3500W與6000W高檔開關(guān)電源的剖析（1）

摘要：剖析了直流輸出48V/70A與350V/10A兩種3500W和48V/112A與350V/17A兩種6000W高檔開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)與元器件應(yīng)用特點(diǎn)，并提出了有待繼續(xù)分析的問題。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；Buck?Boost變換器；分段式控制

1??? 引言

??? 在2001年7月，有位電源技術(shù)愛好者送來(lái)了兩種據(jù)稱是“軍用絕密級(jí)”的高檔電源各2臺(tái)，希望我能作專題解剖，深入分析，以消化吸收其先進(jìn)技術(shù)。

??? 該電源鐵殼上的銘牌標(biāo)明，是IBM公司的“Bulk”大型艦船專用電源。

??? 一種是直流輸出48V/70A的長(zhǎng)型通信電源，長(zhǎng)×寬×高=70cm×22cm×12cm，重量約14kg。電網(wǎng)輸入三相380～415V（電流13A），也可降低輸入200～240V（電流24A），頻率50～60Hz。這種電源裝有電風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷，還在外殼上安裝了一只三相高壓大開關(guān)。電網(wǎng)輸入先經(jīng)大屏蔽盒濾波。

??? 另一種是直流輸出350V/10A的短型特種電源，長(zhǎng)×寬×高=40cm×30cm×8cm，重約10kg，無(wú)強(qiáng)迫風(fēng)冷，散熱器也較短。其鐵殼上銘牌標(biāo)明為電網(wǎng)三相輸入，有三種輸入范圍：200～240V、380～415V、460～480V。低電壓時(shí)IIN=25A(MAX)；其輸出直流為350V/12.5A(MAX)。電網(wǎng)頻率50～60Hz。

2??? 3500W電源解剖

??? 解剖工作第一步是拆焊兩種（兩臺(tái)）電源主板上的大功率元器件，共有三類：

??? 1）最重的大號(hào)磁性組件主功率變壓器和Boost儲(chǔ)能電感器，鐵粉芯磁環(huán)電感5只；

??? 2）大號(hào)MOSFET、IGBT功率開關(guān)管模塊，和兩只電網(wǎng)整流器模塊P425等；

??? 3）大號(hào)高壓鋁電解電容器940μF/450V4只，220μF/450V2只，以及多個(gè)CBB高頻、高壓、無(wú)感、無(wú)極性聚丙烯大電容器，都是優(yōu)質(zhì)的突波吸收元件。

2.1??? IR公司的功率器件

??? 首先，讓我意外新奇的是：均為IR公司商標(biāo)的MOSFET、IGBT大模塊，其產(chǎn)品型號(hào)標(biāo)記居然都被假代號(hào)替換，它們?cè)贗R公司厚本產(chǎn)品手冊(cè)上均查不到。

??? 1）側(cè)壁貼出一個(gè)IGBT內(nèi)接一只二極管的模塊，標(biāo)號(hào)為“F530（9604）”、“F826（9615）”、“F1670（9726）”、“F4702（9845）”等。

??? 2）從電路判斷是一個(gè)MOSFET內(nèi)含一只二極管的模塊，標(biāo)號(hào)為“M4005（6315）”、“M4427（9624）”、“M3422（9611）”等。

??? 3）從電路判斷是二只MOSFET（半橋雙管）的模塊，標(biāo)號(hào)為“M5220（9708）”、“M5662（9726）”、“M3419（9603）”、“M6768（9814）”等。

??? 在市場(chǎng)上從未見過(guò)這種特殊外殼，每只重近100g的MOSFET大模塊。每臺(tái)電源用4只，其散熱頂層的銅塊厚達(dá)6mm，長(zhǎng)×寬=9.2cm×2cm。48V電源有炸裂。

??? 4）PFC控制板上的主芯片標(biāo)記為“53H1747”，4臺(tái)電源均同，本應(yīng)是UC3854。

??? 我先把拆焊下來(lái)的IR公司產(chǎn)品MOSFET和IGBT共8～9只，帶到IR深圳分公司找技術(shù)員詢問和鑒定，回答是“軍用絕密級(jí)”產(chǎn)品，非工業(yè)民品，故手冊(cè)上無(wú)。按3500W電源分析，該MOSFET反向耐壓應(yīng)在500V～600V，工作電流在30A～40A。由于IR代理商確認(rèn)了這兩種大功率電源主板上使用的大號(hào)高頻開關(guān)管，是為軍用裝備特制的高檔產(chǎn)品，為了保密才改用假代號(hào)。因此，值得下功夫認(rèn)真細(xì)致地對(duì)兩種3500W電源作深入解剖、全面測(cè)量、專題分析。隨后我又幾次在供貨商處查看多臺(tái)開蓋電源主板上的MOSFET、IGBT模塊側(cè)壁商標(biāo)，并詳細(xì)記錄主要符號(hào)，才發(fā)現(xiàn)IR公司設(shè)在墨西哥（MADEINMEXICO）廠地的特制MOSFET，暗藏了下述重要標(biāo)記：

??? ——凡是在最下層標(biāo)上“82-5039＋”者，不論假代號(hào)怎么變，均為半橋雙管MOSFET，如“M7471（9846）”、“M3937（9613）”、“M3438（9602）”、“M5706（9732）”、“M3467（9602）”；

??? ——凡是最下層標(biāo)記為“82-6252＋”者，不論假代號(hào)如何換，均為單管MOSFET加一只二極管，如“M7453（9845）”、“M4045（9616）”、“M3721（9609）”、“M5394（9714）”、“M3161（9547）”、“M3453（9602）”等。

2.2??? EC公司的電容器

??? 電源上使用的EC公司CCB高壓無(wú)極性電容器，其工藝之精致，市場(chǎng)上難見到。

??? 1）每臺(tái)電源用3只大號(hào)長(zhǎng)園柱形CBB－2.5μF/DC850V，H×D=6cm×2.4cm；

??? 2）用2只橢園形CBB－8μF/DC500V，L×W×T=4.7cm×3.9cm×2.6cm；

??? 3）每臺(tái)用2只CBB－1.0μF/DC850V（扁平形、4引腳），上述三種電容器用在三相輸入濾波與Boost電路；

??? 4）48V/70A通信電源輸出濾波電容器CBB－50μF/DC100V，是最粗胖的，無(wú)極性；

??? 5）350V/10A特種電源輸出濾波電容器CBB－3.3μF/DC500V，均用半透明硅膠封裝。

2.3??? 磁性元件

??? 對(duì)兩種3500W高檔電源主板上實(shí)用的大型磁件組合拆開細(xì)看，其特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和選材，讓我大開眼界，并悟到多項(xiàng)技巧。

2.3.1??? 主功率變壓器漆包線繞組和絕緣膠帶

??? 拆解之后發(fā)現(xiàn)，兩種3500W電源均是用兩塊大號(hào)磁環(huán)疊合而成。每塊磁環(huán)的外徑達(dá)φ73mm，磁環(huán)厚（高）12mm，其繞組線的寬度為φ18mm。選用磁環(huán)在100kHz開關(guān)高頻時(shí)不存在漏感問題；而兩塊扁平面磁環(huán)疊合在一起，再緊繞制主變壓器的原邊繞組和副邊繞組、加多層絕緣膠帶等。在兩塊金屬鐵粉芯磁環(huán)平面之間，實(shí)際上仍然存在許多小的天然氣隙（雖已壓緊靠攏），這使得主功率變壓器在重負(fù)載高頻大電流工作時(shí)，抗飽和能力大增。這與大號(hào)功率鐵氧體磁芯的截?cái)嗝姹患?xì)磨拋光“鏡亮”的狀況大不相同。

??? 美、德公司在大功率高頻開關(guān)電源關(guān)鍵部件上采用的先進(jìn)技術(shù)值得借鑒。可以預(yù)計(jì)，如果3500W電源的主功率變壓器改用傳統(tǒng)常規(guī)的EE85厚型鐵氧體磁芯，不僅體積和重量會(huì)成倍增大，而且過(guò)載抗飽和能力會(huì)明顯降低，使電源在浪涌沖擊下?lián)p壞MOSFET功率管的幾率大為增加。由Ascom研制的6000W－48V/112A大功率電源，其主變壓器磁芯改為三塊φ73mm扁平磁環(huán)疊合，這個(gè)驚人之舉太巧妙、獨(dú)特而意義深遠(yuǎn)，十分值得學(xué)習(xí)采納。

2.3.2??? Boost變換器的方形鐵殼儲(chǔ)能電感器

??? 拆解后才發(fā)現(xiàn)新奇的結(jié)構(gòu)與選材。350V/10A電源Boost電感器是采用三付6塊EE55鐵氧體磁芯復(fù)合而成，但其中心柱截面氣隙達(dá)5.2mm（每塊為2.6mm）。Boost儲(chǔ)能電感器的繞組導(dǎo)線并不用常規(guī)的多股φ0.47mm漆包線卷繞，而是采用兩條極薄的（厚度僅0.1mm）、寬度33mm紅銅帶疊合，每條薄銅帶總長(zhǎng)約6.5m，疊合壓緊在（可插6塊EE55磁芯的）塑料骨架上共繞26圈，再接焊錫導(dǎo)線引出，用多層耐高壓絕緣膠帶扎緊包裹。這種特殊薄銅帶工藝?yán)@制的Boost儲(chǔ)能電感量=267μH、Q=0.36，它對(duì)于減小高頻集膚效應(yīng)、改善Boost變換器開關(guān)調(diào)制波形、降低磁件溫升均有重要作用。

??? 這又是一項(xiàng)前所未見的重大技術(shù)革新。多年來(lái)電源技術(shù)論文中有關(guān)PFC-Boost磁件的設(shè)計(jì)論文尚未見過(guò)這種報(bào)道。前幾年我在2000W-PFC試驗(yàn)時(shí)換用幾種大號(hào)鐵粉芯磁環(huán)，或用較大罐形鐵氧體磁芯加大氣隙，繞制的Boost儲(chǔ)能電感器仍發(fā)熱過(guò)快、過(guò)高，效果不理想。現(xiàn)受到很大啟發(fā)。

2.3.3??? 附加諧振電感器

??? 拆焊350V/10A電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)主功率變壓器原邊繞組串聯(lián)的附加諧振電感器，是一種直徑為φ?33mm的鐵硅鋁磁環(huán)，繞組用多股細(xì)線繞3.5圈，電感量為3.2μH。而拆焊6000W電源350V/17A輸出型，其原邊串接的附加諧振電感器是用φ42mm的鐵硅鋁磁環(huán)。比較幾年前試驗(yàn)用的1000W、2000W、3000W電源，曾用加氣隙的EE55、EE65、EE70鐵氧體做附加諧振電感器，它們比主功率變壓器磁芯只小一個(gè)等級(jí)，且溫升較高。可見改用鐵硅鋁磁環(huán)，能大大減小附加諧振電感器重量和體積，是發(fā)現(xiàn)的又一項(xiàng)新技術(shù)。

??? 為了準(zhǔn)確繪制兩種3500W電源主板上的所有元器件焊點(diǎn)位置，印制板銅箔走線，以便畫出真實(shí)的電源電路設(shè)計(jì)圖，我預(yù)先測(cè)量尺寸，盡量避開焊點(diǎn)，在主板中間位置鋸開了印制板（厚2mm的玻璃纖維硬板），終于按1：1的實(shí)際比例，用2張A4復(fù)印紙即可繪制出電源主板正面元器件布局圖、兩塊控制板焊點(diǎn)位置等。再用2張A4白紙繪制電源主板背面印制板銅箔走線、一些貼片阻容、許多穿孔焊點(diǎn)定位等。并由此初步繪出了3500W電源的主功率變換電路，如圖1所示。兩種電源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)大同小異，并給出了圖2總方框圖與PFC、全橋控制板的關(guān)系圖。

3??? 3500W兩種電源主電路的特點(diǎn)與分析

??? 從實(shí)體解剖、拆焊繪制48V/70A通信電源和350V/10A特種電源主板上的所有元器件、印制板銅箔正反兩面實(shí)際走線、眾多焊點(diǎn)的真實(shí)定位（有的穿孔、有的并不穿孔只在單面），由此繪出的圖1主功率變換電路圖，以及圖2電源總結(jié)構(gòu)框圖與PFC、全橋控制板相互關(guān)系，看出一個(gè)總體規(guī)律。

圖1??? 3500W、6000W高檔開關(guān)電源主功率變換器（三環(huán)節(jié)）電路圖初擬

圖2??? 3500W、6000W高檔開關(guān)電源總方框與PFC、全橋控制板關(guān)系圖

??? 1）兩種直流輸出電壓和電流大不相同的3500W高檔電源（Vo、Io均相差7倍），其主功率變換電路的三大環(huán)節(jié)基本相同，即電網(wǎng)輸入濾波整流電路；PFC系統(tǒng)的Buck-Boost組合電路亦分段控制；全橋變換器移相式控制ZVS軟開關(guān)電路。

??? 2）兩種電源的PFC貼片元器件控制板完全相同。有8只IC和上百個(gè)阻容。包括PFC控制板與電源主板連接的雙列插頭16芯焊腳也完全相同。高密度的PFC貼片控制板僅厚1.0mm，但解剖發(fā)現(xiàn)印制板內(nèi)部還有兩個(gè)夾層電路設(shè)計(jì)。

??? 3）兩種電源的貼片元器件高密度全橋控制板實(shí)體大不相同，其主芯片均用UC3877。48V/70A電源全橋控制板單面布元器件。其總面積比雙面均焊貼片元器件的350V/10A電源全橋控制板大一倍；單面元器件的印制板夾層銅箔走線也較簡(jiǎn)單些。兩種電源接外殼監(jiān)控電路插座結(jié)構(gòu)也不同。48V電源全橋控制板上與主芯片UC3877DWP配合的另外7只IC是LM339X2，74HC05，74HC86，LM358X2，MAX875。350V電源全橋控制板與主芯片UC3877DWP配合的另外8只IC是OP177G、AD620、LM393X3、LM358、74HC05、74HC86等。48V/70A通信電源長(zhǎng)70cm，主板空間寬裕。但該電源Boost儲(chǔ)能電感器磁芯只用了兩付4塊EE55，功率容量偏小，有兩臺(tái)電源炸毀Boost?MOSFET，是設(shè)計(jì)失誤。

??? 4）350V/10A電源實(shí)體副邊整流之后加設(shè)了有源箝位電路，使主功率變換器副邊也實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，明顯降低了在空載惡劣條件下電源整機(jī)的高頻噪聲。特別是350V電源的Boost儲(chǔ)能電感器設(shè)計(jì)是采用三付6只EE55磁芯組合（中心柱氣隙均5.6mm），沒有發(fā)現(xiàn)一臺(tái)350V電源炸Boost-MOSFET。說(shuō)明該專題設(shè)計(jì)組成功了。

??? 表1及圖3分別給出了一臺(tái)350V/10A電源在空載惡劣條件下，儀器測(cè)量打印的數(shù)據(jù)和波形。圖4給出加負(fù)載400W之后測(cè)量打印的電網(wǎng)輸入電流、電壓波形，功率因數(shù)值，頻譜特性等。

??? IBM、Ascom電源把市電三相輸入，巧妙地先分解成兩個(gè)單相輸入，然后再分別作全波整流，其中一只受控。這在大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)上具有重大優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值。普通的三相PFC變換器輸出電壓高達(dá)DC760～800V（有的甚至DC1000V）這就要求后級(jí)變換器的功率開關(guān)管耐壓達(dá)DC1000～1200V。因此，國(guó)際上熱門研究用三電平軟開關(guān)變換器克服該難題，它需要多串聯(lián)一只開關(guān)管降低反向電壓，使電路元器件及成本明顯增加。而IBM獨(dú)辟新路，用較簡(jiǎn)化方法解決了該難題。圖4為加載波形。圖5給出了350V/10A電源在4種不同負(fù)載條件下，測(cè)量打印的電網(wǎng)輸入電流、電壓波形等。

圖3??? 用PF9811測(cè)量?jī)x及專用軟件、配合聯(lián)想電腦測(cè)量打印的電源波形與數(shù)據(jù)

圖4??? 350V/10A電源在加載400W后

測(cè)量打印的電網(wǎng)輸入波形、電流頻譜（省略了電壓頻譜）

(a)??? 中等負(fù)載：228.5V/5.718A,1303.69W,PF=0.998

(b)??? 較輕載：230.3V/3.884A,891.35W,PF=0.996

(c)??? 極輕載：232.9V/0.752A,163.18W,PF=0.932

(d)??? 重載：221.2V/9.677A,2146.52W,PF=0.999

圖5??? 在4種不同負(fù)載時(shí)測(cè)量打印電源的電網(wǎng)輸入電流電壓波形

表1??? PF9811配合電腦、專用軟件測(cè)量打印的第2頁(yè)測(cè)試報(bào)告：高次諧波數(shù)據(jù)群