CN105099131B - 电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置，其包括主板、功率模块单元与控制单元。功率模块单元包括印刷电路板与功率器件，功率器件集中在印刷电路板上，印刷电路板垂直地插设在主板上。控制单元与功率模块单元分开设置于主板上，控制单元用以控制功率模块单元。

Description

电源装置

技术领域

本发明是有关于一种电源装置，且特别是有关于一种电源装置的内部结构。

背景技术

图1为现有的典型的电源装置的内部结构，主功率电路100如图1中虚线所示，可以看出，大部分主功率器件（如功率半导体器件和磁组件等）分布地直插安装于主板（Mainboard），而且主功率器件需要专门散热片来散热。目前，针对大功率的应用场合，电源装置的传统解决方案之一是通过多个主功率器件的串并联来实现的，例如并联多个直插功率管，串并多个磁组件来扩容。另外一个方案是并联一定数量的电源装置来扩容，这个方案虽然比较灵活，但是需要多套控制线路。两种方案都面临着低功率密度，低效率，生产复杂等缺点。

随着设备功率等级的不断提升和设备体积的缩小，要求单体电源的输出功率和功率密度不断增加。传统直插式主功率器件和封装无法实现电源高功率密度的要求。因此，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的方式被发展完成。因此，如何解决上述问题，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域极需改进的目标。

发明内容

本发明的一方面是在提供电源装置，以解决先前技术的问题。

本发明所提供的一种电源装置包括主板、功率模块单元与控制单元。功率模块单元包括印刷电路板与功率器件，功率器件集中在印刷电路板上，印刷电路板垂直地插设在主板上。控制单元与功率模块单元分开设置于主板上，控制单元用以控制功率模块单元。

于一实施例中，功率模块单元的数量为单一个。

于一实施例中，功率模块单元的数量为多个。

于一实施例中，控制单元是对所述多个功率模块单元中至少两者进行集中控制。

于一实施例中，控制单元的数量为多个，所述功率模块单元的数量为多个，每个控制单元对多个功率模块单元中至少两者进行集中控制。

于一实施例中，功率器件包括功率半导体器件与磁件。

于一实施例中，磁件为变压器和电感器。

于一实施例中，磁件集成设计于所述印刷电路板，且磁件为以所述印刷电路板的走线作为绕组的平面磁件。

于一实施例中，磁件单独设计后再安装于印刷电路板上。

于一实施例中，电源装置还包括驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路等分布在印刷电路板。

于一实施例中，电源装置还包括驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路等分布在主板。

于一实施例中，控制单元为一控制板，控制板垂直地插设在主板上。

于一实施例中，控制单元为一控制电路，控制电路形成在主板的一区域中。

于一实施例中，控制单元为控制板，控制板设置在多个功率模块单元上，且控制板横跨且垂直于多个功率模块单元。

另一方面，本发明所提供的另一种电源装置包括主板、多个功率模块单元与多个控制单元。每一功率模块单元包括印刷电路板与功率器件，功率器件集中在印刷电路板上，印刷电路板垂直地插设在主板上，多个控制单元与功率模块单元分开设置于所述主板上。每个控制单元对多个功率模块单元中至少两者进行集中控制。

于一实施例中，功率器件包括功率半导体器件与磁件。

于一实施例中，功率半导体器件是贴片器件，平贴于所述印刷电路板上。

于一实施例中，磁件为变压器或电感器。

于一实施例中，磁件集成设计于所述印刷电路板，磁件为以所述印刷电路板的走线作为绕组的平面磁件。

于一实施例中，磁件单独设计后再安装于所述印刷电路板上。

于一实施例中，电源装置还包括驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路等分布在印刷电路板。

于一实施例中，电源装置还包括驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路等分布在主板。

于一实施例中，控制单元为一控制板，控制板垂直地插设在主板上。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过上述技术方案，可达到相当的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值。本发明提出了一种采用集中控制的主功率模块化设计的概念，即采用贴片器件及扁平磁技术把电源装置中的主功率电路模块化，形成功率模块单元，所述功率模块单元是垂直地安插于电源装置中的，且电源装置中的控制单元对功率模块单元进行控制，以输出所需的电压。在大功率的场合，还可通过多个功率模块单元的并联来增加所输出的功率，并通过改变并联的功率模块单元的个数以达到不同功率等级要求，多个功率模块单元共享独立的控制单元以实现调压或调流，因此极大的提高功率密度和设计的灵活性。使用这样的模块化也可以较大的缩短产品的开发周期。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1为现有的典型的电源装置的内部结构的俯视图；

图2是依照本发明一实施例的一种电源装置的俯视图；

图3是依照本发明另一实施例的一种电源装置的俯视图；

图4为主功率电路应用于本发明一实施例的功率模块单元的结构图；

图5是依照本发明另一实施例的一种功率模块单元的结构图；

图6是依照本发明一实施例的一种功率模块单元的结构图；

图7主要是图4中功率模块单元的主功率电路的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

图2是依照本发明一实施例的电源装置200的俯视图。如图2所示，电源装置200包括主板210、功率模块单元220与控制单元230。其中，功率模块单元220包括电源装置200所需的主功率器件，即，将如图1所示的主功率电路100模块化，以形成电源装置200中的功率模块单元220。功率模块单元220垂直地插设于主板210上，控制单元230对功率模块单元220进行控制，以输出所需的功率。采用上述结构的电源装置，用垂直安插于主板210的功率模块单元220代替原有的分布的主功率电路100（如图1），不仅可以减少主功率电路占用的体积，提高功率密度，亦可以增加设计的灵活性和缩短产品的开发周期。

如图2所示，功率模块单元220包括功率器件222以及印刷电路板221。功率器件222包括磁件223（如：变压器T1或电感器L）与功率半导体器件225，功率器件222作为主功率器件设置在印刷电路板221上。在结构上，控制单元230与功率模块单元220分开设置于主板210上，功率模块单元220垂直地插设在主板210上。于使用时，控制单元230用以控制功率模块单元220，借此，电源装置200可输出所需的功率。

在大功率的应用场合下，可通过多个功率模块单元220的并联来增加电源装置200所输出的功率，并通过改变并联的功率模块单元220的个数以达到不同功率等级要求，再由控制单元230进行集中控制，可以极大地提高功率密度和设计的灵活性。如图2所示，控制单元230可为控制板，控制板电性连接至功率模块单元220，此控制板与功率模块单元220均垂直地插设在主板210上，且控制板可以与功率模块单元320相互平行排列，功率模块单元220的数目为两个，但实际应用中并不限于此，两个功率模块单元220均垂直地插设在主板210上且两个功率模块单元220共享独立的控制单元230进行调压或者调流，以输出所需的功率。于其它实施例中，功率模块单元220的数量也可为单一个，控制单元230对所述功率模块单元220独立控制，本领域技术人员应视当时需要弹性选择。

实际应用中，本领域技术人员可以根据所需的功率等级，选择更多功率模块单元并联使用，控制单元230的数量也可为多个（如图3所示）。图3中的电源装置200’与图2中的电源装置200的主要区别在于，在结构上，图3中控制单元230的数量为多个，功率模块单元220的数量也倍增且彼此并联来扩容。在使用时，每个控制单元230对多个功率模块单元220中至少两者进行集中控制。

另外，控制单元230的位置并不限于图3所示，本领域的技术人员可根据实际需要弹性放置控制单元230，例如控制单元230可分别放于该些功率模块单元的两侧。

此外，图2和图3中控制单元230为控制板，控制板垂直地插设在主板上。但实际应用中，控制单元230可为设置在主板210的一区域的控制电路，即控制电路的器件设置在主板210上，且电性连接至功率模块单元220；控制单元230可为垂直于功率模块单元的控制板，该控制板横跨功率模块单元，并与功率模块单元220电性连接。本领域的技术人员可根据实际需要，任意选择控制单元230的类型及位置。

图2、3中，电源装置还包括功率模块单元220所需的采样，驱动器等器件，这些器件设置在印刷电路板221，另，电源装置中还存在一些外围电路，这些电路的器件设置在主板210上，例如：熔断器、EMI滤波器、防反接电路、Hold-up电容以及辅助电源等，为功率模块单元提供保护、辅助供电等功能。在另一实施例中，采样、驱动器等器件也可设置在主板210上，而外围电路的器件也可设置在印刷电路板221上。本领域的技术人员可根据实际需要弹性选择。

图4为应用于本发明一实施例的功率模块单元的结构图。功率模块单元220包括主功率器件以及印刷电路板221。主功率器件，即为功率半导体器件225（如：开关S1–S6）与磁件（如：变压器T1、电感器L），皆设置在印刷电路板221上。印刷电路板221还包含输入端子a、b和输出端子c、d，印刷电路板221通过输入端子a、b和输出端子c、d与主板210电性连接并机械固定于主板210，但不限于此，印刷电路板221也可通过额外的金属端子等实现相同的功能。图4仅显示用于传递功率信号的两端子a、b和c、d，但实际应用中，还存在其他端子以传递功率信号或控制信号，在此不再详述。

于一实施例中，功率半导体器件S1–S6可为贴片器件，平贴于印刷电路板221上。在一实施例中，印刷电路板221上还设置有输入电容器Cin、输出电容器Co、电流互感器CT、驱动器510、缓冲组件（snubber）520，而采样芯片、防逆电流电路（例如：ORing电路）、或其它电路设置在主板上。在另一实施例中，输入电容器Cin、输出电容器Co、电流互感器CT、驱动器510、缓冲组件（snubber）520等可设置于主板210上，而采样芯片、防逆电流电路（例如：ORing电路）、或其它电路亦可设置于印刷电路板221。

在一实施例中，磁件集成设计于印刷电路板221上，以印刷电路板221的走线（trace）作为变压器T1和电感L的绕组，构成PCB winding平面变压器或电感。如图5，磁件（例如：变压器T、电感器L）皆为扁平式PCB winding结构设置于印刷电路板221上，借以缩小设备体积。

在另一实施例中，磁件也可单独设计后再安装于印刷电路板221上。如图6，电感L为传统绕线式结构,变压器T1为采用另一印刷电路板740的走线（trace）做绕组的扁平磁结构，两者再安装于印刷电路板221上。在其他实施例中，变压器T1和电感L可集成在另一印刷电路板上，该印刷电路板再安装于印刷电路板221。但磁件的位置并不限于此，任何本领域的技术人员可根据实际需要来变换磁件的位置，借以增加设计的灵活性。

图7是图4中功率模块单元220的实施示意电路图。在结构上，主功率电路包括输入电容器Cin、输出电容器Co、电流互感器CT、功率半导体器件S1–S6、磁件（例如：变压器T1、电感器L）、缓冲组件520以及驱动器510。控制单元230电性连接功率模块单元220中的两驱动器510，两驱动器510分别电性连接一次侧的功率半导体开关S1–S4以及二次侧的功率半导体开关S5–S6，输入电容器Cin、与电流互感器CT电性连接功率半导体开关S1–S4，电感器L与输出电容器Co电性连接变压器T1的二次侧，缓冲组件520电性连接变压器T1。于使用时，主功率电路的输入端子a、b接收输入电压Vin+、Vin-，控制单元230根据主功率电路的状态输出控制信号，驱动器510根据控制信号去驱动功率半导体开关S1–S6的启闭以输出电压Vo+、Vo-至输出端子c、d。

虽然图7的主功率电路是隔离型全桥电路，但此并不限制于此，实务上，主功率电路亦可为隔离型半桥电路、隔离型非桥式电路（如：反激变换器、正激电路等）以及非隔离电路（如：buck电路、boost电路等），本领域技术人员应视当时需要弹性选择。

此外，图2到图7所提及的控制单元230与功率模块单元220直接或通过主板210间接进行电性交换，实现闭环或开环控制。控制单元230的具体实施方式可为模拟控制电路或是数字控制电路。本领域技术人员当视当时需要，弹性选择控制单元230的具体实施方式。

值得注意的是，上述实施例中提及的多个功率模块单元220的并联，可指多个功率模块单元220的输入端子（a、b端）并联且多个功率模块单元220的输出端子（c、d端）并联，以达到扩容的效果。但在实际应用中并不限于此，多个功率模块单元220亦可通过输入端子串联或并联，输出端子串联或并联等相互连接的方式来实现扩容。本领域技术人员应视当时需要弹性选择。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (22)

1.一种电源装置，其特征在于，包括：

主板；

功率模块单元，由一主功率电路模块化所形成，包括一印刷电路板与一功率器件，所述功率器件设置于所述印刷电路板上，所述功率模块单元垂直地插设在所述主板上；以及

控制单元，与所述功率模块单元分开设置于所述主板上，用以控制所述功率模块单元。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述功率模块单元的数量为单一个。

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述功率模块单元的数量为多个。

4.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元是对所述多个功率模块单元中至少两者进行集中控制。

5.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述功率器件包括功率半导体器件与磁件。

6.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于，所述磁件为变压器或电感器。

7.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于，所述磁件集成设计于所述印刷电路板，所述磁件为以所述印刷电路板的走线作为绕组的平面磁件。

8.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于，所述磁件单独设计后再安装于所述印刷电路板上。

9.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，还包括：

驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路，设置于所述印刷电路板。

10.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，还包括：

驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路设置于所述主板。

11.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元为一控制板，垂直地插设在所述主板上。

12.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元为一控制电路，设置于所述主板的一区域中。

13.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元为一控制板，所述控制板设置在所述多个功率模块单元上，且所述控制板横跨且垂直于所述多个功率模块单元。

14.一种电源装置，其特征在于，包括：

主板；

多个功率模块单元，每一功率模块单元由一主功率电路模块化所形成，每一功率模块单元包括一印刷电路板与一功率器件，所述功率器件设置在所述印刷电路板上，所述多个功率模块单元垂直地插设在所述主板上；以及

多个控制单元，与所述功率模块单元分开设置于所述主板上，其中每个所述控制单元对所述多个功率模块单元中至少两者进行集中控制。

15.根据权利要求14所述的电源装置，其特征在于，所述功率器件包括功率半导体器件与磁件。

16.根据权利要求15所述的电源装置，其特征在于，所述功率半导体器件是贴片器件，平贴于所述印刷电路板上。

17.根据权利要求15所述的电源装置，其特征在于，所述磁件为变压器或电感器。

18.根据权利要求15所述的电源装置，其特征在于，所述磁件集成设计于所述印刷电路板，所述磁件为以所述印刷电路板的走线作为绕组的平面磁件。

19.根据权利要求15所述的电源装置，其特征在于，所述磁件单独设计后再安装于所述印刷电路板上。

20.根据权利要求14所述的电源装置，其特征在于，还包括：

驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路设置于所述印刷电路板。

21.根据权利要求14所述的电源装置，其特征在于，还包括：

驱动器、采样芯片、缓冲组件或防逆电流电路设置于所述主板。

22.根据权利要求14所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元为一控制板，垂直地插设在所述主板上。