淺析高壓直流通信電源中的高頻開關(guān)整流模塊設(shè)計(jì)

【摘要】交流電源是目前的通訊數(shù)據(jù)設(shè)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(zhì)量比市電的要求高。我國目前的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)多使用UPS不間斷電源進(jìn)行供電，這是為了確保數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的安全性。高頻開關(guān)整流模式在通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用具有可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、高效率、低能耗、比較方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其性能符合通信電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢要求。本文主要分析了高壓直流的供電優(yōu)勢和可行性，并簡述了高頻開關(guān)整流模塊設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】高壓直流電;通信電源;高頻開關(guān)

一、引言

數(shù)據(jù)通訊的業(yè)務(wù)發(fā)展里程比較短，發(fā)展速度比較快，前幾年，通信數(shù)據(jù)設(shè)備供電的UPS不間斷電源系統(tǒng)配置多為200 KVA以下的1+1 并機(jī)冗余系統(tǒng)。但是現(xiàn)在，信息技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了通信數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)的飛躍，尤其是快速發(fā)展IDC業(yè)務(wù)，使不間斷大容量UPS電源系統(tǒng)大幅增加，400KVA 2+1并機(jī)冗余系統(tǒng)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(yōu)勢進(jìn)行分析，并且闡述通信電源中的高頻開關(guān)整流模塊設(shè)計(jì)。

二、高壓直流電的供電可行性及優(yōu)勢

我國目前幾乎都使用交流電220v的服務(wù)器接入U(xiǎn)PS用電業(yè)務(wù)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(wù)器的內(nèi)部電源。其中，服務(wù)器的濾波器、全橋整流電路和平滑濾波等電路組成了服務(wù)器，高頻逆變電路、隔離變壓器和整流濾波電路等構(gòu)成了DC/DC 變換電路。一般情況下，服務(wù)器允許的交流輸入電壓為 220 V±25%的范圍內(nèi)，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(wù)器工作電源要求的波動(dòng)范圍是在216-282V之間。此外，高壓直流電源技術(shù)已經(jīng)成熟的廣泛地應(yīng)用于通信設(shè)備中，并且已經(jīng)有幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(tǒng)對于通信用高壓直流電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，有很多可以借鑒的優(yōu)點(diǎn)。另外，高頻開關(guān)式整流器的成功運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)也有幾十余年了。

高壓直流電的供電優(yōu)勢有：

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

2）在高壓直流供電系統(tǒng)中，整流機(jī)柜并機(jī)比較方便，可以提高系統(tǒng)擴(kuò)容效率，節(jié)約投資成本。

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

4）直流開關(guān)整流器模塊為該系統(tǒng)的核心部位，維護(hù)起來比較方便。

5）該系統(tǒng)在整組后，備電池單體只數(shù)相應(yīng)的減少了很多，也減少了系統(tǒng)中的故障發(fā)生，確保了系統(tǒng)供電安全的可靠性。

6）系統(tǒng)中不存在單瓶頸故障隱患，因?yàn)闆]有設(shè)置自動(dòng)靜態(tài)旁路開關(guān)。

7）不需要反復(fù)變換，系統(tǒng)變換效率與UPS比較，其供電性能稍高，有利于電能的節(jié)約。240v高壓直流電供電模式在國內(nèi)的電信運(yùn)營商中的應(yīng)用，已經(jīng)有十幾年的經(jīng)驗(yàn)了，經(jīng)過運(yùn)營事實(shí)證明了高壓直流供電模式對于電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說是比較安全可靠的。

三、高頻開關(guān)電源系統(tǒng)中的的整流模式設(shè)計(jì)

高頻開關(guān)電源系統(tǒng)中的重要部分就是整流模塊，因?yàn)檎髂Ｊ降姆€(wěn)定性直接關(guān)系到系統(tǒng)的直流電壓輸出和工作時(shí)電壓輸出的正常。本文所闡述的整流模式設(shè)計(jì)，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(jìn)行的改進(jìn)和完善，以實(shí)現(xiàn)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(yīng)該使其先通過防雷處理和濾波對輸入的三相交流進(jìn)行處理。經(jīng)過處理后，把三相交流轉(zhuǎn)換成高壓直流的時(shí)候要經(jīng)過整流和無源PFC，高壓直流要電壓要經(jīng)過DC/DC變換器再次轉(zhuǎn)換才能輸出。此外，模塊控制部分還發(fā)揮著保證輸出電壓的穩(wěn)定的作用以及保護(hù)各模塊部件的作用，例如負(fù)責(zé)過壓、過流以及短路保護(hù)等作用。模塊還在遠(yuǎn)程監(jiān)控中提供了遙控、遙調(diào)、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(shù)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(guān)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(qiáng)脈沖的波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)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(gè)電感，改善功率因數(shù)和電磁干擾，并利用電感上的電壓超前于電流的特性，來補(bǔ)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(bǔ)償功率因數(shù)的效果有限，只能實(shí)現(xiàn)抑制電流突變的目的，是一種簡單的補(bǔ)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(yōu)點(diǎn)就是能夠節(jié)約電能、提高平穩(wěn)性和響應(yīng)的速度。一般情況下，把變阻器換成直流斬波器，可以節(jié)約20%～30%的電能。直流斬波器的優(yōu)勢有：調(diào)壓、抑制電網(wǎng)側(cè)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(fā)揮著隔離和變壓的效果，如果想要實(shí)現(xiàn)能量的儲存及傳遞只需要在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）即可。由于VD1、VD2的導(dǎo)通限制了兩個(gè)調(diào)整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓，因此，變壓器初級無再有復(fù)位繞組。整流二極VD3和一個(gè)續(xù)流二極管VD4既可以構(gòu)成一個(gè)輸出回路，也可以選用回復(fù)時(shí)間比較快的VD3、VD4。為了實(shí)現(xiàn)降低文波電壓的效果，應(yīng)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(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1）VD1、VD2應(yīng)該選擇快恢復(fù)管，使它們在其實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試中只許很短的時(shí)間就可以恢復(fù)，滿足兩個(gè)開關(guān)在任何工作狀態(tài)下可以承受的電壓都不會(huì)超過UIN和Ud的條件;

2）雙管正激式DC/DC變換器不需要復(fù)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(shè)計(jì)比較簡化，即使使用耐壓值較低功率器件，它也會(huì)有很大的功率等級;

3）工作狀態(tài)比較一致的兩個(gè)開關(guān)管，會(huì)出現(xiàn)同時(shí)通態(tài)或斷態(tài)的狀況，因此，可以選擇智能高頻開關(guān)電源，整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電的時(shí)候，會(huì)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(dá)到濾去交流部分的目的。縮短二極管得到時(shí)間，應(yīng)該留有足夠的電流裕量，可以在橋式整流電路輸出端與負(fù)載之間并聯(lián)一個(gè)大電容，電容CO充電的瞬時(shí)電流較大，會(huì)導(dǎo)致二極管損壞。

四、總結(jié)

綜上所述，本文主要針對高壓直流通信電源中的高頻開關(guān)整流模塊設(shè)計(jì)的闡述，可以發(fā)現(xiàn)利用無源PFC電路，能夠?qū)崿F(xiàn)改善電路中電流畸變的目的。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的將進(jìn)行交流變換，缺點(diǎn)就是成本比較高，同時(shí)對于備用電源充電時(shí)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(jìn)行提高。

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