CN119696307A - 电源装置及电源系统 - Google Patents

Abstract

本案关于一种电源装置及电源系统，包括设置在主电路板上的多个模块，其中，主电路板包含第一侧、第二侧、第三侧及第四侧，第一侧及第二侧相对设置且沿第一方向延伸，第三侧及第四侧相对设置且沿第二方向延伸；输入输出模块设置于主电路板上，相邻于第四侧；电容模块相邻于第三侧；整流模块设置于主电路板上，位于输入输出模块及电容模块之间，相邻于输入输出模块；EMI模块、第一电感模块、谐振模块及功率半导体器件模块皆设置于主电路板上，位于电容模块及整流模块之间。

Description

电源装置及电源系统

技术领域

本案涉及电力电子技术领域，尤指一种电源装置及电源系统。

背景技术

小型化及高功率密度逐渐成为电源装置的发展趋势。于电源装置领域中，目前电源装置中的各式模块的排列方式不尽合理，使得大功率的电源装置的空间利用率较低、信号的传输路径较长以及电源装置的功率损耗较大，因此如何在有限的尺寸下提升电源装置的空间利用率，优化传输路径并同时提升效率，为目前重要的课题。

因此，如何发展一种克服上述缺失的电源装置及电源系统，实为目前迫切的需求。

发明内容

本案的目的为提供一种电源装置及电源系统，通过将整流模块邻近输入输出模块设置，使输出功率路径缩短；通过将第一电感模块与谐振模块邻近功率半导体器件模块设置，使第一电感模块、谐振模块与功率半导体器件模块之间的连接路径缩短，进而提升电源装置内的空间利用率，优化了信号的传输路径，并有效地提升了效率。此外，通过在主板上设置竖插的母线连接板，连接电容模块与功率半导体器件模块，不仅缩短了电容模块与功率半导体器件模块之间连接路径，同时还可将电容模块悬空设置于电路板一侧，减少PCB的用料，节省电源装置成本。

为达上述目的，本案提供一种电源装置，包含主电路板、输入输出模块、电容模块、整流模块、EMI模块、第一电感模块、谐振模块及功率半导体器件模块。主电路板包含第一侧、第二侧、第三侧及第四侧，第一侧及第二侧相对设置且沿第一方向延伸，第三侧及第四侧相对设置且沿第二方向延伸。输入输出模块设置于主电路板上，且相邻于第四侧。电容模块相邻于第三侧。整流模块设置于主电路板上，位于输入输出模块及电容模块之间，且相邻于输入输出模块。EMI模块、第一电感模块、谐振模块及功率半导体器件模块皆设置于主电路板上，且位于电容模块及整流模块之间。

为达上述目的，本案提供一种电源系统，包含至少一个上述的电源装置及水冷板。水冷板的至少一个侧面包含多个凸台以及多个灌胶槽。水冷板包含多个凸台以及多个灌胶槽的侧面贴合于至少一个电源装置。

附图说明

图1为本案第一实施例的电源装置的布局方框示意图；

图2为图1所示的电源装置的其中一种三相电路的拓扑示意图；

图3为本案第二实施例的电源装置的布局方框示意图；

图4为本案第三实施例的电源装置的布局方框示意图；

图5为本案第四实施例的电源装置的布局方框示意图；

图6为本案第五实施例的电源装置的布局方框示意图；

图7为本案第六实施例的电源装置的布局方框示意图；

图8为本案第七实施例的电源装置的布局方框示意图；

图9为本案第八实施例的电源装置的布局方框示意图；

图10为本案第九实施例的电源装置的布局方框示意图；

图11为本案第十实施例的电源装置的布局方框示意图；

图12A为本案第一实施例的电源系统的立体结构示意图；

图12B为图12A所示的电源系统的侧视图；

图12C为图12A所示的电源系统的爆炸结构示意图；

图13A为本案第二实施例的电源系统的立体结构示意图；

图13B为图13A所示的电源系统的侧视图；以及

图13C为图13A所示的电源系统的爆炸结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h、1i：电源装置

1j、1k：电源系统

10：输入端子

11：输出端子

2a：EMI模块

2b：PFC模块

2c：LLC模块

21：EMI电路

22：PFC电感

23：PFC功率半导体器件

24：PFC输出电容

25：LLC原边功率开关

261：变压器

263：谐振电容

264：谐振电感

265：LLC副边整流开关

C1：LLC输出电容

3：主电路板

3a：第一主电路板

3b：第二主电路板

31：第一侧

32：第二侧

33：第三侧

34：第四侧

X：第一方向

Y：第二方向

41：输入输出模块

42：电容模块

421：电容连接板

422：储能电容

423：导线

43：整流模块

431：变压器

432：第一滤波电容

433：第二滤波电容

434：整流开关

44：EMI模块

45：功率半导体器件模块

46：第一电感模块

47：谐振模块

471：谐振电容板

472：第二电感模块

51：输入连接板

52：母线连接板

6：水冷板

651：凸台

652：灌胶槽

71：第一发热元件

72：第二发热元件

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本案。

本案中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。下面结合附图，对本案的一些实施例做详细说明。在没有冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

请参阅图1及图2，其中图1为本案第一实施例的电源装置的布局方框示意图，图2为图1所示的电源装置的其中一种三相电路的拓扑示意图。如图2所示，本实施例的电源装置1接收并转换外部电源所提供的交流电能，以供电给负载(未图示)。具体地，电源装置1所对应的电路拓扑包括三个电路模块，即EMI模块2a、PFC模块2b以及LLC模块2c，其中，EMI模块2a包括EMI电路21，EMI电路21包括共模电感、X电容(一种安规电容)以及Y电容(另一种安规电容)(未图示)，用以消除电路中的电磁干扰；PFC模块2b包括PFC电感22、PFC功率半导体开关23以及PFC输出电容24，用以对输入电流的波形进行控制，使其与输入电压的波形同步，以提高功率因数，如图2所示为三相图腾柱PFC电路，其中，每一相电路包含两个PFC电感22、四个PFC功率半导体开关23，三相共用两个PFC输出电容24，需要说明的是，PFC输出电容24可以为一个电容，也可以是多个电容的等效电容；LLC模块2c包括LLC原边功率开关25、谐振电容263、谐振电感264、变压器261、LLC副边整流开关265以及LLC输出电容C1。需要说明的是，LLC输出电容C1可以是多个电容的等效电容。

进一步地，对应图1所述的实际电路结构，本实施例的电源装置1包含主电路板3、输入输出模块41、电容模块42、整流模块43、EMI模块44、功率半导体器件模块45、第一电感模块46及谐振模块47。其中，EMI模块2a与输入端子10相连接，其中，输入端子10设置于输入输出模块41处；在PFC模块2b中，PFC电感22设置于第一电感模块46处，所有的PFC功率半导体开关23设置于功率半导体器件模块45处，PFC输出电容24设置于电容模块42处；在LLC模块2c中，LLC原边功率开关25设置于功率半导体器件模块45处，谐振电感264及谐振电容263设置于谐振模块47处，变压器261、LLC副边整流开关265以及LLC输出电容C1设置于整流模块43；最后，LLC输出电容C1与输出端子11相连接，其中，输出端子11设置于输入输出模块41处。

于实际结构部分，具体地，主电路板3包含第一侧31、第二侧32、第三侧33及第四侧34。第一侧31及第二侧32相对设置且沿第一方向X延伸，第三侧33及第四侧34位于第一侧31及第二侧32之间，相对设置且沿第二方向Y延伸，于本实施例中，第一方向X垂直于第二方向Y，例如，第一方向X为X轴方向，第二方向Y为Y轴方向。输入输出模块41设置于主电路板3上，并相邻于第四侧34。电容模块42相邻于第三侧33。整流模块43设置于主电路板3上，并位于输入输出模块41及电容模块42之间，且相较于电容模块42而相邻于输入输出模块41。EMI模块44设置于主电路板3上，并位于电容模块42及整流模块43之间，且相邻于第一侧31。功率半导体器件模块45设置于主电路板3上，并位于电容模块42及整流模块43之间，且相邻于第二侧32。第一电感模块46设置于主电路板3上，且位于EMI模块44及功率半导体器件模块45之间，并位于电容模块42及整流模块43之间，且相较于整流模块43而相邻于电容模块42。谐振模块47设置于主电路板3上，且位于EMI模块44及功率半导体器件模块45之间，并位于电容模块42及整流模块43之间，且相较于电容模块42而相邻于整流模块43。

由上可知，本案的电源装置1将第一电感模块46以及谐振模块47并排设置且邻近功率半导体器件模块45设置，使得第一电感模块46与谐振模块47分别与功率半导体器件模块45之间的连接路径最短，有利于降低功率损耗并提高了电源装置1的空间利用率。

请参阅图3，其为本案第二实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图1所示的电源装置1，本实施例的电源装置1a的谐振模块47部分地位于EMI模块44及整流模块43之间，且另外部分地位于第一电感模块46及整流模块43之间。上述的电路布局可使谐振模块47的长度下降，以降低整体电源装置1a的长度，相对于第一实施例，第二实施例更适合应用于更宽更短的主电路板3上。

请参阅图4，其为本案第三实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图1所示的电源装置1，本实施例的电源装置1b更包含输入连接板51及母线连接板52，输入连接板51竖插在主电路板3的第一侧31以与主电路板3相连接，用以连接输入输出模块41以及EMI模块44，以使输入输出模块41经输入连接板51将输入信号传输至EMI模块44。母线连接板52竖插在主电路板3的第二侧32以与主电路板3相连接，用以连接电容模块42以及功率半导体器件模块45。由于电容模块42设置于主电路板的第三侧33，而功率半导体器件模块45中的功率开关均需要与其进行电连接，在大功率的应用场合，电容的正负端的走线需要通过铺大量的铜实现，并且，功率半导体器件的周围往往还存在驱动电路，在电源装置1b的尺寸有限的前提下，通过母线连接板52来将电容模块42中的电容以及功率半导体器件模块45中的功率半导体器件进行连接，可同时满足铺铜面积大以及节省电源装置1b尺寸的要求。需要说明的是，输入连接板51及母线连接板52的长度不受限于附图所示，只需实现各自电连接即可。

于本实施例中，输入信号依序经由输入输出模块41、输入连接板51、EMI模块44、第一电感模块46、功率半导体器件模块45、电容模块42、谐振模块47、整流模块43及输入输出模块41。上述的电路布局使得输入信号转换为输出信号时，信号的传输路径较短，在充分利用电源装置1的空间利用率的前提下，进一步地减小了电源装置1的功率损耗。

请参阅图5，其为本案第四实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图3所示的电源装置1a，本实施例的电源装置1c更包含输入连接板51及母线连接板52，输入连接板51竖插在主电路板3的第一侧31以与主电路板3相连接，用以连接输入输出模块41以及EMI模块44，以使输入输出模块41经输入连接板51将输入信号传输至EMI模块44。母线连接板52竖插在主电路板3的第二侧32以与主电路板3相连接，用以连接电容模块42以及功率半导体器件模块45。

请参阅图6，其为本案第五实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图4所示的电源装置1b，本实施例的电源装置1d的整流模块43包含三个变压器431及第一滤波电容432，其中每个变压器431处还设置有一组整流开关(未图示)，用于对变压器431的输出进行整流，三个变压器431由主电路板3的第一侧31沿着第二方向Y朝向第二侧32依序设置，三个变压器431的设置方式使得整流模块43的输出路径较短。第一滤波电容432可构成图2所示的LLC模块2c的LLC输出电容C1，其中，第一滤波电容432的数量可根据实际需求进行设置，在此并不限定。于本实施例中，谐振模块47包含谐振电容板471及第二电感模块472，其中谐振电容板471竖插在主电路板3上以与主电路板3相连接，且谐振电容板471位于第二电感模块472及EMI模块44之间。进一步地，多个谐振电容可设置于谐振电容板471上，进一步地减少了所占用的主电路板3的面积。此外，于一些实施例中，谐振电容板471的位置可依据需求进行调整，例如相邻于第一电感模块46，或相邻于功率半导体器件模块45，或相邻于变压器431。

请参阅图7，其为本案第六实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图5所示的电源装置1c，本实施例的电源装置1e的整流模块43包含三个变压器431及第一滤波电容432，其中每个变压器431处还设置有一组整流开关(未图示)，用于对变压器431的输出进行整流，三个变压器431由主电路板3的第一侧31沿着第二方向Y朝向第二侧32依序设置，三个变压器431的设置方式使得整流模块43的输出路径较短。第一滤波电容432可构成图2所示的整流模块25中的LLC模块2c的LLC输出电容C1，设置于三个变压器431及输入输出模块41之间，其中，第一滤波电容432的数量可根据实际需求进行设置，在此并不限定。且于本实施例中，谐振模块47包含谐振电容板471及第二电感模块472，谐振电容板471上具有多个谐振电容，且谐振电容板471连接于主电路板3上，其中谐振电容板471位于第二电感模块472及整流模块43之间。

请参阅图8，其为本案第七实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图7所示的电源装置1e，本实施例的电源装置1f的整流模块43更包含三组第二滤波电容433及三组整流开关434。三组第二滤波电容433及三组整流开关434分别设置于对应的变压器431及主电路板3之间。三组整流开关434可构成图2所示的LLC副边整流开关265。三组第二滤波电容433以及第一滤波电容可共同构成图2所示的LLC输出电容C1。应理解，在不考虑成本的前提下，整流模块还包括多个滤波电感(未示出)，与滤波电容构成CLC滤波电路。

于一些实施例中，电容模块可包含电容连接板及储能电容，以下依图4所示的电源装置1b进行示例说明，当然，其他实施例亦可依相似的方式进行设置。请参阅图9，其为本案第八实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图4所示的电源装置1b，本实施例的电源装置1g的电容模块42更包含两个电容连接板421及多个储能电容422。当然，在满足电路功能条件下，电容连接板421数量及储能电容422数量不受限制。本实施例中两个电容连接板421垂直插设于主电路板3上，经由主电路板3连接于母线连接板52。每一储能电容422插设于对应的电容连接板421上，且储能电容422经由电容连接板421、主电路板3及母线电路板52而与功率半导体器件模块45电性连接。由此，可进一步减少主电路板3的占用面积，优化信号的传输路径。

于一些实施例中，电容模块42与主电路板3可沿第一方向X设置。

请参阅图10，其为本案第九实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图4所示的电源装置1b，本实施例的电源装置1h的电容模块42更包含两个电容连接板421及多个储能电容422。两个电容连接板421分别竖插在母线连接板52上。每一储能电容422插设于对应的电容连接板421上，且储能电容422经由电容连接板421及母线电路板52而与功率半导体器件模块45电性连接。本实施例的储能电容422底部无需设置主电路板，从而使得电源装置1h的主电路板3的设置面积较小，减少了整体设置成本。应理解，在不考虑成本的前提下，也可以在储能电容422的位置继续设置主电路板。

请参阅图11，其为本案第十实施例的电源装置的布局方框示意图。相较于图4所示的电源装置1b，本实施例的电源装置1i的电容模块42更包含两个电容连接板421、多个储能电容422及两个导线423，两个电容连接板421分别经由对应的导线423连接于母线连接板52。每一储能电容422插设于对应的电容连接板421上，且储能电容422经由电容连接板421、导线423及母线电路板52而与功率半导体器件模块45电性连接。于另一实施例中，导线423亦可同时连接于主电路板3上。本实施例的储能电容422底部无需设置主电路板，从而使得电源装置1h的主电路板3的设置面积较小，减少了整体设置成本，且导线423的设置无需利用波峰焊焊接，提升制程的便利性。应理解，在不考虑成本的前提下，也可以在储能电容422的位置继续设置主电路板。

应理解，上述实施例可以适用风冷散热场合，也可以适用于水冷散热场合，或者风冷、水冷混合散热等其他场合，本发明对此不做限制。

请参阅图12A、图12B及图12C，其中图12A为本案第一实施例的电源系统的立体结构示意图，图12B为图12A所示的电源系统的侧视图，图12C为图12A所示的电源系统的爆炸结构示意图。如图所示，本实施例的电源系统1j为单电源结构，包含一个主电路板(第一主电路板3a)、多个第一发热元件71及水冷板6。多个第一发热元件71例如为图1所示的电容模块42、整流模块43、EMI模块44、功率半导体器件模块45、第一电感模块46及谐振模块47，设置于第一主电路板3a上。水冷板6包含多个凸台651及多个灌胶槽652。多个凸台651及多个灌胶槽652设置于水冷板6朝向第一主电路板3a的一面，且设置位置对应并贴合于第一发热元件71，以对第一发热元件71进行散热。

请参阅图13A、图13B及图13C，其中图13A为本案第二实施例的电源系统的立体结构示意图，图13B为图13A所示的电源系统的侧视图，图13C为图13A所示的电源系统的爆炸结构示意图。如图所示，本实施例的电源系统1k为双电源结构，且包含两个主电路板(第一主电路板3a及第二主电路板3b)、多个第一发热元件71、多个第二发热元件72及水冷板6。第一主电路板3a及第二主电路板3b相对设置，也即，水冷板6的两侧分别为一独立的电源。多个第一发热元件71例如为图1所示的电容模块42、整流模块43、EMI模块44、功率半导体器件模块45、第一电感模块46及谐振模块47，设置于第一主电路板3a上，多个第二发热元件72例如为图1所示的电容模块42、整流模块43、EMI模块44、功率半导体器件模块45、第一电感模块46及谐振模块47，设置于第二主电路板3b上，其中多个第一发热元件71及多个第二发热元件72位于第一主电路板3a及第二主电路板3b之间。水冷板6位于第一主电路板3a及第二主电路板3b之间，且水冷板6包含多个凸台651及多个灌胶槽652。多个凸台651及多个灌胶槽652分别设置于水冷板6的相对两侧，其中位于水冷板6及第一主电路板3a之间的多个凸台651及多个灌胶槽652的设置位置对应并贴合于第一发热元件71，以对第一发热元件71进行散热；位于水冷板6及第二主电路板3b之间的多个凸台651及多个灌胶槽652的设置位置对应并贴合于第二发热元件72，以对第二发热元件72进行散热。

综上所述，本案的电源装置的EMI模块、第一电感模块、谐振模块及功率半导体器件模块位于电容模块及整流模块之间，且将第一电感模块与谐振模块邻近功率半导体器件模块设置，使得第一电感模块与谐振模块分别与功率半导体器件模块之间的连接路径缩短，进而提升电源装置内的空间利用率，优化了信号的传输路径并有效地提升了效率。

Claims (19)

1.一种电源装置，包含：

一主电路板，包含一第一侧、一第二侧、一第三侧及一第四侧，该第一侧及该第二侧相对设置且沿一第一方向延伸，该第三侧及该第四侧相对设置且沿一第二方向延伸；

一输入输出模块，设置于该主电路板上，且相邻于该第四侧；

一电容模块，相邻于该第三侧；

一整流模块，设置于该主电路板上，位于该输入输出模块及该电容模块之间，且相邻于该输入输出模块；以及

一EMI模块、一第一电感模块、一谐振模块及一功率半导体器件模块，皆设置于该主电路板上，且位于该电容模块及该整流模块之间。

2.如权利要求1所述的电源装置，其中该EMI模块相邻于该第一侧，该功率半导体器件模块相邻于该第二侧，该第一电感模块及该谐振模块分别位于该EMI模块及该功率半导体器件模块之间，其中该第一电感模块相邻于该电容模块，该谐振模块相邻于该整流模块。

3.如权利要求1所述的电源装置，其中该EMI模块相邻于该第一侧，该功率半导体器件模块相邻于该第二侧，该第一电感模块位于该EMI模块及该功率半导体器件模块之间，且相邻于该电容模块，该谐振模块位于该EMI模块及该整流模块之间，且位于该第一电感模块及该整流模块之间。

4.如权利要求1所述的电源装置，其中该电源装置包含一输入连接板，连接于该主电路板，且位于该第一侧，其中该输入输出模块经该输入连接板将输入信号传输至该EMI模块。

5.如权利要求1所述的电源装置，其中该电源装置包含一母线连接板，连接于该主电路板，且位于该第二侧，其中该电容模块经该母线连接板连接至该功率半导体器件模块。

6.如权利要求1所述的电源装置，其中该整流模块包含至少一变压器、至少一滤波电容及多个整流开关，该至少一变压器由该第一侧沿着该第二方向朝向该第二侧依序设置。

7.如权利要求6所述的电源装置，其中该至少一滤波电容包括至少一第一滤波电容，该至少一第一滤波电容设置于该至少一变压器与该输入输出模块之间。

8.如权利要求7所述的电源装置，其中该至少一滤波电容还包括至少一第二滤波电容，该至少一第二滤波电容及该多个整流开关分别设置于对应的该变压器及该主电路板之间。

9.如权利要求1所述的电源装置，其中该谐振模块包含一谐振电容板及一第二电感模块，其中该谐振电容板上具有多个谐振电容，该谐振电容板连接于该主电路板。

10.如权利要求9所述的电源装置，其中该谐振电容板位于该第二电感模块与该EMI模块之间。

11.如权利要求9所述的电源装置，其中该谐振电容板位于第二电感模块与该整流模块之间。

12.如权利要求1所述的电源装置，其中该电容模块包含至少一电容连接板及多个储能电容，每一该储能电容插设于对应的该电容连接板上，并与该功率半导体器件模块电性连接。

13.如权利要求12所述的电源装置，其中该电容模块设置于该主电路板上，且该至少一电容连接板垂直连接于该主电路板上。

14.如权利要求12所述的电源装置，其中该至少一电容连接板连接至一母线连接板以与该功率半导体器件模块电性连接，其中该母线连接板连接于该主电路板，且位于该第二侧。

15.如权利要求12所述的电源装置，其中该电容模块包含一导线，其中该至少一电容连接板经该导线与该功率半导体器件模块电性连接。

16.如权利要求1所述的电源装置，其中该输入输出模块包括一输入端子及一输出端子，该输入端子与该EMI模块相连接，该输出端子与该整流模块相连接。

17.如权利要求1所述的电源装置，其中该第一电感模块及部分的该功率半导体器件模块构成PFC电路，该谐振模块、另外部分的该功率半导体器件模块及该整流模块构成LLC电路。

18.一种电源系统，包含：

至少一个如权利要求1所述的电源装置；以及

一水冷板，其中，该水冷板的至少一个侧面包含多个凸台以及多个灌胶槽；

其中，该水冷板包含该多个凸台以及该多个灌胶槽的该侧面贴合于该至少一个电源装置。

19.如权利要求18所述的电源系统，其中该凸台及该灌胶槽与该至少一个电源装置中的发热元件相贴合。