CN103051188B - 一种隔离直流电源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔离直流电源模块，属于电力电子领域。所述电源模块包括变压器、用于转换电压的功率回路、与所述功率回路连接的用于控制电压转换的控制回路、以及承载所述变压器、所述功率回路和所述控制回路的电路板组，所述电路板组包括第一电路板和与所述第一电路板固定连接的第二电路板；所述控制回路设在所述第一电路板的第一板面上；所述功率回路设在所述第二电路板的第一板面上；所述第二电路板为陶瓷覆铜板。本发明通过将电源模块的功率回路贴装至陶瓷覆铜板上；陶瓷覆铜板能够将功率回路工作时产生的热量迅速传导；避免电源模块过热而影响工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种隔离直流电源模块。
背景技术
电源模块是可以直接贴装在PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）上的电源供应器。按照功能的不同，电源模块可分为DC/DC（Direct Current to DirectCurrent，直流电转直流电）电源模块和AC/DC（Alternating Current to DirectCurrent，交流电转直流电）电源模块。
其中，DC/DC电源模块用于将一种直流电压转换成另一种直流电压，又可分为隔离直流电源模块（又称为隔离直流电源转换装置或隔离DC/DC电源模块）和非隔离直流电源模块。隔离直流电源模块主要由隔离变压器构成。隔离变压器的原边将直流电转换成交流电，隔离变压器的副边将交流电整流成直流电并输出给用电设备。进一步地，原、副边的核心器件为功率MOSFET（Metallic OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）。功率MOSFET为功率器件，在工作过程中会产生大量的热量，散热不充分将会导致电源模块不能正常工作。现有隔离直流电源模块的各组成器件通常贴装于PCB上，主要通过PCB散热。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
PCB组成材料的导热系数小，使得隔离直流电源模块的功率器件到PCB的热阻较大，功率器件产生的热量无法高效导出，进而影响隔离直流电源模块的性能。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种隔离直流电源模块。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种隔离直流电源模块，所述电源模块包括变压器、用于转换电压的功率回路、与所述功率回路连接的用于控制电压转换的控制回路、以及承载所述变压器、所述功率回路和所述控制回路的电路板组，所述电路板组包括第一电路板和与所述第一电路板固定连接的第二电路板；所述控制回路设在所述第一电路板的第一板面上；所述功率回路设在所述第二电路板的第一板面上；所述第二电路板为陶瓷覆铜板。
其中，所述第一电路板和所述第二电路板的第一板面上分别设有铜线路；所述功率回路包括若干金属氧化物半导体场效应晶体管芯片和控制器芯片；各所述金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的底面分别固定在所述第二电路板的第一板面的铜线路上；所述电源模块还包括第一铜片和第一引线；各所述金属氧化物半导体场效应晶体管芯片顶面的电极通过所述第一铜片与所述第二电路板的第一板面的铜线路连接；所述控制器芯片通过所述第一引线分别与所述金属氧化物半导体场效应晶体管芯片和所述第二电路板的一面的铜线路连接。
其中，所述第二电路板的第一板面与所述第一电路板的第一板面位于同一个平面；所述电源模块还包括若干第二引线和/或第二铜片；所述功率回路通过所述第二引线和/或第二铜片与所述控制回路连接；所述变压器设在所述第二电路板的第一板面上。
可选地，所述第一电路板为印刷电路板。
优选地，所述印刷电路板内嵌有金属块，所述第二电路板固定在所述金属块上。
优选地，所述第一电路板为金属衬底电路板，所述金属衬底电路板包括金属衬底、依次覆盖在所述金属衬底上的粘接层和电路层；所述金属衬底电路板上开设有凹槽，所述凹槽从所述电路层延伸至所述金属衬底；所述第二电路板固定在所述凹槽中。
可选地，所述第二电路板的第二板面上设有引脚，所述第二电路板通过所述引脚固定在所述第一电路板的第一板面上，所述功率回路通过所述引脚与所述控制回路电路连接。
可选地，所述变压器设在所述第一电路板的第一板面上，所述功率回路包括所述变压器原边的电路和所述变压器副边的电路；所述电路板组包括两个所述第二电路板和一个所述第一电路板；所述变压器原边的电路设在其中一个所述第二电路板上；所述变压器副边的电路设在另一个所述第二电路板上；两个所述第二电路板位于所述变压器的相对的两侧。
优选地，所述电源模块还包括灌封外壳；所述灌封外壳设在所述第二电路板上，并与所述第二电路板密封形成灌封腔体，所述功率回路灌封在所述灌封腔体中。
优选地，所述电源模块还包括设于所述第二电路板的第二板面上的散热器。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：由于陶瓷覆铜板具有铜制成的电路层和陶瓷制成的绝缘层，导热系数高；将电源模块的功率回路贴装至陶瓷覆铜板上，陶瓷覆铜板能够将功率回路工作时产生的热量迅速传导；有效降低了功率回路中功率元器件的结温，避免电源模块过热而影响工作效率，从而可以进一步提升电源模块的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种隔离直流电源模块的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种隔离直流电源模块的侧视结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种隔离直流电源模块的俯视结构示意图图；
图4是本发明实施例二提供的设有功率回路的第二电路板的俯视结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的陶瓷覆铜板的层结构示意图；
图6是本发明实施例二提供的第一电路板与第二电路板之间的位置关系的示意图；
图7是本发明实施例三提供的第一电路板的层结构示意图；
图8是本发明实施例三提供的第一电路板与第二电路板之间的位置关系的示意图；
图9是本发明实施例四提供的一种隔离直流电源模块的结构示意图；
图10是本发明实施例四提供的第二电路板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了便于理解本发明描述的技术方案，首先对隔离直流电源模块进行介绍。隔离直流电源模块一般由变压器、负责电压转换的功率回路、负责监控和控制功率回路的控制回路、以及承载变压器、功率回路和控制回路的电路板组成。在本发明实施例中，承载是指，变压器、功率回路和控制回路机械固定在电路板上，并通过其上的铜线路实现部分电路连接。其中，功率回路包括隔离变压器原边的全桥或半桥电路、以及隔离变压器副边的整流电路。全桥或半桥电路、整流电路的主要元器件为功率MOSFET芯片及驱动器、控制器等半导体芯片。控制回路包括用于控制输入/输出端的功率MOSFET芯片的开关、电感等无源元器件。
实施例一
本发明实施例提供了一种隔离直流电源模块，参见图1，该电源模块包括变压器11、用于转换电压的功率回路12、与功率回路12连接的用于控制电压转换的控制回路13、以及承载变压器11、功率回路12和控制回路13的电路板组14。
其中，该电路板组14包括第一电路板15和与第一电路板15固定连接的第二电路板16。控制回路13设在第一电路板15的第一板面上。功率回路12设在第二电路板16的第一板面上。第二电路板16为DBC（Direct Bonded Copper，陶瓷覆铜）板。
本实施例提供的上述电源模块带来的有益效果是：本发明实施例将电源模块的功率回路安装在DBC板上；由于DBC板具有铜制成的电路层和陶瓷制成的绝缘层，导热系数高；所以DBC板能够将功率回路工作时产生的热量迅速传导；有效降低了功率回路中功率元器件的结温，避免电源模块过热而影响工作效率，从而可以进一步提升电源模块的功率密度。
实施例二
本发明实施例提供了一种隔离直流电源模块，参见图2～图3，该电源模块包括变压器21、用于转换电压的功率回路22、与功率回路22连接的用于控制电压转换的控制回路23、以及承载变压器21、功率回路22和控制回路23的电路板组24。
其中，该电路板组24包括第一电路板25和与第一电路板25固定连接的第二电路板26。控制回路23设在第一电路板25的第一板面上。功率回路22设在第二电路板26的第一板面上。第二电路板26为DBC板。
其中，第一电路板25和第二电路板26的第一板面上分别设有铜线路（图中未示出）。参见图4，功率回路22包括若干功率MOSFET芯片22a和控制器芯片22b。各功率MOSFET芯片22a的底面分别固定（焊接或烧结）在第二电路板26的第一板面的铜线路上。该电源模块还包括第一铜片27和第一引线28，各功率MOSFET芯片22a顶面的电极通过第一铜片27与第二电路板26的第一板面的铜线路连接，控制器芯片22b通过第一引线28分别与功率MOSFET芯片22a和第二电路板26的第一板面的铜线路连接。具体地，功率回路22的组成元器件在组装到第二电路板26上之前，可以经过塑封。
具体地，可通过铜片焊接技术，使第一铜片27连接功率MOSFET芯片22a顶面的电极和第二电路板26上的铜线路；可通过引线键合技术，使第一引线28连接控制器芯片22b与功率MOSFET芯片22a、以及控制器芯片22b和第二电路板26上的铜线路的电路。引线键合技术和铜片焊接技术均为本领域熟知技术，在此不再详述。
具体地，DBC板可以通过现有DBC电路板制作技术制作。参见图5，DBC板包括绝缘层26a、以及分别布置在绝缘层26a两面的DBC电路层26b。绝缘层26a由陶瓷制成。DBC电路层26b由铜制成，能够和半导体芯片或其他金属基座焊接或烧结。DBC电路层26b包括若干铜线路，用于为贴装在DBC板的电路层26b上元器件提供电气连接。此为本领域熟知技术，在此不再详述。正因为DBC板具有铜-陶瓷-铜这样的三明治结构，铜和陶瓷都具有比PCB高得多的导热系数，其导热能力远远强于PCB。所以，功率回路22贴装在DBC板上时，散热效果良好。
进一步地，如图6所示，在本实施例中，第一电路板25为PCB，且该PCB内嵌有金属块211。第二电路板26固定在该金属块211上。在具体实现中，可采用现有的PCB金属块嵌入技术，预先将金属块211嵌入到两个第一电路板25之间，然后再将第二电路板26布置到金属块211上。
在本实施例中，变压器21设在第二电路板26的第一板面上，第二电路板26的第一板面与第一电路板25的第一板面位于同一个平面。电源模块还包括若干第二引线29和/或第二铜片210。功率回路22通过第二引线29和/或第二铜片210与控制回路23连接。具体地，功率回路22和控制回路23上预留对应的用于焊接的焊端，可通过引线键合技术，使第二引线29连接功率回路22和控制回路23；还可通过铜片焊接技术，使第二铜片210连接功率回路22和控制回路23。引线键合技术和铜片焊接技术均为本领域熟知技术，在此不再详述。
更进一步地，再次参见图3和图4，控制回路23分布在第二电路板26的相对两侧，并从第二电路板26两侧与功率回路22电路连接，这种布置可以优化电路连接；另外，第一电路板25的第一板面的相对两侧边设有用于与外部电路连接的引脚，便于电源模块与用电设备的电路连接。
优选地，该电源模块还包括灌封外壳（图中未示出）。灌封外壳设在第二电路板26上，并与第二电路板26密封形成灌封腔体，功率回路22灌封在该灌封腔体中，以保护功率回路22中的元器件。
优选地，该电源模块还可以包括设在第二电路板26的第二板面上的散热器（图中未示出）。
需要说明的是，本实施例并不限制电路板组24中第一电路板25的数量。该电路板组24可包括一个第一电路板25，也可包括两个及以上数量的第一电路板25。当电路板组24包括一个第二电路板26和两个第一电路板25时，可在第二电路板26的两侧（相邻两侧或相对两侧，优选为相对两侧）布置第一电路板25。另外，在本实施例中，第一电路板25为PCB，然而，在其它实施例中，第一电路板25也可以为DBC板，这时，第二电路板26和第一电路板25可为同一块DBC板。
本实施例提供的上述电源模块带来的有益效果是：本发明实施例将电源模块的功率回路安装在DBC板上；由于DBC板具有铜制成的电路层和陶瓷制成的绝缘层，导热系数高；所以DBC板能够将功率回路工作时产生的热量迅速传导；有效降低了功率回路中功率元器件的结温，避免电源模块过热而影响工作效率，从而可以进一步提升电源模块的功率密度。
实施例三
本发明实施例提供了一种隔离直流电源模块，该电源模块的结构与实施例二的电源模块的结构基本相同，不同之处在于，本实施例的第一电路板为金属衬底电路板。参见图7，该金属衬底电路板包括金属衬底35a、依次覆盖在金属衬底35a上的粘接层35b和电路层35c。结合图8，该金属衬底电路板上开设有凹槽，该凹槽从电路层35c延伸至金属衬底35a。第二电路板36固定在该凹槽中。
本实施例提供的上述电源模块带来的有益效果是：本发明实施例将电源模块的功率回路安装在DBC板上；由于DBC板具有铜制成的电路层和陶瓷制成的绝缘层，导热系数高；所以DBC板能够将功率回路工作时产生的热量迅速传导；有效降低了功率回路中功率元器件的结温，避免电源模块过热而影响工作效率，从而可以进一步提升电源模块的功率密度。
实施例四
本发明实施例提供了一种隔离直流电源模块，参见图9，该电源模块包括变压器41、用于转换电压的功率回路42、与功率回路42连接的用于控制电压转换的控制回路43、以及承载变压器41、功率回路42和控制回路43的电路板组44。
其中，该电路板组44包括第一电路板45和与第一电路板45固定连接的第二电路板46。控制回路43设在第一电路板45的第一板面上。功率回路42设在第二电路板46的第一板面上。第二电路板46为DBC板。
其中，参见图10，第二电路板46的第二板面上设有引脚412。第二电路板46通过该引脚412固定在第一电路板45的第一板面上。功率回路42通过该引脚412与控制回路43电路连接。在实际应用中，第二电路板46和第一电路板45上预留有引出该引脚412的焊端。
优选地，在本实施例中，变压器41设在第一电路板45的第一板面上，电路板组44包括两个第二电路板46和一个第一电路板45。由于功率回路42包括变压器41原边的电路和变压器41副边的电路。因此，变压器41原边的电路设在其中一个第二电路板46上；变压器41副边的电路设在另一个第二电路板46上。两个第二电路板46、位于变压器41的相对的两侧。
需要说明的是，本实施例不限定电路板组44中第二电路板46的数量，在其它实施例中，该电路板组44可包括一个第二电路板46，也可包括两个及以上数量的第二电路板46。
本实施例提供的上述电源模块带来的有益效果是：本发明实施例将电源模块的功率回路安装在DBC板上；由于DBC板具有铜制成的电路层和陶瓷制成的绝缘层，导热系数高；所以DBC板能够将功率回路工作时产生的热量迅速传导；有效降低了功率回路中功率元器件的结温，避免电源模块过热而影响工作效率，从而可以进一步提升电源模块的功率密度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种隔离直流电源模块，所述电源模块包括变压器、用于转换电压的功率回路、与所述功率回路连接的用于控制电压转换的控制回路、以及承载所述变压器、所述功率回路和所述控制回路的电路板组，其特征在于，
所述电路板组包括第一电路板和与所述第一电路板固定连接的第二电路板；所述控制回路设在所述第一电路板的第一板面上；所述功率回路设在所述第二电路板的第一板面上；所述第二电路板为陶瓷覆铜板；
所述第二电路板的第二板面上设有引脚，所述第二电路板通过所述引脚固定在所述第一电路板的第一板面上，所述功率回路通过所述引脚与所述控制回路电路连接；
所述变压器设在所述第一电路板的第一板面上，所述功率回路包括所述变压器原边的电路和所述变压器副边的电路；所述电路板组包括两个所述第二电路板和一个所述第一电路板；所述变压器原边的电路设在其中一个所述第二电路板上；所述变压器副边的电路设在另一个所述第二电路板上；两个所述第二电路板位于所述变压器的相对的两侧。
2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述第一电路板和所述第二电路板的第一板面上分别设有铜线路；所述功率回路包括若干金属氧化物半导体场效应晶体管芯片和控制器芯片；各所述金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的底面分别固定在所述第二电路板的第一板面的铜线路上；所述电源模块还包括第一铜片和第一引线；各所述金属氧化物半导体场效应晶体管芯片顶面的电极通过所述第一铜片与所述第二电路板的第一板面的铜线路连接；所述控制器芯片通过所述第一引线分别与所述金属氧化物半导体场效应晶体管芯片和所述第二电路板的一面的铜线路连接。
3.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述第二电路板的第一板面与所述第一电路板的第一板面位于同一个平面；所述电源模块还包括若干第二引线和/或第二铜片；所述功率回路通过所述第二引线和/或第二铜片与所述控制回路连接；所述变压器设在所述第二电路板的第一板面上。
4.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述第一电路板为印刷电路板。
5.根据权利要求4所述的电源模块，其特征在于，所述印刷电路板内嵌有金属块，所述第二电路板固定在所述金属块上。
6.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述第一电路板为金属衬底电路板，所述金属衬底电路板包括金属衬底、依次覆盖在所述金属衬底上的粘接层和电路层；所述金属衬底电路板上开设有凹槽，所述凹槽从所述电路层延伸至所述金属衬底；所述第二电路板固定在所述凹槽中。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括灌封外壳；所述灌封外壳设在所述第二电路板上，并与所述第二电路板密封形成灌封腔体，所述功率回路灌封在所述灌封腔体中。
8.根据权利要求1-6任一项所述的电源模块，其特征在于，所述电源模块还包括设于所述第二电路板的第二板面上的散热器。
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Citations (3)
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| US5747875A (en) * | 1993-09-08 | 1998-05-05 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor power module with high speed operation and miniaturization |
| CN1685595A (zh) * | 2003-08-29 | 2005-10-19 | 松下电器产业株式会社 | 功率变换模块器件及使用其的电源装置 |
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