3500W与6000W高档开关电源的剖析（1）
3500w与6000w高档开关电源的剖析（1）
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
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φ?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。
图1 3500w、6000w高档开关电源主功率变换器（三环节）电路图初拟
图2 3500w、6000w高档开关电源总方框与pfc、全桥控制板关系图 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。
图3 用pf9811测量仪及专用软件、配合联想电脑测量打印的电源波形与数据
图4 350v/10a电源在加载400w后 测量打印的电网输入波形、电流频谱（省略了电压频谱）
(a) 中等负载：228.5v/5.718a,1303.69w,pf=0.998 (b) 较轻载：230.3v/3.884a,891.35w,pf=0.996 (c) 极轻载：232.9v/0.752a,163.18w,pf=0.932 (d) 重载：221.2v/9.677a,2146.52w,pf=0.999 图5 在4种不同负载时测量打印电源的电网输入电流电压波形 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 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％
谐波次数 电压谐波 电流谐波 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％ 48 0.0％ 0.2％ 49 0.0％ 0.2％ 50 0.0％ 0.0％
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图2 3500w、6000w高档开关电源总方框与pfc、全桥控制板关系图 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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谐波次数 电压谐波 电流谐波 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％ 48 0.0％ 0.2％ 49 0.0％ 0.2％ 50 0.0％ 0.0％
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