CN104868733B - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电源设备。所述电源设备可包括：第一电源单元，包括对输入电力进行切换和变压的变压器，将输入电力转换成第一电力并且将第一电力提供给主输出端和备用输出端；第二电源单元，将输入电力转换成第二电力并且提供第二电力作为第一电源单元的工作电力；主开关单元，中断从第一电源单元到主输出端的第一电力的供应。

Description

电源设备
本申请要求于2014年2月20日提交到韩国知识产权局的第10-2014-0019705号韩国专利申请的权益，该申请的公开通过引用包含于此。
技术领域
本公开涉及用于服务器的效率提高的电源设备。
背景技术
近来，在家庭、商业和工业应用中已使用满足各种用户需求的各式各样的电子设备和电器，诸如，计算机、显示装置、各种类型的控制设备等。
这种电子设备必须包括电源设备，该电源设备设置在电子设备的内部或电子设备的外部并且供应所需的驱动电力，以执行满足各种用户需求的各种操作。
具体地讲，在连续使用大量电力的诸如服务器的电子设备中，必须使用电源设备。
通常，在根据现有技术的电源设备中，为了产生备用电力，可使用具有简单结构的反激式转换器(flyback converter)。例如，在根据现有技术的电源设备中，为了供应控制集成电路(IC)电力和备用电力，主要使用的是使用多个绕组的多输出反激式转换器。这种反激式转换器的缺点在于，由于高电压应力和硬开关，会导致效率低。
电源设备的结构在于：备用级使用来自功率因数校正(PFC)单元的直流(DC)电力供应工作电力和备用电力，DC/DC级从备用级接收工作电力并且使用来自PFC单元的DC电力供应主电压。
在根据现有技术的电源设备中，反激式转换器通常用于备用级，并且在输入大致230Vac的输入电压的状态下，在负载为50％时，PFC单元、DC/DC级和备用级的效率分别是98％、96％和80％。
另外，由于反激式转换器使用占用大体积的变压器，所以电源设备的整体功率密度会显著降低。
[现有技术文献]
(专利文献1)第2013-0072559号韩国专利特许公开。
发明内容
本公开的一方面可提供电力效率提高的电源设备。
本公开的一方面还可提供工作电源单元的体积减小的电源设备。
根据本公开的一方面，一种电源设备可包括：第一电源单元，包括对输入电力进行切换和变压的变压器，将输入电力转换成第一电力并且将第一电力提供给主输出端和备用输出端；第二电源单元，将输入电力转换成第二电力并且提供第二电力作为第一电源单元的工作电力；主开关单元，中断从第一电源单元到主输出端的第一电力的供应。
主开关单元可包括双向开关装置。
主开关单元可包括第一开关元件和第二开关元件，其中，所述第一开关元件和第二开关元件中的每一个嵌入有反向二极管，第一开关的源极可连接到第二开关的源极，第一开关的栅极可连接到第二开关的栅极。
主开关单元可在备用模式下断开并且在标称模式下闭合。
第二电源单元可包括反激式转换器和降压转换器中的至少一种。
第一电源单元可包括：一次侧电路单元，包括变压器的一次侧绕组和控制流向变压器的一次侧绕组的电流的多个一次侧开关装置；二次侧电路单元，其括与变压器的一次侧绕组磁耦合的多个二次侧绕组和传导来自二次侧绕组的电流的多个二次侧开关装置。
一次侧开关装置可包括彼此串联连接的第一开关装置和第二开关装置以及彼此串联连接的第三开关装置和第四开关装置，彼此串联连接的第一开关装置和第二开关装置的两端可并联连接到电力输入端子，彼此串联连接的第三开关装置和第四开关装置的两端可并联连接到电力输入端子，变压器的一次侧绕组可连接在第一节点与第二节点之间，其中，第一节点为第一开关装置和第二开关装置之间的连接点，第二节点为第三开关装置和第四开关装置之间的连接点。
第二电源单元可包括：电感器装置，具有连接到第一节点的一端；电容器装置，连接在电感器装置的另一端和地之间。
第二电源单元还可包括降压转换器。
第二电源单元还可包括：电感器装置，具有连接到第一节点的一端；开关装置，连接在电感器装置的另一端和地之间；二极管装置，连接到电感器装置的另一端。
根据本公开的另一方面，一种电源设备可包括：第一电源单元，包括对输入电力进行切换和变压的变压器，将输入电力转换成第一电力并且将第一电力提供给主输出端和备用输出端；第二电源单元，将输入电力转换成第二电力并且提供第二电力作为第一电源单元的工作电力；主开关单元，在第一电源单元的输出端和主输出端之间形成；双向开关装置，中断从第一电源单元到主输出端的第一电力供应。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，将更加清楚地理解本发明的以上和其它方面、特征和其它优点，其中：
图1是示出用于服务器的通用电源设备的示图；
图2是根据本公开的示例性实施例的电源设备的框图；
图3是根据本公开的示例性实施例的电源设备的电路图；
图4A和图4B是示出在备用模式和标称模式下的根据本公开的示例性实施例的电源设备的电路操作的示图；
图5是根据本公开的另一个示例性实施例的电源设备的电路图；
图6A是根据本公开的另一个示例性实施例的电源设备的电路图；图6B是示出图6A中示出的电源设备的控制波形的示图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。然而，本公开可用许多不同形式来实施并且不应该被理解为限于在此阐明的实施例。相反地，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分地传达给本领域的技术人员。在整个附图中，将使用相同或类似的参考标号来表示相同或类似的元件。
图1是示出用于服务器的通用电源设备的示图。
参照图1，电源设备可包括主电源单元100和备用电源单元。
这里，施加到主电源单元100和备用电源单元的输入电力可以是由功率因数校正单元提供的电力。例如，功率因数校正单元可将交流(AC)电力转换成具有预设幅值的直流(DC)电力并且将DC电力提供给主电源单元100和备用电源单元。
主电源单元100可包括对输入电力进行切换和变压的变压器，并且可将输入电力转换成具有预设幅值的主电力VDC/DC并且将主电力提供给主输出端R0。
同时，根据本公开的示例性实施例的主电源单元100可包括一次侧电路单元110和二次侧电路单元120。同时，如图1中所示，主电源单元100可用全桥DC/DC转换器的形式来实现。
全桥DC/DC转换器由于低电力/电压应力和零电压切换(ZVS)而会具有高效率，使得它非常有利于电力应用。
详细地，根据本公开的示例性实施例的全桥转换器包括：桥电路Q1至Q4，在桥电路Q1至Q4中，彼此串联连接的第一开关装置Q1和第二开关装置Q2的两端与电源输入端VS并联连接并且彼此串联连接的第三开关装置Q3和第四开关装置Q4的两端与电源输入端VS并联连接；一次侧电路单元110，具有连接在第一节点N1与第二节点N2之间的一次侧绕组Np，其中，第一节点N1为第一开关装置Q1和第二开关装置Q2之间的连接点，第二节点N2为第三开关装置Q3和第四开关装置Q4之间的连接点；二次侧电路单元120，从一次侧电路单元110接收电力；电容器装置C0和转换开关QOR，其连接到二次侧电路单元120。
参照图1，电源设备可包括与主电源单元100并联连接的备用电源单元。备用电源单元可包括第一反激式转换器210、第二反激式转换器220、线路调节器230等。
参照图1，备用电源单元可包括：第一反激式转换器210，将输入电力VS转换成具有预设幅值的工作电力VCCS并且将工作电力VCSS提供给主电源单元100；第二反激式转换器220，将输入电力VS转换成具有预设幅值的工作电力VCCP并且将工作电力VCCP提供给主电源单元100。另外，反激式转换器210可将电力提供给备用输出端。另外，线路调节器230可调节在第二反激式转换器220后方输出的电压。
同时，如图1中所示，第一反激式转换器210可包括开关装置QSTB、变压器NP_STB和NS1_STB、二极管D01。另外，如图1中所示，第二反激式转换器220可包括开关装置QSTB、变压器NP_STB和NS2_STB、二极管D02。
如上所述，备用电源单元可将输入电力转换成具有预设幅值的工作电力并且将工作电力提供给主电源单元100，并且可将输入电力转换成具有预设幅值的电力并且将该电力提供给备用输出端。
也就是说，备用电源单元可提供二次侧的备用电力Vstandby并且使用多绕组反激式转换器控制一次侧和二次侧的集成电路(IC)电力VCCP和VCCS。
同时，为了从跨调节电压输出得到具有所需电压电平的二次侧的控制IC电压VCCP，会需要线路调节器。然而，这样会增加成本并且降低轻负载环境下的效率。
另外，在这个反激式转换器中，开关装置QSTB是硬切换的，由于占空比小，导致导电损耗大，使得反激式转换器的整体效率会低。
另外，备用电源单元的反激变压器NSTB用于供应备用电力和控制IC电力二者，使得反激变压器的大小会变大。这样可显著劣化系统的整体功率密度并且造成电源设备的空间限制，从而劣化电源设备的整体效率。
图2是根据本公开的示例性实施例的电源设备的框图。
参照图2，根据本公开的示例性实施例的电源设备可包括：第二电源单元330，将DC电压Vdc转换成具有预设幅值的工作电压VCC并且将工作电压VCC提供给第一电源单元320；第一电源单元320，从第二电源单元330接收工作电压VCC，将DC电压Vdc转换成具有预设幅值的电压，并且将该电压提供给主输出端OUTmain和备用输出端OUTstb；主开关单元340，中断从第一电源单元320到主输出端子OUTmain的电力供应。
另外，根据本公开的示例性实施例的电源设备可包括功率因数校正单元300，功率因数校正单元300将AC电压Vac转换成具有预设幅值的DC电压Vdc并且将DC电压提供给第一电源单元320和第二电源单元330。
图3是根据本公开的示例性实施例的电源设备的电路图。
参照图3，根据本公开的示例性实施例的电源设备可包括第一电源单元320、第二电源单元330和主开关单元340。
第一电源单元320可包括对输入电力Vs进行切换和变压的变压器，并且可将输入电力转换成具有预设幅值的第一电力并且将第一电力提供给主输出端Ro和备用输出端Ro1。
第二电源单元330可将输入电力Vs转换成具有预设幅值的第二电力并且提供第二电力作为第一电源单元的工作电力VCC。
第二电源单元可包括转换器332，例如，反激式转换器和降压转换器中的至少一个。
主开关单元340可形成在第一电源单元320的输出端和主输出端Ro之间并且可中断从第一电源单元320到主输出端子的电力供应。如图3中所示，主开关单元340可由双向开关装置形成。
如图3中所示，主开关单元340可包括其内均嵌入反向二极管的第一开关QOR1和第二开关QOR2。这里，第一开关QOR1的源极可连接到第二开关QOR2的源极，第一开关的栅极可连接到第二开关的栅极。因此，第一开关QOR1和第二开关QOR2可同时导通或截止，以中断从第一电源单元320到主输出端的电力供应。
根据本公开的示例性实施例的电源设备可使用反激式转换器或降压转换器来只供应驱动电力(例如，控制IC电力)。另外，第一电源单元(例如，DC/DC转换器)的输出电力可被直接用作备用电力。例如，根据本公开的示例性实施例的电源设备可被应用于备用输出电压与DC/DC转换器的输出电压相同的应用。
当将根据现有技术的电源设备(参见图1)和根据本公开的示例性实施例的电源设备(参见图3)彼此比较时，根据现有技术的电源设备可使用反激式转换器供应备用电力和驱动电力，而根据本公开的示例性实施例的电源设备可使用反激式转换器来只供应驱动电力。因此，根据本公开的示例性实施例，反激式转换器的变压器的大小会减小。另外，由于一次侧驱动电力VCCP被直接控制，因此根据本公开的示例性实施例的电源设备不需要包括在根据现有技术的电源设备中存在的线路调节器。因此，根据本公开的示例性实施例的电源设备的体积会减小。因此，产生的空间可用于提高DC/DC转换器的效率。因此，电源设备的整体效率可提高。例如，DC/DC转换器的输入处存在的平衡电容器(link capacitor)的电容增大，由此标称模式下的DC/DC转换器的效率可提高。
另外，当将根据现有技术的电源设备(参见图1)和根据本公开的示例性实施例的电源设备(参见图3)彼此比较时，在根据现有技术的电源设备中使用由有源或操作(ORing)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成的开关装置QOR，而在根据本公开的示例性实施例的电源设备中可使用可以进行双向控制的开关装置(第一开关QOR1和第二开关QOR2)。因此，第一开关QOR1和第二开关QOR2可在备用模式下断开，由此防止在主输出端RO中出现第一电源单元的输出。
图4A和图4B是示出处于备用模式和标称模式的根据本公开的示例性实施例的电源设备的电路操作的示图。
图4A示出备用模式下的电路操作。
图4B示出标称模式下的电路操作。
参照图4A和图4B，可确认主开关单元340受到控制，以在备用模式下断开而在标称模式下闭合。
因此，主开关单元340可防止在备用模式下在主输出端子RO中出现第一电源单元的输出并且只在标称模式下将电力供应给主输出端子RO。
同时，第一电源单元320可在备用模式和标称模式下将电力供应给备用输出端子RO1。也就是说，由于备用输出端子RO1从第一电源单元320接收电力，因此系统的整体效率可提高。
图5是根据本公开的另一个示例性实施例的电源设备的电路图。
参照图5，根据本公开的另一个示例性实施例的电源设备可包括第一电源单元320、第二电源单元330和主开关单元340。
第一电源单元320可包括：一次侧电路单元322，包括变压器的一次侧绕组和控制流向变压器的一次侧绕组的电流的多个一次侧开关装置；二次侧电路单元324，包括与变压器的一次侧绕组磁耦合的多个二次侧绕组和传导来自二次侧绕组的电流的多个二次侧开关装置。
这里，一次侧开关装置可包括彼此串联连接的第一开关装置Q1和第二开关装置Q2和彼此串联连接的第三开关装置Q3和第四开关装置Q4。
这里，彼此串联连接的第一开关装置Q1和第二开关装置Q2的两端可并联连接到电力输入端Vs，彼此串联连接的第三开关装置Q3和第四开关装置Q4的两端可并联连接到电力输入端Vs。
另外，变压器的一次侧绕组Np可连接在第一节点N1与第二节点N2之间，其中，第一节点N1为第一开关装置Q1和第二开关装置Q2之间的连接点，第二节点N2为第三开关装置Q3和第四开关装置Q4之间的连接点。
同时，彼此串联连接的第一开关装置Q1和第二开关装置Q2可被统称为滞后臂(lagging leg)，彼此串联连接的第三开关装置Q3和第四开关装置Q4可被统称为超前臂(leading leg)。
图5中示出的第二电源单元可包括前降压转换器和降压转换器。
参照图5，第二电源单元330还可包括：电感器装置LB，具有连接到第一节点N1的一端；电容器装置CB，连接在电感器器件LB的另一端和地之间。另外，第二电源单元330还可包括电容器装置CB后方的降压转换器。
在通用DC/DC转换器的一次侧的滞后臂中，零电压切换(ZVS)性能可根据负载而变化，且负载越小，开关损耗越大。
因此，在根据本公开的另一个示例性实施例的电源设备中，电感器装置LB连接到滞后臂，以将滞后臂的零电压切换范围增大至整个负载，由此开关损耗会显著降低。另外，由于通过包括具有连接到第一节点N1的一端的电感器装置LB和连接在电感器器件LB的另一端和地之间电容器器件CB的前降压转换器的输出是电力输入的一半(Vs/2)，因此降压转换器的电压应力和开关损耗会降低。
图6A是根据本公开的另一个示例性实施例的电源设备的电路图，图6B是示出图6A中示出的电源设备的控制波形的示图。
图6A中示出的第二电源单元可包括正降压转换器(positive buck converter)。也就是说，参照图6A，第二电源单元330可包括：电感器装置LB，具有连接到第一节点的一端；开关装置QB，连接在电感器装置LB的另一端和地之间；二极管装置DB，连接到电感器装置的另一端。
参照图6A和图6B，开关装置QB与第一开关装置Q1同步，使得脉冲宽度可被控制。因此，根据本示例性实施例，可改善开关装置QB的零电压开关特性，且可通过控制脉冲宽度来控制工作电力VCCP。
通过图5至图6B中示出的电源设备，可提高用于供应工作电力VCCP的第二电源单元的效率。
如上所述，在根据本公开的示例性实施例的电源设备用于服务器的情况下，相比于根据现有技术的服务器的电源设备，工作电源单元的体积会显著减小。因此，可显著提高电源设备的效率。
如上所述，根据本公开的示例性实施例，可提供电力效率提高的电源设备。
另外，根据本公开的示例性实施例，可提供其中工作电源单元的体积减小的电源设备。
虽然以上已经示出和描述了示例性实施例，但本领域的技术人员应该清楚，在不脱离所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，可进行修改和变化。

Claims (11)

1.一种电源设备，包括：
第一电源单元，包括对输入电力进行切换和变压的变压器，将输入电力转换成第一电力并且将第一电力提供给主输出端和备用输出端；
第二电源单元，将输入电力转换成第二电力并且仅向第一电源单元提供第二电力作为第一电源单元的工作电力；
主开关单元，中断从第一电源单元到主输出端的第一电力的供应。
2.如权利要求1所述的电源设备，其中，主开关单元包括双向开关装置。
3.如权利要求1所述的电源设备，其中，主开关单元包括第一开关和第二开关，其中，所述第一开关和第二开关中的每一个嵌入有反向二极管，
第一开关的源极连接到第二开关的源极，第一开关的栅极连接到第二开关的栅极。
4.如权利要求2所述的电源设备，其中，主开关单元在备用模式下断开并且在标称模式下闭合。
5.如权利要求1所述的电源设备，其中，第二电源单元包括反激式转换器和降压转换器中的至少一种。
6.如权利要求1所述的电源设备，其中，第一电源单元包括：
一次侧电路单元，包括变压器的一次侧绕组和控制流向变压器的一次侧绕组的电流的多个一次侧开关装置；
二次侧电路单元。
7.如权利要求6所述的电源设备，其中，所述多个一次侧开关装置包括彼此串联连接的第一开关装置和第二开关装置以及彼此串联连接的第三开关装置和第四开关装置，
彼此串联连接的第一开关装置和第二开关装置的两端并联连接到电力输入端子，彼此串联连接的第三开关装置和第四开关装置的两端并联连接到电力输入端子，
变压器的一次侧绕组连接在第一节点与第二节点之间，其中，第一节点为第一开关装置和第二开关装置之间的连接点，第二节点为第三开关装置和第四开关装置之间的连接点。
8.如权利要求7所述的电源设备，其中，第二电源单元包括：
电感器装置，具有连接到第一节点的一端；
电容器装置，连接在电感器装置的另一端和地之间。
9.如权利要求8所述的电源设备，其中，第二电源单元还包括降压转换器。
10.如权利要求7所述的电源设备，其中，第二电源单元还包括：
电感器装置，具有连接到第一节点的一端；
开关装置，连接在电感器装置的另一端和地之间；
二极管装置，连接到电感器装置的另一端。
11.一种电源设备，包括：
第一电源单元，包括对输入电力进行切换和变压的变压器，将输入电力转换成第一电力并且将第一电力提供给主输出端和备用输出端；
第二电源单元，将输入电力转换成第二电力并且仅向第一电源单元提供第二电力作为第一电源单元的工作电力；
双向开关装置，形成在第一电源单元的输出端和主输出端之间并且中断从第一电源单元到主输出端的第一电力供应。
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