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[导读]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。

   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×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。

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×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?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%


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