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3500W 與6000W開關電源的剖析

admin @ 2014-03-26 , reply:0

概述

1引言   在2001年7月,有位電源技術愛好者送來了兩種據稱是“軍用絕密級”的高檔電源各2台,希望我能作專題解剖,深入分析,以消化吸收其先進技術……

1 引言
    在 2001 年7 月,有位電源技術愛好者送來了兩種據稱是“軍用絕密級”的高檔電源各2 台,希望我能作專題解剖,深入分析,以消化吸收其先進技術。
    該電源鐵殼上的銘牌標明,是IBM 公司的“Bulk”大型艦船專用電源。
    一種是直流輸出48V/70A 的長型通信電源,長×寬×高=70cm×22cm×12cm,重量約14kg。
    電網輸入三相380~415V(電流13A),也可降低輸入200~240V(電流24A),頻率50~60Hz。這種電源裝有電風扇強迫風冷,還在外殼上安裝了一隻三相高壓大開關。電網輸入先經大屏蔽盒濾波。
    另一種是直流輸出350V/10A 的短型特種電源,長×寬×高=40cm×30cm×8cm,重約10kg,無強迫風冷,散熱器也較短。其鐵殼上銘牌標明為電網三相輸入,有三種輸入範圍:200~240V、380~415V、460~480V。低電壓時IIN=25A(MAX);其輸出直流為350V/12.5A(MAX)。電網頻率50~60Hz。

2 3500W 電源解剖
    解剖工作第一步是拆焊兩種(兩台)電源主板上的大功率元器件,共有三類:
1)最重的大號磁性組件主功率變壓器和Boost 儲能電感器,鐵粉芯磁環電感5 只;
2)大號MOSFET、IGBT 功率開關管模塊,和兩隻電網整流器模塊P425 等;
3)大號高壓鋁電解電容器940μF/450V4 只,220μF/450V2 只,以及多個CBB 高頻、高壓、無感、無極性聚丙烯大電容器,都是優質的突波吸收元件。

2.1 IR 公司的功率器件
    首先,讓我意外新奇的是:均為IR 公司商標的MOSFET、IGBT 大模塊,其產品型號標記居然都被假代號替換,它們在IR 公司厚本產品手冊上均查不到。
1)側壁貼出一個IGBT 內接一隻二極體的模塊,標號為“F530(9604)”、“F826(9615)”、“F1670(9726)”、“F4702(9845)”等。
2)從電路判斷是一個MOSFET 內含一隻二極體的模塊,標號為“M4005(6315)”、“M4427(9624)”、“M3422(9611)”等。
3) 從電路判斷是二隻MOSFET(半橋雙管)的模塊,標號為“M5220(9708)”、“M5662(9726)”、“M3419(9603)”、“M6768(9814)”等。
    在市場上從未見過這種特殊外殼,每隻重近100g 的MOSFET 大模塊。每台電源用4 只,其散熱頂層的銅塊厚達6mm,長×寬=9.2cm×2cm。48V 電源有炸裂。
4)PFC 控制板上的主晶元標記為“53H1747”,4 台電源均同,本應是UC3854。我先把拆焊下來的IR 公司產品MOSFET 和IGBT 共8~9 只,帶到IR 深圳分公司找技術員詢問和鑒定,回答是“軍用絕密級”產品,非工業民品,故手冊上無。按3500W 電源分析,該MOSFET 反向耐壓應在500V~600V,工作電流在30A~40A。由於IR 代理商確認了這兩種大功率電源主板上使用的大號高頻開關管,是為軍用裝備特製的高檔產品,為了保密才改用假代號。因此,值得下功夫認真細緻地對兩種3500W 電源作深入解剖、全面測量、專題分析。隨後我又幾次在供貨商處查看多台開蓋電源主板上的MOSFET、IGBT 模塊側壁商標,並詳細記錄主要符號,才發現IR 公司設在墨西哥(MADEINMEXICO)廠地的特製MOSFET,暗藏了下述重要標記:
——凡是在最下層標上“82-5039+”者,不論假代號怎麼變,均為半橋雙管MOSFET,如“M7471(9846)”、“M3937(9613)”、“M3438(9602)”、“M5706(9732)”、“M3467(9602)”;
——凡是最下層標記為“82-6252+”者,不論假代號如何換,均為單管MOSFET 加一隻二極體,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 高壓無極性電容器,其工藝之精緻,市場上難見到。
1)每台電源用3 只大號長園柱形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)每台用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
    對兩種3500W 高檔電源主板上實用的大型磁件組合拆開細看,其特殊的設計結構和選材,讓我大開眼界,並悟到多項技巧。

2.3.1 主功率變壓器漆包線繞組和絕緣膠帶
    拆解之後發現,兩種3500W 電源均是用兩塊大號磁環疊合而成。每塊磁環的外徑達φ73mm,磁環厚(高)12mm,其繞組線的寬度為φ18mm。選用磁環在100kHz 開關高頻時不存在漏感問題;而兩塊扁平面磁環疊合在一起,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平面之間,實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載高頻大電流工作時,抗飽和能力大增。這與大號功率鐵氧體磁芯的截斷面被細磨拋光“鏡亮”的狀況大不相同。
    美、德公司在大功率高頻開關電源關鍵部件上採用的先進技術值得借鑒。可以預計,如果3500W 電源的主功率變壓器改用傳統常規的EE85 厚型鐵氧體磁芯,不僅體積和重量會成倍增大,而且過載抗飽和能力會明顯降低,使電源在浪涌衝擊下損壞MOSFET 功率管的幾率大為增加。由Ascom 研製的6000W-48V/112A 大功率電源,其主變壓器磁芯改為三塊φ73mm扁平磁環疊合,這個驚人之舉太巧妙、獨特而意義深遠,十分值得學習採納。

2.3.2 Boost 變換器的方形鐵殼儲能電感器
    拆解后才發現新奇的結構與選材。350V/10A 電源Boost 電感器是採用三付6 塊EE55 鐵氧體磁芯複合而成,但其中心柱截面氣隙達5.2mm(每塊為2.6mm)。Boost 儲能電感器的繞組導線並不用常規的多股φ0.47mm 漆包線卷繞,而是採用兩條極薄的(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,再接焊錫導線引出,用多層耐高壓絕緣膠帶紮緊包裹。這種特殊薄銅帶工藝繞制的Boost 儲能電感量=267μH、Q=0.36,它對於減小高頻集膚效應、改善Boost 變換器開關調製波形、降低磁件溫升均有重要作用。
    這又是一項前所未見的重大技術革新。多年來電源技術論文中有關PFC-Boost 磁件的設計論文尚未見過這種報道。前幾年我在2000W-PFC 試驗時換用幾種大號鐵粉芯磁環,或用較大罐形鐵氧體磁芯加大氣隙,繞制的Boost 儲能電感器仍發熱過快、過高,效果不理想。現受到很大啟發。

2.3.3 附加諧振電感器
    拆焊350V/10A 電源時,發現主功率變壓器原邊繞組串聯的附加諧振電感器,是一種直徑為φ33mm 的鐵硅鋁磁環,繞組用多股細線繞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。比較幾年前試驗用的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等級,且溫升較高。可見改用鐵硅鋁磁環,能大大減小附加諧振電感器重量和體積,是發現的又一項新技術。
    為了準確繪製兩種3500W 電源主板上的所有元器件焊點位置,印製板銅箔走線,以便畫出真實的電源電路設計圖,我預先測量尺寸,盡量避開焊點,在主板中間位置鋸開了印製板(厚2mm 的玻璃纖維硬板),終於按1:1 的實際比例,用2 張A4 複印紙即可繪製出電源主板正面元器件布局圖、兩塊控制板焊點位置等。再用2 張A4 白紙繪製電源主板背面印製板銅箔走線、一些貼片阻容、許多穿孔焊點定位等。並由此初步繪出了3500W 電源的主功率變換電路,如圖1 所示。兩種電源的設計結構大同小異,並給出了圖2 總方框圖與PFC、全橋控制板的關係圖。

3 3500W 兩種電源主電路的特點與分析
    從實體解剖、拆焊繪製 48V/70A 通信電源和350V/10A 特種電源主板上的所有元器件、印製板銅箔正反兩面實際走線、眾多焊點的真實定位(有的穿孔、有的並不穿孔只在單面),由此繪出的圖1 主功率變換電路圖,以及圖2 電源總結構框圖與PFC、全橋控制板相互關係,看出一個總體規律。
 
圖1 3500W、6000W 高檔開關電源主功率變換器(三環節)電路圖初擬
 
圖2 3500W、6000W 高檔開關電源總方框與PFC、全橋控制板關係圖
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節基本相同,即電網輸入濾波整流電路;PFC 系統的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,但解剖發現印製板內部還有兩個夾層電路設計。
3)兩種電源的貼片元器件高密度全橋控制板實體大不相同,其主晶元均用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;單面元器件的印製板夾層銅箔走線也較簡單些。兩種電源接外殼監控電路插座結構也不同。48V 電源全橋控制板上與主晶元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晶元UC3877DWP 配合的另外8 只IC 是OP177G、AD620、LM393X3、LM358、74HC05、74HC86 等。48V/70A 通信電源長70cm,主板空間寬裕。但該電源Boost 儲能電感器磁芯只用了兩付4 塊EE55,功率容量偏小,有兩台電源炸毀Boost-MOSFET,是設計失誤。
4)350V/10A 電源實體副邊整流之後加設了有源箝位電路,使主功率變換器副邊也實現軟開關,明顯降低了在空載惡劣條件下電源整機的高頻雜訊。特別是350V 電源的Boost 儲能電感器設計是採用三付6 只EE55 磁芯組合(中心柱氣隙均5.6mm),沒有發現一台350V 電源炸Boost-MOSFET。說明該專題設計組成功了。
    表1 及圖3 分別給出了一台350V/10A 電源在空載惡劣條件下,儀器測量列印的數據和波形。圖4 給出加負載400W 之後測量列印的電網輸入電流、電壓波形,功率因數值,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單相輸入,然後再分別作全波整流,其中一隻受控。這在大功率開關電源設計上具有重大優勢和實用價值。普通的三相PFC變換器輸出電壓高達DC760~800V(有的甚至DC1000V)這就要求后級變換器的功率開關管耐壓達DC1000~1200V。因此,國際上熱門研究用三電平軟開關變換器克服該難題,它需要多串聯一隻開關管降低反向電壓,使電路元器件及成本明顯增加。而IBM 獨辟新路,用較簡化方法解決了該難題。圖4 為載入波形。圖5 給出了350V/10A 電源在4 種不同負載條件下,測量列印的電網輸入電流、電壓波形等。
 
圖3 用PF9811 測量儀及專用軟體、配合聯想電腦測量列印的電源波形與數據
 
圖4 350V/10A 電源在載入400W 后測量列印的電網輸入波形、電流頻譜(省略了電壓頻譜)
 
(a) 中等負載: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 種不同負載時測量列印電源的電網輸入電流電壓波形
表1 PF9811 配合電腦、專用軟體測量列印的第2 頁測試報告:高次諧波數據群

諧波次數 電壓諧波 電流諧波
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%
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