CN216721173U - 高密度电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种散热性能好且体积小的高密度电源，其包括壳体、风扇、PFC模组、DC/DC模组和主板。壳体具有并排设置的第一风道和第二风道；风扇设置于壳体内侧或者壳体外侧；PFC模组包括设置于第一风道的PFC电感，PFC电感与风扇对正；DC/DC模组设置于第一风道；DC/DC模组包括至少一个DC/DC转换电路，每个DC/DC转换电路包括第一PCB和设置在第一PCB上的变压器磁芯、变压器绕组和功率器件，其中变压器磁芯和变压器绕组共同构成变压器；主板设置于壳体内，PFC电感和至少一个DC/DC转换电路分别与主板电性连接。

Description

高密度电源

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高密度电源。

背景技术

随着科技的发展，作为信息基础设施的数据中心承担的计算量越来越大，应用于数据中心的开关电源的功率密度也不断提高，然而对电源外观尺寸的要求逐渐走向标准化，例如通用冗余电源(CRPS,Common Redundant Power Supply)标准规定了两种尺寸的网络电源，分别为185mm*73.5mm*40mm和265mm*73.5mm*40mm。

以185mm长度的CRPS电源为例，2400W交流输入电源内部的器件摆放非常密集，电源内部大多数空间被体积较大的变压器和电感占据，从而比较堵风，散热效果差。若将电源功率提高到3KW，大体积的器件的摆放会变得比较困难，甚至无法摆放，电源的散热问题也更加严重。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种散热性能好且体积小的高密度电源。

根据本实用新型的一个方面，一种高密度电源，包括壳体、风扇、PFC模组、DC/DC模组和主板。壳体具有第一风道；风扇设置于所述壳体内侧或者壳体外侧；PFC模组包括PFC电感，所述PFC电感设置于所述第一风道，其中所述PFC电感与所述风扇对正；DC/DC模组设置于所述第一风道；所述DC/DC模组包括至少一个DC/DC转换电路，每个所述DC/DC转换电路包括第一PCB和设置在所述第一PCB上的变压器磁芯、变压器绕组和功率器件，其中所述变压器磁芯和所述变压器绕组共同构成变压器；主板设置于所述壳体内，其中所述PFC电感和所述至少一个DC/DC转换电路分别与所述主板电性连接。

根据本实用新型的一实施方式，所述DC/DC转换电路为LLC谐振电路。

根据本实用新型的一实施方式，所述第一PCB具有相对的顶侧和底侧以及相对的左侧和右侧，所述变压器磁芯由所述第一PCB的右侧向左侧延伸，并由顶侧向底侧延伸，所述功率器件分别邻近所述第一PCB上左侧和底侧。

根据本实用新型的一实施方式，所述功率器件相对于所述第一PCB的高度不高于所述变压器磁芯相对于所述第一PCB的高度。

根据本实用新型的一实施方式，每个所述LLC谐振电路还包括设置在所述第一PCB上的电感磁芯和电感绕组，所述电感磁芯与所述电感绕组共同形成谐振电感。

根据本实用新型的一实施方式，所述PFC电感位于所述风扇与所述DC/DC模组之间。

根据本实用新型的一实施方式，所述PFC电感包括具有中央通孔的PFC磁芯，所述PFC磁芯的中央通孔与所述风扇对正。

根据本实用新型的一实施方式，所述PFC电感的磁芯呈圆环形或矩形。

根据本实用新型的一实施方式，每个所述DC/DC转换电路还包括第二PCB和设置在所述第二PCB上的功率器件。

根据本实用新型的一实施方式，所述第二PCB位于所述PFC电感和所述第一PCB之间。

根据本实用新型的一实施方式，所述壳体内具有与所述第一风道并排设置的第二风道；所述的高密度电源还包括设置于所述第二风道的EMI滤波单元和母线电容；所述EMI滤波单元和所述母线电容分别与所述主板电性连接。

根据本实用新型的一实施方式，所述PFC模组还包括PFC电路板，所述PFC电路板位于所述PFC电感和所述EMI滤波单元之间。

根据本实用新型的一实施方式，还包括辅助供电单元，所述辅助供电单元位于所述母线电容和所述DC/DC模组之间。

根据本实用新型的一实施方式，所述辅助供电单元与母线电容平行设置。

根据本实用新型的一实施方式，所述母线电容与所述主板平行设置。

根据本实用新型的一实施方式，还包括控制板，用以控制所述PFC电路板上的功率器件以及所述至少一个DC/DC转换电路上的功率器件，所述控制板设置在所述母线电容的一侧，并与所述主板电性连接。

根据本实用新型的一实施方式，所述的高密度电源的尺寸为185mm*73.5mm*40mm、265mm*73.5mm*40mm或185mm*73.5mm*39mm。

根据本实用新型的一实施方式，所述电感磁芯与所述变压器磁芯并排设置，且所述电感磁芯位于所述变压器磁芯的左侧。

本实用新型至少具有如下优点或有益效果：本实用新型的高密度电源，通过使用模组化的DC/DC转换电路，以及器件位置摆放优化，不但节约了电源内部空间，有利于产品小型化，而且提高了电源的散热效果。从另一个角度来说，在满足外观尺寸及散热效果的前提下，功率密度相比于传统的网络电源可以提高30％。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本实用新型高密度电源第一实施方式的立体结构示意图；

图2是本实用新型高密度电源中各模块排列方式示意图；

图3是本实用新型高密度电源的内部结构示意图；

图4是本实用新型高密度电源中的PFC电感和DC/DC模组的结构示意图；

图5A是本实用新型高密度电源中的一种PFC电感的结构示意图；

图5B示出本实用新型高密度电源中的另一种PFC电感的结构示意图；

图6是本实用新型高密度电源中各模块的另一种排列方式示意图；

图7是本实用新型高密度电源中的散热风流仿真图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参见图1，图1示出了本实用新型的高密度电源的一示意性实施方式的外观结构。在该实施例中，本实用新型提出的高密度电源的长、宽、高分别为185mm、73.5mm、40mm，符合CRPS标准规定的185mm*73.5mm*40mm外观尺寸。当然，在其他一些实施方式中，高密度电源的外观尺寸也可以是其他尺寸，例如265mm*73.5mm*40mm、185mm*73.5mm*39mm。

参见图1、图2和图3。图2是本实用新型高密度电源中各模块排列方式示意图；图3是本实用新型高密度电源的内部结构示意图。本实用新型高密度电源包括壳体1、风扇2、PFC模组3、DC/DC模组4、EMI滤波单元6、母线电容7和主板100。PFC模组3包括PFC电感31和PFC电路板32，其中PFC电路板32上设有功率器件。主板100设置在壳体1内，PFC电感31、PFC电路板32、DC/DC模组4、EMI滤波单元6和母线电容7设置于主板100上。其中PFC电感31、PFC电路板32、DC/DC模组4、输入连接器5、EMI滤波单元6和母线电容7均与主板100电性连接。

如图1所示，风扇2安装于壳体1的外侧，即暴露于壳体1之外，在其他一些实施方式中，风扇2也可以安装于壳体1的内侧，即风扇2被壳体1包覆其内或者部分包覆其内。在一些实施例中，风扇2与主板100电性连接。

如图2和图3所示，壳体1内的空间定义为并排设置的第一风道11和第二风道12。PFC电感31和DC/DC模组4从前到后依次设置于第一风道11，PFC电感31与风扇正对，风扇2的安装位置在第一风道11的前面，即位于PFC电感31的前方；EMI滤波单元6和母线电容7从前到后依次设置于第二风道12，将风流尽量地导向到第一风道11内，很好地为PFC电感31以及DC/DC模组4上的功率器件进行散热，提高散热效率。在一些实施例中，PFC电感31包括具有中央通孔的PFC磁芯，PFC磁芯的中央通孔与风扇2对正，将风流尽量地导向DC/DC模组4，很好地为DC/DC模组4上的功率器件进行散热，提高散热效率。在一些实施例中，在EMI滤波单元6的前方可以设置输入连接器5。母线电容7后端部可以粘贴绝缘片8，以进行风道优化。为配合电源输出功率的提高，母线电容7一般采用大容量的Bulk电容。在母线电容7后方还可以设置输出电容71，该输出电容71与主板100电连接。

如图3所示，在一些实施例中，PFC电路板32垂直设置于主板100上，有利于节约电源的空间。在一些实施例中，PFC电路板32可以位于PFC电感31和EMI滤波单元6之间，使PFC电路板32上的功率器件最大程度地位于第一风道11，提高电源的散热效率。

参见图4，图4示出本实用新型高密度电源中的PFC电感和DC/DC模组的结构。本实用新型中PFC电感31设置在风扇2和DC/DC模组4之间，PFC电感31的PFC磁芯的中央通孔30与风扇2对正，从而使得风扇2产生的风吹向PFC电感31，并通过该中央通孔30直接吹到后方的DC/DC模组4。

PFC电感31包括具有中央通孔30的PFC磁芯以及绕设于PFC磁芯的PFC绕组。

如图5A所示，PFC电感31中的PFC磁芯呈圆环形，PFC绕组绕设于PFC磁芯上。

如图5B所示，PFC电感31中的PFC磁芯呈矩形，PFC绕组分别绕于矩形的PFC磁芯的两个相对的磁柱上。

在其他一些实施方式中，PFC电感31中的PFC磁芯的形状不限于上面列举的圆环形或矩形，其也可以是跑道形等具有中央通孔的封闭环形，甚至可以是C形等具有中央通孔的非封闭环形的形状。

参见图4，本实用新型中的DC/DC模组4包括至少一个DC/DC转换电路，在该实施例中，DC/DC转换电路为LLC谐振电路40，如图3所示的实施方式中，示出了2个LLC谐振电路40，在其他一些实施方式中，LLC谐振电路40的数量也可以仅为一个或者3个、4个等等，具体可视电源的功率密度等因素确定。本领域的技术人员应当理解，在其他实施例中，DC/DC转换电路也可采用上述LLC谐振电路之外的其他电路结构。

LLC谐振电路40包括第一PCB 41和设置在第一PCB 41上的变压器磁芯45、变压器绕组和多个功率器件例如金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor,MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBT)或氮化镓(GaN)，等等，设置在第一PCB 41上的功率器件以及其他器件例如陶瓷电容等均采用SMD元件。变压器磁芯45和变压器绕组共同构成变压器，例如平面变压器；一部分功率器件42及第一PCB 41中的布线共同形成原边电路，另一部分功率器件43及第一PCB 41中的布线共同形成副边电路。

第一PCB 41可以呈矩形，具有相对的顶侧和底侧以及相对的左侧和右侧，变压器磁芯45由第一PCB 41的右侧向左侧延伸，并由顶侧向底侧延伸，一部分功率器件42可以邻近第一PCB 41上左侧，另一部分功率器件43可以邻近第一PCB41上底侧。功率器件43可以位于变压器磁芯45的下方。功率器件相对于第一PCB 41的高度不高于变压器磁芯45相对于第一PCB 41的高度，可以使更多的风导向变压器磁芯45下方，使第一PCB41下方的风道得到优化，提供变压器磁芯45下方功率器件43的散热效果。

如图4所示，本实用新型中的DC/DC模组4包括2个LLC谐振电路40，两个第一PCB 41并排设置，使两个第一PCB41两侧区域的风道通畅，能够保证电源获得足够的散热风流，满足热要求。

参见图4，LLC谐振电路40还包括设置在第一PCB 41上的电感磁芯44和电感绕组，电感磁芯44与电感绕组共同形成谐振电感。电感磁芯44与变压器磁芯45可以并排设置，且电感磁芯45位于变压器磁芯45的左侧。功率器件43可以位于电感磁芯44以及变压器磁芯45的下方。

在一些实施例中，电感磁芯44和变压器磁芯45是两个独立的磁芯。在其他一些实施例中，电感磁芯44和变压器磁芯45是集成磁芯。

在一些实施例中，当DC/DC模组4包括LLC谐振电路40时，多个LLC谐振电路40的电感磁芯44为集成磁芯或者分立磁芯，多个LLC谐振电路40的变压器磁芯45为集成磁芯或分立磁芯。在其他一些实施例中，当DC/DC模组4包括多个LLC谐振电路40时，多个LLC谐振电路40的电感磁芯44以及变压器磁芯45为集成磁芯。

因此，本实用新型中，第一PCB 41上集成了谐振电感、变压器以及功率器件于一体，并且，谐振电感和变压器的绕组均形成于第一PCB 41，从而在确保功率密度的情况下，减小电源外观尺寸。在一些实施例中，电感磁芯44和变压器磁芯45为集成磁芯。在其他一些实施例中，电感磁芯44和变压器磁芯45为相互独立的磁芯。

在其他一些实施方式中，第一PCB 41上可以仅集成变压器及功率器件的一部分于一体。

参见图6，图6是本实用新型高密度电源中各模块的另一种排列方式示意图。与图2所示的各模块排列方式的不同之处在于，LLC谐振电路40还包括第二PCB 46，第二PCB 46可以设置于PFC电感31和第一PCB 41之间。在其他实施例中，第二PCB 46可以设置在PFC电感31的前方即可。图6所示的实施方式中，功率器件42可以设置到第二PCB 46上，且位于第一风道11。功率器件42及第二PCB 46中的布线共同形成LLC谐振电路的原边电路。功率器件43仍可以设置于第一PCB 41并与第一PCB 41中的布线共同形成LLC谐振电路的副边电路。因此，该实施方式中，LLC谐振电路40中的功率器件可以设置于不同的PCB上，使第二PCB 46上的功率器件42以及第一PCB 41上的功率器件43最大程度地位于第一风道11，提高电源的散热效率。

在其他一些实施例中，功率器件42设置在主板100上且与主板100中的布线共同形成原边电路，并且功率器件42设置于PFC电感31和第一PCB 41之间。

在其他一些实施例中，高密度电源还包括辅助供电单元9，辅助供电单元9可以与母线电容7的中心线平行设置，并且位于母线电容7和DC/DC模组4之间。辅助供电单元9除了具有供电功能之外，还可以用于辅助分隔第一风道11和第二风道12，有助于将风导向第一风道11，提高散热效率。

在其他一些实施例中，高密度电源还包括控制板91，控制板91设置在母线电容9的一侧，例如设置在壳体和母线电容7之间。所述控制板与所述主板电性连接，用以控制PFC电路板32上的功率器件以及LLC谐振电路40的功率器件的动作。控制板91可以与母线电容7平行设置，即母线电容7中心线平行于控制板91，这样能减小高密度电源的空间，有效解决高密度电源内部器件摆放困难的问题。在其他一些实施例中，控制板91可以根据实际需求进行设置，并不以此为限。

本实用新型采用上述DC/DC模组4，代替现有的多个独立的器件例如变压器、谐振电感、功率器件等，可以节约高密度电源宽度方向的空间，将辅助供电单元9设置于母线电容6和DC/DC模组4之间，且辅助供电单元9可以与母线电容6平行和/或与DC/DC模组中的第一PCB 41平行，能减小高密度电源长度方向的空间，有效解决高密度电源内部器件摆放困难的问题。

参见图3，本实用新型的高密度电源内部的功率传输路径具体如下：

输入电能首先经输入连接器5接入高密度电源，通过EMI滤波模块6后与PFC电感31相连，PFC电感31和PFC电路板32上其他功率器件构成PFC模组，电能经PFC电路板32上的功率器件整流后，接入诸如LLC谐振电路的DC/DC转换电路40。LLC谐振电路40可以是全桥LLCDC-DC拓扑，电能最终经LLC谐振电路40后输出到高密度电源外。

高密度电源中，主要的发热器件集中在PFC电感31、PFC电路板32上的功率器件，LLC谐振电路40的原边电路及副边电路的功率器件，以及LLC谐振电路40的谐振电感和变压器。

本实用新型中，将PFC电感31、DC/DC模组4设置于风扇2所在的第一风道11，将PFC电路板32设置于靠近风扇2的位置，使PFC电路板32上的功率部件获得更大的风量；同时，将EMI滤波单元6、母线电容7等发热较少的被动器件设置在第二风道12，位于输入连接器5的后方，EMI滤波单元6、母线电容7将一部分风流导向第一风道11，提升PFC电感31、DC/DC模组4以及各个功率器件的散热效率。

详细来说，PFC模组3中的PFC电感31设置于风扇2的后方，并与风扇2间隔一距离，风扇2的风直接吹到PFC电感31，带走PFC电感31产生的热量；PFC模组3中的PFC电路板32设置于PFC电感31与EMI滤波单元6、母线电容7之间，PFC电路板32上的功率器件是暴露的，可以直接被风扇2的风吹到，因此本实用新型中的PFC模组3的散热充分。在一些实施例中，PFC电感31中的PFC磁芯具有中央通孔30，风扇2的风可以由该中央通孔30流过，可以直接吹到PFC电感31后方的DC/DC模组4，带走PFC电感31产生的热量，并将风流导向DC/DC模组4。

通过PFC电感31的中央通孔30的风可以直接吹到后方的DC/DC模组4的LLC谐振电路40，LLC谐振电路40的原边电路中的功率器件42设置在变压器磁芯的左侧，以及LLC谐振电路40的副边电路中的功率器件43设置在变压器磁芯的下方，因此风既能直接吹到变压器磁芯，也能直接吹到这些功率器件42和功率器件43散热。因此本实用新型中的LLC谐振电路40的散热充分。同时，功率器件42和功率器件43的高度不高于LLC谐振电路40中的变压器磁芯，特别是当功率器件43采用SMD型元件，高度明显低于变压器磁芯时，LLC谐振电路40中的变压器磁芯能将更多的风流导向功率器件43，提升了变压器磁芯下方的功率器件43的散热效率，并使风流通畅。因此，本实用新型中的器件布局，能够保证整个高密度电源的散热效果。

参见图7，图7示出本实用新型高密度电源中的散热风流仿真图。从图7可以看出，流经高密度电源内部上方的发热量大的第一风道区域的风流量大于下方的发热量小的第二风道区域的风流量。

在申请实施例中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在申请实施例中的具体含义。

申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对申请实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为申请实施例的优选实施例而已，并不用于限制申请实施例，对于本领域的技术人员来说，申请实施例可以有各种更改和变化。凡在申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在申请实施例的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种高密度电源，其特征在于，包括：

壳体，具有第一风道；

风扇，设置于所述壳体内侧或者壳体外侧；

PFC模组，包括PFC电感，所述PFC电感设置于所述第一风道，其中所述PFC电感与所述风扇对正；

DC/DC模组，设置于所述第一风道；所述DC/DC模组包括至少一个DC/DC转换电路，每个所述DC/DC转换电路包括第一PCB和设置在所述第一PCB上的变压器磁芯、变压器绕组和功率器件，其中所述变压器磁芯和所述变压器绕组共同构成变压器；

主板，设置于所述壳体内，其中所述PFC电感和所述至少一个DC/DC转换电路分别与所述主板电性连接。

2.如权利要求1所述的高密度电源，其特征在于，所述DC/DC转换电路为LLC谐振电路。

3.如权利要求1所述的高密度电源，其特征在于，所述第一PCB具有相对的顶侧和底侧以及相对的左侧和右侧，所述变压器磁芯由所述第一PCB的右侧向左侧延伸，并由顶侧向底侧延伸，所述功率器件分别邻近所述第一PCB左侧和底侧。

4.如权利要求3所述的高密度电源，其特征在于，所述功率器件相对于所述第一PCB的高度不高于所述变压器磁芯相对于所述第一PCB的高度。

5.如权利要求2所述的高密度电源，其特征在于，每个所述LLC谐振电路还包括设置在第一PCB上的电感磁芯和电感绕组；所述电感磁芯与所述电感绕组共同形成谐振电感。

6.如权利要求1所述的高密度电源，其特征在于，所述PFC电感位于所述风扇与所述DC/DC模组之间。

7.如权利要求1所述的高密度电源，其特征在于，所述PFC电感包括具有中央通孔的PFC磁芯，所述PFC磁芯的中央通孔与所述风扇对正。

8.如权利要求7所述的高密度电源，其特征在于，所述PFC电感的磁芯呈圆环形或矩形。

9.如权利要求1所述的高密度电源，其特征在于，每个所述DC/DC转换电路还包括第二PCB和设置在所述第二PCB上的功率器件。

10.如权利要求9所述的高密度电源，其特征在于，所述第二PCB位于所述PFC电感和所述第一PCB之间。

11.如权利要求1-10任一项所述的高密度电源，其特征在于，所述壳体内具有与所述第一风道并排设置的第二风道；所述高密度电源还包括设置于所述第二风道的EMI滤波单元和母线电容；所述EMI滤波单元和所述母线电容分别与所述主板电性连接。

12.如权利要求11所述的高密度电源，其特征在于，所述PFC模组还包括PFC电路板，所述PFC电路板位于所述PFC电感和所述EMI滤波单元之间。

13.如权利要求11所述的高密度电源，其特征在于，还包括辅助供电单元，所述辅助供电单元位于所述母线电容和所述DC/DC模组之间。

14.如权利要求13所述的高密度电源，其特征在于，所述辅助供电单元与母线电容平行设置。

15.如权利要求11所述的高密度电源，其特征在于，所述母线电容与所述主板平行设置。

16.如权利要求12所述的高密度电源，其特征在于，还包括控制板，用以控制所述PFC电路板上的功率器件以及所述至少一个DC/DC转换电路上的功率器件，所述控制板设置在所述母线电容的一侧，并与所述主板电性连接。

17.如权利要求1-10任一项所述的高密度电源，其特征在于，所述的高密度电源的尺寸为185mm*73.5mm*40mm、265mm*73.5mm*40mm或185mm*73.5mm*39mm。

18.如权利要求5所述的高密度电源，其特征在于，所述电感磁芯与所述变压器磁芯并排设置，且所述电感磁芯位于所述变压器磁芯的左侧。

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