淺析高壓直流通信電源中的高頻開關整流模塊設計

【摘要】交流電源是目前的通訊數據設備中比較常用的電源，交流電與市電的的電壓、頻率的需求幾乎相同，不同之處就是交流電的供電質量比市電的要求高。我國目前的數據通信系統多使用UPS不間斷電源進行供電，這是為了確保數據通訊設備的安全性。高頻開關整流模式在通信業務中的應用具有可靠性強、穩定性好、高效率、低能耗、比較方便維護等優點，其性能符合通信電源系統的發展趨勢要求。本文主要分析了高壓直流的供電優勢和可行性，并簡述了高頻開關整流模塊設計。

【關鍵詞】高壓直流電;通信電源;高頻開關

一、引言

數據通訊的業務發展里程比較短，發展速度比較快，前幾年，通信數據設備供電的UPS不間斷電源系統配置多為200 KVA以下的1+1 并機冗余系統。但是現在，信息技術的快速發展，帶動了通信數據技術質的飛躍，尤其是快速發展IDC業務，使不間斷大容量UPS電源系統大幅增加，400KVA 2+1并機冗余系統成為了主要的UPS 不間斷電源系，其電池配備多為6V和12V。以下就是對高壓直流電的可行性和優勢進行分析，并且闡述通信電源中的高頻開關整流模塊設計。

二、高壓直流電的供電可行性及優勢

我國目前幾乎都使用交流電220v的服務器接入UPS用電業務的電源之中，AC/DC 整流電路和AC/DC 整流電路著兩部分組成了服務器的內部電源。其中，服務器的濾波器、全橋整流電路和平滑濾波等電路組成了服務器，高頻逆變電路、隔離變壓器和整流濾波電路等構成了DC/DC 變換電路。一般情況下，服務器允許的交流輸入電壓為 220 V±25%的范圍內，即是165- 275V，也就是說，電容的平均電壓的范圍198- 330 V是整流后濾波，389 V為最高峰值電壓。直流母線滿足服務器工作電源要求的波動范圍是在216-282V之間。此外，高壓直流電源技術已經成熟的廣泛地應用于通信設備中，并且已經有幾十年的運行經驗了，通信用高壓直流電源其電壓等級與電力用直流操作電源相同。因此，電力用直流操作電源系統對于通信用高壓直流電源的系統設計來說，有很多可以借鑒的優點。另外，高頻開關式整流器的成功運行和維護經驗也有幾十余年了。

高壓直流電的供電優勢有：

1）高壓直流電在供電備份冗余上與直流-48V開關整流模塊的配置幾乎相同，減輕了供電系統的配置負擔，只需要整流模塊 N+1的并份即可（N為主用模塊數量）。

2）在高壓直流供電系統中，整流機柜并機比較方便，可以提高系統擴容效率，節約投資成本。

3）該模式的控制系統與UPS相比較，供電模式并機簡單，不存在交流電源振幅、頻率、相位等參數，減少了系統的故障點。

4）直流開關整流器模塊為該系統的核心部位，維護起來比較方便。

5）該系統在整組后，備電池單體只數相應的減少了很多，也減少了系統中的故障發生，確保了系統供電安全的可靠性。

6）系統中不存在單瓶頸故障隱患，因為沒有設置自動靜態旁路開關。

7）不需要反復變換，系統變換效率與UPS比較，其供電性能稍高，有利于電能的節約。240v高壓直流電供電模式在國內的電信運營商中的應用，已經有十幾年的經驗了，經過運營事實證明了高壓直流供電模式對于電信數據業務來說是比較安全可靠的。

三、高頻開關電源系統中的的整流模式設計

高頻開關電源系統中的重要部分就是整流模塊，因為整流模式的穩定性直接關系到系統的直流電壓輸出和工作時電壓輸出的正常。本文所闡述的整流模式設計，主要是利用無源PFC和DC/DC變換器的原理，在模塊整流原理上進行的改進和完善，以實現使模塊能夠有效完成整流作用的目的。其工作原理框圖如圖1所示：

圖1 整理模式的工作原理圖

在工作過程中，想要保證模塊后級電路的安全，就應該使其先通過防雷處理和濾波對輸入的三相交流進行處理。經過處理后，把三相交流轉換成高壓直流的時候要經過整流和無源PFC，高壓直流要電壓要經過DC/DC變換器再次轉換才能輸出。此外，模塊控制部分還發揮著保證輸出電壓的穩定的作用以及保護各模塊部件的作用，例如負責過壓、過流以及短路保護等作用。模塊還在遠程監控中提供了遙控、遙調、遙測、遙信等四遙接口。有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值就是即功率因數校正，簡稱PFC，它用來表示有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關系。無源PFC般情況下由二極管、電阻、電容和電感等無源器材組成，是指不使用一些有源器件，例如晶體管等組成的校正電路。本文中的PFC組成就是利用電感上的電流不能突變的特性來平滑電容充電強脈沖的波動，以實現改善電路中電流的畸變的目的，就是在整流橋堆和濾波電容之間加1個電感，改善功率因數和電磁干擾，并利用電感上的電壓超前于電流的特性，來補償濾波電容電流超前電壓的特性。但是這種方式對于校正電流畸變和補償功率因數的效果有限，只能實現抑制電流突變的目的，是一種簡單的補償措施。

固定的直流電壓借助DC/DC變換器就可以變換為可變的直流電壓，這種控制的優點就是能夠節約電能、提高平穩性和響應的速度。一般情況下，把變阻器換成直流斬波器，可以節約20%～30%的電能。直流斬波器的優勢有：調壓、抑制電網側諧波電流噪聲等作用。本文所說的DC/DC變換器，采用的是雙管正激式DC/DC變換器，變壓器T1發揮著隔離和變壓的效果，如果想要實現能量的儲存及傳遞只需要在輸出端要加一個電感器Lo（續流電感）即可。由于VD1、VD2的導通限制了兩個調整管關斷時所承受的電壓，因此，變壓器初級無再有復位繞組。整流二極VD3和一個續流二極管VD4既可以構成一個輸出回路，也可以選用回復時間比較快的VD3、VD4。為了實現降低文波電壓的效果，應該選擇大容量的濾波電容。雙管正激式DC/DC變換器的工作特點有以下幾點：

1）VD1、VD2應該選擇快恢復管，使它們在其實際設計和調試中只許很短的時間就可以恢復，滿足兩個開關在任何工作狀態下可以承受的電壓都不會超過UIN和Ud的條件;

2）雙管正激式DC/DC變換器不需要復位電路，與單端正激式DC/DC變換器相比，其電路和變壓器的設計比較簡化，即使使用耐壓值較低功率器件，它也會有很大的功率等級;

3）工作狀態比較一致的兩個開關管，會出現同時通態或斷態的狀況，因此，可以選擇智能高頻開關電源，整流電路將交流電變為脈動直流電的時候，會含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。

想要獲得平滑的直流電壓，可以加接濾波電路在整流電路的后面，達到濾去交流部分的目的。縮短二極管得到時間，應該留有足夠的電流裕量，可以在橋式整流電路輸出端與負載之間并聯一個大電容，電容CO充電的瞬時電流較大，會導致二極管損壞。

四、總結

綜上所述，本文主要針對高壓直流通信電源中的高頻開關整流模塊設計的闡述，可以發現利用無源PFC電路，能夠實現改善電路中電流畸變的目的。該系統可以準確的將進行交流變換，缺點就是成本比較高，同時對于備用電源充電時的均勻性比較弱，防雷濾波的效果也不是太好，因此，需要在這些方面進行提高。

參考文獻

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