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1、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 23倍，重达8kg；细看电源主板
2、上的5只大 号47mm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73mm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
3、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Unit rode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
4、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PF0.999,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RxkQ档(内 含1.5V电池)、Rx10k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
5、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53H1
6、747)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)。7F1EiQiAT5LO131516L -H图 7 放大加工后按铜箔走线和焊点绘制的 8 只 IC 与阻容等连线图前克姒Eli曲器Qib*i2.avA13 JVX4J.JVr皿口CP护Jr?IJOkHaJm/UC3&54B；很躅 瓠11豔御132V.I声抑曲 fcrkPFC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*1 I1 卜F 4OJ5V*-j_-ii.lSViUCM51B也LM罔IC*TJW!D-5VtHEiiwiA yrK*-pildJ
7、B芒1-ffiHitib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
8、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PF0.998，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3
9、80V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
10、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
11、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）。电压其有效值电、禎有效值功率功率因数 频率Z28.7Vl.LUSA106.WG.45649.MHz:3
12、23.5V（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1K50瞬频谱总谐波:15.0H 曲網波：7.6% 为嫡波：7.3 郝诸波：站 漱谐波M &燃(b)电流频谱(b)中载I： 226.0V, 4.225A, 942.80W, PF=0.987(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
13、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II中载III重载I重载II功耗/W106.3150.8550731.7942.81385182622682610功率 因数0.4560.6450.9580.9780.9870.9950.9970.9980.999电流 总谐56.239.015.09.4%7.14.03.43.32.5波/%电压 总谐 波/%2.11.22.11.4%2.32.12.22.52.23次谐 波电 流/%41.826.17.63.7%3.11.30.90.80.9满载时：2904.6W , 13.08A, PF =0.999,电流总谐波
14、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
