用户名: 密码:
用户注册
取回密码
旧货网首页 旧货信息 求购旧货 便民服务 旧货知识 维修技术 漳州人才
搜索: 标题 内容 热门词: 电脑 笔记本 手机 电动车 摩托车 电视 宽带 自行车

您的位置:首页 > 维修技术

6000W开关电源的剖析

2010/5/11 阅读次数: 1752次 字体:
  4 6000W 电源剖析
经实体解剖证实,两种 3500W 电源的PFC 贴片控制板电路结构、元器件完全相同。随后解剖了两种新搞到的6000W 电源证明,其PFC 贴片控制板电路结构与原3500W 也基本相同。Ascom 公司2000 年投产的两种高档6000W 电源(直流输出48V/112A 和350V/17A),是更换淘汰IBM 军用电源的工业级产品。说明了PFC 控制电路设计已十分成熟,没有必要再改。
在打开6000W 电源的外壳铁盖后,看到其大号的CBB 多只高压电容器上,均标出了厂年月为“9926”、“9938”等。其中48V/112A 通信电源的散热器加高了2~3 倍,重达8kg;细看电源主板上的5 只大号φ47mm 磁环电感器与3500W 电源相同,主功率变压器和Boost 储能电感器的外形结构也相似相近,只是又加长了约30%或体积增大了些。后来解剖发现两种6000W 电源相同的Boost-PFC 大电感器磁芯增加到4 付8 块EE55 组合而成;48V/112A 电源的主功率变压器改用3 块φ73mm 扁平磁环叠合而成。
6000W 电源的MOSFET 均改用工业级标准型号公开的新品,是IR 公司或IXYS 产品,每台电源用6 只MOSFET 均为SOT-227B 封装的四螺孔接线形式,并新增加一块专用功率印制板紧固6 只MOSFET 的漏极、源极、栅极螺孔连线片,明显改进了维修更换条件。功率板上的99″驱动变压器和驱动IC-M1C4421(99″)等,与3500W 电源相同。

5 高功率因数的实现
在实体拆焊解剖原贴片式 PFC 控制板时发现二个非常奇怪的现象:一是PFC 主芯片IC脚16 驱动输出端铜箔走线居然被悬空,不接电路板上任何其他元器件;二是IC 脚14 反常地接地线,它原是IC 内部高频振荡器的CT 电容器外接引脚端。为此,我于2001 年底特别请教了李龙文先生,他是十年前我国最早消化、吸收、引进美国Unitrode 公司专用IC 的开关电源应用专家。
早期问世的UC3854,作为高频有源功率因数校正器的代表性产品,专用于大功率电源抑制谐波电流污染电网,它是国际上经典的PFC 功率因数校正“绿色能源”产品,早已选作美国的国家电源工业标准。十几年来专业期刊上发表的研究文献,均是整体选用UC3854 作为PFC电路主芯片,没有见过停用UC3854 内部高频振荡器和驱动输出的8 只IC 组合的PFC 设计。
为什么3500W 电源的实测PF≥0.999,能达到如此高性能指标,结论只有在调查的末尾才可得到。在充分准备之后,用特殊烙铁头逐一拆焊了高密度贴片PFC 控制板上的近百个元器件,并逐一粘固在事先作了编号的硬壳白纸上。随后又细致测量了每一只电阻器和电容器的实际数值;并用万用表的R×kΩ 档(内含1.5V 电池)、R×10k 档(内含9V+1.5V 电池)量程测量记录了十几只二极管的正向电阻值和反向电阻值,包括整流、开关、稳压二极管,肖特基二极管等。
现给出PFC 控制板拆焊全部贴片元器件,并用砂纸磨掉焊锡和绿漆之后,显露出来的印制板铜箔走线,其正面和反面分别见图6(a)及图6(b)。然后继续磨掉铜线后,两面分别显现的内部双夹层走线、焊点、绝缘圈等,见图6(c)及图6(d)。

(a) 印刷板正面

(b) 印刷板反面

(c) 内部夹层一

(d) 内部夹层二
图6 PFC 控制板拆焊磨漆后显露的铜箔线及磨掉铜箔后显出了内夹层线点
图7 是放大的PFC 控制板8 只IC 各引脚铜箔走线实体布局图。经过反复测查两面的穿心焊点连线之后,可绘制真实的PFC 控制板电路图。现给出主芯片M1-UC3854(假代号53H1747)与其他7 只IC 内部单元电路相连的关系网图(图8)。并给出PFC 控制板经插脚与电源整机主板上重点器件的连线简图(图9)。

图7 放大加工后按铜箔走线和焊点绘制的8 只IC 与阻容等连线图

图8 PFC 控制板上主芯片M1 与7 只辅助IC 内部单元电路关系网图
点击查看原始图片
图9 PFC 控制经插脚与电源整机主板上主要元器件连线简图
两种3500W 电源主板上完全相同的PFC 控制板电路,它的奇特之处在于:其主芯片UC3854 只利用了内部电路的前半部分,即线性模拟乘法器和电流误差放大器等;而其他重要的单元电路,如高频振荡器、PWM 比较器、R-S 触发器、逻辑控制电路和开关脉冲预放大驱动器,却反常地留给了PFC 控制板上其他IC(LM319,LM339,LM358 和LM393,74C00,74C04 等共7 只)来分别完成,设计者独辟新路,是为了扩大主芯片控制范围。
PFC 控制板是电源整机实现高功率因数值的指挥中心。它分3 路分别经3 个插头焊脚送往3 大功率器件,对3500W 高档电源3 个环节实现控制:
1)电网输入整流器P425 单相全波整流可控桥,二可控端为G1、G2;
2)Buck-PFCIGBT 功率开关管 实行分段式控制,在三相或单相输入时工作状态不同;
3)Bcost-PFCMOSFET 功率开关管 控制脉冲经脚10 输出,又经驱动IC 放大。
对两种3500W 大功率电源整机通电加载,在较重负载时实测PF≥0.998,充分证明了PFC功率因数校正器电路系统的性能高超、设计成熟、巧妙独特。它在电路整体结构上是一个Buck-Boost 组合的PFC 控制电路,对IGBT 开关管采用分段式控制,即当市电输入电压为三相380V 时,全波整流器输出的100Hz 低频脉动电压峰值达570V 左右,则PFC 控制板自动送出PWM 脉冲到Buck 电路的IGBT 栅极,以PWM 方式对其输出开关脉冲先作降压处理,再送往Boost 变换器储能电感和MOSFET、二极管等。当市电输入电压为单相220V 时,全波整流器的输出脉动低频电压峰值约310V,于是控制电路自动关断IGBT 栅极的方波电压,使Buck 失效,IGBT 开关不再衰减脉动电压。
在家庭实验条件下只有单相220V 电压。此时IGBT 处于导通状态,在功率管IGBT 栅极实测到的电压波形不是PWM 矩形波,而是310V、100Hz 脉动电压波形。因为栅极与射极处于直通状态。
图10 给出了在空载恶劣条件下,实际测量打印的48V、70A 通信电源市电输入电流波形,和最敏感变坏的电流谐波与功率因数值:输入电流波形变为尖窄脉冲、且相位明显偏离输入电压的正弦波相位;总电流谐波高达56.2%(3 次谐波为41.9%,5 次为26.9%,7 次15.8%,9 次14.2%等);功率因数值剧降到0.456,比350V 特种电源空载时的PF=0.859 差了许多(它的电流总谐波仅21.5%、3 次谐波14.6%,5 次为10.5%,7 次5.2%,9 次1.9%等)。
当48V 电源加载到440W 后,其市电输入电流波形明显转好,相位偏离也减小,敏感的电流总谐波降至15%,功率因数值大幅提高到0.958,虽然它接近350V 电源加载到400W 后的PF=0.989,但细看比较48V 电流波形,显然台阶突起仍多尖,不如前者更接近正弦波形,且350W 电源的加载后电流总谐波又显著减小到6.3%。当48V 电源再加载到942.8W 时,其电流波形也进一步改善为小台阶,电流总谐波又降至7.1%,PF=0.987。当48V 电源加载到1385W 时,输入电流波形才接近正弦波,PF=0.995,电流总谐波降到4.0%。(见图10,图11,图12 与表2)。

(a)市电输入电压电流波形

(b)电流频谱
图10 空载恶劣条件下测量打印48V/70A 电源市电输入波形、电流频谱

(a)市电输入电压电流波形

(b)电流频谱
图11 加载440W 后测量打印48V 电源市电输入波形、电流频谱

(a)极轻载:229.5V,1.020A,150.83W,PF=0.645
(b)中载Ⅰ:226.0V,4.225A,942.80W,PF=0.987
(c)中载Ⅱ:223.7V,6.223A,1385.04W,PF=0.995

(d)中载Ⅲ:221.6V,8.264A,1826.50W,PF=0.997
(e)重载Ⅰ:219.3V,10.362A,2268.30W,PF=0.998
(f)重载Ⅱ:217.6V,12.013A, 2610.56W,PF=0.999
图12 测量打印48V/70A 电源在另6 种不同负载时的市电输入波形
表2 48V/70A 电源在九种不同负载时的功耗、功率因数、电流总谐波、电压总谐波

空载极轻载轻载Ⅰ轻载Ⅱ中载Ⅰ中载Ⅱ中载Ⅲ重载Ⅰ重载Ⅱ
功耗/W 106.3 150.8550 731.7942.813851826 2268 2610
功率因数0.456 0.645 0.958 0.978 0.987 0.995 0.997 0.998 0.999
电流总谐波/% 56.239.0 15.09.4%7.14.0 3.4 3.32.5
电压总谐波/% 2.11.2 2.11.4%2.32.1 2.22.52.2
3 次谐波电流/% 41.826.17.63.7%3.11.30.90.8 0.9

满载时:2904.6W,13.08A,PF=0.999,电流总谐波2.8%,电压总谐波2.7%,3 次谐波电流1.0%
分别在空载、轻载、中载、重载、满载等多种不同条件下,测量打印了多台48V 电源和多台350V 电源的许多波形、谐波数据、PF 值后,发现每种电源正常工作时的特性参数基本相似,大同小异。350V 电源多台的主要性能指标,都明显高于多台48V 通信电源。


6 问题
下面为大功率开关电源技术研究者摆出了一些疑问和困惑。
实体解剖48V/70A 电源主板电路元器件,发现两个意外的反常设计:一是直流输出端没有并联泄放电阻,造成空载时副边整流回路电流剧减;二是主功率变压器原边绕组没有串接附加谐振电感器,导致全桥变换器滞后臂开关管轻载时不能实现零电压软开关,使损耗大增。而相比较之下,350V 电源不但原边绕组串接了铁硅铝磁环的附加谐振电感器,而且副边整流后还增加了先进的有源箝位电路。这究竟是IBM 电源各个专题组的设计失误造成?还是48V中低压输出大电流电源实际存在的设计难题?或是舰上工作条件无空载?请国内专家帮助分析。

7 测量仪器介绍
杭州远方仪表厂 2001 年生产的PF9811 智能电量测量仪,是测量各种电源多项电参数,并能够进行记录、数字处理、微机传输的的专用设备。它对电网电压、电流、功耗、功率因数等测量精度达1/1000;并提供专项测试软件给计算机。电源通电加载后它有4 个红光显示屏同时给出4 种电参量瞬态值。当需要测量并打印出电源的市电输入交流电压和电流波形、功率、PF 等时,只须按下“锁存”键,此时4 个显示屏给出的数据,均转为特定负载条件下的稳态值,它们经RS-232 接口送给计算机。按PF9811 专用软件,每次连续打印出2 页测试报告。第1 页是图3 中市电输入电流波形、电压波形、频谱特性;第2 页是表1 中1~50 次电压谐波、电流谐波数据群。特别是能精确打印出某个负载时电源市电输入电流波形,能最直观灵敏真实地反映PFC电路控制电源系统的功率因数校正结果。这为进一步深入解剖、参数试验、改进设计,提供了关键的判断依据和监测对象。这种“三合一”高档测量打印方法(PF9811+联想电脑+专用软件),是深入研究全桥变换器移相控制ZVS 大功率开关电源的重要手段。

作者简介
刘胜利(1945-),男,高级工程师。曾编写彩色电视机IC、显示器等三本专著,译著二本。编写了《现代高频稳压电源的实用设计》,详细介绍用新IC、功率管和多种磁芯制作各类开关稳压电源,有大量的试验数据和实测波形及绕制多种主功率变压器、驱动变压器、滤波电感和谐振电感等工艺。


  
Copyright(C) 2000-2007 漳州视窗科技有限公司 版权所有 网站备案号:闽ICP备09000758号
热线电话:0596-2916087 6108220 传真:0596-2916087 地址:漳州市怡秀园翰荣楼2幢211室 邮编:363000