3500W与6000W开关电源的剖析.docx

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3500W与6000W开关电源的剖析

3500W与6000W开关电源的剖析

时间:

2009-08-05 来源:

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刘胜利 点击：

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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。

23500W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。

2.1IR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。

2.2EC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。

2.3.2Boost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。

33500W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。

图13500W、6000W高档开关电源主功率变换器（三环节）电路图初拟

图23500W、6000W高档开关电源总方框与PFC、全桥控制板关系图

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。

图3用PF9811测量仪及专用软件、配合联想电脑测量打印的电源波形与数据

图4350V/10A电源在加载400W后测量打印的电网输入波形、电流频谱（省略了电压频谱）

（a）中等负载：

228.5V/5.718A，1303.69W，PF=0.998

（b）较轻载：

230.3V/3.884A，891.35W，PF=0.996

（c）极轻载：

232.9V/0.752A，163.18W，PF=0.932

（d）重载：

221.2V/9.677A，2146.52W，PF=0.999

图5在4种不同负载时测量打印电源的电网输入电流电压波形

表1PF9811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

1

100.0％

100.0％

2

0.0％

0.5％

3

0.7％

 14.6％

4

0.0％

0.1％

5

 0.3％

 10.5％

6

0.1％

 0.3％

7

 0.4％

5.2％

8

0.0％

0.3％

9

0.3％

1.9％

10

0.0％

0.2％

11

 0.4％

2.2％

12

0.0％

0.4％

13

0.4％

3.7％

14

0.0％

0.2％

15

0.1％

4.9％

16

0.0％

0.4％

17

0.2％

3.6％

18

 0.0％

 0.0％

19

0.1％

3.0％

20

0.0％

0.3％

21

0.0％

2.8％

22

0.0％

0.2％

23

0.0％

2.0％

24

0.0％

0.1％

25

0.1％

1.9％

26

0.0％

0.3％

27

0.1％

3.6％

28

0.0％

 0.2％

29

0.0％

 2.1％

30

0.0％

0.2％

31

0.0％

1.5％

32

0.0％

0.1％

33

0.0％

0.6％

34

0.0％

0.2％

35

0.0％

2.2％

36

0.0％

0.1％

37

0.0％

1.1％

38

0.0％

0.2％

39

0.0％

1.2％

40

0.0％

0.1％

41

0.0％

0.2％

42

0.0％

0.1％

43

0.0％

0.2％

44

0.0％

0.3％

45

0.0％

0.8％

46

0.0％

0.1％

47

0.0％

0.8％

48

0.0％

0.2％

49

0.0％

0.2％

50

0.0％

0.0％

46000W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×kΩ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）。

（a）印刷板正面

（b）印刷板反面

（c）内部夹层一

（d）内部夹层二

图6PFC控制板拆焊磨漆后显露的铜箔线及磨掉铜箔后显出了内夹层线点

   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）。

图7放大加工后按铜箔走线和焊点绘制的8只IC与阻容等连线图

图8PFC控制板上主芯片M1与7只辅助IC内部单元电路关系网图

图9PFC控制经插脚与电源整机主板上主要元器件连线简图

   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）。

（a）市电输入电压电流波形

（b）电流频谱

图10空载恶劣条件下测量打印48V/70A电源市电输入波形、电流频谱

（a）市电输入电压电流波形

（b）电流频谱

图11加载440W后测量打印48V电源市电输入波形、电流频谱

（a）极轻载：

229.5V，1.020A，150.83W，PF=0.645

（b）中载Ⅰ：

226.0V，4.225A，942.80W，PF=0.987

（c）中载Ⅱ：

223.7V，6.223A，1385.04W，PF=0.995

（d）中载Ⅲ：

221.6V，8.264A，1826.50W，PF=0.997

（e）重载Ⅰ：

219.3V，10.362A，2268.30W，PF=0.998

（f）重载Ⅱ：

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