3500W与6000W高档开关电源的剖析

摘要：剖析了直流输出48V/70A与350V/10A两种3500W和48V/112A与350V/17A两种6000W高档开关电源的电路设计与元器件应用特点，并提出了有待继续分析的问题。 关键词：功率因数校正；BuckBoost变换器；分段式控制 4 6000W电源剖析 经实体解剖证实，两种3500W电源的PFC贴片控制板电路结构、元器件完全相同。随后解剖了两种新搞到的6000W电源证明，其PFC贴片控制板电路结构与原3500W也基本相同。Ascom公司2000年投产的两种高档6000W电源（直流输出48V/112A和350V/17A），是更换淘汰IBM军用电源的工业级产品。说明了PFC控制电路设计已十分成熟，没有必要再改。 图6 在打开6000W电源的外壳铁盖后，看到其大号的CBB多只高压电容器上，均标出了厂年月为“9926”、“9938”等。其中48V/112A通信电源的散热器加高了2～3倍，重达8kg；细看电源主板上的5只大号47mm磁环电感器与3500W电源相同，主功率变压器和Boost储能电感器的外形结构也相似相近，只是又加长了约30％或体积增大了些。后来解剖发现两种6000W电源相同的BoostPFC大电感器磁芯增加到4付8块EE55组合而成；48V/112A电源的主功率变压器改用3块73mm扁平磁环叠合而成。 6000W电源的MOSFET均改用工业级标准型号公开的新品，是IR公司或IXYS产品，每台电源用6只MOSFET均为SOT227B封装的四螺孔接线形式，并新增加一块专用功率印制板紧固6只MOSFET的漏极、源极、栅极螺孔连线片，明显改进了维修更换条件。功率板上的99″驱动变压器和驱动ICM1C4421(99″)等，与3500W电源相同。 图7 5 高功率因数的实现 在实体拆焊解剖原贴片式PFC控制板时发现二个非常奇怪的现象：一是PFC主芯片IC脚16驱动输出端铜箔走线居然被悬空，不接电路板上任何其他元器件；二是IC脚14反常地接地线，它原是IC内部高频振荡器的CT电容器外接引脚端。为此，我于2001年底特别请教了李龙文先生，他是十年前我国最早消化、吸收、引进美国Unitrode公司专用IC的开关电源应用专家。 早期问世的UC3854，作为高频有源功率因数校正器的代表性产品，专用于大功率电源抑制谐波电流污染电网，它是国际上经典的PFC功率因数校正“绿色能源”产品，早已选作美国的国家电源工业标准。十几年来专业期刊上发表的研究文献，均是整体选用UC3854作为PFC电路主芯片，没有见过停用UC3854内部高频振荡器和驱动输出的8只IC组合的PFC设计。 图8 为什么3500W电源的实测PF≥0.999，能达到如此高性能指标，结论只有在调查的末尾才可得到。在充分准备之后，用特殊烙铁头逐一拆焊了高密度贴片PFC控制板上的近百个元器件，并逐一粘固在事先作了编号的硬壳白纸上。随后又细致测量了每一只电阻器和电容器的实际数值；并用万用表的R%26;#215;kΩ档（内含15V电池）、R%26;#215;10k档（内含9V＋1.5V电池）量程测量记录了十几只二极管的正向电阻值和反向电阻值，包括整流、开关、稳压二极管，肖特基二极管等。 现给出PFC控制板拆焊全部贴片元器件，并用砂纸磨掉焊锡和绿漆之后，显露出来的印制板铜箔走线，其正面和反面分别见图6(a)及图6(b)。然后继续磨掉铜线后，两面分别显现的内部双夹层走线、焊点、绝缘圈等，见图6(c)及图6(d)。 图7是放大的PFC控制板8只IC各引脚铜箔走线实体布局图。经过反复测查两面的穿心焊点连线之后，可绘制真实的PFC控制板电路图。现给出主芯片M1UC3854（假代号53H1747）与其他7只IC内部单元电路相连的关系网图（图8）。并给出PFC控制板经插脚与电源整机主板上重点器件的连线简图（图9）。 图9 两种3500W电源主板上完全相同的PFC控制板电路，它的奇特之处在于：其主芯片UC3854只利用了内部电路的前半部分，即线性模拟乘法器和电流误差放大器等；而其他重要的单元电路，如高频振荡器、PWM比较器、RS触发器、逻辑控制电路和开关脉冲预放大驱动器，却反常地留给了PFC控制板上其他IC（LM319，LM339，LM358和LM393，74C00，74C04等共7只）来分别完成，设计者独辟新路，是为了扩大主芯片控制范围。 PFC控制板是电源整机实现高功率因数值的指挥中心。它分3路分别经3个插头焊脚送往3大功率器件，对3500W高档电源3个环节实现控制： 1）电网输入整流器P425单相全波整流可控桥，二可控端为G1、G2； 2）BuckPFCIGBT功率开关管实行分段式控制，在三相或单相输入时工作状态不同； 3）BcostPFCMOSFET功率开关管控制脉冲经脚10输出，又经驱动IC放大。 对两种3500W大功率电源整机通电加载，在较重负载时实测PF≥0998，充分证明了PFC功率因数校正器电路系统的性能高超、设计成熟、巧妙独特。它在电路整体结构上是一个BuckBoost组合的PFC控制电路，对IGBT开关管采用分段式控制，即当市电输入电压为三相380V时，全波整流 器输出的100Hz低频脉动电压峰值达570V左右，则PFC控制板自动送出PWM脉冲到Buck电路的IGBT栅极，以PWM方式对其输出开关脉冲先作降压处理，再送往Boost变换器储能电感和MOSFET、二极管等。当市电输入电压为单相220V时，全波整流器的输出脉动低频电压峰值约310V，于是控制电路自动关断IGBT栅极的方波电压，使Buck失效，IGBT开关不再衰减脉动电压。 在家庭实验条件下只有单相220V电压。此时IGBT处于导通状态，在功率管IGBT栅极实测到的电压波形不是PWM矩形波，而是310V、100Hz脉动电压波形。因为栅极与射极处于直通状态。 图10给出了在空载恶劣条件下，实际测量打印的48V、70A通信电源市电输入电流波形，和最敏感变坏的电流谐波与功率因数值：输入电流波形变为尖窄脉冲、且相位明显偏离?入电压的正弦波相位；总电流谐波高达56.2％（3次谐波为41.9％，5次为26.9％，7次15.8％，9次14.2％等）；功率因数值剧降到0.456，比350V特种电源空载时的PF=0.859差了许多（它的电流总谐波仅21.5％、3次谐波14.6％，5次为10.5％，7次5.2％，9次1.9％等）。 当48V电源加载到440W后，其市电输入电流波形明显转好，相位偏离也减小，敏感的电流总谐波降至15％，功率因数值大幅提高到0.958，虽然它接近350V电源加载到400W后的PF=0.989，但细看比较48V电流波形，显然台阶突起仍多尖，不如前者更接近正弦波形，且350W电源的加载后电流总谐波又显著减小到63％。当48V电源再加载到942.8W时，其电流波形也进一步改善为小台阶，电流总谐波又降至71％，PF=0.987。当48V电源加载到1385W时，输入电流波形才接近正弦波，PF=0.995，电流总谐波降到4.0％。（见图10，图11，图12与表2）。 表2 48V/70A电源在九种不同负载时的功耗、功率因数、电流总谐波、电压总谐波 　 空载 极轻载 轻载Ⅰ 轻载Ⅱ 中载Ⅰ 中载Ⅱ 中载Ⅲ 重载Ⅰ 重载Ⅱ 功耗/W 106.3 150.8 550 731.7 9 428 1 385 1 826 2 268 2 610 功率因数 0.456 0.645 0.958 0.978 0.987 0.995 0.997 0.998 0.999 电流总谐波/％ 56.2 39.0 15.0 9.4％ 7.1 4.0 3.4 3.3 2.5 电压总谐波/％ 2.1 1.2 2.1 1.4％ 2.3 2.1 2.2 2.5 2.2 3次谐波电流/％ 41.8 26.1 7.6 3.7％ 3.1 1.3 0.9 0.8 0.9 满载时：2904.6W，13.08A，PF=0．999，电流总谐波2.8％，电压总谐波2.7％，3次谐波电流10％ 分别在空载、轻载、中载、重载、满载等多种不同条件下，测量打印了多台48V电源和多台350V电源的许多波形、谐波数据、PF值后，发现每种电源正常工作时的特性参数基本相似，大同小异。350V电源多台的主要性能指标，都明显高于多台48V通信电源。 6 问题 下面为大功率开关电源技术研究者摆出了一些疑问和困惑。 实体解剖48V/70A电源主板电路元器件，发现两个意外的反常设计：一是直流输出端没有并联泄放电阻，造成空载时副边整流回路电流剧减；二是主功率变压器原边绕组没有串接附加谐振电感器，导致全桥变换器滞后臂开关管轻载时不能实现零电压软开关，使损耗大增。而相比较之下，350V电源不但原边绕组串接了铁硅铝磁环的附加谐振电感器，而且副边整流后还增加了先进的有源箝位电路。这究竟是IBM电源各个专题组的设计失误造成？还是48V中低压输出大电流电源实际存在的设计难题？或是舰上工作条件无空载？请国内专家帮助分析。 图12 7 测量仪器介绍 杭州远方仪表厂2001年生产的PF9811智能电量测量仪，是测量各种电源多项电参数，并能够进行记录、数字处理、微机传输的的专用设备。它对电网电压、电流、功耗、功率因数等测量精度达1/1000；并提供专项测试软件给计算机。电源通电加载后它有4个红光显示屏同时给出4种电参量瞬态值。当需要测量并打印出电源的市电输入交流电压和电流波形、功率、PF等时，只须按下“锁存”键，此时4个显示屏给出的数据，均转为特定负载条件下的稳态值，它们经RS232接口送给计算机。按PF9811专用软件，每次连续打印出2页测试报告。第1页是图3中市电输入电流波形、电压波形、频谱特性；第2页是表1中1～50次电压谐波、电流谐波数据群。 特别是能精确打印出某个负载时电源市电输入电流波形，能最直观灵敏真实地反映PFC电路控制电源系统的功率因数校正结果。这为进一步深入解剖、参数试验、改进设计，提供了关键的判断依据和监测对象。这种“三合一”高档测量打印方法（PF9811＋联想电脑＋专用软件），是深入研究全桥变换器移相控制ZVS大功率开关电源的重要手段。