高频开关电源技术方案
1 客户需求
技术参数30929003.
pdf
技术参数30929003.pdf
2 技术方案
2.1 概述
现场的实际应用情况：12台15V/12000A的电源配1台90V/2000A的电源，每6台15V/12000A 的电源配一台6kV/380V/1MW的变压器，其中90V/2000A电源由于只是用于去除氧化膜，并不需要长时间工作。
电源关注核心指标是可靠性和系统效率。
电源可以考虑采用3种主回路方式，每种方式各有优缺点。
2.2主回路原理图方案1
2.2.1方案1
总体思想为输入36脉波移相变压器，6组功率模块并联的方式，具体电路如下：15V/12000A开关电源最大输出功率180kW，90V/2000A开关电源最大输出功率180kW，功率等级一样，考虑采用同样的主回路原理，如下：
整流器功率模块1
输入380V/50Hz
输出15V/12000A 或90V/2000A
36脉移相变压器
整流器
功率模块2
整流器功率模块3
整流器
功率模块4
整流器功率模块5
整流器
功率模块6
功率模块原理如下：
输入端配置36脉波移相变压器，可有效拟制输入电流谐波，基本能满足3%的要求； 每台开关电源采用6个功率模块并联的方式，如1个模块出现异常，其他模块还能继续降额工作，提高了工作可靠性；模块之间的均流精度可达5%以内，因此15V/12000A 的开关电源每个模块的等级设计为15V/2200A ，90V/2000A 的开关电源每个模块的等级设计为90V/360A 。
逆变采用移相全桥软开关技术，效率高，比普通硬开关技术效率平均多2%左右； 二次整流采用同步整流技术，效率远远大于采用一般二极管整流的方式，一般同步整流比普通二极管整流效率高出5%～6%。
输出加LC 滤波，如不加LC 滤波，输出导电排由于高频肌肤效应的缘故，导电排发热严重。
90V/2000A 电源由于只是用于去除氧化膜，并不需要长时间工作，从降低成本角度考虑，可以不加36脉波移相变压器，输出也不需要LC 滤波，直流输出高频方波电压。
2.2.2方案2
总体思想为输入PWM整流器，4组功率模块并联的方式，具体电路如下：
6脉波
整流器
功率模块1输入380V/50Hz 输出15V/12000A 或90V/2000A
PWM整流器
功率模块2
功率模块3
功率模块4
输入端配置PWM整流器，可有效拟制输入电流谐波，基本能满足3%的要求；PWM 整流器再备份一组6脉波整流器，只是在PWM整流器出故障时投入运行；
每台开关电源采用4个功率模块并联的方式，如1个模块出现异常，其他模块还能继续降额工作，提高了工作可靠性；模块之间的均流精度可达5%以内，因此15V/12000A 的开关电源每个模块的等级设计为15V/3000A，90V/2000A的开关电源每个模块的等级设计为90V/500A。
逆变采用移相全桥软开关技术，效率高，比普通硬开关技术效率平均多2%左右；
二次整流采用同步整流技术，效率远远大于采用一般二极管整流的方式，一般同步整流比普通二极管整流效率高出5%～6%。
输出加LC滤波，如不加LC滤波，输出导电排由于高频肌肤效应的缘故，导电排发热严重。
90V/2000A电源由于只是用于去除氧化膜，并不需要长时间工作，从降低成本角度考虑，可以不加PWM，输出也不需要LC滤波，直流输出高频方波电压。
2.2.3方案3
总体思想为综合6kV高压配电，系统设计，利用6kV高压变压器直接做成36脉波移相变压器，具体电路如下：
输入6kV/50Hz36脉波移
相变压器开关电源1
输出15V/12000A
或90V/2000A 开关电源6
输出15V/12000A
或90V/2000A
功率模块1
380V/50Hz
输出15V/12000A
或90V/2000A
6脉波
整流器
功率模块2
功率模块3
功率模块4
6kV变压器直接设计为36脉波移相变压器，高压侧几乎没有谐波，每一组输出接入一台开关电源。
开关电源就采用普通6脉波整流；
每台开关电源采用4个功率模块并联的方式，如1个模块出现异常，其他模块还能继续降额工作，提高了工作可靠性；模块之间的均流精度可达5%以内，因此15V/12000A 的开关电源每个模块的等级设计为15V/3000A，90V/2000A的开关电源每个模块的等级设计为90V/500A。
逆变采用移相全桥软开关技术，效率高，比普通硬开关技术效率平均多2%左右；
二次整流采用同步整流技术，效率远远大于采用一般二极管整流的方式，一般同步整流比普通二极管整流效率高出5%～6%。
输出加LC滤波，如不加LC滤波，输出导电排由于高频肌肤效应的缘故，导电排发热严重。
90V/2000A电源由于只是用于去除氧化膜，并不需要长时间工作，从降低成本角度考虑，可以不加PWM，输出也不需要LC滤波，直流输出高频方波电压。
2.2.4方案比较
从系统可靠性、系统效率这两个主要关心的方面进行比较。
本方案的逆变、二次整流、输出滤波采用的最先进的技术，在前面的方案叙述中已经提出，逆变采用全软开关技术，比硬开关的效率高出2%左右；二次整流采用同步整流技术，比普通二极管的效率高出5%～6%左右；输出经过LC后为平滑的直流，不会引起后级导电排高频发热；电源内部输出的直流汇流排全部采用铜排，比采用铝排的效率高出1%左右；
方案选择主要针对输入采用哪一种方式更合理进行比较分析。
可靠性分析：
36脉波移相变压器的可靠性远远高出PWM整流器，而且方案1采用6个模块并联，及时2个模块出现故障，也不会影响系统使用，方案1的可靠性远远高出方案2的可靠性；
方案3把高压变压器引入，作为电源设计的一部分，相当于减少了一个变压器的可靠性影响，因此方案3比方案1的可靠性更高。
系统效率分析：
方案1中变压器损耗约为1.5%，整流器约为0.5%，前级总和约为2%；方案2中PWM 整流器的损耗约为3%；方案1比方案2的效率略微高出一些；
方案3中比方案1只有一级变压器的损耗，效率自然多出1.5%左右。
综合比较：方案排序为方案3、方案1、方案2。
2.2控制系统
模拟控制板
功率模块1
控制方式：
双环控制：电压或电流外环，PI环；
每模块电流内环，比例环
2.3监控单元
采用8寸触摸屏；
功能：本地、远程操作切换；电源设置、启停操作；显示输出等参数，电源故障信息等；RS485上位机通讯等。
2.4结构外形
见附件。