一种功率变换的装置、方法以及电源设备

技术领域

本申请涉及电源设备领域，并且更具体地，涉及一种功率变换的装置、方法以及电源设备。

背景技术

直流电转直流电(direct current-direct current，DC-DC)功率变换器在网络和互联网技术(internet technology，IT)产品中作为隔离稳压电源，将机房电源电压转换成负载(例如，单板、风扇、芯片等)需要的电压，输入电压范围在40伏特(volt，V)至72V，输出电压为53.5V(或12V)，增益范围(0.74至1.41)较宽。由于单级DC-DC功率变换在宽增益范围条件下设计困难，转换效率难以提高。

因此，亟需一种功率变换的装置和方法，有助于提高功率变换的效率。

发明内容

本申请提供一种功率变换的装置、方法以及电源设备，有助于提高功率变换的效率。

第一方面，提供了一种功率变换的装置，包括输入端口，用于接收来自供电电源的直流输入电压V

根据本申请所揭示的装置，控制模块通过输入电压和输出电压控制功率变换模块对输入电压进行功率转换，得到调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，功率变换模块包括原边开关电路、谐振电路、变压器和副边开关电路。原边开关电路用于将直流输入电压V

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，原边开关电路包括原边开关管S1、S2、S3、S4，副边开关电路包括副边开关管Q1、Q2、Q3、Q4，控制模块具体包括移相角控制模块、比较模块、补偿模块、频率控制模块和脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)模块。其中：移相角控制模块用于根据直流输入电压V

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，控制模块还包括计算模块，计算模块用于根据功率变换模块的电路参数确定自适应寻优参数。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，上述装置还包括采样模块，采样模块用于获取直流输入电压V

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，原边开关电路或者副边开关电路与采样模块不共地。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，控制模块包括数字信号处理器(digital signal processing，DSP)、复杂可编程逻辑器件(complex programmable logicdevice，CPLD)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)、中央处理器(central processing unit，CPU)或者微控制单元(microcontroller unit，MCU)中的至少一种。

第二方面，提供了一种功率变换的方法，由第一方面的功率变换的装置执行。该方法包括：获取直流输入电压V

根据本申请的技术方案，根据输入电压和输出电压控制功率变换模块将输入电压转换为调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，上述根据直流输入电压V

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，上述方法还包括：根据功率变换模块的电路参数确定自适应寻优参数。

第三方面，提供了一种电源设备，包括壳体、设置在壳体上的电路板以及设置在电路板上的功率变换的装置。其中，功率变换的装置包括：输入端口，用于接收来自供电电源的直流输入电压V

根据本申请所揭示的电源设备，控制模块通过输入电压和输出电压控制功率变换模块对输入电压进行功率转换，得到调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，功率变换模块包括原边开关电路、谐振电路、变压器和副边开关电路。原边开关电路用于将直流输入电压V

结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，原边开关电路包括原边开关管S1、S2、S3、S4，副边开关电路包括副边开关管Q1、Q2、Q3、Q4，控制模块具体包括移相角控制模块、比较模块、补偿模块、频率控制模块和PWM模块。其中：移相角控制模块用于根据直流输入电压V

结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，控制模块还包括计算模块，计算模块用于根据功率变换模块的电路参数确定自适应寻优参数。

结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，上述装置还包括采样模块，采样模块用于获取直流输入电压V

结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，原边开关电路或者副边开关电路与采样模块不共地。

结合第三方面，在第三方面的某些实现方式中，控制模块包括DSP、CPLD、FPGA、CPU、MCU中的至少一种。

附图说明

图1是一种典型的网络和IT产品供电示意图。

图2是当前一种Boost功率变换电路的结构示意图。

图3是当前一种全桥/移相全桥功率变换电路的结构示意图。

图4是当前一种全桥LLC功率变换电路的结构示意图。

图5是本申请实施例提供的第一种功率变换的装置的结构示意图。

图6是本申请实施例提供的第二种功率变换的装置的结构示意图。

图7是本申请实施例提供的第三种功率变换的装置的结构示意图。

图8是本申请实施例提供的第四种功率变换的装置的结构示意图。

图9是本申请实施例提供的第五种功率变换的装置的结构示意图。

图10是本申请实施例提供的功率变换的方法流程示意图。

图11是本申请实施例提供的开关管驱动信号时序图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本申请以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个、两个或两个以上。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

如图1所示，直流电转直流电(direct current-direct current，DC-DC)功率变换器在网络和互联网技术(internet technology，IT)产品中作为隔离稳压电源，将机房电源电压转换成负载(例如，单板、风扇、芯片等)需要的电压，输入电压范围在40伏特(volt，V)至72V，输出电压为53.5V(或12V)，增益范围(0.74至1.41)较宽。由于单级DC-DC功率变换在宽增益范围条件下设计困难，转换效率难以提高。

当前，业界普遍采用的方法是通过两级功率变换实现。如图2所示，前级先用升压Boost功率变换电路将40V～72V的输入电压范围转换成53.5V～72V，如图3和图4所示，后级再用有源钳位全桥、移相全桥(如图3所示)或谐振电路LLC(如图4所示)等功率变换电路，转换成53.5V(或12V)输出。

但是两级功率变换电路效率较低，增加了前级BOOST电路，额定条件下效率通常不超过99％，输入低压条件下效率更低，可能接近98％，通常两级功率变换电路效率很难超过96％。此外，两级功率变换电路功率密度较低，增加了前级BOOST电路，增加布局面积和器件，通常两级拓扑在产品应用中可以实现40W/in3的双输入电源和57W/in3的单输入电源，无法支撑功率密度的继续演进。

基于上述原因，本申请提出了一种功率变换的装置和方法，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

图5示出了本申请实施例提供的第一种功率变换的装置的结构示意图。如图5所示，装置500包括功率输入端口501、变换模块510、控制模块520和输出端口502。其中，输入端口501用于接收来自供电电源(例如图1中所示的机房电源，或者其他电源)的直流输入电压V

根据本申请所揭示的装置，控制模块通过输入电压和输出电压控制功率变换模块对输入电压进行功率转换，得到调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

图6示出了本申请实施例提供的第二种功率变换的装置的结构示意图。相比于装置500，图6所示的装置示出了一例具体的功率变换模块和控制模块。

如图6所示，功率变换模块610包括原边开关电路611、副边开关电路612、谐振电路和变压器。其中，原边开关电路511用于将直流输入电压V

可选的，原边开关电路611包括原边开关管S1、S2、S3、S4，其中，S1和S3串联，S2和S4串联，副边开关电路612包括副边开关管Q1、Q2、Q3、Q4，其中，Q1和Q3串联，Q2和Q4串联，驱动信号具体用于控制原边开关管S1、S2、S3、S4和副边开关管Q1、Q2、Q3、Q4的通断。应理解，上述原边开关电路611和副边开关电路612各包括4个开关管只是一种示例，在应用中，根据实际应用场景和需求的不同，还可以包括更多或更少的开关管，本申请对其不作限定。

可选的，控制模块包括DSP、CPLD、FPGA、CPU或者MCU中的至少一种。

根据本申请所揭示的装置，控制模块通过输入电压和输出电压，输出驱动信号，控制功率变换模块中开关管的工作，从而将输入电压转换为调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

图7示出了本申请实施例提供的第三种功率变换的装置的结构示意图。相比于装置500和装置600，装置700示出了控制模块一例具体的结构。如图7所示，原边开关电路711包括原边开关管S1、S2、S3、S4，副边开关电路712包括副边开关管Q1、Q2、Q3、Q4，控制模块720包括移相角控制模块721、比较模块722、补偿模块723、频率控制模块724和PWM模块725。其中，移相角控制模块721用于根据直流输入电压V

根据本申请所揭示的装置，控制模块通过输入电压和输出电压，输出驱动信号，控制功率变换模块中开关管的工作从而将输入电压转换为调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

图8示出了本申请实施例提供的第四种功率变换的装置的结构示意图。相比于装置700，装置800示出了控制模块另一例具体的结构。如图8所示，相比于装置700中的控制模块720，装置800中的控制模块820新增了计算模块826。计算模块826具体用于根据功率变换模块810中的各电路的电路参数和各开关管的选型参数确定自适应寻优参数。可选的，自适应选型参数可以是dφ

图9示出了本申请实施例提供的第五种功率变换的装置的结构示意图。如图9所示，相比于装置800，装置900新增了采样模块930。采样模块930用于获取直流输入电压V

其中，采样模块930与原边开关电路911或者副边开关电路912不共地，这样可以达到隔离采样的目的，从而提高采样的准确性。作为示例，如图9所示，采样模块930与副边开关电路912通过电容相隔离，从而达到隔离采样的目的。应理解，隔离电容只作为一种可能的实现方式来达到隔离采样的目的，本领域人员可知，可采用其他器件或模块(例如，隔离器等)，同样能够达到隔离采样的目的，本申请对其不作限定。

图10示出了本申请实施例提供的功率变换的方法流程示意图。该方法可由装置500至装置900中的任意一种执行。

S1010，获取直流输入电压V

具体的，可以通过采样模块并且采用隔离采样的方式对直流输入电压V

S1020，根据直流输入电压V

可选的，上述根据直流输入电压V

可选的，上述方法还包括根据功率变换模块的电路参数确定自适应寻优参数。

根据本申请的技术方案，通过输入电压和输出电压对输出电压进行功率转换，得到调整后的输出电压，有助于实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

图11示出了本申请实施例提供的开关管驱动信号时序图。如图11所示，根据本申请的技术方案输出的驱动信号，可以使各开关管达到如图11所示的开关时序，从而实现输入电压和输出电压之间宽增益范围的变化，并提高功率变换的效率。

本申请实施例还提供了一种电源设备，包括壳体、设置在壳体内的电路板以及设置在电路板上的功率变换的装置。其中，功率变换的装置可以是上述装置500至装置800中的任意一种。可选的，该电源设备还可以包括输入端子、输出端子和降温系统(例如风扇等)，输入端子可以与功率变换的装置的输入端口相连接，用于接收来自供电电源的电能；输出端子可以与功率变换的装置的输出端口相连接，用于将转换后的电能输送至负载，为负载供电；降温系统用于为整个装置降温，保证各模块(或器件)的正常工作。

可选的，该电源设备可以是图1中所示的隔离稳压电源，也可以是其他形式的电源，本申请对其不作限定。本申请所提供的电源设备可以应用于任何宽范围电压变换场景，可以用于为网络、服务器等产品稳定供电，也可以为无线产品、光伏、站点电源等设备稳定供电。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。