3500W与6000W高档开关电源的剖析(1)

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:剖析了直流输出48V/70A与350V/10A两种3500W和48V/112A与350V/17A两种6000W高档开关电源的电路设计与元器件应用特点,并提出了有待继续分析的问题。 关键词:功率因数校正;BuckBoost变换器;分段式控制 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。 图8 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%26;#215;宽%26;#215;高=70cm%26;#215;22cm%26;#215;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%26;#215;宽%26;#215;高=40cm%26;#215;30cm%26;#215;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。 2 3500W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。 图2 2.1 IR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%26;#215;宽=9.2cm%26;#215;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。 2.2 EC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%26;#215;D=6cm%26;#215;2.4cm; 2)用2只椭园形CBB-8μF/DC500V,L%26;#215;W%26;#215;T=4.7cm%26;#215;3.9cm%26;#215;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73mm,磁环厚(高)12mm,其绕组线的宽度为18mm。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73mm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。 2.3.2 Boost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0.47mm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33mm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42mm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。 3 3500W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(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。 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?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DC 1000~1200V。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。 表1 PF9811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 谐波次数 电压谐波 电流谐波 1 100.0% 100.0% 26 0.0% 0.3% 2 0.0% 0.5% 27 0.1% 3.6% 3 0.7% 14.6% 28 0.0% 0.2% 4 0.0% 0.1% 29 0.0% 2.1% 5 0.3% 10.5% 30 0.0% 0.2% 6 0.1% 0.3% 31 0.0% 1.5% 7 0.4% 5.2% 32 0.0% 0.1% 8 0.0% 0.3% 33 0.0% 0.6% 9 0.3% 1.9% 34 0.0% 0.2% 10 0.0% 0.2% 35 0.0% 2.2% 11 0.4% 2.2% 36 0.0% 0.1% 12 0.0% 0.4% 37 0.0% 1.1% 13 0.4% 3.7% 38 0.0% 0.2% 14 0.0% 0.2% 39 0.0% 1.2% 15 0.1% 4.9% 40 0.0% 0.1% 16 0.0% 0.4% 41 0.0% 0.2% 17 0.2% 3.6% 42 0.0% 0.1% 18 0.0% 0.0% 43 0.0% 0.2% 19 0.1% 3.0% 44 0.0% 0.3% 20 0.0% 0.3% 45 0.0% 0.8% 21 0.0% 2.8% 46 0.0% 0.1% 22 0.0% 0.2% 47 0.0% 0.8% 23 0.0% 2.0% 48 0.0% 0.2% 24 0.0% 0.1% 49 0.0% 0.2% 25 0.1% 1.9% 50 0.0% 0.0%
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/12033.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved