3500W與6000W高檔開(kāi)關(guān)電源的剖析（2）

3500W與6000W高檔開(kāi)關(guān)電源的剖析（2）

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(shè)計(jì)與元器件應(yīng)用特點(diǎn)，并提出了有待繼續(xù)分析的問(wèn)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(shí)體解剖證實(shí)，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(jí)產(chǎn)品。說(shuō)明了PFC控制電路設(shè)計(jì)已十分成熟，沒(méi)有必要再改。

??? 在打開(kāi)6000W電源的外殼鐵蓋后，看到其大號(hào)的CBB多只高壓電容器上，均標(biāo)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(dá)8kg；細(xì)看電源主板上的5只大號(hào)φ47mm磁環(huán)電感器與3500W電源相同，主功率變壓器和Boost儲(chǔ)能電感器的外形結(jié)構(gòu)也相似相近，只是又加長(zhǎng)了約30％或體積增大了些。后來(lái)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φ73mm扁平磁環(huán)疊合而成。

??? 6000W電源的MOSFET均改用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)公開(kāi)的新品，是IR公司或IXYS產(chǎn)品，每臺(tái)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(zhuān)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(jìn)了維修更換條件。功率板上的99″驅(qū)動(dòng)變壓器和驅(qū)動(dòng)IC?M1C4421(99″)等，與3500W電源相同。

5??? 高功率因數(shù)的實(shí)現(xiàn)

??? 在實(shí)體拆焊解剖原貼片式PFC控制板時(shí)發(fā)現(xiàn)二個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象：一是PFC主芯片IC腳16驅(qū)動(dòng)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(qǐng)教了李龍文先生，他是十年前我國(guó)最早消化、吸收、引進(jìn)美國(guó)Unitrode公司專(zhuān)用IC的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用專(zhuān)家。

??? 早期問(wèn)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(zhuān)用于大功率電源抑制諧波電流污染電網(wǎng)，它是國(guó)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(guó)的國(guó)家電源工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。十幾年來(lái)專(zhuān)業(yè)期刊上發(fā)表的研究文獻(xiàn)，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(nèi)部高頻振蕩器和驅(qū)動(dòng)輸出的8只IC組合的PFC設(shè)計(jì)。

??? 為什么3500W電源的實(shí)測(cè)PF≥0.999，能達(dá)到如此高性能指標(biāo)，結(jié)論只有在調(diào)查的末尾才可得到。在充分準(zhǔn)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(hào)的硬殼白紙上。隨后又細(xì)致測(cè)量了每一只電阻器和電容器的實(shí)際數(shù)值；并用萬(wàn)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(cè)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(wěn)壓二極管，肖特基二極管等。

??? 圖7是放大的PFC控制板8只IC各引腳銅箔走線實(shí)體布局圖。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)查兩面的穿心焊點(diǎn)連線之后，可繪制真實(shí)的PFC控制板電路圖?，F(xiàn)給出主芯片M1-UC3854（假代號(hào)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(jī)主板上重點(diǎn)器件的連線簡(jiǎn)圖（圖9）。

圖7??? 放大加工后按銅箔走線和焊點(diǎn)繪制的8只IC與阻容等連線圖

圖8??? PFC控制板上主芯片M1與7只輔助IC內(nèi)部單元電路關(guān)系網(wǎng)圖

圖9??? PFC控制經(jīng)插腳與電源整機(jī)主板上主要元器件連線簡(jiǎn)圖

??? 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(kāi)關(guān)脈沖預(yù)放大驅(qū)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(shè)計(jì)者獨(dú)辟新路，是為了擴(kuò)大主芯片控制范圍。

??? PFC控制板是電源整機(jī)實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)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(duì)3500W高檔電源3個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)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(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(qū)動(dòng)IC放大。

??? 對(duì)兩種3500W大功率電源整機(jī)通電加載，在較重負(fù)載時(shí)實(shí)測(cè)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(jì)成熟、巧妙獨(dú)特。它在電路整體結(jié)構(gòu)上是一個(gè)Buck-Boost組合的PFC控制電路，對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)管采用分段式控制，即當(dāng)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(dá)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(duì)其輸出開(kāi)關(guān)脈沖先作降壓處理，再送往Boost變換器儲(chǔ)能電感和MOSFET、二極管等。當(dāng)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(yàn)條件下只有單相220V電壓。此時(shí)IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，在功率管IGBT柵極實(shí)測(cè)到的電壓波形不是PWM矩形波，而是310V、100Hz脈動(dòng)電壓波形。因?yàn)闁艠O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(cè)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、且相位明顯偏離輸入電壓的正弦波相位；總電流諧波高達(dá)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(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(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(xì)看比較48V電流波形，顯然臺(tái)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(shí)，其電流波形也進(jìn)一步改善為小臺(tái)階，電流總諧波又降至7.1％，PF=0.987。當(dāng)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）。

(a)市電輸入電壓電流波形

(b)電流頻譜

圖10空載惡劣條件下測(cè)量打印48V/70A電源市電輸入波形、電流頻譜

(a)市電輸入電壓電流波形

(b)電流頻譜

圖11加載440W后測(cè)量打印48V電源市電輸入波形、電流頻譜

(a)極輕載229.5V,1.020A,150.83W,PF=0.645

(b)中載Ⅰ：226.0V,4.225A,942.80W,PF=0.987

(c)中載Ⅱ：223.7V,6.223A,1385.04W,PF=0.995

(d)中載Ⅲ：221.6V,8.264A,1826.50W,PF=0.997

(e)重載Ⅰ：219.3V,10.362A,2268.30W,PF=0.998

(f)重載Ⅱ：217.6V,12.013A, 2610.56W,PF=0.999

圖12??? 測(cè)量打印48V/70A電源在另6種不同負(fù)載時(shí)的市電輸入波形

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

??? 分別在空載、輕載、中載、重載、滿載等多種不同條件下，測(cè)量打印了多臺(tái)48V電源和多臺(tái)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(shí)的特性參數(shù)基本相似，大同小異。350V電源多臺(tái)的主要性能指標(biāo)，都明顯高于多臺(tái)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(xiàn)兩個(gè)意外的反常設(shè)計(jì)：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(dǎo)致全橋變換器滯后臂開(kāi)關(guān)管輕載時(shí)不能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)失誤造成？還是48V中低壓輸出大電流電源實(shí)際存在的設(shè)計(jì)難題？或是艦上工作條件無(wú)空載？請(qǐng)國(guó)內(nèi)專(zhuān)家?guī)椭治觥?

7??? 測(cè)量?jī)x器介紹

??? 杭州遠(yuǎn)方儀表廠2001年生產(chǎn)的PF9811智能電量測(cè)量?jī)x，是測(cè)量各種電源多項(xiàng)電參數(shù)，并能夠進(jìn)行記錄、數(shù)字處理、微機(jī)傳輸?shù)牡膶?zhuān)用設(shè)備。它對(duì)電網(wǎng)電壓、電流、功耗、功率因數(shù)等測(cè)量精度達(dá)1/1000；并提供專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試軟件給計(jì)算機(jī)。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(dāng)需要測(cè)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(shù)據(jù)，均轉(zhuǎn)為特定負(fù)載條件下的穩(wěn)態(tài)值，它們經(jīng)RS-232接口送給計(jì)算機(jī)。按PF9811專(zhuān)用軟件，每次連續(xù)打印出2頁(yè)測(cè)試報(bào)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(shù)據(jù)群。

??? 特別是能精確打印出某個(gè)負(fù)載時(shí)電源市電輸入電流波形，能最直觀靈敏真實(shí)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(jìn)一步深入解剖、參數(shù)試驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)，提供了關(guān)鍵的判斷依據(jù)和監(jiān)測(cè)對(duì)象。這種“三合一”高檔測(cè)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。