周 锟

（山西广播电视无线管理中心，山西 太原 030001）

0 引 言

传统的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）存在可靠性差、转换效率低等缺点，但随着高压直流UPS电源系统的出现，极大地改变了传统UPS电源存在的这些问题。通过制定标准化的方式推动高压直流UPS电源方案，能够更好地对高压直流UPS电源进行深入研究。当前我国对高压直流UPS电源系统主要采取高效率以及高功率的方式，有效确保了在这种情况下各个系统的兼容性和可操作性需求，实现了输出电压稳定的目的。

1 高压直流UPS供电系统的特点

1.1 系统工作效率明显提高

高压直流UPS供电系统和传统的UPS系统相比，其工作效率大幅度提升，这是由于高压直流UPS系统并机技术简单，同时也可以并联大量的模块，使得每一个模块的利用率可以达到70%以上[1]。相比于传统UPS供电系统中最为常见的2N配置系统，高压直流UPS电源系统的每一台UPS设备系统中都有可能成为主路供电系统，这也使得每一台UPS设备的容量都可以满足实际的负荷容量需求，才能使UPS设备的负荷率不会超过50%。图1为高压直流UPS系统结构，对于单台UPS的实际负荷率而言，在不超过35%的情况下，高压直流UPS电源系统会存在谐波和三相不平衡的情况，那么也会使传统的UPS效率有所下降，通过改善系统配置的方式，能够更加方便地实现高压直流UPS系统模块化以及标准化的建设需求。

图1 高压直流UPS系统结构

1.2 电源使用率增大

传统的UPS供电系统存在DC/AC逆变器的环境，因此会大幅度增加电能的损耗，电量消耗通常占总电量的5%左右[2]。而在高压直流UPS电源系统结构中，如果没有对应的DC/AC逆变器设备和静态开关以及滤波器等情况下，高压直流UPS供电系统能够大幅度增加电源的使用效率以及供电设备的工作效率。和传统UPS供电系统相比，高压直流UPS电源系统的结构配件比较少，同时可使用的设备成本也能够大幅度降低，提升工作效率。

1.3 避免单点故障问题，维护方便

高压直流供电系统克服了传统UPS存放点故障的问题，因此系统的安全性和可靠性得到了提高，再加上高压直流供电系统配置全部模块化、可热插拔以及维护简单方便的特点[3]。传统的UPS供电系统当供电设备产生故障时，只能判断出大致故障的产生原因，设备的维修只有厂家才能做到有效维修，而电力工作人员没有办法针对故障进行维修。在使用高压直流UPS电源时，只需要对电力工作人员进行培训，根据故障的提示准确判断出故障模块，随后使用其他模块替换故障模块即可，具有简单、准确的特点，这也是高压直流模块化比较突出的优势。

1.4 兼容数据中心机房网络设备电源

在通入直流电时，高压直流UPS电源通常会有50%的整流管处于工作状态，因此导致整个整流元件中的电流值和电流脉动会比较小，元件的产热量也会减小，使得高压直流UPS的电流能够在标准的服务器中得到良好的使用[4]。

2 前级DC/AC功率因数校正电路

2.1 功率因数校正电路拓扑的选择

在通信基站的发展中，由于通信基站服务器的容量比较大，导致所需供电电源的电容量也会比较大，再加上相关服务器和机房对电能质量要求较高，因此想要减少或者避免对电网以及相关服务器造成的损坏，需要对高压直流UPS电源采用功率因数的方式进行校准，最终能够有效保证高压直流UPS电源的输出功率因数接近1，实现对电流谐波的减小并减少电网的污染[5]。本文选择三相T型三电平整流电路为例，如图2所示，可以发现三相T型三电平整流器具有开关器件少，承受电压只有直流母线电压一半，电压变化小以及电流波更加接近正弦波等优点。

图2 三相T型三电平电路原理

2.2 三相T型三电平整电流电路的工作原理

三相T型三电平整电流电路共有18种基本的开关模态，而这些开关模态一般由整流开关管和二级导管的次序决定。将这18种开关模态划分成6种换流过程时，例如将整流二极管序号从一种组态变为另外一种组态，在这种组态的变换方式中，整个变换的方式具有顺序递增的特点。

2.3 三相T型三电平整电流电路控制策略

在高压直流UPS电源的三相T型三电平整电流电路的实际控制中，通常需要对如数电流和交流电压的输入方式进行控制，从而实现功率因数接近1的目的。通过更好地保证维持输入直流电压的方式，提高上下母线电容和电压之间的平衡性。但在整流的电路环节中，一般采用传统的电压电流双闭环控制法，这种控制方法可以获得理想的稳态性能。在实际应用中，必须根据负载的实际变化情况控制调节，才可以避免出现较大偏差的情况发生而影响到输出电能质量的目的[6]。克服负载扰动问题，能够实现在传统的双闭环控制基础上加入负载电流前馈的有效控制，实现提高变换器抗负载性能的作用，由此体现出了前馈控制双闭环算法的优越性要求。

3 后级DC/DC变换电路

3.1 后级DC/DC变换电路的拓扑选择

在对后级DC/DC变换电路的拓扑选择中，通过考虑到电源所需的电气隔离，选择隔离型的DC/DC变换器。而常用的隔离型直流变换器因为包含有正激、推挽等部分，在功率开关的电压和电流定额相同情况下，对应的变换器输出功率和使用功率呈正比关系。而针对较大功率隔离的DC/DC变换器中，LLC电路和移相全桥电路之间具有一定的竞争性，从而有利于更好地实现减小输出电压和电流纹波的目的。

3.2 关键元器件和磁性元器件的设计与选型

针对高频主功率的变压器设计中，高压直流UPS电源在高频主功率和变压器中对功率和功率密度之间往往有着一定的要求，那么在相同输入和输出纹波参数情况下，系统的工作频率越高，对应的磁芯元件就越小[7]。这是因为使用高频变压器的目的是进行隔离与升压，为了减小源边的开关电流，需要降低输出侧整流二极管的反向电压，才能快速适应DC/DC电路而采取移相全桥电路的交错并联结构，最终实现其电路原副边线长的增加。因此采用了两个变压器的设计方式，将两个主功率变压器采用双拼结构的方法，有利于减小变压器的导线损失和体积，降低变压器的成本。在对输入滤波电感的设计中，想要更好地减小输出电流滤波，就必须抑制电感电流脉动。电感值越大，则对应的尺寸和重量也就越大。将输入和输出方式改为串联和并联的全桥电路方式，并在相同的纹波下减小滤波电感值，从而能够达到输入滤波电感设计的最终要求。

4 高压直流UPS电源模块控制策略

针对高压直流UPS电源模块的有效控制，需要对模块的启动、关闭以及实际运行中的稳态进行闭环控制。针对高压直流UPS电源中存在的单模块进行启动时设计出两路不同的电路结构，随后对两路控制板分别进行控制，因此两者的控制板之间不需要较多的通信。但如果在启动过程中，前级和后级同时启动时没有达到稳态，那么对应的输入电压和输出电压也会发生改变，并造成高压直流UPS电源模块无法正常启动，对于所需的前级和后级进行配合启动使用，还会造成电路因为闭合后的再启动。而在接通交流电网的情况下，模块内部的辅助电源通过交流供电启动，有助于针对前级电路和电网之间实现电控继电器的有效断开，最终完成驱动电路供电需求。

在使用前级控制和后级控制这两种不同的控制方式中，经过初始化的控制板件通信检测方式，能够有效做到对开机信号的收集，也能更好地防止待机时间较长而导致ADC采样偏置变动的情况发生。通常在启动前级电路时，做到ADC偏置的检验，促使检测电网实现锁相，为后路电路的启动实现信号启动需求的布置，最终实现模块的启动完毕[8]。而针对高压直流UPS电源单模块的关闭中，和启动流程恰好相反。当模块处于稳定运行的状态而出现关机信号的情况下，当后路的电路接收到关断状态时，对逐渐移相角进行减少的情况下，才能形成后级电路之间的关断。针对前级控制板收到的信号在关断状态时，软关断信号结束后关闭，那么在进入到待机状态时，需要接收到新的开机信号，才能实现再次进入启动流程的目的。

5 结 论

针对高压直流UPS电源系统的应用分析中，通过对电源效率以及可靠性的研究，有助于更好地改善输入功率因数和输入电流目的。引入交错并联技术后，降低开关所承受的电流压力，有效解决导通损耗问题。