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3500W与6000W高档开关电源的剖析(1)
[正文]: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；buckboost变换器；分段式控制 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。
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。
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×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。
2.2 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×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。
2.3.2 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。
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。
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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boostmosfet，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。
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