3500W与6000W开关电源剖析
3500W与6000W高档开关电源的剖析(1) 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,并提出了有待接着分析的问题。 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,都是优质的突波汲取元件。 2.1 IR公司的功率器件 首先,让我意外新颖的是:均为IR公司商标的MOSFET、IGBT大模块,其产品型号标记尽然都被假代号替换,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〕从电路推断是一个MOSFET内含一只二极管的模块,标号为“M4005〔6315〕〞、“M4427〔9624〕〞、“M3422〔9611〕〞等。 3〕从电路推断是二只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别外壳,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限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,答复是“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运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,值得下功夫仔细细致地对两种3500W电源作深化解剖、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,并具体记录主要符号,才发觉IR公司设在墨西哥〔MADEINMEXICO〕厂地的特制MOSFET,暗藏了下述重要标记: ——但凡在最下层标上“825039+〞者,不管假代号怎么变,均为半桥双管MOSFET,如“M7471〔9846〕〞、“M3937〔9613〕〞、“M3438〔9602〕〞、“M5706〔9732〕〞、“M3467〔9602〕〞; ——但凡最下层标记为“826252+〞者,不管假代号如何换,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。 电源上运用的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,均用半透亮硅胶封装。 2.3 磁性元件 对两种3500W高档电源主板上好用的大型磁件组合拆开细看,其特别的设计构造和选材,让我大开眼界,并悟到多项技巧。 主功率变压器漆包线绕组和绝缘胶带 拆解之后发觉,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,事实上仍旧存在很多小的自然气隙〔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,抗饱和实力大增。这与大号功率铁氧体磁芯的截断面被细磨抛光“镜亮〞的状况大不一样。 美、德公司在大功率高频开关电源关键部件上接受的先进技术值得借鉴。可以预料,假如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,而且过载抗饱和实力会明显降低,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73mm扁平磁环叠合,这个惊人之举太奇妙、独特而意义深远,非常值得学习接受。 拆解后才发觉新颖的构造与选材。350V/10A电源Boost电感器是接受三付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,而是接受两条极薄的〔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袱。这种特别薄铜带工艺绕制的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PFCBoost磁件的设计论文尚未见过这种报道。前几年我在2000W