一种新型交流分布式供电电源系统技术研究

 

高潮¹，周山雪²

^1.深圳信息职业技术学院电子通信技术系

^2. 深圳职业技术学院电子工程系

 

摘  要：分析和阐述了直流分布式电源系统结构的性能特征，并指出其存在的优点及不足之处；在此基础上,针对高频交流正弦波和方波总线技术的特点,提出了一种新型交流分布式供电电源系统；对该供电系统的工作原理和特性进行了详细分析，并给出了电路的实验参数及关键工作波形，以证实该系统的可靠性和实用性；文中最后还提出了一种基于梯形波交流总线的设计方案和相关特性分析。

 

关键词：直流电；高频交流输出；正弦波与方波；分布结构；功率总线技术中图分类号TM717.1    文献标识码：A

 

                        GAO Chao ¹ ,  ZHOU Shan xue ²

¹ Department of Electronic Engineering of Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen, 518029

² Department of Electrical and Computer Engineering of Shenzhen Institute, Shenzhen, 518022

Abstract: In this chapter, a new AC distributed power systems with multiple HF PWM buses is proposed and basic design considerations are given. Also the major technical issues and challenges of AC DPSs are addressed and discussed in this paper. Experimental prototype has been built. In order to realize system redundancy, a new AC-DPS with trapezoidal waveform bus is presented and a conducting scheme is proposed.

Key words: HF PWM; AC distributed power systems (DPS); bus technique

 

随着当今电子处理系统，尤其是计算机系统和信息处理系统要求的提高，对于其电源系统拓扑结构的设计显得更加重要。然而，相对于计算机系统的快速发展，电源系统的拓扑结构还基本保持在十几年前的状况，因此无论从系统性能或者是从系统成本来说，以往电源系统的拓扑结构都存在着很多需要改进的地方^[1]-[4]，于是，分布式电源（DPS）的概念应运而生。基本而言，目前存在两种分布式供电技术，即高频交流总线技术与直流总线技术；直流分布式电源技术在通信和电子系统、航空航天、计算机主机电源系统、铁路电厂及变电站直流系统等多种场合已经得到广泛应用，而高频交流总线分布式电源系统至今仍未被广泛应用，这可能以下面一些技术障碍有关：

1）至今尚无法在高频交流分布式电源系统中实施电源系统的冗余设计，而冗余设计在提高系统可靠度上具有关键作用；

2) 高频电磁干扰，高频损耗以及交流总线失真等问题，也需要在实际应用中得到解决。

3) 在交流分布式供电系统模块化设计与系统的集成二者之间如何折衷处理，还没有系统完整的论文报道。

在本文中，一种具有多路高频脉宽调制波交流总线结构特征的分布式电源系统被提出，详细的工作机理以及设计和分析被给出。进行的实验测试结果表明，本文提出的交流分布式电源系统工作性能良好，适合于几千瓦输出的中功率供电系统使用。

 

图1所示是一种目前典型应用的直流分布式电源系统结构，它由前端交流变直流与功率因数校正电路、DC/AC逆变器与AC/DC整流器、多路输出后端调节器、以及DC/DC二次变换模块等五个部分组成；其特点是通过总线上48V直流电压，再变换成计算机设备所需的各种直流低电压输出。从整个转换过程机理可以看出，为了满足负载的供电需求，从交流输入到负载供电端，通常需要进行4--5次左右的功率变换。显然，这种系统功率处理的效率并不算高。

 图1.直流分布式电源系统结构

直流分布式电源技术最初应用于通信电源中，目前关于这种供电技术的主要争论点有下面几个方面：

1）由于分布式滤波器及多变流器结构而引起系统之间相互影响和稳定性问题；

2）由于多功率转换环节而产生相对低的工作效率；

3）由于复杂的系统结构而带来的相对较高的造价成本。

 

 

 

因此，如果能将图1系统方框中的AC/DC等两个转换模块去除掉，由直流总线输出改为交流总线输出（方波或正弦波），这样，一方面可以简化系统结构，另一方面可以使系统的工作效率提高，系统成本降低。除此之外，一些附带的好处是：系统的变压和变流转换更加方便，以及有效的对地噪音隔离等。

 

本文提出的高频交流分布式电源系统结构如图2所示，整个系统结构包括三个部分：（a）由传统Boost变流器组成前端交流变直流及功率因数校正级；（b）由双开关管正激逆变器组成前端直流斩波电路；（c）多路输出后端调节输出级,该级中，5V主输出通过PWM反馈控制回路进行稳压调节，其他几路直流输出通过磁放大器工作方式进行调节。

        图2所示交流分布式电源系统与其他文献提出的交流分布式电源系统^[1]、^[3]的不同之处是：它改变了以往单一交流总线输出的拓扑结构，而是采用多路交流输出总线形式；将图2与图1两种分布式供电系统结构进行比较后可以看出，图2系统的前一个功率处理方框中，省去了交流变直流这一中间环节；同时，在系统后端，也省去了一个高频DC/AC转换环节。因此，图2所示电路系统的结构得到简化，系统工作效率也将提高。尽管图2 所示系统只设计了三路直流输出，但基于总线1和总

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2.多路方波交流总线结构的高频交流分布式电源系统

 

 

线2，可以很方便地获得更多的隔离输出端；只需在负载端的前面添加相应磁放大器，实现最后一环的功率转换，将高频交流变换成直流即可。磁放大器的位置靠近实际负载时，则系统的负载调节特性将与直流分布式电源系统相同。

输入端是典型的Boost变换器，其工作原理与通常的DC-DC转换器相同。该级中，其控制回路的作用包括二个方面：一是控制前端功率因数校正电路以获得一个可调节的400V输出电压提供给后面的斩波逆变电路，另一作用是改善输入电流波形，以利于提高功率因数和降低输入电流谐波分量；前端直流斩波逆变器将400V电压斩波成高频方波电压，送到系统总线上，再通过后端控制调节以获得多路电压输出，高频方波总线的设计根据所需的输出电压情况而定；后端调整级采用了两种类型的调节方式来控制最终的直流输出电压：一种是采用由集成控制器（PWM）方式，另一种则是采用由两路磁放大器构成的后端延迟调节方式。

本例设计的输出电压调节方式,实际上可以推广到几乎所有传统开关变流器拓扑结构中。为了阐述这一论点和进一步阐明磁放大器的工作原理,这里应用图3所示磁放大器等效电路为例加以讨论,并假设磁放大器是理想的。从图2和图4可以看出，与脉宽调制型DC/DC变换器不同的是，磁放大器对应输入端和负载端变化时的调节过程是由其激磁时间来控制，实际上，这也间接地可以通过设计磁放大器的祛磁时间来控制。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.半波型磁放大器工作原理图(a)--(c)（采用理想磁芯下）

 

根据本文提出的电路拓扑结构及分析，一套实际的电路实验装置被建立。其主要工作参数是：前端变流器的工作频率设计为100kHz,变流器正常工作时总线占空比D为0.35,占空比的变化主要依赖于负载的变化情况，最大占空比不超过0.5。通过Tektronix型示波器，记录了一组重要的主电路开关工作波形，图4和图5是两个磁放大器在关键点的工作波形。    

                

图4 12V输出端磁放大器的工作波形(纵坐标(每格):       图5 主开关功率二极管工作波形(纵坐标(每Ch1 50V;Ch2 50V;Ch3 50V;横坐标(每格):2uS)              格):20V;横坐标(每格):2uS)            

 

基本上，目前交流分式电源系统的总线电压波形分为正弦波和方波二大类。这两种总线电压波形的优缺点阐述如表1所示。

表1  交流分式电源系统二类总线电压波形比较

表1清晰地说明两种总线电压波形各自的优缺点，并且我们可以清楚地知道电源系统的冗余设计成为阻碍高频交流分布式电源系统实际推广应用的焦点。

电功率电子系统设计的关键之处在于电路主要技术参数的最优设计。目前的问题是能否找到一种总线电压波形，它既能体现方波和正弦波两种总线的优点，同时消除两者的缺点。为了实现这一目标，本文提出了一种梯形波总线电压的设想，并且一种试验型冗余设计结构的前端逆变器电路被提出，限于篇幅，其最终的实际电路将在后续论文中给出报道。

 

本文中，一种新的多路高频方波交流总线结构的交流分布式电源系统被提出，并对其主要的工作特性和原理进行了分析和讨论；一个实验电路被建立，一些关键的波形被记录。实验结果表明，本文提出的系统工作性能良好，工作效率为83%左右；进一步，为了实现交流分布式系统的冗余设计，一种新的梯形波总线电压的交流分布式电源系统被提出，并对其工作特性进行了详细讨论；这一新的实现方案有望将方波总线电压和正弦波总线电压交流分布式系统的优点相统一，而将二者缺点予以消除，其最终的实际电路将在后续论文中给出报道。

 

[1] D. P. Arduini, “Distributed power system using AC to solve DC distributed power problems,” Proceedings of the 10th International HFPC Conference, Vol. 10,1995, pp. 3347-3358

[2] 何季民. 分布式电源技术展望[J]. 东方电气评论, 2003, 17 (1): 9-14

[3] C.-S. Leu, M. Tullis, L. Keller and F. C. Lee, “A high-frequency AC bus distributed power system,” 8th Annual VPEC Power Electronics Seminar Proceedings, 1990, pp. 98-107.

  [4] I. G. Hansen and G. R. Sundburg, “Space station 20 kHz power management and distribution system,”IEEE Power Electronics Specialist Conference Record, 1986, pp. 676-683.

[5] F. S. Tsai and F. C. Lee, “High-frequency AC power distribution in the space station,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 26, No. 2, pp. 239-252.

 

高  潮：高潮（1958— ），男，四川仁寿人，工学博士后，教授，主要研究方向：开关变流器建模方法，电力电子电路设计，神经网络理论及算法等； e-mail: gaoc@sziit.com.cn， Tel：0755-25859033

周山雪：教授，深圳职业技术学院电子工程系

 

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