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6000W开关电源的剖析
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5 高功率因数的实现
在实体拆焊解剖原贴片式 PFC 把持板时创造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 的开关电源利用专家。
早期问世的UC3854,作为高频有源功率因数校订器的代表性产品,专用于大功率电源克制谐波电流污染电网,它是国际上经典的PFC 功率因数校订“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,无见过停用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。在充分筹备之后,用特别烙铁头逐一拆焊了高密度贴片PFC 把持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。随后又过细测试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)量程测试记载了十几只二极管的正向电阻值和反向电阻值,包含整流、开关、稳压二极管,肖特基二极管等。
现给出PFC 把持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,其正面和反面分辨见图6(a)及图6(b)。然后持续磨掉铜线后,两面分辨浮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 把持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 把持板8 只IC 各引脚铜箔走线实体布局图。经过重复测查两面的穿心焊点连线之后,可绘制真实的PFC 把持板电路图。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 把持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 把持板上主芯片M1 与7 只援助IC 内部单元电路关系网图
图9 PFC 把持经插脚与电源整机主板上重要元器件连线简图
两种3500W 电源主板上完整雷同的PFC 把持板电路,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,即线性模仿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、逻辑把持电路和开关脉冲预放大驱动器,却反常地留给了PFC 把持板上其他IC(LM319,LM339,LM358 和LM393,74C00,74C04 等共7 只)来分辨完成,设计者独辟新路,是为了扩大主芯片把持领域。
PFC 把持板是电源整机实现高功率因数值的指挥中心。它分3 路分辨经3 个插头焊脚送往3 大功率器件,对3500W 高级电源3 个环节实现把持:
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 履行分段式把持,在三相或单相输入时工作状态不同;
3)Bcost-PFCMOSFET 功率开关管 把持脉冲经脚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功率因数校订器电路系统的性能高超、设计成熟、奥妙奇特。它在电路整体结构上是一个Buck-Boost 组合的PFC 把持电路,对IGBT 开关管采用分段式把持,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 把持板主动送出PWM 脉冲到Buck 电路的IGBT 栅极,以PWM 方法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,于是把持电路主动关断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。由于栅极与射极处于直通状态。
图10 给出了在空载恶劣条件下,实际测试打印的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%,功率因数值大幅进步到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,显然台阶崛起仍多尖,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明显减小到6.3%。当48V 电源再加载到942.8W 时,其电流波形也进一步改良为小台阶,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 空载恶劣条件下测试打印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 后测试打印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 测试打印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 | 150.8 | 550 | 731.7 | 942.8 | 1385 | 1826 | 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/% | 56.2 | 39.0 | 15.0 | 9.4% | 7.1 | 4.0 | 3.4 | 3.3 | 2.5 |
电压总谐波/% | 2.1 | 1.2 | 2.1 | 1.4% | 2.3 | 2.1 | 2.2 | 2.5 | 2.2 |
3 次谐波电流/% | 41.8 | 26.1 | 7.6 | 3.7% | 3.1 | 1.3 | 0.9 | 0.8 | 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%
分辨在空载、轻载、中载、重载、满载等多种不同条件下,测试打印了多台48V 电源和多台350V 电源的许多波形、谐波数据、PF 值后,创造每种电源正常工作时的特点参数基础类似,大同小异。350V 电源多台的重要性能指标,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,创造两个意外的反常设计:一是直流输出端无并联泄放电阻,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无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长了先进的有源箝位电路。这毕竟是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?请国内专家援助分析。
7 测试仪器介绍
杭州远方仪表厂 2001 年生产的PF9811 智能电量测试仪,是测试各种电源多项电参数,并能够进行记载、数字处理、微机传输的的专用设备。它对电网电压、电流、功耗、功率因数等测试精度达1/1000;并供给专项测试软件给打算机。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。当需要测试并打印出电源的市电输入交换电压和电流波形、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 接口送给打算机。按PF9811 专用软件,每次持续打印出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、频谱特点;第2 页是表1 中1~50 次电压谐波、电流谐波数据群。特别是能正确打印出某个负载时电源市电输入电流波形,能最直观敏锐真实地反响PFC电路把持电源系统的功率因数校订成果。这为进一步深入解剖、参数实验、改良设计,供给了要害的断定根据和监测对象。这种“三合一”高级测试打印方法(PF9811+联想电脑+专用软件),是深入研究全桥变换器移相把持ZVS 大功率开关电源的重要手段。
作者简介
刘成功(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,有大批的实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。