3500W與6000W高檔開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的電路設計與元器件應用特點(diǎn)，并提出了有待繼續分析的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：功率因數校正；Buck?Boost變換器；分段式控制

4 6000W電源剖析

經(jīng)實(shí)體解剖證實(shí)，兩種3500W電源的PFC貼片控制板電路結構、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貼片控制板電路結構與原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(shuō)明了PFC控制電路設計已十分成熟，沒(méi)有必要再改。

圖6

在打開(kāi)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(chǎng)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構也相似相近，只是又加長(cháng)了約30％或體積增大了些。后來(lái)解剖發(fā)現兩種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(kāi)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(xiàn)形式，并新增加一塊專(zhuān)用功率印制板緊固6只MOSFET的漏極、源極、柵極螺孔連線(xiàn)片，明顯改進(jìn)了維修更換條件。功率板上的99″驅動(dòng)變壓器和驅動(dòng)IC?M1C4421(99″)等，與3500W電源相同。

圖7

5 高功率因數的實(shí)現

在實(shí)體拆焊解剖原貼片式PFC控制板時(shí)發(fā)現二個(gè)非常奇怪的現象：一是PFC主芯片IC腳16驅動(dòng)輸出端銅箔走線(xiàn)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(xiàn)，它原是IC內部高頻振蕩器的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(jìn)美國Unitrode公司專(zhuān)用IC的開(kāi)關(guān)電源應用專(zhuān)家。

早期問(wèn)世的UC3854，作為高頻有源功率因數校正器的代表性產(chǎn)品，專(zhuān)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(lái)專(zhuān)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(méi)有見(jiàn)過(guò)停用UC3854內部高頻振蕩器和驅動(dòng)輸出的8只IC組合的PFC設計。

圖8

為什么3500W電源的實(shí)測PF≥0.999，能達到如此高性能指標，結論只有在調查的末尾才可得到。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(gè)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(shí)際數值；并用萬(wàn)用表的RkΩ檔（內含1?5V電池）、R10k檔（內含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(kāi)關(guān)、穩壓二極管，肖特基二極管等。

現給出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(lái)的印制板銅箔走線(xiàn)，其正面和反面分別見(jiàn)圖6(a)及圖6(b)。然后繼續磨掉銅線(xiàn)后，兩面分別顯現的內部雙夾層走線(xiàn)、焊點(diǎn)、絕緣圈等，見(jiàn)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(xiàn)實(shí)體布局圖。經(jīng)過(guò)反復測查兩面的穿心焊點(diǎn)連線(xiàn)之后，可繪制真實(shí)的PFC控制板電路圖?，F給出主芯片M1?UC3854（假代號53H1747）與其他7只IC內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(diǎn)器件的連線(xiàn)簡(jiǎn)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只利用了內部電路的前半部分，即線(xiàn)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(kāi)關(guān)脈沖預放大驅動(dòng)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(lái)分別完成，設計者獨辟新路，是為了擴大主芯片控制范圍。

PFC控制板是電源整機實(shí)現高功率因數值的指揮中心。它分3路分別經(jīng)3個(gè)插頭焊腳送往3大功率器件，對3500W高檔電源3個(gè)環(huán)節實(shí)現控制：

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(kāi)關(guān)管實(shí)行分段式控制，在三相或單相輸入時(shí)工作狀態(tài)不同；

3）Bcost?PFCMOSFET功率開(kāi)關(guān)管控制脈沖經(jīng)腳10輸出，又經(jīng)驅動(dòng)IC放大。

對兩種3500W大功率電源整機通電加載，在較重負載時(shí)實(shí)測PF≥0?998，充分證明了PFC功率因數校正器電路系統的性能高超、設計成熟、巧妙獨特。它在電路整體結構上是一個(gè)Buck?Boost組合的PFC控制電路，對IGBT開(kāi)關(guān)管采用分段式控制，即當市電輸入電壓為三相380V時(shí)，全波整流

器輸出的100Hz低頻脈動(dòng)電壓峰值達570V左右，則PFC控制板自動(dòng)送出PWM脈沖到Buck電路的IGBT柵極，以PWM方式對其輸出開(kāi)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。當市電輸入電壓為單相220V時(shí)，全波整流器的輸出脈動(dòng)低頻電壓峰值約310V，于是控制電路自動(dòng)關(guān)斷IGBT柵極的方波電壓，使Buck失效，IGBT開(kāi)關(guān)不再衰減脈動(dòng)電壓。

在家庭實(shí)驗條件下只有單相220V電壓。此時(shí)IGBT處于導通狀態(tài)，在功率管IGBT柵極實(shí)測到的電壓波形不是PWM矩形波，而是310V、100Hz脈動(dòng)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(shí)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）；功率因數值劇降到0.456，比350V特種電源空載時(shí)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48V電源加載到440W后，其市電輸入電流波形明顯轉好，相位偏離也減小，敏感的電流總諧波降至15％，功率因數值大幅提高到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(zhù)減小到6?3％。當48V電源再加載到942.8W時(shí)，其電流波形也進(jìn)一步改善為小臺階，電流總諧波又降至7?1％，PF=0.987。當48V電源加載到1385W時(shí)，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(jiàn)圖10，圖11，圖12與表2）。

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

滿(mǎn)載時(shí)：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(mǎn)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、諧波數據、PF值后，發(fā)現每種電源正常工作時(shí)的特性參數基本相似，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(wèn)題

下面為大功率開(kāi)關(guān)電源技術(shù)研究者擺出了一些疑問(wèn)和困惑。

實(shí)體解剖48V/70A電源主板電路元器件，發(fā)現兩個(gè)意外的反常設計：一是直流輸出端沒(méi)有并聯(lián)泄放電阻，造成空載時(shí)副邊整流回路電流劇減；二是主功率變壓器原邊繞組沒(méi)有串接附加諧振電感器，導致全橋變換器滯后臂開(kāi)關(guān)管輕載時(shí)不能實(shí)現零電壓軟開(kāi)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(jìn)的有源箝位電路。這究竟是IBM電源各個(gè)專(zhuān)題組的設計失誤造成？還是48V中低壓輸出大電流電源實(shí)際存在的設計難題？或是艦上工作條件無(wú)空載？請國內專(zhuān)家幫助分析。

圖12

7 測量?jì)x器介紹

杭州遠方儀表廠(chǎng)2001年生產(chǎn)的PF9811智能電量測量?jì)x，是測量各種電源多項電參數，并能夠進(jìn)行記錄、數字處理、微機傳輸的的專(zhuān)用設備。它對電網(wǎng)電壓、電流、功耗、功率因數等測量精度達1/1000；并提供專(zhuān)項測試軟件給計算機。電源通電加載后它有4個(gè)紅光顯示屏同時(shí)給出4種電參量瞬態(tài)值。當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(shí)，只須按下“鎖存”鍵，此時(shí)4個(gè)顯示屏給出的數據，均轉為特定負載條件下的穩態(tài)值，它們經(jīng)RS?232接口送給計算機。按PF9811專(zhuān)用軟件，每次連續打印出2頁(yè)測試報告。第1頁(yè)是圖3中市電輸入電流波形、電壓波形、頻譜特性；第2頁(yè)是表1中1～50次電壓諧波、電流諧波數據群。

特別是能精確打印出某個(gè)負載時(shí)電源市電輸入電流波形，能最直觀(guān)靈敏真實(shí)地反映PFC電路控制電源系統的功率因數校正結果。這為進(jìn)一步深入解剖、參數試驗、改進(jìn)設計，提供了關(guān)鍵的判斷依據和監測對象。這種“三合一”高檔測量打印方法（PF9811＋聯(lián)想電腦＋專(zhuān)用軟件），是深入研究全橋變換器移相控制ZVS大功率開(kāi)關(guān)電源的重要手段。