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3500W與6000W開關(guān)電源的剖析
3500W與6000W開關(guān)電源的剖析
 更新時間:2010-1-19 15:09:08  點(diǎn)擊數(shù):0
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一種是直流輸出48V/70A 的長型通信電源,長×寬×高=70cm×22cm×12cm,重量約14kg。
    電網(wǎng)輸入三相380~415V(電流13A),也可降低輸入200~240V(電流24A),頻率50~60Hz。這種電源裝有電風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷,還在外殼上安裝了一只三相高壓大開關(guān)。電網(wǎng)輸入先經(jīng)大屏蔽盒濾波。
    另一種是直流輸出350V/10A 的短型特種電源,長×寬×高=40cm×30cm×8cm,重約10kg,無強(qiáng)迫風(fēng)冷,散熱器也較短。其鐵殼上銘牌標(biāo)明為電網(wǎng)三相輸入,有三種輸入范圍:200~240V、380~415V、460~480V。低電壓時IIN=25A(MAX);其輸出直流為350V/12.5A(MAX)。電網(wǎng)頻率50~60Hz。

2 3500W 電源解剖
    解剖工作第一步是拆焊兩種(兩臺)電源主板上的大功率元器件,共有三類:
1)最重的大號磁性組件主功率變壓器和Boost 儲能電感器,鐵粉芯磁環(huán)電感5 只;
2)大號MOSFET、IGBT 功率開關(guān)管模塊,和兩只電網(wǎng)整流器模塊P425 等;
3)大號高壓鋁電解電容器940μF/450V4 只,220μF/450V2 只,以及多個CBB 高頻、高壓、無感、無極性聚丙烯大電容器,都是優(yōu)質(zhì)的突波吸收元件。

2.1 IR 公司的功率器件
    首先,讓我意外新奇的是:均為IR 公司商標(biāo)的MOSFET、IGBT 大模塊,其產(chǎn)品型號標(biāo)記居然都被假代號替換,它們在IR 公司厚本產(chǎn)品手冊上均查不到。
1)側(cè)壁貼出一個IGBT 內(nèi)接一只二極管的模塊,標(biāo)號為“F530(9604)”、“F826(9615)”、“F1670(9726)”、“F4702(9845)”等。
2)從電路判斷是一個MOSFET 內(nèi)含一只二極管的模塊,標(biāo)號為“M4005(6315)”、“M4427(9624)”、“M3422(9611)”等。
3) 從電路判斷是二只MOSFET(半橋雙管)的模塊,標(biāo)號為“M5220(9708)”、“M5662(9726)”、“M3419(9603)”、“M6768(9814)”等。
    在市場上從未見過這種特殊外殼,每只重近100g 的MOSFET 大模塊。每臺電源用4 只,其散熱頂層的銅塊厚達(dá)6mm,長×寬=9.2cm×2cm。48V 電源有炸裂。
4)PFC 控制板上的主芯片標(biāo)記為“53H1747”,4 臺電源均同,本應(yīng)是UC3854。我先把拆焊下來的IR 公司產(chǎn)品MOSFET 和IGBT 共8~9 只,帶到IR 深圳分公司找技術(shù)員詢問和鑒定,回答是“軍用絕密級”產(chǎn)品,非工業(yè)民品,故手冊上無。按3500W 電源分析,該MOSFET 反向耐壓應(yīng)在500V~600V,工作電流在30A~40A。由于IR 代理商確認(rèn)了這兩種大功率電源主板上使用的大號高頻開關(guān)管,是為軍用裝備特制的高檔產(chǎn)品,為了保密才改用假代號。因此,值得下功夫認(rèn)真細(xì)致地對兩種3500W 電源作深入解剖、全面測量、專題分析。隨后我又幾次在供貨商處查看多臺開蓋電源主板上的MOSFET、IGBT 模塊側(cè)壁商標(biāo),并詳細(xì)記錄主要符號,才發(fā)現(xiàn)IR 公司設(shè)在墨西哥(MADEINMEXICO)廠地的特制MOSFET,暗藏了下述重要標(biāo)記:
——凡是在最下層標(biāo)上“82-5039+”者,不論假代號怎么變,均為半橋雙管MOSFET,如“M7471(9846)”、“M3937(9613)”、“M3438(9602)”、“M5706(9732)”、“M3467(9602)”;
——凡是最下層標(biāo)記為“82-6252+”者,不論假代號如何換,均為單管MOSFET 加一只二極管,如“M7453(9845)”、“M4045(9616)”、“M3721(9609)”、“M5394(9714)”、“M3161
(9547)”、“M3453(9602)”等。

2.2 EC 公司的電容器
    電源上使用的EC 公司CCB 高壓無極性電容器,其工藝之精致,市場上難見到。
1)每臺電源用3 只大號長園柱形CBB-2.5μF/DC850V,H×D=6cm×2.4cm;
2)用2 只橢園形CBB-8μF/DC500V,L×W×T=4.7cm×3.9cm×2.6cm;
3)每臺用2 只CBB-1.0μF/DC850V(扁平形、4 引腳),上述三種電容器用在三相輸入濾波與Boost 電路;
4)48V/70A 通信電源輸出濾波電容器CBB-50μF/DC100V,是最粗胖的,無極性;
5)350V/10A 特種電源輸出濾波電容器CBB-3.3μF/DC500V,均用半透明硅膠封裝。

2.3 磁性元件
    對兩種3500W 高檔電源主板上實(shí)用的大型磁件組合拆開細(xì)看,其特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)和選材,讓我大開眼界,并悟到多項技巧。

2.3.1 主功率變壓器漆包線繞組和絕緣膠帶
    拆解之后發(fā)現(xiàn),兩種3500W 電源均是用兩塊大號磁環(huán)疊合而成。每塊磁環(huán)的外徑達(dá)φ73mm,磁環(huán)厚(高)12mm,其繞組線的寬度為φ18mm。選用磁環(huán)在100kHz 開關(guān)高頻時不存在漏感問題;而兩塊扁平面磁環(huán)疊合在一起,再緊繞制主變壓器的原邊繞組和副邊繞組、加多層絕緣膠帶等。在兩塊金屬鐵粉芯磁環(huán)平面之間,實(shí)際上仍然存在許多小的天然氣隙(雖已壓緊靠攏),這使得主功率變壓器在重負(fù)載高頻大電流工作時,抗飽和能力大增。這與大號功率鐵氧體磁芯的截斷面被細(xì)磨拋光“鏡亮”的狀況大不相同。
    美、德公司在大功率高頻開關(guān)電源關(guān)鍵部件上采用的先進(jìn)技術(shù)值得借鑒?梢灶A(yù)計,如果3500W 電源的主功率變壓器改用傳統(tǒng)常規(guī)的EE85 厚型鐵氧體磁芯,不僅體積和重量會成倍增大,而且過載抗飽和能力會明顯降低,使電源在浪涌沖擊下?lián)p壞MOSFET 功率管的幾率大為增加。由Ascom 研制的6000W-48V/112A 大功率電源,其主變壓器磁芯改為三塊φ73mm扁平磁環(huán)疊合,這個驚人之舉太巧妙、獨(dú)特而意義深遠(yuǎn),十分值得學(xué)習(xí)采納。

2.3.2 Boost 變換器的方形鐵殼儲能電感器
    拆解后才發(fā)現(xiàn)新奇的結(jié)構(gòu)與選材。350V/10A 電源Boost 電感器是采用三付6 塊EE55 鐵氧體磁芯復(fù)合而成,但其中心柱截面氣隙達(dá)5.2mm(每塊為2.6mm)。Boost 儲能電感器的繞組導(dǎo)線并不用常規(guī)的多股φ0.47mm 漆包線卷繞,而是采用兩條極薄的(厚度僅0.1mm)、寬度33mm 紅銅帶疊合,每條薄銅帶總長約6.5m,疊合壓緊在(可插6 塊EE55 磁芯的)塑料骨架上共繞26 圈,再接焊錫導(dǎo)線引出,用多層耐高壓絕緣膠帶扎緊包裹。這種特殊薄銅帶工藝?yán)@制的Boost 儲能電感量=267μH、Q=0.36,它對于減小高頻集膚效應(yīng)、改善Boost 變換器開關(guān)調(diào)制波形、降低磁件溫升均有重要作用。
    這又是一項前所未見的重大技術(shù)革新。多年來電源技術(shù)論文中有關(guān)PFC-Boost 磁件的設(shè)計論文尚未見過這種報道。前幾年我在2000W-PFC 試驗(yàn)時換用幾種大號鐵粉芯磁環(huán),或用較大罐形鐵氧體磁芯加大氣隙,繞制的Boost 儲能電感器仍發(fā)熱過快、過高,效果不理想,F(xiàn)受到很大啟發(fā)。

2.3.3 附加諧振電感器
    拆焊350V/10A 電源時,發(fā)現(xiàn)主功率變壓器原邊繞組串聯(lián)的附加諧振電感器,是一種直徑為φ33mm 的鐵硅鋁磁環(huán),繞組用多股細(xì)線繞3.5 圈,電感量為3.2μH。而拆焊6000W 電源350V/17A 輸出型,其原邊串接的附加諧振電感器是用φ42mm 的鐵硅鋁磁環(huán)。比較幾年前試驗(yàn)用的1000W、2000W、3000W 電源,曾用加氣隙的EE55、EE65、EE70 鐵氧體做附加諧振電感器,它們比主功率變壓器磁芯只小一個等級,且溫升較高?梢姼挠描F硅鋁磁環(huán),能大大減小附加諧振電感器重量和體積,是發(fā)現(xiàn)的又一項新技術(shù)。
    為了準(zhǔn)確繪制兩種3500W 電源主板上的所有元器件焊點(diǎn)位置,印制板銅箔走線,以便畫出真實(shí)的電源電路設(shè)計圖,我預(yù)先測量尺寸,盡量避開焊點(diǎn),在主板中間位置鋸開了印制板(厚2mm 的玻璃纖維硬板),終于按1:1 的實(shí)際比例,用2 張A4 復(fù)印紙即可繪制出電源主板正面元器件布局圖、兩塊控制板焊點(diǎn)位置等。再用2 張A4 白紙繪制電源主板背面印制板銅箔走線、一些貼片阻容、許多穿孔焊點(diǎn)定位等。并由此初步繪出了3500W 電源的主功率變換電路,如圖1 所示。兩種電源的設(shè)計結(jié)構(gòu)大同小異,并給出了圖2 總方框圖與PFC、全橋控制板的關(guān)系圖。

3 3500W 兩種電源主電路的特點(diǎn)與分析
    從實(shí)體解剖、拆焊繪制 48V/70A 通信電源和350V/10A 特種電源主板上的所有元器件、印制板銅箔正反兩面實(shí)際走線、眾多焊點(diǎn)的真實(shí)定位(有的穿孔、有的并不穿孔只在單面),由此繪出的圖1 主功率變換電路圖,以及圖2 電源總結(jié)構(gòu)框圖與PFC、全橋控制板相互關(guān)系,看出一個總體規(guī)律。
 
圖1 3500W、6000W 高檔開關(guān)電源主功率變換器(三環(huán)節(jié))電路圖初擬
 
圖2 3500W、6000W 高檔開關(guān)電源總方框與PFC、全橋控制板關(guān)系圖
1)兩種直流輸出電壓和電流大不相同的3500W 高檔電源(Vo、Io 均相差7 倍),其主功率變換電路的三大環(huán)節(jié)基本相同,即電網(wǎng)輸入濾波整流電路;PFC 系統(tǒng)的Buck-Boost 組合電路亦分段控制;全橋變換器移相式控制ZVS 軟開關(guān)電路。
2)兩種電源的PFC 貼片元器件控制板完全相同。有8 只IC 和上百個阻容。包括PFC 控制板與電源主板連接的雙列插頭16 芯焊腳也完全相同。高密度的PFC 貼片控制板僅厚1.0mm,但解剖發(fā)現(xiàn)印制板內(nèi)部還有兩個夾層電路設(shè)計。
3)兩種電源的貼片元器件高密度全橋控制板實(shí)體大不相同,其主芯片均用UC3877。48V/70A電源全橋控制板單面布元器件。其總面積比雙面均焊貼片元器件的350V/10A 電源全橋控制板大一倍;單面元器件的印制板夾層銅箔走線也較簡單些。兩種電源接外殼監(jiān)控電路插座結(jié)構(gòu)也不同。48V 電源全橋控制板上與主芯片UC3877DWP 配合的另外7 只IC 是LM339X2,74HC05,74HC86,LM358X2,MAX875。350V 電源全橋控制板與主芯片UC3877DWP 配合的另外8 只IC 是OP177G、AD620、LM393X3、LM358、74HC05、74HC86 等。48V/70A 通信電源長70cm,主板空間寬裕。但該電源Boost 儲能電感器磁芯只用了兩付4 塊EE55,功率容量偏小,有兩臺電源炸毀Boost-MOSFET,是設(shè)計失誤。
4)350V/10A 電源實(shí)體副邊整流之后加設(shè)了有源箝位電路,使主功率變換器副邊也實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),明顯降低了在空載惡劣條件下電源整機(jī)的高頻噪聲。特別是350V 電源的Boost 儲能電感器設(shè)計是采用三付6 只EE55 磁芯組合(中心柱氣隙均5.6mm),沒有發(fā)現(xiàn)一臺350V 電源炸Boost-MOSFET。說明該專題設(shè)計組成功了。
    表1 及圖3 分別給出了一臺350V/10A 電源在空載惡劣條件下,儀器測量打印的數(shù)據(jù)和波形。圖4 給出加負(fù)載400W 之后測量打印的電網(wǎng)輸入電流、電壓波形,功率因數(shù)值,頻譜特性等。
    IBM、Ascom 電源把市電三相輸入,巧妙地先分解成兩個單相輸入,然后再分別作全波整流,其中一只受控。這在大功率開關(guān)電源設(shè)計上具有重大優(yōu)勢和實(shí)用價值。普通的三相PFC變換器輸出電壓高達(dá)DC760~800V(有的甚至DC1000V)這就要求后級變換器的功率開關(guān)管耐壓達(dá)DC1000~1200V。因此,國際上熱門研究用三電平軟開關(guān)變換器克服該難題,它需要多串聯(lián)一只開關(guān)管降低反向電壓,使電路元器件及成本明顯增加。而IBM 獨(dú)辟新路,用較簡化方法解決了該難題。圖4 為加載波形。圖5 給出了350V/10A 電源在4 種不同負(fù)載條件下,測量打印的電網(wǎng)輸入電流、電壓波形等。
 
圖3 用PF9811 測量儀及專用軟件、配合聯(lián)想電腦測量打印的電源波形與數(shù)據(jù)
 
圖4 350V/10A 電源在加載400W 后測量打印的電網(wǎng)輸入波形、電流頻譜(省略了電壓頻譜)
 
(a) 中等負(fù)載:228.5V/5.718A,1303.69W,PF=0.998
 
(b) 較輕載:230.3V/3.884A,891.35W,PF=0.996
 
(c) 極輕載:232.9V/0.752A,163.18W,PF=0.932
 
(d) 重載:221.2V/9.677A,2146.52W,PF=0.999
圖5 在4 種不同負(fù)載時測量打印電源的電網(wǎng)輸入電流電壓波形
表1 PF9811 配合電腦、專用軟件測量打印的第2 頁測試報告:高次諧波數(shù)據(jù)群

諧波次數(shù) 電壓諧波 電流諧波
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%
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%

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)級產(chǎn)品。說明了PFC 控制電路設(shè)計已十分成熟,沒有必要再改。
    在打開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(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φ47mm 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(jié)構(gòu)也相似相近,只是又加長了約30%或體積增大了些。后來解剖發(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)級標(biāo)準(zhǔn)型號公開的新品,是IR 公司或IXYS 產(chǎn)品,每臺電源用6 只MOSFET 均為SOT-227B 封裝的四螺孔接線形式,并新增加一塊專用功率印制板緊固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)動變壓器和驅(qū)動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 控制板時發(fā)現(xiàn)二個非常奇怪的現(xiàn)象:一是PFC 主芯片IC腳16 驅(qū)動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 公司專用IC 的開關(guān)電源應(yīng)用專家。
    早期問世的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(shù)校正“綠色能源”產(chǎn)品,早已選作美國的國家電源工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。十幾年來專業(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,沒有見過停用UC3854 內(nèi)部高頻振蕩器和驅(qū)動輸出的8 只IC 組合的PFC 設(shè)計。
    為什么3500W 電源的實(shí)測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(xì)致測量了每一只電阻器和電容器的實(shí)際數(shù)值;并用萬用表的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、開關(guān)、穩(wěn)壓二極管,肖特基二極管等。
    現(xiàn)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,顯露出來的印制板銅箔走線,其正面和反面分別見圖6(a)及圖6(b)。然后繼續(xù)磨掉銅線后,兩面分別顯現(xiàn)的內(nèi)部雙夾層走線、焊點(diǎn)、絕緣圈等,見圖6(c)及圖6(d)。
 
(a) 印刷板正面
 
(b) 印刷板反面
 
(c) 內(nèi)部夾層一
 
(d) 內(nèi)部夾層二
圖6 PFC 控制板拆焊磨漆后顯露的銅箔線及磨掉銅箔后顯出了內(nèi)夾層線點(diǎn)
    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)過反復(fù)測查兩面的穿心焊點(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、邏輯控制電路和開關(guān)脈沖預(yù)放大驅(qū)動器,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)來分別完成,設(shè)計者獨(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 個插頭焊腳送往3 大功率器件,對3500W 高檔電源3 個環(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 功率開關(guān)管 實(shí)行分段式控制,在三相或單相輸入時工作狀態(tài)不同;
3)Bcost-PFCMOSFET 功率開關(guān)管 控制脈沖經(jīng)腳10 輸出,又經(jīng)驅(qū)動IC 放大。
    對兩種3500W 大功率電源整機(jī)通電加載,在較重負(fù)載時實(shí)測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)計成熟、巧妙獨(dú)特。它在電路整體結(jié)構(gòu)上是一個Buck-Boost 組合的PFC 控制電路,對IGBT 開關(guān)管采用分段式控制,即當(dāng)市電輸入電壓為三相380V 時,全波整流器輸出的100Hz 低頻脈動電壓峰值達(dá)570V 左右,則PFC 控制板自動送出PWM 脈沖到Buck 電路的IGBT 柵極,以PWM 方式對其輸出開關(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(dāng)市電輸入電壓為單相220V 時,全波整流器的輸出脈動低頻電壓峰值約310V,于是控制電路自動關(guān)斷IGBT 柵極的方波電壓,使Buck 失效,IGBT 開關(guān)不再衰減脈動電壓。
    在家庭實(shí)驗(yàn)條件下只有單相220V 電壓。此時IGBT 處于導(dǎo)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,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(dāng)48V 電源加載到1385W 時,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 測量打印48V/70A 電源在另6 種不同負(fù)載時的市電輸入波形
表2 48V/70A 電源在九種不同負(fù)載時的功耗、功率因數(shù)、電流總諧波、電壓總諧波

  空載 極輕載 輕載Ⅰ 輕載Ⅱ 中載Ⅰ 中載Ⅱ 中載Ⅲ 重載Ⅰ 重載Ⅱ
功耗/W 106.3 150.8 550 731.7 942.8 1385  1826 2268  2610
功率因數(shù)  0.456 0.645 0.958 0.978 0.987 0.995 0.997 0.998 0.999
電流總諧波/% 56.2 39.0 15.0 9.4% 7.1 4.0 3.4 3.3 2.5
電壓總諧波/% 2.1 1.2 2.1 1.4% 2.3 2.1  2.2 2.5 2.2
3 次諧波電流/% 41.8 26.1 7.6 3.7% 3.1 1.3  0.9  0.8 0.9

    滿載時: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(shù)據(jù)、PF 值后,發(fā)現(xiàn)每種電源正常工作時的特性參數(shù)基本相似,大同小異。350V 電源多臺的主要性能指標(biāo),都明顯高于多臺48V 通信電源。


6 問題
    下面為大功率開關(guān)電源技術(shù)研究者擺出了一些疑問和困惑。
    實(shí)體解剖48V/70A 電源主板電路元器件,發(fā)現(xiàn)兩個意外的反常設(shè)計:一是直流輸出端沒有并聯(lián)泄放電阻,造成空載時副邊整流回路電流劇減;二是主功率變壓器原邊繞組沒有串接附加諧振電感器,導(dǎo)致全橋變換器滯后臂開關(guān)管輕載時不能實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(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 電源各個專題組的設(shè)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(shè)計難題?或是艦上工作條件無空載?請國內(nèi)專家?guī)椭治觥?/P>

7 測量儀器介紹
    杭州遠(yuǎn)方儀表廠 2001 年生產(chǎn)的PF9811 智能電量測量儀,是測量各種電源多項電參數(shù),并能夠進(jìn)行記錄、數(shù)字處理、微機(jī)傳輸?shù)牡膶S迷O(shè)備。它對電網(wǎng)電壓、電流、功耗、功率因數(shù)等測量精度達(dá)1/1000;并提供專項測試軟件給計算機(jī)。電源通電加載后它有4 個紅光顯示屏同時給出4 種電參量瞬態(tài)值。當(dāng)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,只須按下“鎖存”鍵,此時4 個顯示屏給出的數(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 接口送給計算機(jī)。按PF9811 專用軟件,每次連續(xù)打印出2 頁測試報告。第1 頁是圖3 中市電輸入電流波形、電壓波形、頻譜特性;第2 頁是表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負(fù)載時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,提供了關(guān)鍵的判斷依據(jù)和監(jiān)測對象。這種“三合一”高檔測量打印方法(PF9811+聯(lián)想電腦+專用軟件),是深入研究全橋變換器移相控制ZVS 大功率開關(guān)電源的重要手段。

作者簡介
劉勝利(1945-),男,高級工程師。曾編寫彩色電視機(jī)IC、顯示器等三本專著,譯著二本。編寫了《現(xiàn)代高頻穩(wěn)壓電源的實(shí)用設(shè)計》,詳細(xì)介紹用新IC、功率管和多種磁芯制作各類開關(guān)穩(wěn)壓電源,有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測波形及繞制多種主功率變壓器、驅(qū)動變壓器、濾波電感和諧振電感等工藝。

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