CN104348353A - 能够使电磁噪声最小化的紧凑结构的电源设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电源设备，该电源设备包括：变压器、初级半导体单元、次级半导体单元和次级电子器件。在初级半导体单元和次级半导体单元中的每一个中安装有多个半导体器件。变压器、初级半导体单元、次级半导体单元和次级电子器件通过连接导体电结合。变压器被放置在初级半导体单元上以构成第一堆叠体。类似地，次级电子器件被放置在次级半导体单元上。这使得电源设备能够减小其总尺寸，并且使电磁噪声的不利影响最小化以确保电源操作的高效率。

Description

能够使电磁噪声最小化的紧凑结构的电源设备

技术领域

本公开内容总体上涉及结构紧凑且能够使电磁噪声的不利影响最小化的电源设备。

背景技术

混合动力交通工具或电动交通工具通常采用诸如直流-直流转换器或配备有直流-直流转换器的电源充电器的电源设备。日本专利首次公开第2000-14149号公开了如下这种类型的电源设备：在该电源设备中配备有电子部件(诸如其中装配有开关的半导体器件)、扼流器和变压器。电子部件被装配在设置于基板上的布线板的安装表面上。

然而，以上电源设备面临以下缺点。

如上所述，大量的电子部件被布置在布线板上，从而需要保证在基板上有足够大的面积以安装电子部件。这导致电源设备的总体尺寸增加。

电子部件被放置在同一水平上或被水平地放置，从而需要保证电子部件中的相邻电子部件之间的间隙，这导致用于将电子部件连接在一起的导线的总长度增加。该增加将导致导线的电阻增加，从而造成电能的损耗。这降低了电源设备的操作效率。导线总长度的增加还将导致导线的回路面积增加，从而增加了电磁噪声的可能性。

从其上安装有电子部件的布线板朝向基板发出的电磁噪声中的一部分被基板阻隔，而远离布线板辐射的另一部分电磁噪声可能会影响周围器件的操作。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有改进结构的电源设备，该电源设备能够减小尺寸并且被设计成降低电磁噪声以提高其操作效率。

根据本公开内容的一个方面，提供了一种电源设备，该电源设备包括：(a)变压器，其配备有初级线圈和次级线圈；(b)初级半导体单元，在所述初级半导体单元中安装有半导体器件，所述初级半导体单元结合至所述变压器的初级线圈；(c)次级半导体单元，在所述次级半导体单元中安装有半导体器件，所述次级半导体单元结合至所述变压器的次级线圈；(d)次级电子器件，所述次级电子器件连同次级半导体单元组成次级电路；(e)多个连接导体，所述多个连接导体在所述变压器、所述初级半导体单元、所述次级半导体单元和所述次级电子器件之间进行电连接；(f)第一堆叠体，所述第一堆叠体由所述变压器和所述次级电子器件中的一个与所述初级半导体单元组成；以及(g)第二堆叠体，所述第二堆叠体由所述变压器和所述次级电子器件中的另一个与所述次级半导体单元组成。

具体地，将变压器和次级电子器件中的一个放置在初级半导体单元上以构成第一堆叠体。类似地，将变压器和次级电子器件中的另一个放置在次级半导体单元上以构成第二堆叠体。这使得电源设备能够减小其总体尺寸，并且这使电磁噪声的不利影响最小化以确保电源操作的高效率。

换言之，第一堆叠体和第二堆叠体中的每一个由被放置成彼此重叠的两个部件组成，从而减小如沿这两个部件在彼此上进行放置的方向看到的、电源设备的该部件投影的面积，这使得电源设备能够减小其尺寸。

初级半导体单元或次级半导体单元堆叠在变压器或次级电子器件上，使得变压器或次级电子器件充当电磁屏蔽以阻隔电磁噪声，诸如从初级半导体单元或次级半导体单元发出的电磁噪声。

如上所述，第一堆叠体和第二堆叠体中的每一个的部件被放置在彼此上，从而导致部件之间最小化的距离。这使得连接导体的总长度减小，由此降低了其电能损耗并且还减小了连接导体在电源设备中占据的空间体积。连接导体的总长度的减小将导致连接导体的回路面积的减小，这减小了由连接导体引起的电磁噪声。

附图说明

根据在下文中给出的详细描述和本发明的优选实施方式的附图，将会更加充分地理解本发明，然而，本发明的优选实施方式不应被用来将本发明限制到特定实施方式，而仅是为了说明和理解。

在附图中：

图1是示出根据第一实施方式的电源设备的截面图；

图2是示出从图1中的箭头II看的电源设备的平面图；

图3是示出图1的电源设备的电路结构的电路图；

图4是示出根据第二实施方式的电源设备的截面图；

图5是从图4中的箭头V看的电源设备的平面图；

图6是示出根据第三实施方式的电源设备的电路结构的电路图；

图7是示出根据第四实施方式的电源设备的截面图；

图8是从图7中的箭头VIII看的电源设备的平面图；

图9是示出图7和图8的电源设备的电路结构的电路图；

图10是示出根据第五实施方式的电源设备的截面图；

图11是从图10中的箭头XI看的电源设备的平面图；

图12是示出图10的电源设备的变型的截面图；

图13是从图12中的箭头XIII看的电源设备的平面图；

图14是示出根据第六实施方式的电源设备的截面图；

图15是从图14中的箭头XV看的电源设备的平面图；

图16是示出图15的电源设备的变型的截面图；

图17是示出根据第七实施方式的电源设备的截面图；

图18是示出根据第八实施方式的电源设备的截面图；以及

图19是示出根据第九实施方式的电源设备的平面图。

具体实施方式

参照附图，其中，在一些视图中，相似的附图标记指代相似的部件，特别地参照图1至图3，示出了根据第一实施方式的电源设备1。电源设备1包括变压器2、初级半导体模块3、次级半导体模块41和扼流线圈43。变压器2配备有初级线圈22和两个次级线圈23。初级半导体模块3和次级半导体模块41分别充当初级半导体单元和次级半导体单元。扼流线圈43还充当次级半导体器件，其连同次级半导体模块41组成次级电路4。

初级半导体模块3与变压器2的初级线圈22连接。次级半导体模块41与变压器2的次级线圈23连接。初级半导体模块3和次级半导体模块41中的每一个中安装有半导体器件。

变压器2、初级半导体模块3、次级半导体模块41和扼流线圈43通过连接器5电结合在一起。连接导体5包括三种类型的传导构件：初级连接导体51、次级连接导体52和中间连接导体53。

变压器2设置在初级半导体模块3上以构成第一堆叠体11。类似地，扼流线圈43设置在次级半导体模块41上以构成第二堆叠体12。

具体地，如图3所示，电源设备1配备有由初级线圈22和次级线圈23组成的变压器2、具有多个内置开关器件31的初级半导体模块3、具有内置整流器件411的次级半导体模块41、扼流线圈43和平滑电容器44。

变压器2配备有：初级线圈22，对其施加有交流电压；变压器芯21，由流过初级线圈22的电流所产生的磁通通过变压器芯21；以及两个次级线圈23，其响应于变压器芯21中磁通的变化而产生电动势。

初级半导体模块3具有安装在其中的四个开关器件31以构成全桥电路。各开关器件31在其栅极处连接至控制电路(未示出)。控制电路工作以控制开关器件31的通断操作，从而将直流电压转换成交流电压。

如在图3中可以看出，次级半导体模块41具有两个整流器件411以构成用于将交流电力转换成直流电力的整流器。

扼流线圈43和平滑电容器44形成平滑电路以对直流电力的脉动流(即，波动)进行平滑。

电源设备1还包括用于产生高压直流电力的高压直流电力源61。初级半导体模块3用于将从高压直流电力源61输出的高压直流电力转换成高压交流电力。随后，变压器2将高压交流电力降低到低压交流电力。然后，通过次级半导体模块41将低压交流电力整流成直流电力。通过由扼流线圈43和平滑电容器44组成的平滑电路对低压直流电力进行平滑，然后在低压直流电力源下充电。

参照图1和图2，如上所述，第一堆叠体11由初级半导体模块3和变压器2的堆叠组成。类似地，第二堆叠体12由次级半导体模块41和扼流线圈43的堆叠组成。初级半导体模块3在变压器2上堆叠的方向与次级半导体模块41在扼流线圈上堆叠的方向平行。以下还将该方向称为堆叠方向L。

第一堆叠体11的初级半导体模块3和变压器2通过在第一堆叠体11与第二堆叠体12之间延伸的初级连接导体51电结合在一起。

各初级连接导体51由传导材料构成，并且为大致U型。各初级连接导体51在其一端处与初级半导体模块3的表面中面向第二堆叠体12的表面(即，内侧表面)结合，并且在其另一端处与变压器2的表面中面向第二堆叠体12的表面(即，内侧表面)结合。如在图3中可以看出，各初级连接导体51的另一端电导向至变压器2的初级线圈22。

第二堆叠体12的次级半导体模块41和扼流线圈43通过次级连接导体52电结合在一起，其中，次级连接导体52在第二堆叠体12的远离第一堆叠体11的外侧表面之外延伸。

次级连接导体52由传导材料构成，并且为大致U型。次级连接导体52在其一端处与次级半导体模块41的表面中远离第一堆叠体11的表面(即，外侧表面)结合，并且在其另一端处与扼流线圈43的表面中远离第一堆叠体11的表面(即，外侧表面)结合。

第一堆叠体11和第二堆叠体12设置在金属基板8上，并由中间连接导体53连接在一起。

具体地，中间连接导体53连接在第一堆叠体11的变压器2的次级线圈23与第二堆叠体12的次级半导体模块41之间。

下面将描述电源设备1的操作和由电源设备1的结构提供的有益效果。

如上所述，电源设备1的变压器2连同初级半导体模块3组成第一堆叠体11。类似地，扼流线圈43连同次级半导体模块41组成第二堆叠体12。如在本申请的引言部分所讨论的，这使得电源设备1的尺寸减小，并且使电磁噪声的不利影响最小化。

具体地，第一堆叠体11和第二堆叠体12中的每一个均由在厚度方向(即，堆叠方向L)上彼此重叠放置的两个部件组成，从而使得电源设备1的部件沿堆叠方向L投影的面积(即在基板8上布局电源设备1的部件所需的面积)最小化。这使得电源设备1的总体尺寸减小。

将初级半导体模块3和变压器2堆叠。类似地，将次级半导体模块41和扼流线圈43堆叠。因此，变压器2和扼流线圈43充当电磁屏蔽以阻隔从初级半导体模块3和次级半导体模块41发出的电磁噪声。

第一堆叠体11和第二堆叠体12中的每一个的部件被放置在彼此上，从而导致部件之间的距离最小化。这使得连接导体5的总长度减小，这降低了来自连接导体5的电能损耗，并且还减小了在电源设备1中连接导体5所占据的空间体积。连接导体5的总长度的减小将导致连接导体5的回路面积减小，这降低了由连接导体5产生的电磁噪声。

如上所述，初级连接导体51和中间连接导体53设置在第一堆叠体11和第二堆叠体12之间，从而使得其总长度最小化，这导致初级连接导体51和中间连接导体53的回路面积减小。这使得电源设备1的总体尺寸减小，并且还降低了来自初级连接导体51和中间连接导体53的电能损耗和电磁噪声。

如上所述，第一堆叠体11由被放置成彼此重叠并通过初级连接导体51电结合在一起的初级半导体模块3和变压器2组成。因此，高频交流电流流过初级半导体51，使得电磁噪声将升高。初级连接导体51设置在第一堆叠体11和第二堆叠体12之间以使电磁噪声被第一堆叠体11和第二堆叠体12阻隔，从而使其对周围器件的不利影响最小化。

如上所述，第二堆叠体12由被放置成彼此重叠并通过次级连接导体52电结合在一起的次级半导体模块41和扼流线圈43(即，次级电子部件)组成。直流电流流过次级连接导体52。如上已经描述的，次级导体52被定位在第二堆叠体12的侧表面中远离第一堆叠体11的侧表面上，从而避免从初级连接导体51和中间连接导体53发出的电磁噪声对流过次级连接导体52的直流电流的不利影响。

如从上述讨论可以明显地看出，电源设备1的该结构能够减小尺寸、具有高操作效率并且使电磁噪声的不期望的发射最小化。

图4和图5示出了根据第二实施方式的电源设备1。与第一实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将指代相同部件，并且此处将省略其详细说明。

在第二堆叠体12的次级半导体模块41和扼流线圈43之间建立电结合的次级连接导体52被布置在第一堆叠体11与第二堆叠体12的侧表面之间。

具体地，初级连接导体51、次级连接导体52和中间连接导体53全部设置在第一堆叠体11与第二堆叠体12的内侧表面之间，从而使得与第一实施方式相比，连接导体5(即，初级连接导体51、次级连接导体52和中间连接导体53)的总长度减小。这降低了来自连接导体5的电能损耗以确保电源设备1的高操作效率，并且还使得电源设备1的尺寸减小。

图6示出了根据第三实施方式的电源设备1。与第一实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将指代相同部件，并且此处将会省略其详细说明。

次级半导体模块41配备有两个开关器件412以构成同步整流器电路。因此，电源设备1选择性地工作以将高压直流电力降低为低压直流电力以及将低压直流电池电力升高为高压直流电力。第一堆叠体11、第二堆叠体12和连接导体5中的每一个可以被设计成在结构方面与第一实施方式相同或不同。

其他布置和有益效果与第一实施方式中的那些布置和有益效果相同，并且此处将省略其详细说明。

图7至图9示出了根据第四实施方式的电源设备1。与第一实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将会指代相同部件，并且此处将会省略其详细说明。

由图9可以看出，电源设备1具有设置在初级半导体模块3与变压器2之间的扼流线圈7。次级半导体模块41由用作全桥电路的四个开关器件413组成。

由图7和图8可以看出，第一堆叠体11由被放置成沿其厚度方向彼此重叠的初级半导体模块3和变压器2构成。第二堆叠体12由被配置成沿其厚度方向彼此重叠的次级半导体模块41和扼流线圈7构成。

连接导体5包括四种类型的传导构件：第一连接导体54、第二连接导体55、第三连接导体56和第四连接导体57。第一连接导体54结合初级半导体模块3和扼流线圈7。第二连接导体55结合扼流线圈7和变压器2的初级线圈22。第三连接导体56结合变压器2的次级线圈23和次级半导体模块41。第四连接导体57结合变压器2的初级线圈22和初级半导体模块3。由图7可以看出，第一连接导体54、第二连接导体55、第三连接导体56和第四连接导体57全部布置在第一堆叠体11与第二堆叠体12的内侧表面之间。

其他布置和有益效果与第一实施方式中的那些布置和有益效果相同，并且此处将省略其详细说明。

图10至图13示出了根据第五实施方式的电源设备1。与第一实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记指代相同的部分，并且此处将省略其详细说明。

由图10可以看出，第一堆叠体11由被放置成彼此重叠的初级半导体模块3和扼流线圈7组成。第二堆叠体12由被放置成彼此重叠的次级半导体模块41和变压器2组成。

连接导体5包括四种类型的传导构件：初级连接导体51、次级连接导体52、中间连接导体53和第四连接导体57。初级连接导体51结合初级半导体模块3和扼流线圈7。中间连接导体53结合扼流线圈7和变压器2的初级线圈22。次级连接导体52结合变压器2的次级线圈23和次级半导体模块41。第四连接导体57结合变压器2的初级线圈22和初级半导体模块3。由图10可以看出，初级连接导体51、次级连接导体52、中间连接导体53和第四连接导体57全部布置在第一堆叠体11和第二堆叠体12的内侧表面之间。

如图12和图13所示，可替选地，初级连接导体51可以布置在第一堆叠体的侧表面中远离第二堆叠体12的侧表面上。

如图10至图13所示，该实施方式的电源设备1与第四实施方式中的电源设备具有相同的电路结构。

其他布置和有益效果与第一实施方式中的那些布置和有益效果相同，并且此处将省略其详细说明。

图14和图15示出了根据第六实施方式的电源设备1，该电源设备在结构方面与第一实施方式部分不同。与第一实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将会指代相同的部件，并且此处将省略其详细说明。

电源设备1配备有传导构件81和接地导体24。传导构件81结合至基板8。接地导体24连接在传导构件81与变压器2之间。基板8连接至地，因而其电势为0V。

传导构件81由传导材料制成，并且包括支柱811和传导板812。支柱811沿堆叠方向L从基板8笔直延伸。传导板812由支柱811的顶端支撑并在第一堆叠体11和第二堆叠体12的上表面上水平地延伸。支柱811和传导板812均由导电材料制成。

接地导体24由导电材料制成。接地导体24从第二堆叠体12的变压器2的侧表面朝向第一堆叠体11水平地延伸，并向上弯曲。接地导体24在其顶端处与传导板812连接。具体地，接地导体24通过传导构件81电连接至地。

其他布置与第一实施方式中的那些布置相同，并且此处将省略其详细说明。

传导板812用作噪声屏蔽以阻隔电源设备1中所产生的电磁噪声。传导构件81可以由电源设备1的组成部件中分立元件或安装有电源设备1的壳体的一部分来提供。后者的壳体导致电源设备1的部件的减少和其结构的简化。

该实施方式的电源设备1的结构提供与第一实施方式中的那些有益优点基本上相同的有益优点。

变压器2的接地导体24通过传导构件81连接至基板8，然而，可替选地，如图16所示，变压器2的接地导体24可以直接地结合至基板8。

传导板812可以整体地或部分地由传导材料制成。例如，传导板812可以由电路板(例如由电绝缘基板和形成在电绝缘基板的表面上的厚铜箔制成的厚铜基板)构成。

图17示出根据第七实施方式的电源设备1，该电源设备为图14至图16的第六实施方式的变型。与第六实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将指代相同的部件，并且此处将省略其详细说明。

传导构件81具有被放置成与第一堆叠体11和第二堆叠体12的上表面直接接触的传导板812。其他布置与在第六实施方式中的那些布置相同。

具体地，传导板812充当散热器以吸收在第一堆叠体11和第二堆叠体12中产生的热。传导板812还驱散所吸收的热并因此用作冷却器以对第一堆叠体11和第二堆叠体12进行冷却，从而将其保持在期望的温度。

该实施方式的电源设备1的结构提供与第一实施方式中的那些有益优点基本上相同的有益优点。

优选地，传导板812由高导电性和/或高导热性材料的材料制成。

电源设备1还可以具有设置在传导板812与第一堆叠体11之间以及传导板812与第一堆叠体12之间的高导热构件。

图18示出了根据第八实施方式的电源设备1，该电源设备为图14至图16的第六实施方式的变型。与第六实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将指代相同部件，并且此处将省略对其详细说明。

电源设备1配备有设置在传导构件81的传导板812上方的控制电路板82。控制电路板82充当控制电路以控制初级半导体模块3的开关器件31的通断操作。在控制电路板82的下表面上安装有组成控制电路的电子部821。电子部821例如为电容器。在传导板812中形成有通过其设置电子部821的孔813。

从第一堆叠体11上方看，变压器2被配置成具有比初级半导体模块3的外部形状小的外部形状。从第二堆叠体12上方看，扼流线圈43被配置成具有比次级半导体模块41的外部形状小的外部形状。因此，如在图18中所看到的，在水平方向上(即基板8的平面方向)，变压器2与扼流线圈43之间的距离(即，最短间隔)比初级半导体模块3与次级半导体模块41之间的距离长。当第一堆叠体11和第二堆叠体12被设置在基板8上的合适位置时，这产生了尺寸足够大的空间或腔以便将控制电路板82的电子部821布置在变压器2与扼流圈43之间。

其他布置与第一实施方式中的那些布置的那些布置相同，并且此处将省略其详细说明。

如上所述，电子部821设置在第一堆叠体11与第二堆叠体12之间以有效地利用电源设备1内的空间。这使得电源设备1的尺寸减小。

该实施方式的电源设备1的结构提供了与第一实施方式中的那些有益优点基本上相同的有益优点。

图19示出了根据第九实施方式的电源设备1，该电源设备为图14至图16的第六实施方式之一的变型。与第六实施方式中所采用的附图标记相同的附图标记将指代相同部件，并且此处将省略其详细说明。

当从电源设备1上方看时，第一堆叠体11和第二堆叠体12被布置成在与次级连接导体52从第二堆叠体12的侧表面突出的方向(即，图19中的水平方向)垂直的方向(即，图19中的垂直方向)上彼此错开。换言之，第一堆叠体11在次级连接导体52从第二堆叠体12的侧表面突出的方向上偏离第二堆叠体12。当从电源设备1上方看时，每个中间连接导体53为大致L型。

其他布置与在第一实施方式中的那些布置相同，并且此处将省略其详细说明。

从以上讨论可以明显看出，第九实施方式的电源设备1被设计成具有被定向成在垂直于第一堆叠体11和第二堆叠体12的侧表面中的任何侧表面的方向上彼此错开的第一堆叠体11和第二堆叠体12。错开的角度可以依据需要安装电源设备1的空间的尺寸或配置而更改。

该实施方式的电源设备1的结构提供了与第一实施方式中的那些有益优点基本上相同的有益优点。

在第一至第九实施方式中，初级半导体模块3和次级半导体模块41中的每一个可以由在功能上彼此不同或在功能上彼此相同的多个半导体元件制成，或者可替选地被设计成包括分立的半导体元件。

电源设备1可以被设计成具有设置在第一堆叠体11和第二堆叠体12之间的连接导体5中的至少一个。这进一步减小了连接导体5的总长度，从而导致连接导体5的回路面积的减小。

尽管以优选实施方式公开了本发明以便有助于更好地理解本发明，但应当理解的是，在不背离本发明的原理的情况下，本发明可以以各种方式来实现。因此，本发明应被理解成包括如在所附权利要求中阐述的、在不背离本发明的原理的情况下实现的所有可能的实施方式和对所示实施方式的变型。

在第一至第九实施方式中的每一个中的电源设备1的部件可以由功能基本等同的公知部件替换。

Claims (5)

1.一种电源设备，包括：

变压器，其配备有初级线圈和次级线圈；

初级半导体单元，在所述初级半导体单元中安装有半导体器件，所述初级半导体单元结合至所述变压器的初级线圈；

次级半导体单元，在所述次级半导体单元中安装有半导体器件，所述次级半导体单元结合至所述变压器的次级线圈；

次级电子器件，所述次级电子器件连同所述次级半导体单元组成次级电路；

多个连接导体，所述多个连接导体在所述变压器、所述初级半导体单元、所述次级半导体单元和所述次级电子器件之间进行电连接；

第一堆叠体，其由所述变压器和所述次级电子器件中的一个与所述初级半导体单元组成；以及

第二堆叠体，其由所述变压器和所述次级电子器件中的另一个与所述次级半导体单元组成。

2.根据权利要求1所述的电源设备，其中，所述连接导体中的至少一个设置在所述第一堆叠体与所述第二堆叠体之间。

3.根据权利要求1所述的电源设备，其中，所述第一堆叠体由被放置成彼此重叠的所述初级半导体单元和所述变压器构成，并且其中，作为所述连接导体中之一的初级连接导体在所述初级半导体单元和所述变压器之间进行连接并且被布置在所述第一堆叠体与所述第二堆叠体之间。

4.根据权利要求1所述的电源设备，其中，所述第二堆叠体由被放置成彼此重叠的所述次级半导体单元和所述次级电子器件构成，所述次级半导体单元构成整流器电路，其中所述次级电子器件为扼流线圈，并且其中，作为所述连接导体中之一的次级连接导体在所述次级半导体单元与所述次级电子器件之间进行连接并且被布置在所述第二堆叠体的远离所述第一堆叠体的表面上。

5.根据权利要求1所述的电源设备，其中，所述连接导体全部设置在所述第一堆叠体与所述第二堆叠体之间。