3500W与6000W高档开关电源的剖析(1)

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 引言 在2001年7月，有位电源技术爱好者送来了两种据称是“军用绝密级”的高档电源各2台，希望我能作专题解剖，深入分析，以消化吸收其先进技术。 图8 该电源铁壳上的铭牌标明，是IBM公司的“Bulk”大型舰船专用电源。 一种是直流输出48V/70A的长型通信电源， 长%26;#215;宽%26;#215;高=70cm%26;#215;22cm%26;#215;12cm，重量约14kg。 电网输入三相380～415V（电流13A），也可降低输入200～240V（电流24A），频率50～60Hz。这种电源装有电风扇强迫风冷，还在外壳上安装了一只三相高压大开关。电网输入先经大屏蔽盒滤波。 另一种是直流输出350V/10A的短型特种电源，长%26;#215;宽%26;#215;高=40cm%26;#215;30cm%26;#215;8cm，重约10kg，无强迫风冷，散热器也较短。其铁壳上铭牌标明为电网三相输入，有三种输入范围：200～240V、380～415V、460～480V。低电压时IIN=25A(MAX)；其输出直流为350V/12.5A(MAX)。电网频率50～60Hz。 2 3500W电源解剖 解剖工作第一步是拆焊两种（两台）电源主板上的大功率元器件，共有三类： 1）最重的大号磁性组件主功率变压器和Boost储能电感器，铁粉芯磁环电感5只； 2）大号MOSFET、IGBT功率开关管模块，和两只电网整流器模块P425等； 3）大号高压铝电解电容器940μF/450V4只， 220μF/450V2只，以及多个CBB高频、高压、无感、无极性聚丙烯大电容器，都是优质的突波吸收元件。 图2 2.1 IR公司的功率器件 首先，让我意外新奇的是：均为IR公司商标的MOSFET、IGBT大模块，其产品型号标记居然都被假代号替换，它们在IR公司厚本产品手册上均查不到。 1）侧壁贴出一个IGBT内接一只二极管的模块，标号为“F530（9604）”、“F826（9615）”、“F1670（9726）”、“F4702（9845）”等。 2）从电路判断是一个MOSFET内含一只二极管的模块，标号为“M4005（6315）”、“M4427（9624）”、“M3422（9611）”等。 3）从电路判断是二只MOSFET（半桥双管）的模块，标号为“M5220（9708）”、“M5662（9726）”、“M3419（9603）”、“M6768（9814）”等。 在市场上从未见过这种特殊外壳，每只重近100g的MOSFET大模块。每台电源用4只，其散热顶层的铜块厚达6mm，长%26;#215;宽=9.2cm%26;#215;2cm。48V电源有炸裂。 4）PFC控制板上的主芯片标记为“53H1747”，4台电源均同，本应是UC3854。我先把拆焊下来的IR公司产品MOSFET和IGBT共8～9只，带到IR深圳分公司找技术员询问和鉴定，回答是“军用绝密级”产品，非工业民品，故手册上无。按3500W电源分析，该MOSFET反向耐压应在500V～600V，工作电流在30A～40A。由于IR代理商确认了这两种大功率电源主板上使用的大号高频开关管，是为军用装备特制的高档产品，为了保密才改用假代号。因此，值得下功夫认真细致地对两种3500W电源作深入解剖、全面测量、专题分析。随后我又几次在供货商处查看多台开盖电源主板上的MOSFET、IGBT模块侧壁商标，并详细记录主要符号，才发现IR公司设在墨西哥（MADEINMEXICO）厂地的特制MOSFET，暗藏了下述重要标记： ——凡是在最下层标上“825039＋”者，不论假代号怎么变，均为半桥双管MOSFET，如“M7471（9846）”、“M3937（9613）”、“M3438（9602）”、“M5706（9732）”、“M3467（9602）”； ——凡是最下层标记为“826252＋”者，不论假代号如何换，均为单管MOSFET加一只二极管，如“M7453（9845）”、“M4045（9616）”、“M3721（9609）”、“M5394（9714）”、“M3161（9547）”、“M3453（9602）”等。 2.2 EC公司的电容器 电源上使用的EC公司CCB高压无极性电容器，其工艺之精致，市场上难见到。 1）每台电源用3只大号长园柱形CBB－2.5μF/DC850V，H%26;#215;D=6cm%26;#215;2.4cm； 2）用2只椭园形CBB－8μF/DC500V，L%26;#215;W%26;#215;T=4.7cm%26;#215;3.9cm%26;#215;2.6cm； 3）每台用2只CBB－1.0μF/DC850V（扁平形、4引脚），上述三种电容器用在三相输入滤波与Boost电路； 4）48V/70A通信电源输出滤波电容器CBB－50μF/DC100V，是最粗胖的，无极性； 5）350V/10A特种电源输出滤波电容器CBB－3.3μF/DC500V，均用半透明硅胶封装。 2.3 磁性元件 对两种3500W高档电源主板上实用的大型磁件组合拆开细看，其特殊的设计结构和选材，让我大开眼界，并悟到多项技巧。 2.3.1 主功率变压器漆包线绕组和绝缘胶带 拆解之后发现，两种3500W电源均是用两块大号磁环叠合而成。每块磁环的外径达73mm，磁环厚（高）12mm，其绕组线的宽度为18mm。选用磁环在100kHz开关高频时不存在漏感问题；而两块扁平面磁环叠合在一起，再紧绕制主变压器的原边绕组和副边绕组、加多层绝缘胶带等。在两块金属铁粉芯磁环平面之间，实际上仍然存在许多小的天然气隙（虽已压紧靠拢），这使得主功率变压器在重负载高频大电流工作时，抗饱和能力大增。这与大号功率铁氧体磁芯的截断面被细磨抛光“镜亮”的状况大不相同。 美、德公司在大功率高频开关电源关键部件上采用的先进技术值得借鉴。可以预计，如果3500W电源的主功率变压器改用传统常规的EE85厚型铁氧体磁芯，不仅体积和重量会成倍增大，而且过载抗饱和能力会明显降低，使电源在浪涌冲击下损坏MOSFET功率管的几率大为增加。由Ascom研制的6000W－48V/112A大功率电源，其主变压器磁芯改为三块73mm扁平磁环叠合，这个惊人之举太巧妙、独特而意义深远，十分值得学习采纳。 2.3.2 Boost变换器的方形铁壳储能电感器 拆解后才发现新奇的结构与选材。350V/10A电源Boost电感器是采用三付6块EE55铁氧体磁芯复合而成，但其中心柱截面气隙达5.2mm（每块为2.6mm）。Boost储能电感器的绕组导线并不用常规的多股0.47mm漆包线卷绕，而是采用两条极薄的（厚度仅0.1mm）、宽度33mm红铜带叠合，每条薄铜带总长约6.5m，叠合压紧在（可插6块EE55磁芯的）塑料骨架上共绕26圈，再接焊锡导线引出，用多层耐高压绝缘胶带扎紧包裹。这种特殊薄铜带工艺绕制的Boost储能电感量=267μH、Q=0.36，它对于减小高频集肤效应、改善Boost变换器开关调制波形、降低磁件温升均有重要作用。 这又是一项前所未见的重大技术革新。多年来电源技术论文中有关PFCBoost磁件的设计论文尚未见过这种报道。前几年我在2000WPFC试验时换用几种大号铁粉芯磁环，或用较大罐形铁氧体磁芯加大气隙，绕制的Boost储能电感器仍发热过快、过高，效果不理想。现受到很大启发。 2.3.3 附加谐振电感器 拆焊350V/10A电源时，发现主功率变压器原边绕组串联的附加谐振电感器，是一种直径为33mm的铁硅铝磁环，绕组用多股细线绕3.5圈，电感量为3.2μH。而拆焊6000W电源350V/17A输出型，其原边串接的附加谐振电感器是用42mm的铁硅铝磁环。比较几年前试验用的1000W、2000W、3000W电源，曾用加气隙的EE55、EE65、EE70铁氧体做附加谐振电感器，它们比主功率变压器磁芯只小一个等级，且温升较高。可见改用铁硅铝磁环，能大大减小附加谐振电感器重量和体积，是发现的又一项新技术。 为了准确绘制两种3500W电源主板上的所有元器件焊点位置，印制板铜箔走线，以便画出真实的电源电路设计图，我预先测量尺寸，尽量避开焊点，在主板中间位置锯开了印制板（厚2mm的玻璃纤维硬板），终于按1：1的实际比例，用2张A4复印纸即可绘制出电源主板正面元器件布局图、两块控制板焊点位置等。再用2张A4白纸绘制电源主板背面印制板铜箔走线、一些贴片阻容、许多穿孔焊点定位等。并由此初步绘出了3500W电源的主功率变换电路，如图1所示。两种电源的设计结构大同小异，并给出了图2总方框图与PFC、全桥控制板的关系图。 3 3500W两种电源主电路的特点与分析 从实体解剖、拆焊绘制48V/70A通信电源（有的穿孔、有的并不穿孔只在单面），由此绘出的图1主功率变换电路图，以及图2电源总结构框图与PFC、全桥控制板相互关系，看出一个总体规律。 1）两种直流输出电压和电流大不相同的3500W高档电源（Vo、Io均相差7倍），其主功率变换电路的三大环节基本相同，即电网输入滤波整流电路；PFC系统的BuckBoost组合电路亦分段控制；全桥变换器移相式控制ZVS软开关电路。 2）两种电源的PFC贴片元器件控制板完全相同。有8只IC和上百个阻容。包括PFC控制板与电源主板连接的双列插头16芯焊脚也完全相同。高密度的PFC贴片控制板仅厚1.0mm，但解剖发现印制板内部还有两个夹层电路设计。 3）两种电源的贴片元器件高密度全桥控制板实体大不相同，其主芯片均用UC3877。48V/70A电源全桥控制板单面布元器件。其总面积比双面均焊贴片元器件的350V/10A电源全桥控制板大一倍；单面元器件的印制板夹层铜箔走线也较简?些。两种电源接外壳监控电路插座结构也不同。48V电源全桥控制板上与主芯片UC3877DWP配合的另外7只IC是LM339X2，74HC05，74HC86，LM358X2，MAX875。350V电源全桥控制板与主芯片UC3877DWP配合的另外8只IC是OP177G、AD620、LM393X3、LM358、74HC05、74HC86等。48V/70A通信电源长70cm，主板空间宽裕。但该电源Boost储能电感器磁芯只用了两付4块EE55，功率容量偏小，有两台电源炸毁BoostMOSFET，是设计失误。 4）350V/10A电源实体副边整流之后加设了有源箝位电路，使主功率变换器副边也实现软开关，明显降低了在空载恶劣条件下电源整机的高频噪声。特别是350V电源的Boost储能电感器设计是采用三付6只EE55磁芯组合（中心柱气隙均5.6mm），没有发现一台350V电源炸BoostMOSFET。说明该专题设计组成功了。 表1及图3分别给出了一台350V/10A电源在空载恶劣条件下，仪器测量打印的数据和波形。图4给出加负载400W之后测量打印的电网输入电流、电压波形，功率因数值，频谱特性等。 IBM、Ascom电源把市电三相输入，巧妙地先分解成两个单相输入，然后再分别作全波整流，其中一只受控。这在大功率开关电源设计上具有重大优势和实用价值。普通的三相PFC变换器输出电压高达DC760～800V（有的甚至DC1000V）这就要求后级变换器的功率开关管耐压达DC 1000～1200V。因此，国际上热门研究用三电平软开关变换器克服该难题，它需要多串联一只开关管降低反向电压，使电路元器件及成本明显增加。而IBM独辟新路，用较简化方法解决了该难题。图4为加载波形。图5给出了350V/10A电源在4种不同负载条件下，测量打印的电网输入电流、电压波形等。 表1 PF9811配合电脑、专用软件测量打印的第2页测试报告：高次谐波数据群 谐波次数 电压谐波 电流谐波 谐波次数 电压谐波 电流谐波 1 100.0％ 100.0％ 26 0.0% 0.3% 2 0.0％ 0.5％ 27 0.1% 3.6% 3 0.7％ 14.6％ 28 0.0% 0.2% 4 0.0％ 0.1％ 29 0.0% 2.1% 5 0.3％ 10.5％ 30 0.0% 0.2% 6 0.1％ 0.3％ 31 0.0% 1.5% 7 0.4％ 5.2％ 32 0.0% 0.1% 8 0.0％ 0.3％ 33 0.0% 0.6% 9 0.3％ 1.9％ 34 0.0% 0.2% 10 0.0％ 0.2％ 35 0.0% 2.2% 11 0.4％ 2.2％ 36 0.0% 0.1% 12 0.0％ 0.4％ 37 0.0% 1.1% 13 0.4％ 3.7％ 38 0.0% 0.2% 14 0.0％ 0.2％ 39 0.0% 1.2% 15 0.1％ 4.9％ 40 0.0% 0.1% 16 0.0％ 0.4％ 41 0.0% 0.2% 17 0.2％ 3.6％ 42 0.0% 0.1% 18 0.0％ 0.0％ 43 0.0% 0.2% 19 0.1％ 3.0％ 44 0.0% 0.3% 20 0.0％ 0.3％ 45 0.0% 0.8% 21 0.0％ 2.8％ 46 0.0% 0.1% 22 0.0％ 0.2％ 47 0.0% 0.8% 23 0.0％ 2.0％ 48 0.0% 0.2% 24 0.0％ 0.1％ 49 0.0% 0.2% 25 0.1％ 1.9％ 50 0.0% 0.0%