中,陶瓷散热片6可以是多片,每一片的面积小于绝缘基板2的面积。在本实施例中,分布式x射线源需要发送高压电信号给多组阴极和阳极,每个阴极连接到多通道高压功率电路板的一个功率通道3,每个阴极在对应的功率通道的驱动下产生电子束流,电子束流在施加于阴极与阳极之间的高压电场的作用下轰击阳极并产生x射线发射,因此,用于分布式x射线源的多通道高压功率电路板在高压条件下工作时,功率元件1产生大量的热,为避免功率元件1因温度过高而被烧坏,需要将功率元件1在工作期间产生的热量尽快散去。多个功率通道3以设定的工作模式以预定时序工作。例如多个功率通道3可以逐一工作,同一时间只有一个功率通道3工作,每个功率通道3包括一个或多个功率元件1,所以陶瓷散热片6的散热面积远大于功率元件1的面积,使得散热能力多倍加强,而且陶瓷散热片6是绝缘体,能保持各功率通道3间千伏级电压差的有效绝缘;散热过孔4连通功率元件1和陶瓷散热片6,可将功率元件1工作时产生的热量高效传导至陶瓷散热片6,进一步提高散热效果。

在本实施例中,金属膜电路可以是布置在绝缘基板2的第一面21的铜膜构成的铜膜电路,也可以是其他金属或合金膜构成的电路。在本实施例中,多通道高压功率电路板还包括控制电路,在附图中并未示出控制电路,因为实际电路板表面使用绝缘漆覆盖了金属膜电路,控制电路不是可见的。金属膜电路电连接所述多个功率元件1以便形成多个功率通道3,其中预定数量的功率元件1被串联连接构成一个功率通道3,多个功率通道3以并联的方式连接,控制电路配制成控制多个功率通道3以设定的工作模式逐一工作。多通道高压功率电路板可以包括其他逻辑电路。控制电路配置成控制多个功率通道3朝向所述分布式x射线源的多组对应连接的阴极-阳极组件提供电信号使得所述分布式x射线源的多组阴极-阳极组件按设定工作模式发射x射线。此处,陶瓷散热片6的面积相对于功率元件1或功率通道3较大,换句话说,一个陶瓷散热片6可以覆盖两个或更多个功率通道3。在本实施例中,多个功率通道3以设定工作模式逐一工作,也就是说,同一时间段仅一个功率通道3工作,因此同一时间段仅一个功率通道3发热,而每个功率通道3产生的热量被传递至一整个面积较大的陶瓷散热片6,热量可以从陶瓷散热片6与每个功率通道3接触的部分向整个陶瓷散热片扩散,从而可以利用具有面积比一个功率通道大的陶瓷散热片6给每个功率通道3散热,换句话说,任一时间段内用于其他功率通道的陶瓷散热片的部分被发热的功率通道共享,因而提高了散热效率,改善了散热效果。如图2所示,陶瓷散热片6的尺寸可以与绝缘基板2的尺寸接近或相等,陶瓷散热片6覆盖四个功率通道,金属膜电路7电连接所述功率元件1以便形成四个功率通道3,一个功率通道3的两个功率元件1被串联连接,四个功率通道3以并联的方式连接,控制电路配制成控制多个功率通道以设定的工作模式逐一工作;如图5所示,陶瓷散热片6的尺寸可以是绝缘基板2的尺寸的四分之一,每个陶瓷散热片6覆盖两个功率通道3,金属膜电路7电连接所述功率元件1形成八个功率通道3,一个功率通道3的四个功率元件1被串联连接,八个功率通道3以并联的方式连接,控制电路控制多个功率通道以设定的工作模式逐一工作。在另一实施例中,陶瓷散热片6的尺寸可以是绝缘基板的尺寸的二分之一或三分之一等。陶瓷基板的尺寸较大(与功率元件1相比),将功率元件1的热量传递至大尺寸的陶瓷散热基板6散去,有利于提高散热效果。

如图3所示,根据本公开的实施例,多通道高压功率电路板布置了八个功率通道,每个功率通道的功率元件通过金属膜电路串联连接,功率通道之间并联连接。电路工作时,相邻功率通道之间的电压高达几千伏,为保证足够的空气间隙,各功率通道之间空气间隙大于1mm,绝缘电压不小于1kv,保证了各功率通道之间的高绝缘性。

根据本公开的实施例,多通道高压功率电路板的金属膜电路包括第一金属镀层部71,第一金属镀层部71可以是铜镀层、铝镀层、金镀层或其他金属或合金镀层。实际上,第一金属镀层部71可以与金属膜电路由同一金属膜层通过刻蚀或其他去除工艺形成。

在如图4所示的实施例中,第一金属镀层部71包括布置在绝缘基板的第一面21上的多个分离的岛状部分和布置在散热过孔4的孔壁上的孔壁部分,实际上,可以通过一次工艺形成第一金属镀层部71的多个分离的岛状部分和孔壁部分,换句话说,它们可以是一体的金属镀层。在如图2所示的实施例中,第一金属镀层部71的每个岛状部分布置在绝缘基板的第一面21上的对应的一个功率元件1的主体部11在绝缘基板2的正投影区域内。每个功率元件的主体部11通过第一引脚14焊接至绝缘基板2的第一面21的第一金属镀层部71的对应的岛状部分。岛状部分可以设置绝缘基板2的每个功率元件1的所述主体部11在绝缘基板2的正投影区域内,也可以与其形状和面积相同。

图6示出第一引脚14的一个实施例。如图6所示,第一引脚14可以自所述主体部11的第一端部16引出。每个功率元件1包括主体部11和第一引脚14,第一引脚14可以自主体部11的第一端部16引出。在图6中,第一引脚14包括设置在主体部11的位于第一端部16和第二端部17之间的第一侧面12上的金属片部141和第一引脚引出部142,第二端部17与所述第一端部16相对,每个功率元件1的主体部11通过第一引脚14的金属片部141固接至绝缘基板2的第一面21。在如图2所示的实施例中,每个功率元件1的主体部11通过第一引脚14的金属片部141固接至绝缘基板2的第一面21的第一金属镀层部71从而固接至绝缘基板2的第一面21,第一金属镀层部71不但可以用于固接功率元件1和绝缘基板2,还提高了导热效率,因为金属片部141和第一金属镀层部71都是热的良导体,功率元件1的热量通过第一引脚14的金属片部141被传导至绝缘基板2的第一面21,随后被传导至陶瓷散热片6,加快了导热速率,提高散热效果。第一引脚14的金属片部141可以通过焊接或粘结等方式固接至绝缘基板2的第一面21。第一引脚14的金属片部141可以是铜片、铝片或银片,或其他金属或合金片。

在上面的实施例中,为了描述方便,第一引脚14被描述为包括金属片部141和第一引脚引出部142,然而,第一引脚14可以是一体结构。

在本公开的另一实施例中,第一引脚可以自主体部11的第一侧面12引出,即面状的第一引脚14设置在主体部11的第一侧面12上。在本实施例中,第一引脚可以不包括第一引脚引出部。

在一个实施例中,每个功率元件1还可以包括自所述主体部11的端部,例如第二端部17,引出的至少一个第二引脚15,如图6所示,所述至少一个第二引脚15焊接并电连接至绝缘基板2的第一面21的金属膜电路的金属膜电路部72。具体地,至少一个第二引脚15可以通过金属膜电路部72焊接至金属膜电路。例如,每个功率元件1可以包括两个第二引脚15。第二引脚15用于将金属膜电路的电信号电连接至每个功率元件1。例如,在一个实施例中,控制电路的控制驱动多个功率通道中的一个,该功率通道驱动对应的阴极产生电子束流。金属膜电路可以由导电金属形成,例如铝、铜、金等金属形成,例如由常规用于形成电路板的电路层的工艺和材料形成金属膜电路。

在本公开的一个实施例中,多通道高压功率电路板还包括第二金属镀层,布置在绝缘基板2的第二面22上。第一金属镀层部71与第二金属镀层连接,具体地,在一个实施例中,第一金属镀层部71包括布置在绝缘基板的第一面21上的多个分离的岛状部分和布置在散热过孔4的孔壁上的孔壁部分,每个岛状部分布置在绝缘基板的第一面21上的对应的一个功率元件1的所述主体部11在绝缘基板2的正投影区域内,第一金属镀层部71的多个分离的岛状部分通过孔壁部分连接第二金属镀层。在本实施例中,第二金属镀层包括多个分离的岛状部分,分布在第二面22上,例如第二金属镀层在第二面22上的分布可以与第一金属镀层部71的多个分离的岛状部分在第一面21上的分布对应。陶瓷散热片6包括布置在其第一侧面上的第三金属镀层,第三金属镀层具有多个岛状部分,陶瓷散热片6通过布置在第一侧面上的第三金属镀层焊接至绝缘基板的第二金属镀层,陶瓷散热片6的第三金属镀层和绝缘基板2的第二金属镀层的分布区域对应设置。设置第二金属镀层是有利的,第一金属镀层部71上的热量可以迅速地传导至第二金属镀层,再传递至整个陶瓷散热片。多通道高压功率电路板同一时间只有一个功率通道工作,即使用面积大的陶瓷散热片6为一个功率通道散热,陶瓷散热片的面积大于构成各功率通道的功率元件1自身的散热面积,提高散热效果。

在一个实施例中,多通道高压功率电路板还可以包括绝缘散热胶5,绝缘散热胶5用于将所述陶瓷散热片6粘结至绝缘基板2的第二面22。由此,绝缘基板2的第二面22上的第二金属镀层与陶瓷散热片6通过绝缘散热胶5粘结,第二金属镀层的热量可以通过绝缘散热胶5传递至陶瓷散热片6。

在本公开的一个实施例中,多通道高压功率电路板还可以包括金属散热片,布置在陶瓷散热片6的远离所述多个功率元件1的一侧表面上。金属散热片连接在陶瓷散热片6的表面上,热量由陶瓷散热片6传递至金属散热片,从而加快了陶瓷散热片6的热量散失。金属散热片和陶瓷散热片6可以看作一个整体散热件,散热效果被进一步改善。

在本公开的实施例中,如图7所示,在每个功率元件1在绝缘基板2的正投影区域内,绝缘基板2包括多个散热过孔4,也就是说,所述多个散热过孔4分布在每个功率元件1在绝缘基板2的正投影区域。在本实施例中,第一金属镀层部71分布在绝缘基板2的功率元件1在绝缘基板2的正投影区域内,并且从绝缘基板2的第一面21延伸至散热过孔4的孔壁上。第一金属镀层部71有助于热量的传递。此外,由于功率元件1的热量主要通过功率元件1的第一引脚14的金属片部141传递出来,当金属片部141的温度升高,金属片部141的热量通过与金属片部141焊接的绝缘基板2的第一面21的部分上的第一金属镀层部71以及散热过孔4传导至陶瓷散热片6。在本实施例中,散热过孔4的数量多,分布在每个功率元件1在绝缘基板2的正投影区域内,散热过孔4的孔壁上的第一金属镀层部71提高了散热过孔4的导热能力。

在本公开的另一实施例中,在每个功率元件1在绝缘基板2的正投影区域内,绝缘基板2包括一个散热过孔4,如图8所示,散热过孔4的尺寸小于一个功率元件1的尺寸使得每个功率元件1的主体部11通过第一引脚14(例如金属片部141)固接至散热过孔4周边的绝缘基板2部分。在本实施例中,第一金属镀层部71分布在绝缘基板2的功率元件1在绝缘基板2的正投影区域内,并且从绝缘基板2的第一面21延伸至散热过孔4的孔壁上,第一金属镀层部71有助于热量的传递。此外,功率元件1的热量主要通过功率元件1的第一引脚14的金属片部141传递出来,当金属片部141的温度升高,金属片部141的热量通过与金属片部141焊接的绝缘基板2的第一面21的部分上的第一金属镀层部71以及散热过孔传导至陶瓷散热片6。第一金属镀层部71可以与金属片部是相同的金属,这有利于金属片部与第一金属镀层部71的结合和传热。

在本公开的一个实施例中,陶瓷散热片6包括氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。

本公开的一方面还提供一种分布式x射线源,分布式x射线源包括多个阴极和阳极,每个阴极连接到所述多通道高压功率电路的一个功率通道3,阴极在对应的功率通道的驱动下产生电子束流,电子束流在施加于阴极与阳极之间的高压电场的作用下轰击阳极并产生x射线发射。分布式x射线源需要施加高电压(例如上千伏特或几千伏特的高压)以发射x射线,因而控制电路需要在高压条件下工作,例如在几千伏特的电压下工作;并且,由于分布式x射线源的工作特点,每组阴极-阳极以设定的工作模式逐一工作以便实现按序发射x射线束,换句话说,每个时间段内,仅有一组阴极-阳极在工作,其他阴极-阳极并不工作,每个预定时间段内多通道高压功率电路板的仅一个功率通道3工作,对于包括多个功率通道3的一整块陶瓷散热片6,在每个预定时间段内,陶瓷散热片6只用于一个功率通道3散热,陶瓷散热片的面积大于构成各功率通道的功率元件1自身的散热面积,因而散热效率比一个功率元件1配置一个散热片的技术方案显著地提高。

本领域的技术人员可以理解,上面所描述的实施例都是示例性的,并且本领域的技术人员可以对其进行改进,各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。

虽然结合附图对本发明进行了说明,但是附图中公开的实施例旨在对本发明实施方式进行示例性说明,而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明,本领域普通技术人员将理解,在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下,可对这些实施例做出改变,本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

应注意,措词“包括”不排除其它元件或步骤,措词“一”或“一个”不排除多个。另外,权利要求的任何元件标号不应理解为限制本公开的范围。

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