数据机房UPS配置及TVS & MOV瞬态浪涌防护设计

数据机房UPS配置及TVS & MOV瞬态浪涌防护设计

郭德盛

上海信盛电讯设备网络有限公司，上海 200086

摘要：对UPS的电气构成及容量选择给出了设计建议，采用以ATS切换UPS市电输入、UPS与市电STS切换配置的工程为例进行剖析，列举了7种电涌瞬态过电压损坏形式，给出SPD特性与工程设计实例，对UPS防雷采用MOV浪涌保护器及计算机精密设备采用TVS。

关键词：不间断电源系统; 静态开关; 金属氧化物可变电阻; 瞬变电压抑制二极管

一般中小型数据机房电源要求按一类负荷配电，其设计要求应符合A级或B级机房要求，应采用在线UPS为数据机房提供稳定的高可靠性输出配电。UPS的原理、设计取值、输入与输出配置及瞬态浪涌抑制是数据机房的设计核心问题。

1UPS的构成及容量选择

1.1　基本功能

不间断电源系统(Uninterruptible System Po-wer， UPS)，安装在电源输入配电柜和负载配电柜之间，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间，使用户能够紧急存盘，用户不会因停电而影响工作或丢失数据。它在计算机系统和网络应用中，主要起到两个作用： 一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。

1.2　电气构成

从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能装置、以逆变器为主要元件、稳压输出的电源保护设备，如图1所示，主要由滤波单元、整流单元、逆变单元、静态开关单元、蓄电池组单元、(输出采用Δ/Z0)隔离变压器单元等组成。

图1　UPS电气构成

滤波单元： 消除市电输入UPS中的瞬态尖峰，保持电压平稳。

整流单元： 将交流(AC)转化为直流(DC)的装置，它有两个主要功能： ① 将交流电(AC)变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；② 给蓄电池提供充电电压，起到一个充电器的作用。

逆变单元： 将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置，它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

静态开关单元： 由两个晶闸管(SCR)反向并联组成一种交流开关，当逆变器过载或不能正常工作时，起到将负载不间断地切换到旁路上的作用。

蓄电池组单元： 是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量的大小决定了维持放电(供电)的时间，具有2个主要功能： ① 当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部；② 当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或者负载。

隔离变压器单元： 输出采用Δ/Z0隔离变压器，电压无直流分量，能平衡由不平衡载荷对输出的影响，有效抑制计算机类非线性负载引起的输出电压，其工作主要有三种状态。

1) Q1、Q4闭合，UPS正常工作；

2) 过载或UPS故障，Q2、Q4闭合，旁路输出；

3) Q3合上，维护旁路，便于UPS送修。

1.3　取值

电池： 一般按后备0.25~4h选取。

UPS容量： 标示值为视在功率S，它的取值为：

Sups=3∑W/cosφ (kVA)

(1)

式中： 冗余计算值一般取3；W为数据机房载荷之和；功率因素cosφ一般取0.7~0.75。

相数： 一般取3相4线制供电，容易达到载荷均衡，减少配电电缆面积。

2UPS的输入与输出设计

中心机房的整个动力系统是由连接两个独立变压器输入的二路主、备进线回路与ATS(双路单投自动切换开关)组成，以支持机房的动力设备，如精密空调、气体防火系统及UPS输入电源。在ATS输出端并接电涌保护器SPD(Surge Protection Device)共同组成“双输入供电系统，如图2所示。如果电源主回路产生故障，ATS能在比较短的时间内(80~100ms)自动执行切换到备用回路供电，同时UPS输入电源会出现短暂的停电事故，在线式UPS输出无中断，后背式UPS设备能在4ms内对设备恢复供电，服务器不会中断。

图2　双路单投(ATS)自动输入配电

将静态切换系统(Static Transfer System, STS)安装在负载设备前端，当UPS失效宕机，利用其不间断切换市电的功能来保证电源设备的供电，从而消除服务器瘫痪的重大供电事故隐患，如图3所示。在制造业公司小型数据机房，解决了预算少、机房场地紧张，不可能购买双UPS冗余的应用，受到了客户的好评。

图3　UPS与市电STS切换

STS将双总线系统中的某一路电源作为优选电源提供给用电设备，并实时对两路交流电源的各项指标进行检测，一旦发现当前供电电源出现异常，可以自动地将用电设备在极短的间断时间内切换到另一路备用电源上，从而给设备提供稳定的、不中断的交流供电。

STS整个切换时间小于1ms，它的切换方式是先断后合，因此两电源在切换时的相位差甚至可以大于180°，主要应用于供电可靠性要求极高的高端不间断供电领域。

3UPS的浪涌过电压防护设计

浪涌过电压有7种形式： 雷击、太阳黑子磁暴(Sunspots)、电路操作过电压、静电放电(ESD)、核电磁脉冲(NEMP)、微波辐射、短路。数据机房一般位于LPZ2第二防护区，如图4所示，SPD主要考虑防护雷击、电路操作过电压、静电放电部分的浪涌。

图4　LPZ防护区划分

3.1　MOV防雷击设计

采用MOV(Metal Oxide Varisitor)金属氧化物可变电阻保护释放由远距离或传导雷击而引起的电涌雷击，一般并接在UPS市电输入前与UPS输出后。LPZ3区域，用于保护使用插座的单个负载而设计的防雷器,选用精确D级防雷器，可以进一步减少雷电电磁脉冲；MOV取值见表1。

表1　MOV SPD取值表

3.1.1MOV压敏电阻标称值的取值

(2)

3.1.2空气断路器的选用

一般空气断路器串接在压敏电阻器回路上，在压敏电阻短路损坏时，断开电路连接，它的取值一般取50A，但必须小于主回路启动值，起到保护设备的目的。

3.2　TVS抑制操作过电压，防护计算机设备

在UPS使用过程中，会发生STS切换(<1ms)、UPS维护旁路合闸、用户电路带负荷启动、短路等操作。感性负荷切断时，磁场瞬态崩溃，在负载电路中，产生瞬态高压，造成计算机设备及UPS损坏。电压表达式为：

V=-L(di/dt)

(3)

式中：L为电感，H；di/dt为电流的每秒变化率，A/s。

在120V交流电路中会产生1.4~2.5kV的瞬态峰值电压，甚至高达6kV，可采用TVS瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor)作为第二级抑制峰值保护。

3.2.1TVS特性

TVS是一种硅PN结器件，它使危险的电压尖峰以钳位方式(由硅PN结的雪崩效应)被限制在电路可以允许的范围内。它能吸收很高的瞬态电压，利用这种器件可以避免过高的瞬态电压对电压敏感的器件造成损坏。该系列器件的电压为5~400V，误差为5%~10%。TVS能够承受很高的浪涌电压，响应时间非常短，内阻非常小。由于瞬态电压是不可预测的，并且阻抗随瞬态电压而变化，因此没有确定的数值。同时在器件承受很大的脉冲电流时，温度变化可造成最高钳位电压Vc有50%~70%的测量误差。但是，在低电流状态下，最低电压(VBR)和在最高脉冲峰值电流状态下的最高钳位电压是可以确定的。TVS钳位作用的响应时间为10-12s，因此可用来保护集成电路、MOS器件、数模混合电路以及其它对电压敏感的半导体元器件。TVS可以串联或并联，以提高峰值功率。

图5　TVS电压电流特性曲线

TVS电压-电流特性曲线及电路图形符号如图5所示，其正向特性与普通二极管相似，反向特性为典型的PN结雪崩特性。在瞬态峰值脉冲电压作用下，流过TVS的电流由原来的最大反向漏电流ID上升到反向击穿电流IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压VRWM上升到击穿电压VBR,TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的增大，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP，但两极的电压被钳位到预定的最大钳位电压以下。其后，随着脉冲电流按指数规律衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS抑制浪涌脉冲电压和保护电子元器件的过程。

3.2.2TVS的主要性能参数

(1) 额定反向关断电压VRWM和电流ID。VRWM是最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于最大反向漏电流ID。

(2) 最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS的最小雪崩击穿电压，当环境温度为25℃时，在这个电压之前，TVS是不导通的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时，加于TVS两极间的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把TVS分为±5%VBR和±10%VBR两种。对于±5%VBR来说，VRWM=0.85VBR；对于±10%VBR来说，VRWM=0.81VBR。

(3) 最大钳位电压VC和最大峰值脉冲电流IPPM。当持续时间为20μs的脉冲峰值电流IPPM流过TVS时，在两极间出现的最大钳位电压为VC，VC、IPPM反映了TVS抑制浪涌电流的能力。VC与VBR之比称为钳位因子，一般在1.2~1.4之间。

(4) 最大峰值脉冲功耗PPPM。TVS对浪涌功率和浪涌电流的吸收能力取决于PN结的面积，对TVS的系列产品来说，给出的波形峰值脉冲功率(PPPM)的吸收能力可以达到数千瓦。用8/20μs波形定义。器件吸收的峰值脉冲功率是由TVS上的钳位电压VC和流过TVS的冲击电流的峰值IPPM乘积来确定的，根据钳位电压的不同，TVS可用在5~400V左右的电路中。至于TVS的精准选择，可参考相关书籍。

(5) 限制系数K1。它表示TVS实际承受的电压VC与其雪崩击穿电压VBR之比，即K1=VC/VBR。

在使用中，TVS的击穿电压VBR应当比被保护电路的工作电压高出10%以上，以防止由于UBR接近电路工作电压而使TVS的漏电流影响了电路的工作，同时也避免了由于温度效应所引起TVS的VBR变化。一旦瞬时过电压出现后，TVS立即将尖峰电压钳位到安全电压(或称钳位电压)VC，而让有害部分的能量以电流形式、不经过被保护电路、通过TVS给旁路掉。

4结束语

探讨了数据机房UPS系统的构成、容量配置设计，创新地提出了单电源UPS与市电STS静态切换开关输出的模型，同时给出了防雷电采用MOV氧化锌压敏电阻器、操作过电压用TVS的参数选用。

参考文献

1] GB 50174—2008，电子计算机机房设计规范.

2] GB 50343—2004，建筑物电子信息系统防雷技术规范.

李祥超，姜翠宏，赵学余.防雷工程设计与实践.北京： 气象出版社，2010.

郭德盛.特高压屏蔽测试大厅弱电抗干扰施工原理与工艺.电子技术，2014，43(11)： 63.

UPS Configuration in Data Room and Protective Design of TVS & MOV Transient Surge

GuoDesheng

Shanghai Sunatel Telecom Co., Ltd., Shanghai 200086， China

Abstract:Gived a design proposal on UPS electrical structure and capacity options. Taken an engineering project, i.e. UPS mains input is provided by ATS switch and UPS output is provided by STS switch as the sample for analysis to enumerate 7damage patterns on transient overvoltage surge, and the measures proposed via SPD feature and engineering design cases recommends to adopt MOV surge protector for lightning protection and TVS for protection of the sophisticated computer equipment.

Key Words:UPS; Static Switch; Metal Oxide Varistor; Transient Voltage Suppression Diode

中图分类号:TM 862

文献标识码：A

文章编号：1674-540X(2015)01-050-04

作者简介：郭德盛(1960-)，男，工程师，主要从事系统集成设计工作，
E-mail： hansguo@sunatel.com

收稿日期：2015-01-05