专利名称：电源设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源设备，且更具体地说是涉及可用于例如弧焊机、等离子体弧焊机、弧切割机、等离子体弧切割机、充电器、以及电镀设备等的电源设备。
背景技术：
一些电源设备提供了从交流转换过来的直流电。这样的设备包括在工作中产生较大量的热量的部件和在工作中产生较小量的热量的部件。在本说明书，为了简化的目的，把前一种部件简称为热量产生部件，把后一种部件称为产生较少热量的部件。一个电源设备包括一组热量产生部件和一组产生较少热量的部件，而这些部件被分开设置在已经提出的一种机箱中。
在转让给本申请的受让人的美国专利第5,831,240号中，公布了一个这样的例子。在该美国专利中公布的电源设备包括前和后板。一个机架把由前和后板限定并处于前和后板之间的空间分成上和下空间。热量产生部件被设置在下空间中，且产生较少热量的部件被设置在上空间中。作为一个热量产生部件的一个半导体模块也被设置在上空间中。但是该半导体模块被安装在一个热沉上。该热沉通过该机架而延伸到下空间中。因此，该半导体模块所产生的热量被有效地释放到下空间中。一个风扇与下空间相联系地设置，用于把热量排放到机箱之外。该半导体模块包含在所述电源设备中采用的所有半导体器件。在该半导体模块之上和附近，设置有一个印刷线路板，该印刷线路板包含用于对需要受到控制的那些半导体器件进行控制的控制电路。上和下空间由左和右侧板所闭合，这些板具有一种U形的横截面，其边缘彼此邻接。
由于该机架被接合到前和后板，内部的部件和结构只能在机架被接合至前和后板的情况下进行检查，使得难于对设置在前和后板附近的那些部件进行检查和修理。另外，为了用一个新的半导体模块更换所述半导体模块，在更换之前需要首先拆下左和右侧板并拆下设置在半导体模块上方的印刷线路板。因此，需要比较长的时间检查和维护电源设备。
发明内容
根据本发明的一种电源设备具有第一和第二分开的机架，这些机架优选地是用薄的部件(例如板形部件)构成。一个热沉被设置在该第一和第二机架之间，且该第一和第二机架被安装到该热沉上。一个印刷线路板以可拆下的方式被安装到所述第一和第二机架的这样一个表面上，即该表面与机架在其上被安装到所述热沉上的表面相反。该印刷线路板优选地与该热沉分开。一个半导体模块被安装到热沉的与所述印刷线路板相对的表面上。该半导体模块与所述印刷线路板相电连接，以形成一个电源电路。该热沉、第一和第二机架、以及印刷线路板形成了一个组件，该组件的横向侧面被一个外壳所覆盖。可以采用单件式的外壳或分体式的外壳。该组件的前和后端，即第一和第二机架的前和后端，分别被前和后板所覆盖。应该注意的是，该组件可以与前和后板相分离。
由于第一和第二机架被安装到热沉上，它们在机械上与位于热沉的前和后部的前和后板相分离。借助这种设置，设置在第一和第二机架的前和后边缘附近的部件能够容易地得到检查和维护。另外，由于印刷线路板可以方便地从机架上拆下从而暴露半导体模块，半导体模块的检查、维护或更换都容易进行。
可以在所述第一和第二机架的至少一个上形成一个窗口。半导体模块被设置为通过该窗口伸出向该印刷线路板，从而当该印刷线路板被拆下时，所述半导体模块通过该窗口而得到暴露，这便利了对半导体模块的检查和维护。
该半导体模块可以通过一个可拆下的连接器而连接至所述印刷线路板，从而使该印刷线路板能够被容易地拆下。
所述热沉可以由两半组成，这两半优选地具有相同的形状。热沉的这两半具有在它们的接合侧上的多个翅片。由于热沉由两半组成，它容易被制造。一个热沉可以具有大体上水平地延伸并纵向地间隔的翅片。通过冲压而形成的具有这样的结构的一个单件式热沉，其翅片的长度与相邻的翅片之间的空间之比不能很大。相比之内，如果这样的热沉是由两半组成，且翅片具有邻接的端部边缘，则热沉在总体上能够具有大的翅片长度-空间比值。如果该热沉是由具有相同的形状和尺寸的两半组成，其制造也可得到简化。
一个吹风机可以被设置在第一和第二机架的相应的端部之间，从而对热沉进行冷却。由于该热沉被设置在第一和第二机架之间，机架和热沉有效地提供了吹风机所形成的空气流的通道，从而使热沉能够被有效冷却。
该电源电路可以包括一个变压器。该变压器被设置在热沉下方并具有通过所述第一和第二机架而延伸的部分。有时，一个电源电路被提供有被设置在该电路的输入端和输出端之间的一个变压器。根据本发明，把变压器设置在热沉下方，能够不用为变压器提供专用的空间。另外，该变压器可以受到第一和第二机架的支持，从而不需要为变压器提供专门的支持。
该变压器可以是薄或小厚度的变压器，其在电源设备中占用的空间较小，这减小了电源设备的尺寸。该薄的变压器可以包括叠置薄的导电片并在相邻的导电片之间设置绝缘片而形成的导体。该薄的导电片可以通过把金属导体片切割成环形而形成。
两种印刷线路板可以得到采用。第一种印刷线路板以可拆下的方式被安装到第一机架，而第二种印刷线路板以可拆下的方式被安装第二机架上。第一印刷线路板包括电源电路的一个输入侧电路部分，且第二印刷线路板包括电源电路的一个输出侧电路部分。分离的半导体模块被用于电源电路的该输入和输出侧部分。用于该输入侧电路部分半导体模块被设置在对着第一机架的热沉表面上并通过第一机架而伸向第一印刷线路板，而用于输出电路部分的半导体模块被设置在对着第二机架的热沉表面上并通过该第二机架而伸向第二印刷线路板。借助这种设置，为了检查用于输入侧电路部分的半导体模块，只需要拆下第一印刷线路板，且类似地，为了检查用于输出侧电路部分的半导体模块，只需要拆下第二印刷线路板。另外，半导体模块通过第一和第二机架伸出向相应的印刷线路板，便利了半导体模块的检查和维护。
一个薄的变压器可以被设置在该电源电路的输入和输出侧电路部分。该变压器被设置在热沉之下。该变压器的输入侧被连接到第一印刷线路板，且该变压器的输出侧被连接到该第二印刷线路板。这种设置所需要的用于变压器的空间较小，从而减小了电源设备的尺寸，且其需要的用于变压器的输入和输出侧的连线最短。
图1是根据本发明的一个实施例的一种电源设备的分解图。
图2是图1所示的电源设备的电路图。
图3显示了图1的电源设备，其中除去了侧板的右半部，以显示内部结构，并除去了一部分印刷线路板。
图4是沿着图3的IV-IV线的剖视图。
具体实施例方式
如图2所示，根据本发明的一个实施例的一种电源设备具有电源输入端2a、2b和2c，这些输入端适合于连接到一个交流电源，例如一个三相商业交流电源。也可以采用单相商业电源来代替三相交流电源。该商业交流电源提供了一个第一电压，例如400V，或提供了一个第二电压，该第二电压是例如该第一电压的一半即约为200V。
输入端2a、2b和2c被耦合至一个输入侧整流器4。该输入侧整流器4由连接成一个桥的多个整流二极管(未显示)形成，并由一个半导体模块形成。一个平滑电容6被连接在输入侧整流器4的输出端4P和4N之间。虽然图2中只显示了一个平滑电容6，实际中可以采用并联的多个电容器。
该电源设备包括具有相同的配置的两个倒相器8a和8b。相应地，以下只对它们之一即倒相器8a进行详细描述，而不对另一倒相器8b作详细描述。在图2中，倒相器8b的部件的标号与倒相器8a的标号相对应，只是标号“a”被“b”所代替。
倒相器8a包括半导体开关器件。这些半导体开关器件中的每一个都具有一个导电通路，该导电通路的导电状态响应于加到其控制电极上的一个控制信号的值而得到改变。在图2的电路中，IGBT10a-1和10a-2被用作半导体开关器件。也可以采用功率FET或功率双极晶体管来代替IGBT。IGBT10a-1和10a-2的集电极-发射极导电路径是串联的。电容12a-1和12a-2的串联组合与IGBT10a-1和10a-2的集电极-发射极导电路径的串联组合相并联。倒相器8a是一种半桥式倒相器。倒相器8a可以是一种全桥式倒相器，其中IGBT代替了电容12a-1和12a-2。
续流二极管14a-1和14a-2分别与IGBT10a-1和10a-2的集电极-发射极导电路径反向并联连接。IGBT 10a-1和10a-2和续流二极管14a-1和14a-2形成了一个倒相半导体模块16a。类似地，IGBT 10b-1和10b-2和相联系的续流二极管14b-1和14b-2形成了一个倒相半导体模块16b。
开关装置，例如开关18a、18b和18c，按照该顺序被连接在输入侧整流器4的输出端4P和4N之间，开关18a连接在距输出端4P最近处。开关18a-18c用于当400V的第一电压被加到电源输入端2a-2c上时使倒相器8a和8b被串联在输出端4P和4N之间，并当200V的第二电压被加到电源输入端2a-2c上时使倒相器8a和8b被并联在输出端4P和4N之间。开关18a和18c是常开的，而开关18b是常闭的。电容12a-1和12a-2的串联组合与开关18a和18b的串联组合相并联，且电容12b-1和12b-2的类似的串联组合与开关18b和18c的串联组合相并联。
开关18a、18b和18c受到一个开关控制电路20的控制。开关控制电路20接收被加到电源输入端2a、2b和2c中的两个之间的一个电压。在图2所示的电路中，电源输入端2b和2c之间的电压被加到开关控制电路20上。对于200V的输入电源电压，开关控制电路20使开关18a和18c闭合并使开关18b打开，从而使倒相器8a和8b被并联在输出端4P和4N之间。如果输入的电源电压是400V，开关控制电路20使开关18a和18c打开并使开关18b闭合，从而使倒相器8a和8b被串联连接在输入侧整流器4的输出端4P和4N之间。
倒相器8a和8b的IGBT 10a-1和10a-2和IGBT 10b-1和10b-2，借助从一个控制电路22通过相应的传送线路提供给它们的相应的控制信号，而得到控制。在图2中，为了简化显示，只显示了一条传送线路。
倒相器8a和8b的输出分别被耦合至变压器24a和24b的输入侧绕组24a-p和24b-p。整流二极管26a-1和26a-2的阳极被连接到变压器24a的一个输出侧绕组24a-s的相应端部，且整流二极管26b-1和26b-2的阳极被连接至变压器24b的一个输出侧绕组24b-s的相应的端部。二极管26a-1、26a-2、26b-1和26b-2的阴极一起通过一个平滑电抗器28而被连接至电源设备的一个输出端30P。二极管26a-1、26a-2、26b-1和26b-2形成了一个输出侧整流器。在输出侧绕组24a-s和24b-s上提供了中间抽头，且这些抽头被一起连接至电源设备的一个输出端30N。整流二极管26a-1、26a-2、26b-1和26b-2被形成在一个半导体模块32中。
一个吹风机34被用于对这些部件进行冷却。吹风机34包括一个风扇34a和一个驱动风扇34a的马达34b。马达34b被提供有来自两个电源输入端(在图2显示的例子中即端2b和2c)的电力。
如图3和4所示，这些部件被一个前板36、一个后板38、以及一个中空的大体矩形的外壳39所包围，该外壳39围绕着被前和后板36和38所限定的并在该前和后板之间的空间，从而形成了一个机箱。外壳39可以由两个左和右接合板所形成，或由上和下接合板所形成，这些板每一个都具有U形的横截面并且其相应的开放边缘与接合的板的相应的边缘相邻接。在该机箱之内，设置有一个组件，该组件包括具有图1所示的散热翅片的热沉40、第一和第二机架42和44、以及印刷线路板46和48。
热沉40是矩形的平行六面体块，并具有多个纵向间隔的、在两个内侧表面之间水平延伸的翅片。相邻的翅片之间限定的热沉40中的中空的空间向着前和后板36和38开放。一般地，热沉40由铝冲压而成。然而，具有这样的结构的热沉不能具有大的翅长比，该翅长比是各个翅片长度与相邻的翅片之间的距离的比值。因此，热沉40由具有相同的形状和尺寸的、各由铝冲压而形成的两半40a和40b形成。热沉的两半40a和40b，通过一半的翅片的纵向延伸的端部表面与另一半的翅片的纵向延伸的端部表面的邻接，而接合在一起，从而提供了长的翅片。热沉的半部40a和40b可以通过焊接而接合。或者，它们可以舌-槽接合，其中在一半的上边缘的一个舌插入到另一半的上边缘中的一个槽中，且热沉半部40b的下边缘的一个舌插入到另一半40a的下边缘的一个槽中。因此，热沉半部40a和40b优选地是具有相同的形状和尺寸。
以半导体模块的形式形成的输入侧整流器4以可拆下的方式被安装热沉半部40a的外侧表面上。倒相器半导体模块16a和16b也以可拆下的方式被安装热沉半部40a的外侧表面上。
在热沉半部40b的外侧表面上，以可拆下的方式被安装有输出侧整流器半导体模块32。
换言之，在电源设备的输入侧的半导体模块4、16a和16b被安装到热沉半部40a的外侧表面上，而在电源设备的输出侧使用的半导体模块32被安装到热沉半部40b的外表面上。
第一机架42被连接到热沉半部40a的外侧表面上，且第二机架44被连接到热沉半部40b的外侧表面上。第一和第二机架42和44由例如铝或铜的金属的薄板形成。第一和第二机架42和44具有比热沉半部40a和40b的高度大的高度。机架42和44的下部延伸至热沉半部40a和40b的下端表面之外。各个机架42和44的纵向尺寸或长度，沿着从电源设备的前部至后部的方向测量，比热沉半部40a和40b的长度长，且机架42和44的前和后边缘分别延伸至热沉半部40a和40b的前和后端部之外。比热沉半部40a和40b的后端部更靠后的机架42和44的这些后端部部分，向外弯曲了一个角度θ，如图1和4所示。
第一和第二机架42和44和热沉40提供了把热量吹送到电源设备之外的一个通道。吹风机34被安装在第一和第二机架42和44的向外弯曲的后部之间。在前和后板上形成有缝，如图3所示。当吹风机34工作时，通过前板36上的缝吸入的空气流过热沉40的翅片之间的空间，从而对安装在其上的半导体模块4、16a、16b和32进行冷却，并通过后板38的缝而出去。
第一机架42被提供有在一个位置上的窗口49a，该位置对应于热沉半部40a上输入侧整流器4的安装位置；且第一机架42在一个位置上设置有一个窗口49b，该位置对应于热沉半部40a上倒相器半导体模块16a和16b的安装位置。输入侧整流器半导体模块4通过窗口49a而伸出，且倒相器半导体模块16a和16b通过窗口49b而伸出。第二机架44还具有在一个位置的一个窗口51，该位置与热沉半部40b上半导体模块32的安装位置相对应，且半导体模块32通过窗口51而伸出。
印刷线路板46被设置在从第一机架42向外的位置，在它们之间有一个间隔，且印刷线路板46借助支撑部件50而以可拆下的方式被安装到第一机架42上。在印刷线路板46上，设置有在变压器24a和24b的输入侧中使用的那些部件，包括倒相器8a和8b的平滑电容6和电容12a-1、12a-2、12b-1和12b-2。换言之，印刷线路板46可以被称为输入侧的印刷线路板。在变压器24a和24b的输入侧中的输入侧整流器4和倒相器半导体模块16a和16b必须被电连接到印刷线路板46上的部件。这种电连接是通过借助例如螺丝而把金属支撑部件52a、52b和54分别直接固定到印刷线路板46上，以及倒相器半导体模块16a和16b以及输入侧整流器4，而得到实现的。
第二印刷线路板48被设置在第二机架44之外，并于第二机架44有一个间隔。印刷线路板48借助支撑部件56而以可拆下的方式被安装到第二机架44上。在印刷线路板48上，包括用在变压器24和24b的输出侧中的连线图案的那些部件得到了设置。因此，第二印刷线路板48可以被称为一个输出侧印刷线路板。金属支撑部件58借助例如螺丝被固定到印刷线路板48连线图案的所需部分和半导体模块32上。因此，支撑部件58也容易被拆下。
变压器24a和24b沿着电源设备的长度方向设置在热沉40下方，各个变压器的输入侧对着印刷线路板46，且各个变压器24a和24b的输出侧对着印刷线路板48。变压器24a和24b的输入侧绕组24a-p和24b-p被插入形成在第一机架42的下部上的这样的位置处的窗口60a和62a中并受到这些窗口的支撑，即这些位置分别与绕组24a-s和24b-p相对应。类似地，输出侧绕组24a-s和24b-s被插入到形成在第二机架44的下部上的这样的位置处的窗口60b和62中并受到这些绕组的支撑，即这些位置分别与绕组24a-s和24b-s相对应。输入侧绕组24a-p和24b-p被连接到印刷线路板46上的适当的电路点，且输出侧绕组24a-s和24b-s也被连接到印刷线路板48上的适当的电路点。
变压器24a和24b可以是如2002年6月13日所公布的美国专利申请公开第US-2002-0070836-A1号所要求优先权的日本专利申请第2000-374552号中所描述的类型的变压器。变压器24a和24b是薄的并各包括多个平板线圈，在这些线圈中形成有一个缝，从而为各个线圈提供两个端。这些平面线圈被叠置且在相邻的平面线圈之间设置有绝缘片。这些线圈通过把各线圈的第一端连接到相邻线圈的第二端，而被串联，从而形成了输入侧绕组。类似的线圈被叠置和并联以输出侧绕组。输入和输出侧绕组被叠置，且提供了一个芯，该芯通过中部的空间而延伸。
印刷线路板48的输出侧，即输出侧整流二极管26a-1、26a-2、26b-1和26b-2的阴极连接在一起的接点，与设置在热沉40之前的平滑电抗器28的一端相连。平滑电抗器28的另一端与电源设备的被设置在前板36上的输出端30P相连。电源设备的输出端30N也被设置在前板36上，且变压器24a和24b的输出侧绕组24a-s和24b-s上的中间抽头与其相连。
虽然在图1中没有显示，图2中所示的控制电路22被形成在另一印刷线路板上，该印刷线路板被设置在印刷线路板48或46的下方或者在热沉40上方。
在机架42和44的上边缘上分别形成有弯曲部分或台肩64a和64b，在该弯曲部分或台肩上固定有印刷线路板20a，而在该印刷线路板20a上固定有开关控制电路20。
各个机架42和44的前端部分向外弯曲并随后向前弯曲，从而增加其强度并便利前板36至其上的安装。
前板36被固定到机架42和44的前部，且后板38与吹风机34一起被固定到机架42和44的后部。在前和后板36和38被固定到前和后部之后，由两个侧板或具有U形横截面的两个上和下板形成的外壳39被设置在前和后板36和38之间，并借助螺丝被固定到机架42和44上。这两个侧或上和下板是利用相同的模具制成的。
借助上述设置，该电源设备的总体结构，可以通过拆下把机箱的外壳39固定至第一和第二机架42和44上的螺丝，并把外壳39分成两个板以打开机箱，而被看到。由于变压器24a和24b的输入和输出侧的部件分别在热沉40的一侧和另一侧，所有输入侧部件可借助单一的检查而得到检查和/或修理。对于输出侧部件，情况也是一样。换言之，不需要看热沉40的两侧，就可以只对输入和输出侧之一上的部件进行检查，这能够减少检查和修理所需的时间。进一步地，在此设置中，第一和第二机架42和44以及印刷线路板46和48被固定到热沉40上以形成一个单个的组件。因此，即使当前和后板36和38未被拧上螺丝时，它们也不彼此分开。另外，借助这种设置，包括设置在前板36附近的电抗器28的部件能够方便地得到检查和修理。
由于半导体模块4、16a和16b通过第一机架42上的窗口49a和49b而延伸，因而能够通过简单地拆下外壳39和印刷线路板46而得到暴露，这些半导体模块的更换能够容易进行。另外，半导体模块4、16a和16b至印刷线路板46的连接，借助可容易拆下的支撑部件52a和52b，而得到提供，这消除了诸如焊接的麻烦的工作，因而便利了电源设备的制造。由于采用了容易拆下的支撑部件52a和52b，半导体模块4、16a和16b能够方便地从印刷线路板46上拆下，这便利了这些部件的检查和维护。对于输出侧半导体模块32，也可获得相同的效果。
由于变压器24a和24b是薄的并被安装在热沉40的下方，它们不需要额外的空间，该可以减小设备的尺寸。
以上借助一种电源设备而描述了本发明，该电源设备具有用于接收两个较高和较低交流电源电压之一的一个输入端，但该电源设备可只被提供有单一的交流电压。在这样一种设置中，不需要开关18a、18b和18c以及开关控制电路20。另外，如果该单一的交流电压是较低的电压，则可以除去变压器24a和整流二极管26a-1和26a-2以及变压器24b和整流二极管26b-1和26b-2中的一组。所描述的电源设备适合于提供直流电流作为其输出，但它也可以被修正，从而使平滑电抗器28的输出可以被加到用于转换至一个交流电流(例如10至200Hz)的一个低频倒相器，且该低频倒相器的输出可在输出端30P和30N之间得到输出。或者，该设备可得到修正，从而使电抗器28的输出和低频倒相器的输出可在输出端30P和30N之间被有选择地提供。在此情况下，该低频倒相器不作为倒相器而工作，而是被用作使直流电流耦合至输出端30P和30N的一个开关。
权利要求
1.一种电源设备，包括第一和第二分开的机架；设置在所述第一和第二机架之间的一个热沉，所述第一和第二机架被安装在所述热沉上；一个印刷线路板，它以可拆下的方式被安装所述第一和第二机架中的至少一个机架的一个表面上，该表面与所述至少一个机架的对着所述热沉的一个表面相反；以及至少一个半导体模块，所述至少一个半导体模块被安装在所述热沉的对着所述印刷线路板的表面上并与所述印刷线路板相电连接以形成一个电源电路。
2.根据权利要求1的电源设备，其中所述半导体模块通过形成在所述至少一个机架上的一个窗口而向着所述印刷线路板伸出。
3.根据权利要求2的电源设备，其中所述半导体模块借助一个可拆下的连接器而被连接到所述印刷线路板。
4.根据权利要求1的电源设备，其中所述热沉由两个分离的部件形成，这些部件彼此配合以形成所述热沉，所述分离部件之每一个都具有在其接合侧上的多个翅片。
5.根据权利要求1的电源设备，其中在所述第一和第二机架的相应一个端部之间设置有一个吹风机。
6.根据权利要求1的电源设备，其中所述电源电路包括一个变压器，所述变压器被设置在所述热沉下方并具有通过所述第一和第二机架而延伸的部分。
7.根据权利要求6的电源设备，其中所述变压器是小厚度的变压器。
8.根据权利要求1的电源设备，其中第一和第二印刷线路板分别以可拆下的方式被安装到所述第一和第二机架上，所述第一印刷线路板包括所述电源电路的一个输入侧电路，所述第二印刷线路板包括所述电源电路的一个输出侧电路；且提供了与所述电源电路的所述输入侧电路相关的一个第一半导体模块和与所述电源电路的所述输出侧电路相关的一个第二半导体模块，所述第一半导体模块被安装在所述热沉对着所述第一机架的一个表面上并通过所述第一机架而延伸以向着所述第一印刷线路板伸出，所述第二半导体模块被安装在所述热沉的对着所述第二机架的一个表面上并通过所述第二机架而向着所述第二印刷线路板伸出。
9.根据权利要求8的电源设备，其中所述电源电路包括一个变压器，所述变压器具有小的厚度并被设置在所述热沉的下方，所述变压器的一个输入侧与所述第一印刷线路板相连，所述变压器的一个输出侧与所述第二印刷线路板相连。
全文摘要
一种电源设备具有安装在一个热沉(40)的相反的表面上的机架(42，44)。印刷线路板(46，48)被设置在机架(44，42)之外并以可拆下的方式被安装机架(42，44)上。半导体模块(4，16a，16b，32)被安装到热沉的对着印刷线路板(46，48)的相应表面上并通过机架(42，44)而延伸。这些半导体模块(4，16a，16b，32)与所述印刷线路板(46，48)相电连接以形成一个电源电路。
文档编号H05K7/14GK1440233SQ03106140
公开日2003年9月3日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年2月19日
发明者四方邦夫, 加藤岡正男, 川島良正, 石井秀雄 申请人:株式会社三社电机制作所