3500W与6000W高档开关电源的剖析(1)
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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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