CN205847101U - 一种电源变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电力电子产品领域，公开了一种电源变换器，包括：变换器输入端，变换器输出端，两级变换器，控制器，辅助电源，印刷电路板PCB和散热基板。本实用新型电源变换器使用低等级开关器件低成本实现了高效的高压DC‑DC变换，并消除了共模干扰；实现了通过集中散热基板高效散热，同时提高了空间利用率和功率密度，生产加工方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子产品领域，尤其涉及一种电源变换器。
背景技术
在工业应用中有大量对宽输入且上限为高电压(约200V～800V)进行变换的需求，如电动汽车中将动力电池组的高电压转换为24V/12V输出；普通单级变换虽然技术成熟、拓扑和控制简单，同时使用器件数量也少，但需要采用特别的高压开关器件(如900～1200V的MOS管)，价格昂贵；同时在宽输入电压下，变换器的效率不高；对于一般的三电平两级变换，也存在一些弊端，要么存在共模干扰问题，局部需要高压器件，或者需要大的飞跨电容解耦并且电路控制复杂，对电子器件的电压要求高，实现成本高，共模干扰大。同时在电动汽车中由于环境需要或者应用条件限制，并且防护等级要求高不宜采用传统风冷散热方式，在这种情况下，通常可以采用水冷或者自然冷的散热方式。
对于水冷或者自然冷的电源变换器，如何通过冷板将电源中的发热器件产生的热高效导出，是该类电源设计的技术难点和重点，其设计好坏直接影响电源的可靠性，同时对电源的功率密度有重大影响。良好的热设计需要使热分布尽量均衡及尽可能少的热传导环节，这要求将功率半导体器件、磁芯器件等发热元件尽量直接通过导热介质贴在冷板上进行散热，比较常用的方式是将冷板置于PCBA的器件面，但由于冷板通常也起固定作用，这样一定程度上影响电源变换器的结构强度；另一方面，这样将会导致电源变换器为倒立或侧面安装，在一些应用上不允许。对于只能将冷板置于PCBA焊接面的情况，需要通过开槽的方式使发热器件透过开槽口再安装在冷板上，对于较大功率的变换器，由于发热器件数量较多且尺寸较大，将导致过多过大的开槽使得PCB的强度及其走线变得困难，如果将功率半导体器件置于PCBA焊接面避免开槽，则需要手工后焊接，因此必须留够焊接的操作空间，对PCB的布局及空间利用也不利。
实用新型内容
本实用新型提供一种电源变换器，解决现有技术中DC-DC变换器对电子器件电压要求高，实现成本高，共模干扰大的技术问题，以及水冷或自然冷方式下的高效散热方式和电源空间利用之间矛盾的技术问题。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种电源变换器，包括：变换器输入端，变换器输出端，两级变换器，控制器，辅助电源，印刷电路板PCB和散热基板，两级变换器由对称的两路前级Boost升压变换器和两路后级DC-DC隔离变换器两级组成，第一路前级Boost升压变换器的输入正端为电源变换器的输入正端，第二路前级Boost升压变换器的输入负端为电源变换器的输入负端，两路后级DC-DC隔离变换器的输出端并联或者串联作为电源变换器的输出端，辅助电源的输入为第一路前级Boost升压变换器的输出、第二路前级Boost升压变换器的输出和独立的外供电压源中任意一个，所述散热基板和PCB平行设置，并且位于焊接面一侧，通过间隔柱及螺钉和PCB连接；
其中，所述两路前级Boost升压变换器包括第一电子开关、第二电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电容、第二电容和电感，所述第一电容和第二电容分别跨接于所述第一后级DC-DC隔离变换器和第二后级DCDC隔离变换器的输入正端和输入负端之间，所述第一电子开关和第二电子开关分别跨接于所述第一路前级Boost升压变换器和第二路前级Boost升压变换器的输入正端与输入负端之间，所述第一二极管的正端与所述第一后级DC-DC隔离变换器的输入负端连接，所述第一二极管的负端与所述第一路前级Boost升压变换器的输入负端连接，所述第一路前级Boost升压变换器的输出正端与所述第一后级DC-DC隔离变换器的输入正端连接；所述第二二极管的负端与所述第二后级DC-DC隔离变换器输入正端连接，所述第二二极管的正端与所述第二路前级Boost升压变换器的输入正端连接，所述第二路前级Boost升压变换器的输入负端与所述第二后级DC-DC隔离变换器输入负端连接；所述第一路前级Boost升压变换器的输出负端通过所述电感与所述第二路前级Boost升压变换器的输出正端连接。
本实用新型的技术效果为：
本实用新型电源变换器使用低等级开关器件低成本实现高效高压DCDC变换，并消除了共模干扰；实现了通过集中散热基板高效散热，同时提高了空间利用率和功率密度，生产加工方便。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例一的一种电源变换器的电路结构示意图；
图2为本实用新型实施例二的一种电源变换器的电路结构示意图；
图3为本实用新型实施例二的一种电源变换器的PCB布局示意图；
图4为本实用新型实施例四的散热基板对应功率半导体器件的位置开槽的示意图；
图5为本实用新型实施例五的一种电源变换器的盖板的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，为一种电源变换器，包括：变换器输入端，变换器输出端，两级变换器，控制器，辅助电源，印刷电路板PCB和散热基板，其特征在于，两级变换器由对称的两路前级Boost升压变换器和两路后级DC-DC隔离变换器两级组成，第一路前级Boost升压变换器的输入正端为电源变换器的输入正端，第二路前级Boost升压变换器的输入负端为电源变换器的输入负端，两路后级DC-DC隔离变换器的输出端并联或者串联作为电源变换器的输出端，辅助电源的输入为第一路前级Boost升压变换器的输出、第二路前级Boost升压变换器的输出和独立的外供电压源中任意一个，所述散热基板和PCB平行设置，并且位于焊接面一侧，通过间隔柱及螺钉和PCB连接；
其中，所述两路前级Boost升压变换器包括第一电子开关、第二电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电容、第二电容和电感，所述第一电容和第二电容分别跨接于所述第一后级DC-DC隔离变换器和第二后级DCDC隔离变换器的输入正端和输入负端之间，所述第一电子开关和第二电子开关分别跨接于所述第一路前级Boost升压变换器和第二路前级Boost升压变换器的输入正端与输入负端之间，所述第一二极管的正端与所述第一后级DC-DC隔离变换器的输入负端连接，所述第一二极管的负端与所述第一路前级Boost升压变换器的输入负端连接，所述第一路前级Boost升压变换器的输出正端与所述第一后级DC-DC隔离变换器的输入正端连接；所述第二二极管的负端与所述第二后级DC-DC隔离变换器输入正端连接，所述第二二极管的正端与所述第二路前级Boost升压变换器的输入正端连接，所述第二路前级Boost升压变换器的输入负端与所述第二后级DC-DC隔离变换器输入负端连接；所述第一路前级Boost升压变换器的输出负端通过所述电感与所述第二路前级Boost升压变换器的输出正端连接。
所述散热基板还包括附加的齿状散热器。
本实用新型中的两级变换器解决了单级变换器需要采用高成本的高压器件、宽输入电压范围下效率不高的问题，同时通过前级Boost升压变换器的输入接入电源变换器的稳定电平输入端，解决了普通三电平两级电路的共模干扰问题。
实施例二
如图2所示，在实施例一的基础上，实施例二采用对称半桥LLC作为DC-DC隔离变换器，其输出并联；还包括了输入滤波器以满足EMC的要求，控制器分为两个控制器，分别控制前级Boost升压变换器和后级DCDC隔离变换器，并采用数字控制器，控制方式灵活。所述前级Boost升压变换器控制器的采样和控制端与所述第一路前级Boost升压变换器、所述第二路前级Boost升压变换器连接，所述DC-DC隔离变换器控制器的采样和控制端与所述第一后级DC-DC隔离变换器、第二后级DC-DC隔离变换器连接，所述前级Boost升压变换器控制器与所述DC-DC隔离变换器控制器隔离连接
实施例三
同实施例二，如图2所示，为电源变换器的一种具体布局方式，包括：散热基板10和PCBA20，散热基板10和PCBA20平行，并且位于焊接面一侧，通过间隔柱及螺钉和PCBA连接；电源输入32及其滤波器33放置在PCBA一侧，而输出34在其对侧，中间部分为两路具有对称结构的两级变换器，并且放置于PCB两侧，在两路变换器中间放置辅助电源30和控制器31，其中，功率半导体器件放置在PCB两侧的最边沿，同时管脚折弯使其本体平行于PCB而管脚垂直于PCB焊接，功率半导体器件散热面朝散热基板，并通过导热绝缘介质和散热基板连接，两路主变压器28穿过开槽的PCB通过导热绝缘介质和散热基板连接。散热基板位于焊接面并且和PCB平行，通过间隔柱及螺钉和PCBA连接固定，保证了结构强度，散热基板四周留有固定孔位，可以将整个电源变换器固定，这样电源变换器内的器件处于“正立”状态，满足绝大多数应用。在这样的方式下，为达到最佳散热效果及提高空间利用率，本实施例首先在电路上将电源分成两路对称的变换器，这样将较大功率的发热器件分成分开的两路，降低了热的集中度，在布局上将其分别放置在PCB两侧，便于充分利用散热基板进行散热；同时，为避免过多的功率半导体器件开槽散热对PCB布局走线的影响，将功率半导体器件放置于PCBA的焊接面侧且位于散热基板和PCB之间，功率半导体器件本体平行于散热基板，并通过导热绝缘介质和散热基板贴合，这样获得了充分散热效果，其管脚折弯后垂直于PCB焊接，为解决功率半导体器件的后焊接问题，所有功率半导体器件的管脚都位于PCB的两侧最边沿，完全不占用电源变换器的内部空间即可在外完成后焊接，从而充分利用了空间提高了电源变换器的功率密度。
其中，所述两级变换器从输入开始依次放置前级Boost升压变换器电子开关21及其驱动和电感23、二极管或同步整流电子开关22和母线电容24及后级DCDC隔离变换器电感25、后级DCDC隔离变换器电子开关26及其驱动和后级DCDC隔离变换器电容27、变压器28、输出整流29。
实施例四
如实施例三，由于功率半导体器件的厚度和安全距离的要求，PCB距离散热基板的距离需要较大；如图4所示，将散热基板对应功率半导体器件的位置开槽36，使得功率半导体器件可以下沉，进一步提高了空间利用率和电源变换器的功率密度。
实施例五
如图5所示，在实施例三的基础上，增加了盖板37，并采用金属材质；盖板通过螺钉和散热基板连接固定，磁芯器件顶部通过导热绝缘垫(有一定弹性可形变)和盖板压合，进一步增强磁芯器件的散热效果，同时对其也起到进一步固定作用，加强了结构强度。同时，由于盖板采用金属材质，起屏蔽作用，可以改善电源变换器EMC。
可以理解的是，图中示出的系统结构并不构成对系统的限定，可以包括比图示更多或更少的设备，或者组合某些设备，或者不同的设备部署。
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种电源变换器，包括：变换器输入端，变换器输出端，两级变换器，控制器，辅助电源，印刷电路板PCB和散热基板，其特征在于，两级变换器由对称的两路前级Boost升压变换器和两路后级DC-DC隔离变换器两级组成，第一路前级Boost升压变换器的输入正端为电源变换器的输入正端，第二路前级Boost升压变换器的输入负端为电源变换器的输入负端，两路后级DC-DC隔离变换器的输出端并联或者串联作为电源变换器的输出端，辅助电源的输入为第一路前级Boost升压变换器的输出、第二路前级Boost升压变换器的输出和独立的外供电压源中任意一个，所述散热基板和PCB平行设置，并且位于焊接面一侧，通过间隔柱及螺钉和PCB连接；
其中，所述两路前级Boost升压变换器包括第一电子开关、第二电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电容、第二电容和电感，所述第一电容和第二电容分别跨接于所述第一后级DC-DC隔离变换器和第二后级DCDC隔离变换器的输入正端和输入负端之间，所述第一电子开关和第二电子开关分别跨接于所述第一路前级Boost升压变换器和第二路前级Boost升压变换器的输入正端与输入负端之间，所述第一二极管的正端与所述第一后级DC-DC隔离变换器的输入负端连接，所述第一二极管的负端与所述第一路前级Boost升压变换器的输入负端连接，所述第一路前级Boost升压变换器的输出正端与所述第一后级DC-DC隔离变换器的输入正端连接；所述第二二极管的负端与所述第二后级DC-DC隔离变换器输入正端连接，所述第二二极管的正端与所述第二路前级Boost升压变换器的输入正端连接，所述第二路前级Boost升压变换器的输入负端与所述第二后级DC-DC隔离变换器输入负端连接；所述第一路前级Boost升压变换器的输出负端通过所述电感与所述第二路前级Boost升压变换器的输出正端连接。
2.根据权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，第一后级DC-DC隔离变换器和第二后级DC-DC隔离变换器为对称半桥LLC电路，变换器输出为并联方式。
3.根据权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，所述控制器包括前级Boost升压变换器控制器和后级DC-DC隔离变换器控制器，所述前级Boost升压变换器控制器的采样和控制端与所述第一路前级Boost升压变换器、所述第二路前级Boost升压变换器连接，所述后级DC-DC隔离变换器控制器的采样和控制端与所述第一后级DC-DC隔离变换器、第二后级DC-DC隔离变换器连接，所述前级Boost升压变换器控制器与所述后级DC-DC隔离变换器控制器隔离连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的电源变换器，其特征在于，包括：散热基板、PCBA，其中，所述散热基板和所述PCBA平行，所述散热基板位于所述PCBA焊接面一侧，所述散热基板和所述PCBA之间通过螺钉连接；电源变换器的输入端放置在PCBA一侧，而输出在其对侧，中间部分为两路具有对称结构的两级变换器，并且放置于PCBA另两侧，在两级变换器中间放置辅助电源和控制器，其中功率半导体器件放置于所述PCBA两侧边缘。
5.根据权利要求4所述的电源变换器，其特征在于，所述散热基板与所述功率半导体器件对应的位置设有凹槽，所述功率半导体器一部分处于所述凹槽中，所述功率半导体器的散热面朝所述散热基板。
6.根据权利要求4所述的电源变换器，其特征在于，还包括盖板，所述盖板为金属材质，所述盖板通过螺钉和散热基板连接固定，所述PCBA上的磁芯器件顶部通过导热绝缘垫和所述盖板压合。
7.根据权利要求4所述的电源变换器，其特征在于，所述散热基板还包括附加的齿状散热器。
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