基于电压纹波注入技术的数据中心双反星型变压整流器

史艳博，李琳骏，从 明

（中电莱斯信息系统有限公司，江苏 南京 210007）

数据中心的绿色化是数据中心建设的主要趋势。深入融合电力电子技术与信息通信技术为一体进行绿色节能型、环境友好型数据中心建设，深入贯彻党面对严峻环境形势做出的“碳达峰，碳中和”的工作目标，以习近平绿色发展理念为指引，以高功率密度低损耗电力电子技术技术为重要抓手，进行前瞻性绿色低碳数据中心高低压供配电系统总体设计，让数据中心成为我国信息通信技术创新的坚强智能支撑力量[1]。中国航信后沙峪数据中心建设引入了绿色高效节能技术，采用高功率密度加密机柜设计，这不仅标志着我国数据中心建设的国际先进性，同时也符合国家“十四五”规划纲要中绿色基础设施建设方针指引和我国网络强国建设战略的实施[2]。

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）是数据中心基础设施的核心，低压配电系统可靠运行是数据中心网络设备稳定工作的确保[3]。数据中心配电系统中电力电子设备具有强非线性，将谐波污染引进配电系统[4]。谐波电流会引起数据中心配电系统电能传输性能退化或关联性失效，甚至引起网络设备重启或宕机，谐波电流会引起机械硬盘喘振，甚至导致数据丢失[5]。数据中心网络设备瞬间电能中断时间不许超过20 ms，因此提升数据中心电能质量，构建安全可靠的供电方式对绿色节能型数据中心具有重要意义，是我国数据中心事业发展的重要需求[5]。

本文提出了一种基于电压纹波注入技术的数据中心双反星型变压整流器，适用于数据中心低压大电流工作场合。本文提出的拓扑结构与传统的AC-DC 变换器相比具有如下优势：

（1）结构简单，基于纹波电压注入技术实现脉波倍增，无需改变移相变压器结构，无需增加移相变压器副边移相绕组。

（2）实现纹波电压能量的重复利用，从平衡电抗器（Interphase Reactor，IPR）二次侧绕组提取纹波电压能量注入到负载侧，实现废弃能量的再次利用。

1 拓扑结构

本文提出的基于电压纹波注入技术的数据中心双反星型变压整流器的拓扑结构如图1 所示。基于电压纹波注入技术的数据中心双反星型变压整流器由前端双反星型移相变压器、IPR、纹波注入电路三部分组成，其中前端移相变压器为普通结构6 脉波双反星型移相变压器，其匝数相同、极性相反的移相变压器二次侧绕组可以消除直流磁通，移相变压器的超前移相绕组和滞后移相绕组分别连接三相半波整流电路，两组半波整流电路并联输出至负载正端；两组三相半波整流电路输出两组瞬时值不相等的三脉波直流电压。IPR 一次侧绕组用于平衡两组三相半波整流电路输出电压的顺时差，以抑制超前移相绕组和滞后移相绕组之间的环流，超前和滞后移相绕组各流过负载电流的一半，实现均流。IPR 二次侧绕组用于提取电压纹波。纹波注入电路为单相半桥结构，连接IPR 二次侧绕组，将提取到的电压纹波注入到负载两端，实现纹波能量的再次利用。

图1 基于电压纹波注入技术的双反星型变压整流器拓扑结构

2 运行原理分析

下面将结合运行模态示意图对变压整流器运行原理进行分析。为了便于原理分析，作如下假设。

（1）负载电感为无穷大，负载电流id恒定不变。

（2）源侧输入电压为理想正弦波；

（3）开关器件为理想器件，只工作在导通和关断两个状态，忽略二极管的开通和关断过程。

假设源侧三相输入电压为：

式中：U 为源侧三相输入电压有效值。

由式（1）可得，前端移相变压器的超前移相绕组和滞后移相绕组输出两组相位相差180°交流电压，分别表示：

式中：K 为移相变压器二次侧绕组电压有效值与一次侧绕组电压有效值的比值。

移相变压器二次侧超前移相绕组和滞后移相绕组输出端分别连接半波整流电路，由式（2）可得，两组半波整流电路的输出电压ud1和ud2为三脉波直流电压，表达式分别为：

式中：Np1和Np2为IPR 一次侧绕组匝数，NS为IPR 二次侧绕组匝数。

2.1 工作模态分析

根据负载电压ud和IPR 二次侧绕组电压us之间的关系可知，本文提出的基于电压纹波注入技术的数据中心双反星型变压整流器具有12 种工作模态，如图2-图13 所示，在变压整流器一个工作周期内有12 种交替运行工作模态，每个模态运行十二分之一个周期，实现12 脉波输出。

（1）当变压整流器处于工作模态1 时，整流器工作模态如图2 所示，三相半波整流电路输出电压ud1>ud2，IPR 二次侧绕组电压us>ud/2，二极管VD1和VDm正向偏置导通，其余二极管反向偏置关断。

图2 工作模态1

根据安匝平衡原理（Ampere-turn Equilibrium Principle，ATEP） 和基尔霍夫电流定律（Kirchhoff's Current Law，KCL）可得，整流器处于该模态时负载电压ud为：

（2）当变压整流器处于工作模态2 时，整流器工作模态如图3 所示，IPR 二次侧绕组电压us

图3 工作模态2

（3）当变压整流器处于工作模态3 时，整流器工作模态如图4 所示，三相半波整流电路输出电压ud1ud/2，二极管VD2和VDn正向偏置导通，其余二极管反向偏置关断。根据ATEP 和KCL 可得，整流器处于该模态时负载电压ud为：

图4 工作模态3

（4）当变压整流器处于工作模态4 时，整流器工作模态如图5 所示，IPR 二次侧绕组电压us

图5 工作模态4

（5）当变压整流器处于工作模态5 时，整流器工作模态如图6 所示，三相半波整流电路输出电压ud1>ud2，IPR 二次侧绕组电压us>ud/2，二极管VD3和VDm正向偏置导通，其余二极管反向偏置关断。根据ATEP 和KCL 可得，整流器处于该模态时负载电压ud为：

图6 工作模态5

（6）当变压整流器处于工作模态6 时，整流器工作模态如图7 所示，IPR 二次侧绕组电压us

图7 工作模态6

（7）当变压整流器处于工作模态7 时，整流器工作模态如图8 所示，三相半波整流电路输出电压ud1ud/2，二极管VD6和VDn正向偏置导通，其余二极管反向偏置关断。根据ATEP 和KCL 可得，整流器处于该模态时负载电压ud为：

图8 工作模态7

（8）当变压整流器处于工作模态8 时，整流器工作模态如图9 所示，IPR 二次侧绕组电压us

图9 工作模态8

（9）当变压整流器处于工作模态9 时，整流器工作模态如图10 所示，三相半波整流电路输出电压ud1>ud2，IPR 二次侧绕组电压us>ud/2，二极管VD5和VDm正向偏置导通，其余二极管反向偏置关断。根据ATEP 和KCL 可得，整流器处于该模态时负载电压ud为：

图10 工作模态9

（10）当变压整流器处于工作模态10 时，整流器工作模态如图11 所示，IPR 二次侧绕组电压us

图11 工作模态10

（11）当变压整流器处于工作模态11 时，整流器工作模态如图12 所示，三相半波整流电路输出电压ud1ud/2，二极管VD2和VDn正向偏置导通，其余二极管反向偏置关断。根据ATEP 和KCL 可得，整流器处于该模态时负载电压ud为：

图12 工作模态11

（12）当变压整流器处于工作模态12 时，整流器工作模态如图13 所示，IPR 二次侧绕组电压us

图13 工作模态12

2.2 整流器参数设计

经过分析以上12 个工作模态，可知整流器负载电压ud为：

负载电压波形在一个周期内具有12 个脉波，所设计的变压整流器具有12 脉波特性。当且仅当负载电压的12 个脉波幅值相等时，设计的变压整流器具有最优性能，即：

解得α=3.23，即当IPR 原副边绕组匝比为3.23时，设计的变压整流器具有最优性能。

3 实验研究

为验证理论分析的正确性和所提方法的可行性，利用Matlab/Simulink 软件搭建变压整流器仿真模型进行实验研究。源侧输入220 V、50 Hz 三相电压，移相变压器二次侧与一次侧相电压有效值比值为1，负载为10 Ω 纯电阻，IPR 匝比α=3.23。A 相输入电流仿真波形如图14 所示，在一个周期内A 相输入电流含有12 个阶梯波，对输入电流进行快速傅里叶分析（Fast Fourier Transform，FFT） 如图15 所示，谐波含量为12.72%。仿真实验研究结果证明基于电压纹波注入技术的双反星型变压整流器呈现12 脉波特性，证明了理论分析的正确性。

图14 A 相输入电流波形

图15 A 相输入电流波形FFT 分析

4 结论

数据中心的绿色化是数据中心建设的主要趋势，低压配电系统的可靠性是数据中心服务器设备正常运行的确保。本文设计了基于电压纹波注入技术的双反星型变压整流器用于数据中心低压大电流工作场合，基于纹波电压注入技术，无需改变移相变压器结构，从IPR 二次侧绕组提取纹波电压能量注入到负载侧，实现废弃能量的再次利用，达到12 脉波输出特性。