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1、SG3524与SG3525的功能特点及软起动功能的比较10kW全桥移相ZVSPWM整流模块的设计有源钳位开关电源的剖析默认分类 2009-08-01 12:50 阅读35评论0 字号: 大大 中中 小小 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
2、。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70cm22cm12cm,重量约14kg。电网输入三相380415V(电流13A),也可降低输入200240V(电流24A),频率5060Hz。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40cm30cm8cm,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:200240V、380415V、460480V。低电压时IIN25A(MA
3、X);其输出直流为350V/12.5A(MAX)。电网频率5060Hz。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940F/450V4 只,220F/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
4、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)”、“M44272(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
5、MOSFET 大模块。每台电源用4 只,其散热顶层的铜块厚达6mm,长宽9.2cm2cm。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89 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500V600V,工作电流在30A40A。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
6、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)”、“M
7、4045(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CBB2.5F/DC850V,HD6cm2.4cm;2)用2 只椭园形CBB8F/DC500V,LWT4.7cm3.9cm2.6cm;3)每台用2 只CBB1.0F/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CBB50F/DC100V,是最粗胖
8、的,无极性;5)350V/10A 特种电源输出滤波电容器CBB3.3F/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3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73mm,磁环厚(高)12mm,其绕组线的宽度为18mm。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
9、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6000W48V/112A 大功率电源,其主变压器磁芯改为三块73mm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
10、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0.47mm 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267H、Q0.36,它对于减小高频集肤效应、改善Boost 变换器开关调制波形、降
11、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33mm 的铁硅铝磁环,绕组用多股细线绕3.5 圈,电感量为3.2H。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42mm 的铁硅铝磁环。比较几年前试验
12、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4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
13、、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5图2 3500W、6000W 高档
14、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/70
15、A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