3500W與6000W高檔開關(guān)電源的剖析

    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)計與元器件應(yīng)用特點，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

4 6000W電源剖析

經(jīng)實體解剖證實，兩種3500W電源的PFC貼片控制板電路結(jié)構(gòu)、元器件完全相同。隨后解剖了兩種新搞到的6000W電源證明，其PFC貼片控制板電路結(jié)構(gòu)與原3500W也基本相同。Ascom公司2000年投產(chǎn)的兩種高檔6000W電源（直流輸出48V/112A和350V/17A），是更換淘汰IBM軍用電源的工業(yè)級產(chǎn)品。說明了PFC控制電路設(shè)計已十分成熟，沒有必要再改。

圖6

    在打開6000W電源的外殼鐵蓋后，看到其大號的CBB多只高壓電容器上，均標出了廠年月為“9926”、“9938”等。其中48V/112A通信電源的散熱器加高了2～3倍，重達8kg；細看電源主板上的5只大號?47mm磁環(huán)電感器與3500W電源相同，主功率變壓器和Boost儲能電感器的外形結(jié)構(gòu)也相似相近，只是又加長了約30％或體積增大了些。后來解剖發(fā)現(xiàn)兩種6000W電源相同的Boost?PFC大電感器磁芯增加到4付8塊EE55組合而成；48V/112A電源的主功率變壓器改用3塊?73mm扁平磁環(huán)疊合而成。

6000W電源的MOSFET均改用工業(yè)級標準型號公開的新品，是IR公司或IXYS產(chǎn)品，每臺電源用6只MOSFET均為SOT?227B封裝的四螺孔接線形式，并新增加一塊專用功率印制板緊固6只MOSFET的漏極、源極、柵極螺孔連線片，明顯改進了維修更換條件。功率板上的99″驅(qū)動變壓器和驅(qū)動IC?M1C4421(99″)等，與3500W電源相同。

圖7

5 高功率因數(shù)的實現(xiàn)

在實體拆焊解剖原貼片式PFC控制板時發(fā)現(xiàn)二個非常奇怪的現(xiàn)象：一是PFC主芯片IC腳16驅(qū)動輸出端銅箔走線居然被懸空，不接電路板上任何其他元器件；二是IC腳14反常地接地線，它原是IC內(nèi)部高頻振蕩器的CT電容器外接引腳端。為此，我于2001年底特別請教了李龍文先生，他是十年前我國最早消化、吸收、引進美國Unitrode公司專用IC的開關(guān)電源應(yīng)用專家。

早期問世的UC3854，作為高頻有源功率因數(shù)校正器的代表性產(chǎn)品，專用于大功率電源抑制諧波電流污染電網(wǎng)，它是國際上經(jīng)典的PFC功率因數(shù)校正“綠色能源”產(chǎn)品，早已選作美國的國家電源工業(yè)標準。十幾年來專業(yè)期刊上發(fā)表的研究文獻，均是整體選用UC3854作為PFC電路主芯片，沒有見過停用UC3854內(nèi)部高頻振蕩器和驅(qū)動輸出的8只IC組合的PFC設(shè)計。

圖8

    為什么3500W電源的實測PF≥0.999，能達到如此高性能指標，結(jié)論只有在調(diào)查的末尾才可得到。在充分準備之后，用特殊烙鐵頭逐一拆焊了高密度貼片PFC控制板上的近百個元器件，并逐一粘固在事先作了編號的硬殼白紙上。隨后又細致測量了每一只電阻器和電容器的實際數(shù)值；并用萬用表的R×kΩ檔（內(nèi)含1?5V電池）、R×10k檔（內(nèi)含9V＋1.5V電池）量程測量記錄了十幾只二極管的正向電阻值和反向電阻值，包括整流、開關(guān)、穩(wěn)壓二極管，肖特基二極管等。

現(xiàn)給出PFC控制板拆焊全部貼片元器件，并用砂紙磨掉焊錫和綠漆之后，顯露出來的印制板銅箔走線，其正面和反面分別見圖6(a)及圖6(b)。然后繼續(xù)磨掉銅線后，兩面分別顯現(xiàn)的內(nèi)部雙夾層走線、焊點、絕緣圈等，見圖6(c)及圖6(d)。

圖7是放大的PFC控制板8只IC各引腳銅箔走線實體布局圖。經(jīng)過反復(fù)測查兩面的穿心焊點連線之后，可繪制真實的PFC控制板電路圖。現(xiàn)給出主芯片M1?UC3854（假代號53H1747）與其他7只IC內(nèi)部單元電路相連的關(guān)系網(wǎng)圖（圖8）。并給出PFC控制板經(jīng)插腳與電源整機主板上重點器件的連線簡圖（圖9）。

圖9

    兩種3500W電源主板上完全相同的PFC控制板電路，它的奇特之處在于：其主芯片UC3854只利用了內(nèi)部電路的前半部分，即線性模擬乘法器和電流誤差放大器等；而其他重要的單元電路，如高頻振蕩器、PWM比較器、R?S觸發(fā)器、邏輯控制電路和開關(guān)脈沖預(yù)放大驅(qū)動器，卻反常地留給了PFC控制板上其他IC（LM319，LM339，LM358和LM393，74C00，74C04等共7只）來分別完成，設(shè)計者獨辟新路，是為了擴大主芯片控制范圍。

PFC控制板是電源整機實現(xiàn)高功率因數(shù)值的指揮中心。它分3路分別經(jīng)3個插頭焊腳送往3大功率器件，對3500W高檔電源3個環(huán)節(jié)實現(xiàn)控制：

1）電網(wǎng)輸入整流器P425單相全波整流可控橋，二可控端為G1、G2；

2）Buck?PFCIGBT功率開關(guān)管實行分段式控制，在三相或單相輸入時工作狀態(tài)不同；

3）Bcost?PFCMOSFET功率開關(guān)管控制脈沖經(jīng)腳10輸出，又經(jīng)驅(qū)動IC放大。

    對兩種3500W大功率電源整機通電加載，在較重負載時實測PF≥0?998，充分證明了PFC功率因數(shù)校正器電路系統(tǒng)的性能高超、設(shè)計成熟、巧妙獨特。它在電路整體結(jié)構(gòu)上是一個Buck?Boost組合的PFC控制電路，對IGBT開關(guān)管采用分段式控制，即當(dāng)市電輸入電壓為三相380V時，全波整流

器輸出的100Hz低頻脈動電壓峰值達570V左右，則PFC控制板自動送出PWM脈沖到Buck電路的IGBT柵極，以PWM方式對其輸出開關(guān)脈沖先作降壓處理，再送往Boost變換器儲能電感和MOSFET、二極管等。當(dāng)市電輸入電壓為單相220V時，全波整流器的輸出脈動低頻電壓峰值約310V，于是控制電路自動關(guān)斷IGBT柵極的方波電壓，使Buck失效，IGBT開關(guān)不再衰減脈動電壓。

在家庭實驗條件下只有單相220V電壓。此時IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，在功率管IGBT柵極實測到的電壓波形不是PWM矩形波，而是310V、100Hz脈動電壓波形。因為柵極與射極處于直通狀態(tài)。

    圖10給出了在空載惡劣條件下，實際測量打印的48V、70A通信電源市電輸入電流波形，和最敏感變壞的電流諧波與功率因數(shù)值：輸入電流波形變?yōu)榧庹}沖、且相位明顯偏離?入電壓的正弦波相位；總電流諧波高達56.2％（3次諧波為41.9％，5次為26.9％，7次15.8％，9次14.2％等）；功率因數(shù)值劇降到0.456，比350V特種電源空載時的PF=0.859差了許多（它的電流總諧波僅21.5％、3次諧波14.6％，5次為10.5％，7次5.2％，9次1.9％等）。

當(dāng)48V電源加載到440W后，其市電輸入電流波形明顯轉(zhuǎn)好，相位偏離也減小，敏感的電流總諧波降至15％，功率因數(shù)值大幅提高到0.958，雖然它接近350V電源加載到400W后的PF=0.989，但細看比較48V電流波形，顯然臺階突起仍多尖，不如前者更接近正弦波形，且350W電源的加載后電流總諧波又顯著減小到6?3％。當(dāng)48V電源再加載到942.8W時，其電流波形也進一步改善為小臺階，電流總諧波又降至7?1％，PF=0.987。當(dāng)48V電源加載到1385W時，輸入電流波形才接近正弦波，PF=0.995，電流總諧波降到4.0％。（見圖10，圖11，圖12與表2）。

表2 48V/70A電源在九種不同負載時的功耗、功率因數(shù)、電流總諧波、電壓總諧波

滿載時：2904.6W，13.08A，PF=0．999，電流總諧波2.8％，電壓總諧波2.7％，3次諧波電流1?0％

分別在空載、輕載、中載、重載、滿載等多種不同條件下，測量打印了多臺48V電源和多臺350V電源的許多波形、諧波數(shù)據(jù)、PF值后，發(fā)現(xiàn)每種電源正常工作時的特性參數(shù)基本相似，大同小異。350V電源多臺的主要性能指標，都明顯高于多臺48V通信電源。

6 問題

下面為大功率開關(guān)電源技術(shù)研究者擺出了一些疑問和困惑。

實體解剖48V/70A電源主板電路元器件，發(fā)現(xiàn)兩個意外的反常設(shè)計：一是直流輸出端沒有并聯(lián)泄放電阻，造成空載時副邊整流回路電流劇減；二是主功率變壓器原邊繞組沒有串接附加諧振電感器，導(dǎo)致全橋變換器滯后臂開關(guān)管輕載時不能實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，使損耗大增。而相比較之下，350V電源不但原邊繞組串接了鐵硅鋁磁環(huán)的附加諧振電感器，而且副邊整流后還增加了先進的有源箝位電路。這究竟是IBM電源各個專題組的設(shè)計失誤造成？還是48V中低壓輸出大電流電源實際存在的設(shè)計難題？或是艦上工作條件無空載？請國內(nèi)專家?guī)椭治觥?B>

圖12

7 測量儀器介紹

杭州遠方儀表廠2001年生產(chǎn)的PF9811智能電量測量儀，是測量各種電源多項電參數(shù)，并能夠進行記錄、數(shù)字處理、微機傳輸?shù)牡膶Ｓ迷O(shè)備。它對電網(wǎng)電壓、電流、功耗、功率因數(shù)等測量精度達1/1000；并提供專項測試軟件給計算機。電源通電加載后它有4個紅光顯示屏同時給出4種電參量瞬態(tài)值。當(dāng)需要測量并打印出電源的市電輸入交流電壓和電流波形、功率、PF等時，只須按下“鎖存”鍵，此時4個顯示屏給出的數(shù)據(jù)，均轉(zhuǎn)為特定負載條件下的穩(wěn)態(tài)值，它們經(jīng)RS?232接口送給計算機。按PF9811專用軟件，每次連續(xù)打印出2頁測試報告。第1頁是圖3中市電輸入電流波形、電壓波形、頻譜特性；第2頁是表1中1～50次電壓諧波、電流諧波數(shù)據(jù)群。

特別是能精確打印出某個負載時電源市電輸入電流波形，能最直觀靈敏真實地反映PFC電路控制電源系統(tǒng)的功率因數(shù)校正結(jié)果。這為進一步深入解剖、參數(shù)試驗、改進設(shè)計，提供了關(guān)鍵的判斷依據(jù)和監(jiān)測對象。這種“三合一”高檔測量打印方法（PF9811＋聯(lián)想電腦＋專用軟件），是深入研究全橋變換器移相控制ZVS大功率開關(guān)電源的重要手段。