CN114389463A - 一种用于向网络设备供电的电源系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于向网络设备供电的电源系统，包括电源模组和外壳，外壳与电源模组之间具有一立体容置空间。其中，电源模组包括：原边电路，用于接收交流输入电压，并且将交流输入电压转换为第一电压，原边电路包括至少一原边开关；变压器，包括原边绕组和副边绕组，原边绕组耦接至原边电路，变压器用于将第一电压转换为第二电压；以及副边电路，耦接至副边绕组，用于将第二电压转换为直流输出电压并向网络设备供电。副边电路包括至少一副边开关，其中副边开关采用贴片式的封装形式，电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3。电源模组不包括风扇，立体容置空间填充有液体冷却剂，液体冷却剂用于对电源模组进行液冷散热。

Description

一种用于向网络设备供电的电源系统
技术领域
本文涉及一种电源装置，具体而言，本文涉及一种用于向网络设备供电的电源系统。
背景技术
随着人工智能、云计算、大数据等分布式计算架构的发展，作为信息基础设施的数据中心承担的计算量越来越大，能源消耗负担也越发沉重，如何处理服务需求和能源消耗之间的平衡，成为了运营商和电源供应商亟需考虑的问题。从PUE值(数据中心总设备能耗/IT设备能耗)来看，我国数据中心PUE值通常在2.2-2.5区间内。自2013年以来，多项国家政策的出台对数据中心节能水平提出更高的要求，各地方的新建数据中心PUE基本要求都在1.5以内。这使得传统的网络电源面对更大的功率等级和更高的功率密度的要求时显得捉襟见肘，与之形成对比的是，数据中心的功率等级和功率密度却节节攀升。
在现有技术中，数据中心内部的电源供应体系对功率密度有着很大的影响。一般而言，功率密度是衡量在给定空间内可以处理多少功率的指标，可量化为每单位体积处理的功率量，单位为瓦/立方米(W/m3)或瓦/立方英寸(W/inch3)。功率密度的这些数值是基于电源转换器的额定功率以及电源系统的体积(长度×宽度×高度)计算得出的。在传统的电源供应体系中，诸如电感器、电容器、变压器和散热器等无源组件通常占据了体积尺寸的相当一部分，导致功率密度的提升存在瓶颈。
为了改善或克服上述技术问题，现有的电源供应体系在电源转换器的开关频率与系统的热性能等方面进行了探索与研究，但也带来了其他的一些困扰。例如，虽然增加开关频率可以提高功率密度，但是较高的开关频率会带来副作用，导致开关损耗增加和工作温度升高，经验法则表明，温度每升高10℃，电子器件的寿命就会缩短一半，而根据可靠性手册可知，温度升高10℃，半导体和电容器故障率将分别增加25％和50％左右。
此外，虽然目前业界也提出了一些利用液冷方式进行散热的设计理念，但并未看到基于该理念而专门设计用于向网络设备供电的电源模块，或者功率密度非常低，无法满足数据中心当前或未来的功率等级和功率密度需求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于向网络设备供电的电源系统。
依据本申请的一个方面，提供了一种用于向网络设备供电的电源系统，该电源系统包括电源模组和外壳，所述外壳与所述电源模组之间具有一立体容置空间，其中，
所述电源模组包括：
原边电路，用于接收交流输入电压，并且将所述交流输入电压转换为第一电压，所述原边电路包括至少一原边开关；
变压器，包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组耦接至所述原边电路，所述变压器用于将所述第一电压转换为第二电压；以及
副边电路，耦接至所述副边绕组，用于将所述第二电压转换为直流输出电压并向所述网络设备供电，所述副边电路包括至少一副边开关，其中所述副边开关采用贴片式的封装形式，所述电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3；
所述电源模组不包括风扇，所述立体容置空间填充有液体冷却剂，所述液体冷却剂用于对所述电源模组进行液冷散热。
在其中的一些实施例，所述原边开关采用贴片式的封装形式。
在其中的一些实施例，所述外壳包括以预设图案镂空的多个开孔。
在其中的一些实施例，所述原边绕组和所述副边绕组各自的线径电流密度大于或等于15A/mm2。
在其中的一些实施例，所述原边电路还包括EMI滤波电路，该EMI滤波电路具有共模电感，所述共模电感的绕组线径电流密度大于或等于15A/mm2。
在其中的一些实施例，所述原边电路与所述副边电路均被配置为可采用级联或并联方式进行拓展的模组化电路。
在其中的一些实施例，所述原边电路还包括桥式PFC电路，该桥式PFC电路具有整流电路、PFC电感、开关单元以及二极管单元，其中，所述整流电路包括单个整流桥或并联连接的多个整流桥，所述PFC电感电性耦接至所述整流电路，所述开关单元与所述PFC电感电性耦接，所述二极管单元与所述PFC电感电性耦接且包括单个二极管或并联连接的多个二极管。
在其中的一些实施例，所述原边电路还包括无桥PFC电路，该无桥PFC电路具有PFC电感、开关单元以及二极管单元，其中，所述PFC电感电性耦接至所述开关单元，所述二极管单元与所述PFC电感电性耦接且包括单个二极管或并联连接的多个二极管。
在其中的一些实施例，PFC电感绕组线径电流密度大于或等于15A/mm2。
在其中的一些实施例，所述开关单元和所述二极管单元是采用贴片式封装的功率半导体元件。
在其中的一些实施例，所述原边电路还包括逆变电路，其直流侧电性耦接至所述桥式PFC电路或所述无桥PFC电路，其交流侧电性耦接至所述变压器的原边绕组，所述逆变电路包括多个开关管，且所述开关管采用贴片式的封装形式。
在其中的一些实施例，所述原边开关为Si、SiC或GaN材质。
在其中的一些实施例，所述副边开关为Si、SiC或GaN材质。
在其中的一些实施例，所述副边电路还包括整流电路，电性耦接至所述变压器的副边绕组，所述整流电路包括多个开关单元，其中，每个开关单元包括单个开关或并联连接的多个开关，所述开关采用贴片式的封装形式。
在其中的一些实施例，所述副边电路还包括防倒灌电路，该防倒灌电路包括并联连接的多个开关。
在其中的一些实施例，在0～50％的额定负载区间，所述电源模组的转换效率先单调增加，随后单调减小。
在其中的一些实施例，所述电源模组的最佳转换效率对应于10％～40％的额定负载工作状态。
在其中的一些实施例，所述电源模组的峰值转换效率对应于35％的额定负载工作状态。
在其中的一些实施例，在50％的额定负载工作状态下，所述电源模组的转换效率高于
Figure BDA0002732565720000031
的要求。
在其中的一些实施例，所述液体冷却剂为氟化液或油性液体。
采用本发明的用于向网络设备供电的电源系统，包括电源模组和外壳，外壳与电源模组之间具有一立体容置空间。电源模组包括原边电路、变压器和副边电路，其中，原边电路接收交流输入电压并且将交流输入电压转换为第一电压，原边电路包括至少一原边开关；变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组耦接至原边电路，变压器用于将第一电压转换为第二电压；副边电路耦接至副边绕组，用于将第二电压转换为直流输出电压并向网络设备供电。副边电路包括至少一副边开关，其中副边开关采用贴片式的封装形式，电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3。电源模组不包括风扇，立体容置空间填充有液体冷却剂，液体冷却剂用于对电源模组进行液冷散热。相比于现有技术，本发明的电源模组采用AC/DC转换器的供电架构，将副边电路中的副边开关设计为贴片式封装，并且在电源模组与外壳之间填充液体冷却剂，使得电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3。此外，本发明的电源模组将最优转换效率设计在轻载范围，并同时保证了在满载条件下电源内部器件温度亦满足降额要求。
附图说明
图1示出根据本文的一实施方式，用于向网络设备供电的电源系统的结构示意图。
图2示出图1的电源系统中的电源模组的电路示意图。
图3示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的变压器的立体结构示意图。
图4示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的PFC电感的立体结构示意图。
图5示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的共模电感的立体结构示意图。
图6示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的谐振电感的立体结构示意图。
图7示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的PCB电路板的立体尺寸示意图。
图8示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的转换效率的曲线示意图。
图9示出图1的电源系统中，在系统运行时的关键区域的热仿真结果。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的各种实施方式，实施方式的一个或多个例子绘示在附图中。在下文结合附图的说明中，相同附图标记意指相同元件。一般来说，仅说明有关于个别实施方式的不同之处。各示例以对于本发明进行说明的方式而被提供，且不意味为对本发明进行限制。再者，作为一个实施方式的一部分而说明或描述的特征可用于其他实施方式或与其他实施方式结合，以获得进一步的实施方式，本发明意欲包括这些调整及变化。
随着能源转换效率的不断提高，开关电源的设计难度呈指数级增加。例如，在一些应用场景中，转换效率从97％到98％意味着减少三分之一的损耗，而转换效率从98％到99％意味着进一步减少二分之一的损耗。从某种意义上来说，在绝大多数电路转换器的设计中，将整体损耗减少50％都可能迫使完全从头开始，唯一的解决方法是使用更为复杂的技术和更昂贵的组件，且通常以牺牲尺寸为代价。举例来说，1kW的电源在转换效率为98％的损耗只有20.4W，为实现99％的转换效率从而减少10.1W的损耗，需要付出多大的代价？相关数据表明，美国工业用电价格约为7美分/千瓦时，假设1kW电源在正常运行时的使用寿命是5年(或约44000小时)，则减少10.1W的损耗大体可节省约31美元，但是我们也应该看到，为实现转换效率从98％到99％的提升，负载的电源所增加的成本却超过3100美元。由此可知，若原来的电源设计(效率为98％)仍能可靠运行，31美元的节省就毫无意义了。
另一方面，对终端用户来说，更为重要的是其生产效率及盈利能力。通过消耗更少的能源节省几美元固然是一件好事，但通过增加机柜或机架中的电源设备密度以及提高每立方英尺的生产率所获得的收益将更有吸引力。有鉴于此，将更多能量转换设备集成到更小的封装中，提高功率密度并且兼顾转换效率，更有效地利用数据中心的机柜或机架空间，是本申请的发明人需要解决的一项重大课题。
图1示出根据本文的一实施方式，用于向网络设备供电的电源系统的结构示意图。图2示出图1的电源系统中的电源模组的电路示意图。
参照图1和图2，在该实施方式中，电源系统包括电源模组1和外壳。详细而言，电源模组1不包括风扇，并且外壳与电源模组1之间具有一立体容置空间。立体容置空间填充有液体冷却剂，液体冷却剂用于对电源模组1进行液冷散热。电源模组1包括原边电路10、变压器20和副边电路30。需要说明的是，液冷是指通过特定液体，比如水、氟化液或是某种特殊的不导电油，来替代空气，从而把电源装置的各种元器件在运行时所产生的热量带走。按照液体与发热器件是否接触，可将其大致划分为两种：一种是间接的冷板方式，即器件本身并不直接与液体接触，而是器件先把散发的热量传输给装有液体的散热片，再通过液体循环将热量带出设备，由于散热片只能覆盖部分发热元件，其它元件产生的热量仍然需要风扇来将热量带出去，这样风扇将会占用电源装置布板空间的一部分区域，导致功率密度下降。另一种是直接的浸没方式，是将器件甚至是整个电源装置直接浸泡在液体中，再通过液体循环把热量带出，在装置中无需设置风扇，本申请的电源系统架构主要针对后者的直接浸没式进行电路设计。
详细而言，原边电路10用于接收交流输入电压，并且将交流输入电压转换为第一电压，原边电路10包括至少一原边开关，例如P1。变压器20包括原边绕组和副边绕组，原边绕组耦接至原边电路10，变压器20用于将第一电压转换为第二电压。副边电路30耦接至副边绕组，用于将第二电压转换为直流输出电压并向网络设备供电。副边电路30包括至少一副边开关，例如S1。其中副边开关采用贴片式的封装形式，电源模组1的功率密度大于或等于60W/inch3。在电源设计时，需要保证电路中的所有半导体元件工作在使其实际的发热功率维持在各自的散热阈值之内。例如，若整流桥的散热阈值为15W，当整流桥的实际发热功率超过15W时，则整流桥的发热量已经超过其散热设计，此时整流桥会有损坏的风险。又如，采用PG-HSOF-8贴片封装的开关时，在浸没式液冷散热方式下的散热阈值可达到10W，但风冷散热放下的散热阈值却只有5W。较佳地，原边电路10与副边电路30均可被配置为模组化电路，藉由该模组化电路采用级联或并联方式以实现灵活拓展与较好的兼容性。原边开关P1和/或副边开关S1为采用Si、SiC或GaN材质制作而成的硅开关、碳化硅开关或氮化镓开关。
在一具体实施例，原边电路10还包括功率因数校正(PFC)电路和逆变电路。逆变电路的直流侧电性耦接至PFC电路，逆变电路的交流侧电性耦接至变压器20的原边绕组。逆变电路包括多个开关管，且开关管采用贴片式的封装形式。
例如，PFC电路可以是桥式电路，该桥式PFC电路具有整流电路、PFC电感、开关单元以及二极管单元。在此，整流电路可包括单个整流桥或并联连接的多个整流桥，PFC电感电性耦接至该整流电路。开关单元与PFC电感电性耦接。二极管单元与PFC电感电性耦接且包括单个二极管或并联连接的多个二极管。较佳地，开关单元和二极管单元是采用贴片式封装的功率半导体元件。
又如，PFC电路还可以是无桥PFC电路，该无桥PFC电路具有PFC电感、开关单元以及二极管单元。PFC电感电性耦接至开关单元，二极管单元与PFC电感电性耦接且包括单个二极管或并联连接的多个二极管。类似地，开关单元和二极管单元是采用贴片式封装的功率半导体元件。本领域的技术人员应当理解，图2示出的PFC电路11采用了Boost结构，但本申请并不只局限于此，例如，PFC电路11还可以采用Totem Pole、H桥等其他电路结构。较佳地，无论是PFC桥式电路还是无桥PFC电路，PFC电感的绕组线径电流密度可设置为大于或等于15A/mm2。因此，在PFC电感温升满足要求的前提下，PFC电感采用线径更小的导线构成电感绕组，可进一步压缩绕线空间，从而减小PFC电感的体积尺寸，节省其在电源装置布板空间中的占用体积。相关测试表明，浸没式液冷散热的PFC电感相较于风冷散热中的PFC电感，前者的绕组线径电流密度比后者的绕组线径电流密度至少提升50％，因此本申请的电源装置在实施浸没式液冷散热处理的条件下，PFC电感的体积将显著减小。
进一步而言，外壳还包括以预设图案镂空的多个开孔。本申请的电源系统在正常工作时，位于电源装置与机壳之间的液体冷却剂从装置的一端(例如，电源输入侧)流向另一端(例如，电源输出侧)，藉由液体冷却剂对装置中的发热元件进行散热。为了增强散热的可靠性以及电源运行的安全性，可在外壳的特定位置开设镂空的开孔。例如，在靠近电源输入侧的外壳表面设置通孔，并且在靠近电源输出侧的外壳表面也设置通孔，如此设计可保证更好的流道畅通，避免电源输入侧的元件或结构、电源输出侧的元件或结构阻挡了液体冷却剂的流通路径。在该实施例中，液体冷却剂可以是氟化液或油性液体。
在一具体实施例，副边电路还包括整流电路。整流电路电性耦接至变压器的副边绕组。整流电路包括多个开关单元，其中，每个开关单元包括单个开关或并联连接的多个开关，这里的整流开关采用贴片式的封装形式。如此一来，在该实施例中，电源模组1采用的是PFC+DC/DC的电路拓扑，其中，逆变电路、变压器和整流电路构成了DC/DC模组。换言之，逆变电路将PFC电路输出的直流电压先转换为交流电压，然后藉由变压器的原边绕组与副边绕组的磁耦合将能量从原边传递到副边，再通过整流电路将交流电压转换为直流电压。本领域的技术人员应当理解，图2的电源装置11的DC/DC模组采用了LLC谐振电路，但本申请并不只局限于此，DC/DC模组还可以采用诸如移相全桥、双有源桥等其他电路结构。此外，为了防止能量从输出侧反向传递至输入侧，副边电路还可包括防倒灌电路(或称为ORing电路)，其具有并联连接的多个开关，例如开关可以是二极管或MOSFET。同样，防倒灌电路中的开关可优选采用贴片式封装，利用封装本身的优势来节省所占用的布板空间。作为可替换的示意性实施例，在浸没式液冷散热方式下，防倒灌电路的开关数量也可相较于相同功率等级的风冷散热方式减少将近一半。
图3示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的变压器的立体结构示意图。
如前所述，PFC电感L1、L2采用线径更小的导线(例如，线径电流密度大于或等于15A/mm2)构成电感绕组，可进一步压缩绕线空间，从而减小PFC电感的体积尺寸，节省其在电源装置布板空间中的占用体积。类似地，针对本申请的电源模组的变压器的原边绕组和副边绕组，亦可采用线径更小的导线构成绕组，从而减小绕组的体积。与之对应地，由于变压器绕组的体积减小，因此可使用更少数量的磁芯，进一步减小磁芯的占用体积。举例来说，在功率等级为2kW的用于向网络设备供电的电源装置中，现有的散热条件下，电源装置往往需要具有两个磁芯的变压器，变压器的体积尺寸高达62.25mm×34.5mm×30.8mm，而本申请的电源装置在采用上述线径电流密度的变压器绕组之后，仅仅设置具有单个磁芯的变压器即可，变压器的体积尺寸减小至35mm×30mm×32mm，从而改善了变压器在电源装置布板空间的占用比例(节省约49.2％)，使得电源装置的功率密度得以提升。
图4示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的PFC电感的立体结构示意图。
参照图4，在图1的电源系统中，电源模组的PFC电感根据绕组线径电流密度的上述参数配置之后，PFC电感的体积尺寸为25mm×16mm×28mm，相比之下，现有的PFC电感的体积尺寸为33.5mm×23mm×32.5mm，由此可知，本申请的PFC电感在长、宽、高各维度的尺寸上均有所减少，从而减小了电源模组布板空间所占用的体积。
图5示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的共模电感的立体结构示意图。
参照图5，在图1的电源系统中，电源模组的原边电路还可包括EMI滤波电路，该EMI滤波电路具有共模电感，该共模电感的绕组线径电流密度大于或等于15A/mm2。共模电感的体积尺寸为26.5mm×16.25mm×25.5mm，相比之下，现有的共模电感的体积尺寸为30mm×16.5mm×31mm，由此可知，本申请的共模电感在长度方向以及高度方向均显著减少，从而减小了电源模组布板空间所占用的体积。
图6示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的谐振电感的立体结构示意图。
参照图6，在图1的电源系统中，电源模组的原边电路还可包括谐振电感L3，较佳地，谐振电感的绕组线径电流密度可设置大于或等于15A/mm2，对应的体积尺寸为23mm×15mm×28mm，相比之下，现有谐振电感的体积尺寸为33mm×32mm×30.6mm，由此可知，本申请的谐振电感尺寸在长度方向、宽度方向及高度方向均显著减少，在电源模组布板空间上的占用体积同比下降70％。
图7示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的PCB电路板的立体尺寸示意图。
参照图7，并结合图1和图2，在该示意性实施例中，本申请的电源模组的功率等级为2kW，其中的PFC电感、共模电感、谐振电感和变压器的绕组线径电流密度大于或等于15A/mm2。对应的PCB电路板的尺寸分别为，长度305mm、宽度40.6mm、高度40.6mm。在此，1英寸(inch)等于25.4毫米(mm)，根据功率密度的计算公式，该电源模组的功率密度为2000×25.4×25.4×25.4/(305×40.6×40.6)W/inch3，即65.2W/inch3。本领域的技术人员应当理解，图7的电源模组的功率等级与体积尺寸只是描述性的实施例，但本发明并不只局限于此，在其他的一些实施例中，电源模组所采用的电子元器件满足规格要求并正常工作时，上述电源模组的功率密度数值还可能进一步提升，例如功率密度甚至可以提升至90W/inch3以上。例如，若将电源模组的功率等级从2kW提升至4kW，则电源模组的功率密度将相应地提升至130.4W/inch3。又如，保持电源模组的功率等级不变，调整PCB电路板上的电子元器件的布板位置，进一步缩小PCB电路板的体积尺寸，同样可以将上述电源模组的功率密度数值继续提升。
图8示出图1的电源系统的一示意性实施例中，电源模组的转换效率的曲线示意图。
参照图8，在该实施例中，本申请的电源模组在0～50％的额定负载区间，其转换效率先单调增加，随后单调减小。较佳地，电源模组的最佳转换效率对应于10％～40％的额定负载工作状态，藉此提升电源系统的轻载效率，降低成本。更佳地，电源模组的峰值转换效率对应于35％的额定负载工作状态。
从损耗角度来看，电源模组的损耗大致可以分为三大类，其分别与电流的零次方、一次方和二次方相关，即：I0、I1、I2。下面简要予以说明。
I0损耗主要包括磁芯损耗、控制损耗和驱动损耗等，在10％～35％的额定负载工作区间对于转换效率的影响占据主导地位。这类损耗是优化效率曲线重点要降低的损耗，特别是磁芯损耗。在电源尺寸受到限制的情况下，通过增加绕线匝数或增大磁芯体积，同时减小线径来降低变压器和电感的磁芯损耗，而在轻载情况下，电流较小，绕线铜损对电源转换效率的影响远小于磁芯损耗。
I1损耗主要包括整流损耗、开关管的开关损耗等，在35％～70％的额定负载工作区间对于转换效率的影响占据主导地位。以开关管的开关损耗为例，因开关损耗和开关频率呈正比，在轻载情况下的开关损耗远大于导通损耗，可以选取导通电阻更大但是开关速度更快的开关管，一方面降低轻载下的I1损耗，同时也大大降低了开关管的成本。若设计选用的电路拓扑可以实现开关管的软开关，则开关损耗的大大减小将更加有利于提高半载效率，满足80Plus对电源转换效率的要求。
I2损耗主要包括开关管的导通损耗、变压器和电感的绕线铜损、电容损耗以及线损等，在70％～100％的额定负载工作区间对于转换效率的影响占据主导地位。选用导通电阻更大的开关管、减小开关管的并联数量以及增大线径电流密度会一定程度上增加I2损耗，但可以大大降低电源的设计成本和体积。
由上述可知，本申请的电源模组在实现功率密度至少达到60W/inch3时，还可结合网络电源的具体应用场景，对电源转换效率进行优化，将电源模组的最优效率负载点调整至轻载范围，牺牲部分重载效率，一方面充分利用液冷散热的优势降低电源设计尤其是热设计上的难度，另一方面紧扣网络设备供电的特定应用场景，在节约成本的同时降低系统的电费运营成本。详细而言，本申请通过使用线径电流密度更大的磁性元件(诸如PFC电感、共模电感、谐振电感或变压器的原副边绕组)，以便减小I0损耗。与此同时，通过使用贴片式的封装形式的半导体器件并且减少器件数目，以便减小I0损耗。再者，选用导通电阻更大的开关管并且减少开关管的数量，尽管增加了I2损耗，但可显著降低电源的设计成本和体积，并且对轻载时的转换效率影响很小。因此，本申请的电源模组最佳转换效率可设置于对应10％～40％的额定负载工作状态，并且在50％的额定负载工作状态下，电源模组的转换效率仍高于
Figure BDA0002732565720000111
的要求。
图9示出图1的电源系统中，在系统运行时的关键区域的热仿真结果。如图9所示，对本申请的电源模组进行建模后，从PCB电路板正面与背面的热仿真数据来看，各个元器件的温度都满足IPC9592降额的要求。
采用本发明的用于向网络设备供电的电源系统，包括电源模组和外壳，外壳与电源模组之间具有一立体容置空间。电源模组包括原边电路、变压器和副边电路，其中，原边电路接收交流输入电压并且将交流输入电压转换为第一电压，原边电路包括至少一原边开关；变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组耦接至原边电路，变压器用于将第一电压转换为第二电压；副边电路耦接至副边绕组，用于将第二电压转换为直流输出电压并向网络设备供电。副边电路包括至少一副边开关，其中副边开关采用贴片式的封装形式，电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3。电源模组不包括风扇，立体容置空间填充有液体冷却剂，液体冷却剂用于对电源模组进行液冷散热。相比于现有技术，本发明的电源模组采用AC/DC转换器的供电架构，将副边电路中的副边开关设计为贴片式封装，并且在电源模组与外壳之间填充液体冷却剂，使得电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3。此外，本发明的电源模组将最优转换效率设计在轻载范围，并同时保证了在满载条件下电源内部器件温度亦满足降额要求。
虽然上文实施方式中揭露了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当以附随权利要求书所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种用于向网络设备供电的电源系统，其特征在于，该电源系统包括电源模组和外壳，所述外壳与所述电源模组之间具有一立体容置空间，
其中，所述电源模组包括：
原边电路，用于接收交流输入电压，并且将所述交流输入电压转换为第一电压，所述原边电路包括至少一原边开关；
变压器，包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组耦接至所述原边电路，所述变压器用于将所述第一电压转换为第二电压；以及
副边电路，耦接至所述副边绕组，用于将所述第二电压转换为直流输出电压并向所述网络设备供电，所述副边电路包括至少一副边开关，其中所述副边开关采用贴片式的封装形式，所述电源模组的功率密度大于或等于60W/inch3；
其中，所述电源模组不包括风扇，所述立体容置空间填充有液体冷却剂，所述液体冷却剂用于对所述电源模组进行液冷散热。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边开关采用贴片式的封装形式。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述外壳包括以预设图案镂空的多个开孔。
4.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边绕组和所述副边绕组各自的线径电流密度大于或等于15A/mm2。
5.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边电路还包括EMI滤波电路，该EMI滤波电路具有共模电感，所述共模电感的绕组线径电流密度大于或等于15A/mm2。
6.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边电路与所述副边电路均被配置为可采用级联或并联方式进行拓展的模组化电路。
7.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边电路还包括桥式PFC电路，该桥式PFC电路具有整流电路、PFC电感、开关单元以及二极管单元，
其中，所述整流电路包括单个整流桥或并联连接的多个整流桥，所述PFC电感电性耦接至所述整流电路，所述开关单元与所述PFC电感电性耦接，所述二极管单元与所述PFC电感电性耦接且包括单个二极管或并联连接的多个二极管。
8.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边电路还包括无桥PFC电路，该无桥PFC电路具有PFC电感、开关单元以及二极管单元，
其中，所述PFC电感电性耦接至所述开关单元，所述二极管单元与所述PFC电感电性耦接且包括单个二极管或并联连接的多个二极管。
9.根据权利要求7或8所述的电源系统，其特征在于，所述PFC电感的绕组线径电流密度大于或等于15A/mm2。
10.根据权利要求7或8所述的电源系统，其特征在于，所述开关单元和所述二极管单元是采用贴片式封装的功率半导体元件。
11.根据权利要求7或8所述的电源系统，其特征在于，所述原边电路还包括逆变电路，其直流侧电性耦接至所述桥式PFC电路或所述无桥PFC电路，其交流侧电性耦接至所述变压器的原边绕组，所述逆变电路包括多个开关管，且所述开关管采用贴片式的封装形式。
12.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述原边开关为Si、SiC或GaN材质。
13.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述副边开关为Si、SiC或GaN材质。
14.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述副边电路还包括整流电路，电性耦接至所述变压器的副边绕组，所述整流电路包括多个开关单元，其中，每个开关单元包括单个开关或并联连接的多个开关，所述开关采用贴片式的封装形式。
15.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述副边电路还包括防倒灌电路，该防倒灌电路包括并联连接的多个开关。
16.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，在0～50％的额定负载区间，所述电源模组的转换效率先单调增加，随后单调减小。
17.根据权利要求16所述的电源系统，其特征在于，所述电源模组的最佳转换效率对应于10％～40％的额定负载工作状态。
18.根据权利要求17所述的电源系统，其特征在于，所述电源模组的峰值转换效率对应于35％的额定负载工作状态。
19.根据权利要求16至18任意一项所述的电源系统，其特征在于，在50％的额定负载工作状态下，所述电源模组的转换效率高于
Figure FDA0002732565710000031
的要求。
20.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述液体冷却剂为氟化液或油性液体。
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