高频UPS在数据中心的应用

2018-04-22于茂海

商品与质量 2018年42期

于茂海

维谛技术有限公司上海分公司上海 200122

1 高频化的发展方向

UPS的发展趋势主要跟电力电子技术的发展方向密切相关，从低频技术向高频技术的转变，是现代电力电子技术的发展方向。20世纪50年代末开始，电力电子技术的硅整流器件先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，而20世纪80年代末发展起来的以MOSFET和IGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，则标志着传统电力电子技术向现代电力电子技术的迈越，并不断推进着电力电子技术向高频化发展，为电源设备的高效、节能、节约材料等提供了重要的技术基础[1]。

2 高频UPS的基本原理

所谓的工频UPS与高频UPS，是按两者在设计电路原理和工作频率来区分的。工频UPS是按模拟电子电路原理设计的，是由晶闸管整流器、IGBT逆变器、逆变器输出回路升压/隔离变压器等主要元器件构成，输入及输出电路均工作在50Hz的工业频率，目前使用较多的是12脉冲整流＋11次谐波滤波器的结构，其基本电路原理图如图1。高频UPS是按数字电子电路原理设计的，主要是由IGBT整流、IGBT逆变器、电池变换器等主要元器件构成，IGBT整流器的开关频率一般在几千赫兹到几十千赫兹，其输入及输出电路均工作在远远高于工频50Hz的频率，其基本电路原理图如图1。从结构上看，两者的区别主要在于，高频UPS的输入电路采用IGBT代替了工频UPS的晶闸管整流器，输出电路取消了输出升压/隔离变压器，因此，目前业界也主要是以输入电路是否采用IGBT整流及输出电路是否配置隔离变压器来区分工频机型与高频机型。

图1

3 高频UPS在数据中心的应用

作为数据中心工程设计工程师，在很多数据中心建设初期，经常会碰到建设单位关于UPS选型的问题，例如采用什么类型的UPS设备好，工频与高频各有什么特点，目前高频UPS设备在数据中心中用得多，采用高频UPS设备会不会降低供电可靠性，采用高频UPS有什么好处等。在近年数据中心领域中，UPS使用现状基本上是处于一个工频和高频UPS共存的情况。相对工频机，高频机在IGBT稳定性、大功率容量等方面尚存在一定的技术缺陷，但由于高频UPS在效率高、体积小、重量轻等方面具有明显的优势，高频UPS在数据中心领域的应用越来越广泛，呈现一种高频UPS逐渐替代工频UPS的现象[2]。

3.1 高频UPS电源技术

高频UPS电源又称高频机。其主要组成部件有IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器及旁路等。IGBT可以通过控制加在其门极的驱动，来对于IGBT的开关动作进行操控。对于IGBT整流器开关来说，其频率在数K至数十kHz之间，有的还能达到数百kHz。正是由于这个频率较高的特性，因此才被称之为高频UPS电源或高频机。高频UPS具备输入功率因数高、自身功耗小、对外干扰小、体积小、重量轻、全数字技术、价格低等优点。尤其低功耗、体积小这两点特别重要，通信电源的低功耗对于降低PUE这一数据中心的重要指标起到了决定作用，另一方面，面对如今高昂的地价，体积小这一优点可以节约出宝贵的空间。

3.2 降低空间及承重要求

作为一种新型UPS设备，高频UPS在数据中心迅速发展应用的另一重要因素是其体积小、重量轻的物理特性。以某品牌的高频400kVAUPS和工频400kVAUPS的尺寸、重量，实际设计对比如图2。

图2

从图2中可看出，同样容量规格的情况下，同样一套800kVAUPS系统，采用高频UPS设备，所需的电力室面积可节省约20%，有效减少珍贵的数据中心电源设备空间占地要求。在重量方面，由于高频UPS的重量仅是工频UPS的约30%，对电力室的承重要求大幅度降低，特别在当前大量旧厂房改造为数据中心项目中，这一特性可大量减少楼板加固工作量，大大缩减建设周期及加固费用。

3.3 高压直流技术

随着数据业务爆发式增长，UPS的使用量大大增加，造成了机房面积占用较大、投资较高等问题。而高压直流供电技术可以有效地解决这个问题。它是high-voltagedirectcurrent技术的简称，即高压直流供电技术。目前我国比较主流的有240V以及336V两个等级的高压直流。它能够有效地发挥出直流电比交流电震荡小的优势，并显著地提高供电效率，减少通信电源设备自身的能源消耗，代表着未来供电技术的发展趋势之一。

3.4 市电直供技术

顾名思义，此技术使用AC220V市电直接给通信、数据等设备供电，一般作为主用回路，而备用回路一般采用高压直流或UPS等具备不间断能力的电源。市电直供可以说除了线缆、配电设备以外没有任何消耗电能的环节，是最为节能、直接的通信电源形式，但是此技术需要保证市电供电质量，通过需要通信、数据设备自身电源适配满足此要求[3]。