3500W 与6000W 高档开关电源的剖

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关键词:功率因数校正;Buck-Boost 变换器;分段式控制

  1 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。

  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×宽×高=70cm×22cm×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×宽×高=40cm×30cm×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。

  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×宽=9.2cm×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×D=6cm 2.4cm;

  2)用2 只椭园形CBB-8μF/DC500V,L×W×T=4.7cm 3.9cm 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φ73mm,磁环厚(高)12mm,其绕组线的宽度为φ18mm。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φ73mm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φ0.47mm 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φ33mm 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φ42mm 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 通信电源和350V/10A 特种电源主板上的所有元器件、印制板铜箔正反两面实际走线、众多焊点的真实定位(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单些。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DC1000~1200V。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。

  测量打印的电网输入波形、电流频谱(省略了电压频谱)

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

  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。

  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φ47mm 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φ73mm 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。

  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。

  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譳Ω 档(内含1.5V 电池)、R 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)。

  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、且相位明显偏离输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

  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。

  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。

  作者简介

  刘胜利(1945-),男,高级工程师。曾编写彩色电视机IC、显示器等三本专著,译著二本。编写了《现代高频稳压电源的实用设计》,详细介绍用新IC、功率管和多种磁芯制作各类开关稳压电源,有大量的试验数据和实测波形及绕制多种主功率变压器、驱动变压器、滤波电感和谐振电感等工艺。