一种应用于高功率密度场合的高频交流电源供配电系统的制作方法

本发明属于电力电子变换中电源供电技术领域，具体涉及一种高频交流电源供配电系统。

背景技术：

随着用电设备规模的不断增大，以及对供配电电源系统功率密度和转换效率要求的日益增加，使得传统的直流配电系统越来越显现出局限。

在用电设备完成功能增加的情况下，供电系统需要提供更大的能量，因此在传输过程中母线上传输的电流会随之增加，根据i2r的关系，其电力电缆上传输的损耗也相应加大。传统的直流48v供电，在大功率传输过程中损耗过大，而为了减小损耗则需要增加导线的横截面积，进而导致配电系统整体重量加大。当负载需要大电流情况时，采用直流方式为用电设备供电很难在效率提高与尺寸减小两方面上取得权衡。而目前一些场合则采用高压直流进行传输如520v或者300v，这种方式尽管可以大幅度降低损耗，但在转换成负载所需电压过程中，由于是高压到低压情况下的转换，因此效率不高。而另一个问题是在出现故障时，直流供电系统很难实现带电关断，从而有损坏电气设备的风险。

传统交流50hz、400hz的电源系统，由于无源器件(变压器、电感)体积和重量的因素，使得为设备供电的电源系统尺寸过大，附图1为传统的直流供配电方案框图。为了解决上述问题，本发明所提出的高频交流供配电系统可以在传输损耗、功率密度以及可靠性方面达到一个很好的权衡。

技术实现要素：

为了解决传统低压、高压直流以及低频交流供配电系统的一些不足之处，本发明为用电设备提供了一种功率密度高、转换环节少，传输损耗低的高频交流电源系统。本发明的内容主要针对以下几个方面：

(1)高频交流供配电方案的设计，在供电电源和负载电源之间的主电路母线是以高频交流形式传输能量。该方案简化传统直流供电方案的功率转换环节，同时相对于低频交流供电系统其体积大幅降低。

(2)基于谐振网络电路的设计，实现传输高频交流电能的正弦形式。从而降低传输过程中的电磁干扰，避免影响其他设备的稳定运行。

(3)在负载端实现电压调节，通过电源控制器将高频交流电压转换成各路负载所需要的直流电压。其中可以通过一级变换实现为多路相同输入电压的负载供电，也可以进行独立变换控制，为不同电压、功率等级负载进行闭环调节。

(4)在负载端的电压调节环节，增加了无源滤波环节，从而减小谐波电流含量，避免后级整流产生的谐波注入到高频交流母线。

附图说明

图1是传统直流供配电电源系统的功率转换结构框图；

图2是本发明的高频交流电源系统的功率转换结构框图；

图3是传统高压直流供配电中，负载侧电源采用两级转换的结构；

图4是传统高压直流供配电中，负载侧电源采用一级转换的结构；

图5是传统低压直流供配电中，负载侧电源采用一级转换的结构；

图6是本发明提出的三相市电输入下高频交流电源系统的转换结构；

图7是本发明提出的三相市电输入下高频交流电源系统的功率转换电路结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种应用于高功率密度场合的高频交流电源供配电系统方案，如附图2所示，包括三部分：第一部分ac/hfac或dc/hfac电源，将交流市电或直流电变换成高频交流，针对输入为交流市电时该电源具有功率因数校正功能，同时该电源环节包括一个谐振网络用于净化高频电压，消除能量在传输过程中的电磁干扰和辐射。第二部分为传输高频能量到负载端环节，其中通过高频线缆将hfac电能传输到负载端，高频线缆采用利兹线绕制，具有抑制集肤效应和邻近效应的作用。第三部分为hfac/dc环节，将高频交流形式的能量通过功率变换成各负载需要的直流电压。

附图3为传统的高压直流方案，即供电侧电源向负载侧电源传递的功率为高压直流形式，但由于负载侧电源的输入电压为高压，因此在负载侧的功率变换就需要两级的dc/dc变换(如附图3所示)，如果只采用一级的dc/dc变换(如附图4所示)，那么由高压转换到低压负载所需要的电压，转换效率较低。

附图5所示为传统的低压直流方案，即供电侧电源向负载侧电源传递的功率为低压直流形式(如通信设备的电压等级为48v)，该方案负载侧电源可以很好地将低压配电电压转换成负载需要的电压。

附图6所示为本发明提出的高频交流供配电电源系统(传输的能量，电压为115vac，频率为30khz，但并不作为限定本发明的条件)在交流市电条件下为多路用电设备供电的框图。

附图7所示为本发明提出的高频交流供配电电源系统的电路拓扑结构，其中包括两类电源从三相市电变换为高频交流的供电侧电源和从高频交流转换为各路负载所需要电压的负载侧电源。需要强调，在两电源之间传递的功率为高频交流形式。

针对供电侧电源，包括采用三相功率因数校正电路的三相市电整流稳压环节，以及采用桥式电路加谐振网络将直流电压变换成高频交流环节。并通过交流母线将高频形式能量传输到用电设备端；其中第一阶段整流采用有源功率因数校正将交流市电变换成稳定的直流电压。如果输入为直流则直接经过第二阶段将直流电变换成高频交流电。

针对负载侧电源，其中包括一级带有无源功率因数校正的整流电路，以及一级满足各路负载需求的dc/dc变换，而为了提高转换效率本发明采用带有软开关的同步buck拓扑结构。

与传统直流供配电方案对比可发现，本发明提出的高频交流在相同输入条件下，其功率转换环节相对少。优点主要可体现在以下几个方面：首先高频运行情况下，可使无源器件(例如：电感和变压器)体积大大降低，功率密度更高并具有更快速的动态响应。其次，相对于低压直流(如48vdc)方式配电，其传输损耗可以得到显著降低。另外，相对于高压直流配送功率，在出现故障时采用高频交流方式更容易实现故障切除。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明提出一种用于高功率密度场合的高频交流电源供配电系统，采用高频交流（HFAC）方式配送电能的思路。所述高频交流供配电系统包括三部分：第一部分AC/HFAC或DC/HFAC电源，将交流市电或直流电变换成高频交流，针对输入为交流市电时该电源具有功率因数校正功能，同时该电源环节包括一个谐振网络用于净化高频电压，消除能量在传输过程中的电磁干扰和辐射。第二部分为传输高频能量到负载端环节，其中通过高频线缆将HFAC电能传输到负载端，高频线缆采用利兹线绕制，具有抑制集肤效应和邻近效应的作用。第三部分为HFAC/DC环节，将高频交流形式的能量通过功率变换成各负载需要的直流电压。本发明的供配电系统具有功率密度高，转换环节少，模块化，可热插拔等优点。

技术研发人员：王亮;张东来;朱洪雨
受保护的技术使用者：深圳航天科技创新研究院;深圳市航天新源科技有限公司
技术研发日：2017.05.27
技术公布日：2017.10.20