一种高功率密度电源模块的集中器的制作方法

本发明涉及一种集中器，特别是涉及一种高功率密度电源模块的集中器。

背景技术：

传统开关电源模块目前在我国的工业、通讯和制造业领域占据着主导地位。随着各类应用要求的不断提高，行业越来越趋向于追求高能效、高可靠性、高功率密度的设计方案。电力电子设备的发展方向之一是小型化，降低其体积、重量，提高功率密度。例如，随着微处理器大规模集成电路（vlsi）尺寸的不断减小，而供电电源的尺寸与微处理器相比却要大得多。因此，采取高功率密度电源模块将成为未来发展的主流方向。

市场上现有集中器使用的电源模块大多是传统开关电源，相比传统开关电源，高功率密度电源有体积、重量小，高效率，高功率密度，低成本等优势。但是由于空间结构的问题：散热平衡，emi，效率处理的难度有所加大，这些也正是高功率密度电源的技术难点，本文将会就上述说明展开简要的叙述分析，介绍该发明的技术方案。

如图1所示，传统集中器开关电源采用单级拓扑结构，即市电进入电源模块变压线圈电路，经转换后直接输出所需12v和5v直流电压。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高功率密度电源模块的集中器，本发明集中器用高功率密度电源模块所有电路设计中，使用的mosfet都经过完整计算出电路损耗及工作温度，确保设计的电源能工作在可靠的工作温度范围，达到最佳的能效。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高功率密度电源模块的集中器，其特征在于，所述集中器包括高功率密度电源模块，高功率密度电源模块采用两级式ibc的电路架构，前级采用非隔离式变换器，后级采用隔离式llc谐振变换器。通过两级拓扑电路转换出12v和5v直流电压，且高功率密度电源模块配有备份电池组；备份电池组并联在48v母线上，电池组与市电输入系统为并联关系；ibc的工作电压范围为36v~75v；ac/dc变换器和dc/dc变换器采用小封装pcb板型高功率电源模块，前级拓扑电路是四开关buck-boost变换器电路，后级拓扑是隔离式llc谐振变换器电路；四开关buck-boost变换器电路与隔离式llc谐振变换器电路相互串联，其他电源模块与ibc结构中的两模块相互连接。

所述的一种高功率密度电源模块的集中器，所述高功率密度电源模块包括反馈信号控制模块，高功率密度电源模块所有电路中使用的电感符合下面公式要求，假定电流纹波为电感平均电流的30%，然后根据下面的公式直接计算出合适的电感值：

所述的一种高功率密度电源模块的集中器，所述高功率密度电源模块电路设计中使用的电容满足以下两个要素：一是稳态下输出电压纹波的要求，二是当负载从满载到空载突变时所允许的最大输出过冲电压。

附图说明

图1是传统集中器电源模块结构图；

图2是高功率密度集中器电源模块结构图；

图3是本发明的高功率密度电源模块实施例逻辑框图；

图4是本发明的四开关buck-boost变换器电路图；

图5是本发明的llc谐振变换器电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明中的高功率密度电源模块采用两级式ibc(中间母线变换器，以下简称ibc)的电路架构，前级采用非隔离式变换器，后级采用隔离式llc谐振变换器。通过两级拓扑电路转换出12v和5v直流电压，且高功率密度电源模块配有备份电池组。

备份电池组并联在48v母线上，用于保证系统的不间断供电。市电正常时，由市电向负载供电；当市电中断时，则由电池组向负载供电。考虑到电池的充放电状态，并满足全球通用的要求，ibc的工作电压范围为36v~75v。

由于输入电压范围宽窄对变换器效率影响很大，输入范围越宽，变换器优化设计越困难，效率越低。为此，本发明采用两级式ibc的电路架构，前级采用非隔离式变换器，后级采用隔离式llc谐振变换器。

为了保证ibc在额定输入时效率最高，本发明提出前级非隔离式变换器的输出电压值应设定在其额定输入电压点或附近范围，这样该变换器需要具备升、降压功能。在对基本变换器的能量传递方式进行分析的基础上，指出直接功率比重越大，变换器的效率越高，由此推导出前级拓扑电路采用四开关buck-boost变换器，其优点是器件电压应力低，结构简单，且具有直接功率传递通路。采用合理的控制方式将可以提高直接功率比重，以提高效率。

本发明高功率密度电源模块中，市电输入到ac/dc变换器模块，转换出48v母线，再经由前级拓扑电路提供一个稳定小范围的直流电压输入到后级拓扑电路中。最后通过后级拓扑电路输出几路稳定直流电压供给集中器使用。

本发明高功率密度电源模块中，所描述的电池组与市电输入系统为并联关系。

本发明高功率密度电源模块中，所描述两级式ibc控制方式为反馈后级调节后级。

本发明高功率密度电源模块中，所描述的ac/dc变换器和dc/dc变换器都采用小封装pcb板型高功率电源模块，前级拓扑电路是四开关buck-boost变换器电路，后级拓扑是隔离式llc谐振变换器电路。所述四开关buck-boost变换器电路与隔离式llc谐振变换器电路相互串联，其他电源模块与ibc结构中的两模块相互连接。

本发明高功率密度电源模块中，高功率密度电源模块包括所述反馈信号控制模块，所述反馈信号控制模块用于给后级拓扑电路提供反馈控制信号。

本发明高功率密度电源模块中，所有电路设计中使用的电感符合下面公式要求。通常可假定电流纹波为电感平均电流的30%，然后根据下面的公式直接计算出合适的电感值。

本发明高功率密度电源模块中，所有电路设计中使用的电容满足以下两个要素：一是稳态下输出电压纹波的要求，二是当负载从满载到空载突变时所允许的最大输出过冲电压。所以所选电容有较小等效串联电阻（esr）的电容，以便降低交流损耗和输出纹波，或有较小等效串联电感（esl）的电容，以便在负载突变时抑制输出偏差。

本发明高功率密度电源模块所有电路设计中使用的mosfet都经过完整计算出电路损耗及工作温度，确保设计的电源能工作在可靠的工作温度范围，达到最佳的能效。

本发明所选用的元器件都在满足上述性能描述的前提下，对比成本，选用性价比最高的元器件。

高功率密度电源模块实施例逻辑框图如图2所示：

本发明高功率密度电源模块包快ac/dc变换器、电池组、非隔离式变换器、llc谐振变换器、反馈控制模块、2次dc/dc变换器。其中所述的非隔离式变换器与llc谐振变换器相互串联，ac/dc变换器与电池组相互并联并与非隔离式变换器连接，反馈控制模块、2次dc/dc变换器与llc谐振变换器相互连接。

高功率密度电源模块整体工作流程是，市电或电池组经ac/dc变换器转出48v母线电压，作为四开关buck-boost变换器的输入电压，非隔离式变换器输出电压进入llc谐振变换器，再由谐振变换器输出12v母线电压，供集中器使用，12v母线电压经dc/dc变换器在转出5v电压，供集中器使用。

四开关buck-boost变换器和llc谐振变换器组成ibc结构，该结构是本发明中高功率密度电源模块的核心所在，现重点介绍ibc结构实施流程。

基本的非隔离型dc/dc变换拓扑最常用的有三种，即buck、boost、buck-boost，选用buck-boost结构做为前级拓扑电路是因为，buck-boost变换器由于不存在直接功率通路，功率传递完全通过储能电感实现功率传输，其直接功率比重恒为0，比buck变换器或boost变换器都要小，效率是三种中最高的。

针对ibc在48v时工作的高效率需求，预调节器的输出电压应在48v附近，而作为后置调节器的隔离拓扑可以通过选择变压器匝比，以获得最优化的变换效率。由于48v处于ibc输入范围之内，这就意味着预调节器同时具备升、降压的功能，并且在拓扑中存在直接功率通路，以保证变换器的高效率。

四开关buck-boost变换器电路图如图3所示：

由于四开关buck-boost变换器由buck与boost级联并简化而成,为了便于说明，这里将其分成两个部分：

的占空比，则图3中a、b两点的平均电压分别为：

稳态工作时，在两只主控管开关的周期的公倍数时间段内，电感上的伏秒面积为零，即其两端电压的平均值相等，也就是，所以可以推出四开关buck-boost变换器输入和输出电压的关系为：

公式4表明是和的函数，而和可以分别控制。不同组合的可以实现升压或降压。从图3可以看出，四开关buck-boost变换器存在直接功率通道，也就存在降低器件应力和提高效率的可能性。

在高功率密度电源模块中，后级拓扑电路采用llc谐振变换器是因为与传统谐振变换器比较有以下优点：

（1）负载从满负载到零负载变化时，都能实现零电压开关（zvs），器件的开通损耗较小；

（2）器件的关断电流能控制在较小值，进而减小器件关断损耗；

（3）副边二极管可实现零电流开关（zcs），不存在反向恢复的问题，电磁干扰（emi）小；

（4）在输入电压变化范围较大时，仍能实现输出电压的稳定调节。

基于上述说明可以看出llc谐振变换器有实现软开关技术，工作频率更高，电磁干扰更小的显著优势。

llc谐振变换器电路图如图4所示：

llc谐振变换器电路设计依据前级电路输入电压、额定输出电压、额定输出功率、谐振频率、最大工作频率，选取适当的元器件。

在高功率密度电源模块中，前级拓扑电路输出电压首先进入llc谐振变换器开关网络，经mos管转出电压流经谐振网络，最后通过变压器、整流桥及滤波电路输出到负载。通过数据计算和仿真可以知道，图4中的关断电流是一样的。也就是说，的关断损耗是相等的，不受输出功率的限制。另外，变压器原边的可以实现zvs,变压器副边的可以实现zcs，因此，llc谐振变换器可以设计成大功率变换器，而不会降低变换效率。

本发明是设计一种适用于集中器的高功率密度电源模块，通过实施例加以说明，在工作效率、工作消耗、电磁干扰、可靠性等多个方面证实了高功率密度电源模块的优势，发明这种电源模块可以提升集中器的工作性能。在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此本发明不止局限于集中器，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。