于茂海

維諦技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200122

1 高頻化的發(fā)展方向

UPS的發(fā)展趨勢主要跟電力電子技術(shù)的發(fā)展方向密切相關(guān)，從低頻技術(shù)向高頻技術(shù)的轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。20世紀(jì)50年代末開始，電力電子技術(shù)的硅整流器件先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，而20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的以MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，則標(biāo)志著傳統(tǒng)電力電子技術(shù)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)的邁越，并不斷推進(jìn)著電力電子技術(shù)向高頻化發(fā)展，為電源設(shè)備的高效、節(jié)能、節(jié)約材料等提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

2 高頻UPS的基本原理

所謂的工頻UPS與高頻UPS，是按兩者在設(shè)計電路原理和工作頻率來區(qū)分的。工頻UPS是按模擬電子電路原理設(shè)計的，是由晶閘管整流器、IGBT逆變器、逆變器輸出回路升壓/隔離變壓器等主要元器件構(gòu)成，輸入及輸出電路均工作在50Hz的工業(yè)頻率，目前使用較多的是12脈沖整流＋11次諧波濾波器的結(jié)構(gòu)，其基本電路原理圖如圖1。高頻UPS是按數(shù)字電子電路原理設(shè)計的，主要是由IGBT整流、IGBT逆變器、電池變換器等主要元器件構(gòu)成，IGBT整流器的開關(guān)頻率一般在幾千赫茲到幾十千赫茲，其輸入及輸出電路均工作在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻50Hz的頻率，其基本電路原理圖如圖1。從結(jié)構(gòu)上看，兩者的區(qū)別主要在于，高頻UPS的輸入電路采用IGBT代替了工頻UPS的晶閘管整流器，輸出電路取消了輸出升壓/隔離變壓器，因此，目前業(yè)界也主要是以輸入電路是否采用IGBT整流及輸出電路是否配置隔離變壓器來區(qū)分工頻機(jī)型與高頻機(jī)型。

圖1

3 高頻UPS在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

作為數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計工程師，在很多數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期，經(jīng)常會碰到建設(shè)單位關(guān)于UPS選型的問題，例如采用什么類型的UPS設(shè)備好，工頻與高頻各有什么特點，目前高頻UPS設(shè)備在數(shù)據(jù)中心中用得多，采用高頻UPS設(shè)備會不會降低供電可靠性，采用高頻UPS有什么好處等。在近年數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域中，UPS使用現(xiàn)狀基本上是處于一個工頻和高頻UPS共存的情況。相對工頻機(jī)，高頻機(jī)在IGBT穩(wěn)定性、大功率容量等方面尚存在一定的技術(shù)缺陷，但由于高頻UPS在效率高、體積小、重量輕等方面具有明顯的優(yōu)勢，高頻UPS在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，呈現(xiàn)一種高頻UPS逐漸替代工頻UPS的現(xiàn)象[2]。

3.1 高頻UPS電源技術(shù)

高頻UPS電源又稱高頻機(jī)。其主要組成部件有IGBT高頻整流器，電池變換器，逆變器及旁路等。IGBT可以通過控制加在其門極的驅(qū)動，來對于IGBT的開關(guān)動作進(jìn)行操控。對于IGBT整流器開關(guān)來說，其頻率在數(shù)K至數(shù)十kHz之間，有的還能達(dá)到數(shù)百kHz。正是由于這個頻率較高的特性，因此才被稱之為高頻UPS電源或高頻機(jī)。高頻UPS具備輸入功率因數(shù)高、自身功耗小、對外干擾小、體積小、重量輕、全數(shù)字技術(shù)、價格低等優(yōu)點。尤其低功耗、體積小這兩點特別重要，通信電源的低功耗對于降低PUE這一數(shù)據(jù)中心的重要指標(biāo)起到了決定作用，另一方面，面對如今高昂的地價，體積小這一優(yōu)點可以節(jié)約出寶貴的空間。

3.2 降低空間及承重要求

作為一種新型UPS設(shè)備，高頻UPS在數(shù)據(jù)中心迅速發(fā)展應(yīng)用的另一重要因素是其體積小、重量輕的物理特性。以某品牌的高頻400kVAUPS和工頻400kVAUPS的尺寸、重量，實際設(shè)計對比如圖2。

圖2

從圖2中可看出，同樣容量規(guī)格的情況下，同樣一套800kVAUPS系統(tǒng)，采用高頻UPS設(shè)備，所需的電力室面積可節(jié)省約20%，有效減少珍貴的數(shù)據(jù)中心電源設(shè)備空間占地要求。在重量方面，由于高頻UPS的重量僅是工頻UPS的約30%，對電力室的承重要求大幅度降低，特別在當(dāng)前大量舊廠房改造為數(shù)據(jù)中心項目中，這一特性可大量減少樓板加固工作量，大大縮減建設(shè)周期及加固費用。

3.3 高壓直流技術(shù)

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長，UPS的使用量大大增加，造成了機(jī)房面積占用較大、投資較高等問題。而高壓直流供電技術(shù)可以有效地解決這個問題。它是high-voltagedirectcurrent技術(shù)的簡稱，即高壓直流供電技術(shù)。目前我國比較主流的有240V以及336V兩個等級的高壓直流。它能夠有效地發(fā)揮出直流電比交流電震蕩小的優(yōu)勢，并顯著地提高供電效率，減少通信電源設(shè)備自身的能源消耗，代表著未來供電技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

3.4 市電直供技術(shù)

顧名思義，此技術(shù)使用AC220V市電直接給通信、數(shù)據(jù)等設(shè)備供電，一般作為主用回路，而備用回路一般采用高壓直流或UPS等具備不間斷能力的電源。市電直供可以說除了線纜、配電設(shè)備以外沒有任何消耗電能的環(huán)節(jié)，是最為節(jié)能、直接的通信電源形式，但是此技術(shù)需要保證市電供電質(zhì)量，通過需要通信、數(shù)據(jù)設(shè)備自身電源適配滿足此要求[3]。

4 結(jié)語

高頻UPS的出現(xiàn)和應(yīng)用順應(yīng)了數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能要求，在UPS的選型上，高頻化UPS將是今后發(fā)展的趨勢。隨著電力電子技術(shù)上的進(jìn)一步研究、發(fā)展、成熟，我們相信，高頻UPS供電系統(tǒng)也將朝著更加安全可靠的方向不斷發(fā)展。