一种电源功率模块及其电路板组合及一种功率转换器的制作方法

本发明涉及一种电源功率模块及其电路板组合及一种功率转换器，尤其是一种可减少损耗的电源功率模块及其电路板组合及一种功率转换器。

背景技术：

随着电源设计的高功率密度化，功率器件的布局和散热设计显得越来越重要。合理的布局能有效降低各功率器件之间的连接损耗，且容易散热，进而提高电源的功率密度。

图1示出了现有的开关电源，其包括变压器1、整流电路元件2、输出电感3等，各电子元件皆设置于电路板上。变压器的初级绕组连接输入电压，次级绕组通过引脚P1与电路板相连，输出电感通过引脚P2连到电路板上。

由于次级绕组通过引脚连到电路板上，再通过电路板上的线路才能与整流电路元件连接，使得次级绕组的引线到整流电路元件之间的距离较长，从而产生较大的损耗，且会产生较大的漏感，造成额外的损耗，进而影响电源的效率以及整流电路元件的电压应力。再者，整流电路元件也通过引脚连接到电路板，再通过电路板连接到电感引脚，电感再通过电感引脚连接到电路板，中间也会产生额外的损耗。

有鉴于此，如何发展一种电源功率模块及其电路板组合及功率转换器，使得功耗降低，为目前急需解决的问题。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明的一个主要目的在于提供一种电源功率模块及其电路板组合及一种功率转换器，以降低电路阻抗，减少损耗的产生。

为达成上述目的，本发明提供一种电源功率模块，电源功率模块包括电路板组合、第一变压器磁芯组及输出电感。电路板组合包括电路板及设置于电路板的第一初级绕组、第一次级绕组及第一整流电路元件，其中，电路板上设有第一孔洞和第三孔洞，第一初级绕组设于电路板内部，第一次级绕组设于电路板的表面，第一初级绕组与第一次级绕组相对设置。输出电感包括电感磁芯组和第一电感绕组，电感磁芯组至少部分的穿过电路板上的第三孔洞与第一电感绕组耦合。其中，第一变压器磁芯组至少部分的穿过电路板上的第一孔洞，与第一初级绕组和第一次级绕组组合成第一变压器；第一次级绕组通过第一整流电路元件与输出电感耦接，第一整流电路元件分布在第一变压器与输出电感之间，且连接第一次级绕组和第一电感绕组。

本发明还提供一种电路板组合，包括电路板，电路板包括第一边、第二边、第三边和第四边，第一边与第二边及第三边交叉，第四边与第二边及第三边交叉，电路板上设置有第一初级绕组、第一次级绕组、第一整流电路元件、第一电感绕组、第一孔洞及第三孔洞，第一孔洞靠近第一边设置，第三孔洞靠近第四边设置，第一初级绕组设置于电路板内部，且第一初级绕组环绕第一孔洞，第一次级绕组设置于电路板的表面，且第一次级绕组环绕第一孔洞，第一初级绕组与第一次级绕组相对设置，第一电感绕组环绕第三孔洞，第一次级绕组通过第一整流电路元件与第一电感绕组耦接，第一整流电路元件分布在第一孔洞与第三孔洞之间，且连接第一次级绕组和第一电感绕组。

本发明还提供一种功率转换器，包括一变压器、第一整流电路元件、第二整流电路元件、耦合电感以及输出正极连接器。变压器包括第一初级绕组、第一次级绕组、第二初级绕组及第二次级绕组，第一初级绕组与第一次级绕组耦合形成第一变压器，第二初级绕组与第二次级绕组耦合形成第二变压器，且第一初级绕组与第二初级绕组串联连接以接收一输入电压；第一整流电路元件连接第一次级绕组，且第一整流电路元件的一输出端连接第一输出接地连接器；第二整流电路元件连接第二次级绕组，且第二整流电路元件的一输出端连接第二输出接地连接器；耦合电感包括第一电感绕组及第二电感绕组，第一整流电路元件的另一输出端连接第一电感绕组的一端，第二整流电路元件的另一输出端连接第二电感绕组的一端；输出正极连接器连接第一电感绕组的另一端及第二电感绕组的另一端。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：本发明的第一初级绕组和第一次级绕组均设于电路板，变压器输出的电流可直接经过整流电路元件传输至输出电感，无须经过变压器和电感的引脚，并且，通过第一整流电路元件、第一变压器及输出电感之间的特殊布局，合理优化了电性传输路径，因此，相比于现有的必须通过引脚进行电连接的功率模块相比，本发明缩短了电性传输距离，从而能够大幅降低电路阻抗，减少损耗的产生。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是现有的开关电源的示意图。

图2是本发明的一实施例的电源功率模块的分解示意图。

图3是本发明的一实施例的电路板组合的示意图。

图4A是本发明的电源功率模块的一实施例的电路图。

图4B是本发明的电源功率模块的另一实施例的电路图。

图5是本发明的一实施例的电路板组合的初级绕组和次级绕组的示意图。

图6是本发明的一实施例的电源功率模块的电子元件的布局示意图。

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发明将全面和完整，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。

本发明提供一种电源功率模块，如图2、3、4A、6所示，其包括电路板组合10、第一变压器磁芯组20及输出电感30。

电路板组合10包括电路板11及设置于电路板11的第一初级绕组12、第一次级绕组13及第一整流电路元件14，其中，电路板11为多层电路板，其上设有第一孔洞H1和第三孔洞H3。第一初级绕组12设于电路板11内部，第一次级绕组13设于电路板11的表面，第一初级绕组12与第一次级绕组13相对设置。输出电感30包括电感磁芯组31和第一电感绕组32，电感磁芯组31至少部分的穿过电路板11上的第三孔洞H3，与第一电感绕组32耦合。

其中，第一变压器磁芯组20至少部分的穿过电路板11上的第一孔洞H1，与第一初级绕组12和第一次级绕组13组合成第一变压器；第一次级绕组13通过第一整流电路元件14与输出电感30耦接，第一整流电路元件14分布在第一变压器与输出电感30之间，且连接第一次级绕组13和第一电感绕组32。

由于第一整流电路元件14分布在第一变压器与输出电感30之间，第一初级绕组12和第一次级绕组13均设于电路板11，变压器输出的电流可直接经过整流电路元件传输至输出电感30，无须经过变压器和电感的引脚及电路板上的走线，因此，通过第一整流电路元件、第一变压器及输出电感之间的特殊布局，合理优化了电性传输路径，相比于现有的必须通过引脚进行电连接的功率模块，本发明缩短了电性传输距离，从而能够大幅降低电路阻抗，减少损耗的产生。

本实施例中，电源功率模块还包括第二变压器磁芯组40，电路板组合10还包括设置于电路板11的第二整流电路元件15、第二初级绕组16(图中未示出)及第二次级绕组17，第二初级绕组16设于电路板内部，第二次级绕组17设于电路板11的表面，第二初级绕组16与第二次级绕组17相对于设置，输出电感30还包括第二电感绕组33，电感磁芯组31至少部分的穿过电路板上的第四孔洞H4，与第二电感绕组33耦合。第二变压器磁芯组40至少部分的穿过电路板11上的第二孔洞H2，与第二初级绕组16和第二次级绕组17组合成第二变压器；第二次级绕组17通过第二整流电路元件15与输出电感30耦接，第二整流电路元件33分布在第二变压器与输出电感30之间，且连接第二次级绕组17和第二电感绕组33。本实施例中，第一整流电路元件14可与第二整流电路元件15对称设置。

应当理解，变压器的数量不限于此，可根据需要改变，另外变压器也可为耦合变压器，即第一变压器磁芯组与第二变压器磁芯组耦合为一个变压器磁芯组，如图4B所示，并按照上述方式与其它电子元件电连接，皆不脱离本发明的思想。以下以具有两个变压器磁芯组的电源功率模块为例进行说明。

更近一步地，如图2、3、4A所示，第一整流电路元件14分别与第一次级绕组13和第一电感绕组32直接连接。第二整流电路元件15分别与第二次级绕组17和第二电感绕组33直接连接。电路板组合10还包括设置于电路板11的第一输出接地连接器191、第二输出接地连接器192和输出正极连接器193，第一整流电路元件14与第一输出接地连接器191连接，第二整流电路元件15与第二输出接地连接器192连接，第一电感绕组32和第二电感绕组33与输出正极连接器193连接。更进一步地，第一整流电路元件14与第一输出接地连接器191直接连接，第二整流电路元件15与第二输出接地连接器192直接连接，第一电感绕组32和第二电感绕组33与输出正极连接器193直接连接，以缩短电性传输距离，从而能够大幅降低电路阻抗，减少损耗的产生。

参照图3，本实施例中，电子元件的布局如下：

电路板11包括第一边L1、第二边L2、第三边L3和第四边L4，第一边与第二边及第三边交叉，第四边与第二边及第三边交叉，第一孔洞H1和第二孔洞H2靠近第一边L1设置，且第一孔洞H1和第二孔洞H2并排设置，即第一孔洞H1和第二孔洞H2与第一边L1之间的距离相等或第一孔洞H1与第二孔洞H2的中心线与第一边L1大致平行，第三孔洞H3和第四孔洞H4靠近第四边L4设置，且第三孔洞H3和第四孔洞H4并排设置，即第三孔洞H3和第四孔洞H4与第四边L4之间的距离相等或第三孔洞H3与第四孔洞H4的中心线与第四边L4大致平行。应当理解，上述的“距离相等”允许在一定范围内的合理偏差。第一整流电路元件14位于第一孔洞H1与第三孔洞H3之间，第二整流电路元件15位于第二孔洞H2和第四孔洞H4之间。第一输出接地连接器191位于第三孔洞H3与第二边L2之间，第二输出接地连接器192位于第四孔洞H4与第三边L3之间。输出正极连接器193位于第三孔洞H3、第四孔洞H4与第四边L4之间，且靠近第一电感绕组32和第二电感绕组33设置。更优地，第一输出接地连接器191和第二输出接地连接器192相对于输出正极连接器193对称设置。应当理解，上述的“对称设置”允许在一定范围内的合理偏差。通过上述布局可使电性传输路径尽可能缩短，从而能够大幅降低电路阻抗。

更具体地，如图4A和图6所示，第一整流电路元件14包括第一上管元件Q1、第一下管元件Q2、第二上管元件Q3及第二下管元件Q4，第一上管元件Q1和第一下管元件Q2组成一桥臂，第二上管元件Q3和第二下管元件Q4组成一桥臂。如图5所示，第一初级绕组12各层之间通过第一埋孔B1连接，第一次级绕组13分别位于电路板11的顶层和底层并通过第一通孔T1电连接，以形成第一次级绕组端和第二次级绕组端，如第一次级绕组端位于顶层，第二次级绕组端位于底层。如图5所示，第一初级绕组12的各层之间通过第一埋孔B1连接，并夹设于第一次级绕组13之间，从而能够在满足电气绝缘要求的前提下减小电路板11的面积。并且，于第一次级绕组13的位置可贴铜片，以增加通流能力。类似的，第二初级绕组16各层之间通过第二埋孔(未示出)连接，第二次级绕组17分别位于电路板11的顶层和底层并通过第二通孔(未示出)电连接，以形成第二次级绕组17的第一次级绕组端和第二次级绕组端。以下以第一次级绕组13的第一次级绕组端与第一整流电路14的第一上管元件Q1和第一下管元件Q2的连接为例说明第一整流电路元件14与第一次级绕组13直接连接。如图6所示，第一下管元件Q2包括第一下管漏极D2，第一上管元件Q1包括第一上管源极S1，第一下管漏极D2及第一上管源极S1设置于第一次级绕组13的第一次级绕组端上，且与第一次级绕组13的第一次级绕组端形成电连接。同样地，第二下管元件Q4包括第二下管漏极D4，第二上管元件Q3包括第二上管源极S3，第二下管漏极D4及第二上管源极S3设置于第一次级绕组13的第二次级绕组端上，且与第一次级绕组13的第二次级绕组端形成电连接(图中未示出)。应当理解，第一、第二上管源极、下管漏极与第一、第二次级绕组端的设置方式可包括但不限于：第一、第二上管源极、下管漏极位于第一、第二次级绕组端上并焊接于其上以形成电连接。

如图4A、6所示，第二整流电路元件15包括第三上管元件Q5、第三下管元件Q6、第四上管元件Q7及第四下管元件Q8，第三上管元件Q5和第三下管元件Q6组成一桥臂，第四上管元件Q7和第四下管元件Q8组成一桥臂，第二次级绕组17包括第一次级绕组端和第二次级绕组端，第三上管元件Q5包括第三上管源极S5，第三下管元件Q6包括第三下管漏极D6，第三上管源极S5及第三下管漏极D6设置于第二次级绕组的第一次级绕组端上，且与第二次级绕组的第一次级绕组端形成电连接。同样地，第四上管元件Q7包括第四上管源极S7，第四下管元件Q8包括第四下管漏极D8，第四上管源极S7及第四下管漏极D8设置于第二次级绕组的第二次级绕组端上，且与第二次级绕组的第二次级绕组端形成电连接(图中未示出)。

另如图6所示，第一下管元件Q2包括第一下管源极S2，第二下管元件Q4包括第二下管源极S4，第一下管源极S2及第二下管源极S4设置于第一接地连接器191上，并与第一接地连接器形成电连接，第三下管元件Q6包括第三下管源极S6，第四下管元件Q8包括第四下管源极S8，第三下管源极S6及第四下管源极S8设置于第二接地连接器192上，并与第二接地连接器形成电连接。

第一电感绕组32包括第一电感绕组端和第二电感绕组端，第一上管元件Q1包括第一上管漏极D1，第二上管元件Q3包括第二上管漏极D3，第一上管漏极D1及第二上管漏极D3设置于第一电感绕组32的第一电感绕组端上，且与第一电感绕组的第一电感绕组端形成电连接，第二电感绕组33包括第三电感绕组端和第四电感绕组端，第三上管元件Q5包括第三上管漏极D5，第四上管元件Q7包括第四上管漏极D7，第三上管漏极D5及第四上管漏极D7设置于第二电感绕组的第三电感绕组端上，且与第二电感绕组的第三电感绕组端形成电连接。另，第一电感绕组32的第二电感绕组端及第二电感绕组33的第四电感绕组端设置于输出正极连接器193上，且与输出正极连接器193形成电连接。

电路板组合10还包括设置于电路板11的第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，第一滤波电容C1位于输出正极连接器193与第二边L2之间，且第一滤波电容C1电连接于第一输出接地连接器191与输出正极连接器193之间，第二滤波电容C2位于输出正极连接器193与第三边L3之间，且第二滤波电容C2电连接于第二输出接地连接器192与输出正极连接器193之间。通过如上的设置实现第一整流电路元件14分别与第一次级绕组13和第一电感绕组32直接连接。第二整流电路元件15分别与第二次级绕组17和第二电感绕组33直接连接。第一整流电路元件14与第一输出接地连接器191直接连接，第二整流电路元件15与第二输出接地连接器192直接连接。第一电感绕组32和第二电感绕组33与输出正极连接器193直接连接，以缩短电性传输距离，从而能够大幅降低电路阻抗，减少损耗的产生。

本实施例中，第一变压器磁芯组20及第二变压器磁芯组40可为E型磁芯组。应当理解，第一变压器磁芯组20的类型、初次级绕组的位置、形状不限于此，可根据需要选择磁芯组，并改变初次级绕组的布局以与磁芯组配合，任意能够形成变压器的结构均包含于本发明的保护范围内。本实施例中，电感磁芯组31为U型磁芯组。电感磁芯组31可通过第三孔洞H3和第四孔洞H4与电路板11组合，并与电路板11上的第一电感绕组32和第二电感绕组33组合成滤波电感。

本实施例中，如图3所示，电路板组合10包括电路板11，以及设置在的其上的第一初级绕组12(未在图3中示出)、第一次级绕组13、第一整流电路14，第一电感绕组32、第一孔洞H1及第三孔洞H3，第一初级绕组12设置于电路板11内部，且第一初级绕组12环绕第一孔洞H1，第一次级绕组13设置于电路板11的表面，且第一次级绕组13环绕第一孔洞H1，第一电感绕组32环绕第三孔洞H3。

本实施例中，如图3所示，电路板11上还包括第二初级绕组16(未在图3中示出)、第二次级绕组17、第二整流电路15，第二电感绕组33、第二孔洞H2及第四孔洞H4，第二孔洞H2靠近第一边L1设置，第四孔洞H4靠近第四边L4设置，第二初级绕组16设置于电路板11内部，且第二初级绕组16环绕第二孔洞H2，第二次级绕组17设置于电路板11的表面，且第二次级绕组17环绕第二孔洞H2，第二电感绕组33环绕第四孔洞H4。本实施例中，第一孔洞H1和第二孔洞H2并排设置，且第三孔洞H3和第四孔洞H4并排设置。

本实施例中，如图3所示，电路板11上还包括第一滤波电容C1，第二滤波电容C2，第一输出接地连接器191，第二输出接地连接器192和输出正极连接器193。

本发明提供的电路板组合的电路板的特征及其上各器件的位置及连接关系与本发明提供的电源功率模块的电路板的特征及其上各器件的位置及连接关系相同，在此不再累述。

应当理解，本实施例上述的电子元件仅为示例，可根据需要设置任意电子元件，以实现相应功能。电子元件的数量也不限于此，例如，可改变滤波电容、整流电路元件的数量。另外，说明书附图所示的电子元件的布局仅为示例性说明。本领域技术人员根据本发明的实施例进行的任意变形皆包含于本发明的保护范围内。

另外，本实施例中，如图2所示，电源功率模块包括散热底座50，其设于电路板组合10的一侧，并可以使得电路板组合10上的功率器件的热量直接传到散热底座，再通过散热底座50下的水道或风道散热，提高电源的功率密度。

本发明还提供采用上述布局方式的功率转换器，如图4A所示，功率转换器包括变压器，变压器包括第一初级绕组12、第一次级绕组13、第二初级绕组16及第二次级绕组17，第一初级绕组12与第一次级绕组13耦合形成第一变压器，第二初级绕组16与第二次级绕组17耦合形成第二变压器，且第一初级绕组12与第二初级绕组16串联连接以接收一输入电压，第一整流电路元件14连接第一次级绕组13，且第一整流电路元件14的一输出端连接第一输出接地连接器191，第二整流电路元件15连接第二次级绕组17，第二整流电路元件15的一输出端连接第二输出接地连接器192，耦合电感包括第一电感绕组32及第二电感绕组33，第一整流电路元件14的另一输出端连接第一电感绕组32的一端，第二整流电路元件15的另一输出端连接第二电感绕组33的一端，输出正极连接器193连接第一电感绕组32的另一端及第二电感绕组33的另一端。一实施例中，如图4A所示，变压器包括第一磁芯及第二磁芯，第一初级绕组12及第一次级绕组13绕设与第一磁芯上以形成第一变压器，第二初级绕组16及第二次级绕17组绕设与第二磁芯上以形成第二变压器。一实施例中，如图4B所示，第一变压器和第二变压器共用一磁芯，第一初级绕组12、第一次级绕组13、第二初级绕组16及第二次级绕组17绕设与同一磁芯上以形成第一变压器及第二变压器。如图4A和4B所示第一整流电路元件及第二整流电路元件为全桥整流电路。

综上所述，本发明的第一整流电路元件分布在第一变压器与输出电感之间，第一初级绕组和第一次级绕组均设于电路板，变压器输出的电流可直接经过整流电路元件传输至输出电感，无须经过变压器和电感的引脚及电路板上的走线，因此，通过第一整流电路元件、第一变压器及输出电感之间的特殊布局，合理优化了电性传输路径，相比于现有的必须通过引脚进行电连接的功率模块相比，本发明缩短了电性传输距离，从而能够大幅降低电路阻抗，减少损耗的产生。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。