一種數(shù)據(jù)中心逆變器的研究

科華數(shù)據(jù)股份有限公司 湯賢椿

在現(xiàn)有的模塊化數(shù)據(jù)中心里，高壓直流的供電方案相比采用UPS供電的方案存在明顯優(yōu)勢(shì)。其系統(tǒng)的效率更高、更好維護(hù)、可靠性更高。但與其配套的設(shè)備也需采用直流的服務(wù)器，或者采用交、直流共用的服務(wù)器。在模塊化的數(shù)據(jù)中心里，同時(shí)也需要監(jiān)控設(shè)備及空調(diào)，這些設(shè)備包括采集器、電池巡檢儀、刻錄機(jī)、消防設(shè)備、空調(diào)制冷設(shè)備等，這些設(shè)備的電源大部分是交流供電，這就需在系統(tǒng)里配套逆變器。當(dāng)市電異常時(shí)，逆變器通過(guò)逆變輸出交流電給這些設(shè)備提供電源，本文主要介紹了該逆變器的相關(guān)設(shè)計(jì)。

逆變器是高壓直流微模塊數(shù)據(jù)中心的一個(gè)重要配套設(shè)備，其提供監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)的相關(guān)電源。本文通過(guò)其在系統(tǒng)的應(yīng)用，分析了該產(chǎn)品的功率如何選擇，內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)能夠正?？煽窟\(yùn)行。

1 一種HVDC微模塊數(shù)據(jù)中心的原理

為保證服務(wù)器的可靠運(yùn)行，現(xiàn)有服務(wù)器正常具備兩路電源供電，當(dāng)一路電源異常時(shí)另外一路電源能夠正常的提供電源給服務(wù)器。在一種HVDC模塊化數(shù)據(jù)中心里，服務(wù)器的兩路電源一路為交流電源、另外一路為直流電源，在電網(wǎng)正常的情況下交流、直流各帶50%負(fù)載（圖1）[1]。

圖1 HVDC模塊化數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)原理圖

當(dāng)市電1電源異常的時(shí)候，市電2通過(guò)HVDC變換之后，提供全部的能量給服務(wù)器；當(dāng)市電2電源異常時(shí)，市電1除了直接提供交流給服務(wù)器，另外通過(guò)HVDC變換之后給服務(wù)器提供能量；當(dāng)兩路市電都異常的時(shí)候，因電池與母線相連，由電池直接提供電源給服務(wù)器能量。逆變器做為監(jiān)控設(shè)備及空調(diào)風(fēng)機(jī)的電源，其直流輸入與HVDC的直流輸出相連，交流輸入與市電1路相連。因監(jiān)控設(shè)備及空調(diào)風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)中起著重要的作用，所以其所連接的逆變器主工作模式為直流逆變主供，市電旁路輸入作為備用供電方式。

2 逆變器容量的選擇

模塊化數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控設(shè)備主要包括監(jiān)控一體機(jī)、電池巡檢儀、極早期、交換機(jī)、監(jiān)控服務(wù)器、硬盤(pán)刻錄機(jī)。這些設(shè)備負(fù)責(zé)信號(hào)的采集處理，對(duì)數(shù)據(jù)中心24小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為數(shù)據(jù)中心的可靠運(yùn)行提供了保障。當(dāng)市電異常時(shí)，這些設(shè)備也需要正常工作，其電源的來(lái)源為逆變器將直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源。其中監(jiān)控一體機(jī)的功耗為45W，電池巡檢儀功耗為20W、極早期功耗為30W，交換機(jī)功耗為120W，監(jiān)控服務(wù)器功耗為150W，硬盤(pán)刻錄機(jī)功耗為35W，漏水傳感器功耗為10W，這些監(jiān)控設(shè)備的總功耗為410W。

在市電異常時(shí)，逆變器同時(shí)也需要帶空調(diào)的風(fēng)機(jī)，確保在市電異常時(shí)微模塊內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)快速的熱量累積。在某一數(shù)據(jù)中心里，空調(diào)采用的是三相EC風(fēng)機(jī)，其中內(nèi)風(fēng)機(jī)數(shù)量為3個(gè)，外風(fēng)機(jī)的數(shù)量也為3個(gè)，其最大的功率為18.6kW。監(jiān)控設(shè)備與空調(diào)風(fēng)機(jī)的總負(fù)載為19.01kW，逆變器的余量系數(shù)取0.8，逆變器的額定功率選擇30kVA/24kW[2]。

3 逆變器的設(shè)計(jì)

對(duì)于高壓直流系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)《YD/T 2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng)》的要求，該系統(tǒng)需采用懸浮方式供電。輸出的正、負(fù)極均不得接地，并且具備絕緣檢測(cè)功能。因逆變器輸出的負(fù)載，其火線、零線存在對(duì)地的安規(guī)電容，甚至有些零線是與電網(wǎng)的零線連接在一起，其會(huì)直接影響到系統(tǒng)正、負(fù)極對(duì)地的絕緣電阻檢測(cè)。因此逆變器電池輸入與交流輸出需要隔離。

以下從適用性、穩(wěn)定性、安全性、可靠性方面對(duì)全隔離逆變器與非隔離逆變器的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比。

3.1 適用性

全隔離逆變器：可以滿足采用帶零線和不帶零線的設(shè)備負(fù)責(zé)，設(shè)備可選的類型多，產(chǎn)品適用范圍廣；非隔離逆變器：負(fù)載只能采用不帶零線的設(shè)備，可選的設(shè)備類型少，適用范圍比較窄。

3.2 穩(wěn)定性

全隔離逆變器：因采用高頻變壓器隔離，逆變器輸出負(fù)載的一些干擾信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)捷斎雮?cè)，保證了直流母線電源的純凈，對(duì)系統(tǒng)干擾小，進(jìn)而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；非隔離逆變器：逆變器輸出負(fù)載的一些干擾信號(hào)會(huì)影響到逆變器的輸入，最終造成母線會(huì)有相應(yīng)的干擾信號(hào)，直流母線電源不純凈，對(duì)系統(tǒng)干擾大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 安全性

全隔離逆變器：不會(huì)影響到高壓直流系統(tǒng)的母線絕緣檢測(cè)，當(dāng)人員單點(diǎn)觸碰到母線時(shí)，保證不會(huì)造成電擊危險(xiǎn)，系統(tǒng)的安全性高；非隔離逆變器：因系統(tǒng)未隔離，逆變器會(huì)影響到母線絕緣檢測(cè)，當(dāng)人員單點(diǎn)觸碰到母線時(shí)有可能會(huì)造成電擊危險(xiǎn)，系統(tǒng)的危險(xiǎn)系數(shù)較高。

3.4 可靠性

全隔離逆變器：當(dāng)負(fù)載設(shè)備電源對(duì)地或者其他異常時(shí)不會(huì)影響到母線，系統(tǒng)能夠正常工作，保證了系統(tǒng)的可靠性；非隔離逆變器：當(dāng)負(fù)載設(shè)備電源對(duì)地或者其他異常時(shí)會(huì)影響到母線，可能會(huì)造成故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，影響到系統(tǒng)的可靠性。

從上面的對(duì)比分析，在采用HVDC的數(shù)據(jù)中心里，其逆變器必須采用隔離的方式。逆變器的隔離可以采用直流升壓DC/DC隔離，或者采用DC/AC隔離，以達(dá)到輸入與輸出的隔離。后級(jí)的DC/AC隔離如果采用工頻變壓器隔離，其不利于產(chǎn)品的小型化，在數(shù)據(jù)中心里其占用的空間大。如果采用高頻的DC/AC隔離并且輸出是三相的，其控制技術(shù)比較復(fù)雜，不利于產(chǎn)品化。因此我們選擇了輸入DC/DC的隔離方式。

3.5 電池輸入隔離的設(shè)計(jì)

當(dāng)逆變器有帶空調(diào)風(fēng)機(jī)的時(shí)候，其功率要求比較大，以往逆變器大部分是采用推挽的隔離電路，但是變壓器的利用率不高[3]、系統(tǒng)的效率也不高，其更適合3kW以下的逆變器。當(dāng)功率超過(guò)3kW，直流升壓隔離拓?fù)湫璨捎闷渌負(fù)?。以下介紹了如何采用移相全橋和LLC諧振電路的隔離拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)直流的隔離，并對(duì)比了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

方案一：采用移相全橋的方案，變壓器采用4個(gè)，每個(gè)變壓器的設(shè)計(jì)功率為6kW，輸出電壓采用串聯(lián)方式；方案二：采用移相全橋的方案，變壓器采用8個(gè)，輸入及輸出都采用串聯(lián)的方式。

圖2 采用移相全橋的方案

圖3 采用移相全橋的方案

方案一/方案二的主要差別如下。方案一：變壓器數(shù)量為4個(gè)，每個(gè)變壓器功率為6kW，單個(gè)變壓器的功率大。采用單輸入電壓。開(kāi)關(guān)管的耐壓等級(jí)為600V，可選的MOS管型號(hào)比較少。后級(jí)整流總共4路，損耗比較集中；方案二：數(shù)量為8個(gè)，每個(gè)變壓器的功率為3kW，單個(gè)變壓器的功率小、體積也小。采用單輸入電壓，然后通過(guò)電解串聯(lián)，輸入實(shí)際分為雙輸入電壓。開(kāi)關(guān)管的耐壓等級(jí)為300V，可選的型號(hào)比較多。后級(jí)整流總共8路，損耗比較分散，有利于整機(jī)的散熱。

方案三：采用LLC諧振的隔離方案。

圖4 采用LLC諧振的隔離方案

方案二/方案三對(duì)比選擇：方案二移相全橋，8個(gè)變壓器/方案三LLC諧振；效率：輸出二極管存在硬關(guān)斷，其關(guān)斷損耗大，效率比較低/比較高；開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。輸出二極管的反峰處理。因輸出二極管存在關(guān)斷損耗，整機(jī)的效率低，整機(jī)的溫升相對(duì)比較高，系統(tǒng)的散熱存在難點(diǎn)/輸入電壓低，初級(jí)的電流大，其諧振電容既要滿足容量又要滿足導(dǎo)通電流的要求，其器件選型方面比較不好選擇。由于采用輸入、輸出都并聯(lián)的方式，需要增加均流線路。軟件環(huán)路的調(diào)節(jié)及仿真的工作量大。對(duì)于負(fù)載及輸入電壓的大動(dòng)態(tài)，工作頻率有可能進(jìn)入控制三區(qū)，控制比較復(fù)雜。

硬件設(shè)計(jì)難度。參數(shù)比較好計(jì)算，相對(duì)比較簡(jiǎn)單/參數(shù)不好計(jì)算，器件選型比較復(fù)雜；軟件設(shè)計(jì)難度。移相全橋的軟件控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其不存在變頻的過(guò)程，整個(gè)環(huán)路控制比較簡(jiǎn)單/軟件的環(huán)路參數(shù)需要詳細(xì)的調(diào)節(jié)，調(diào)試的難度比較大。

對(duì)比以上三個(gè)方案，采用移相全橋的電路更加的可靠，雖然其效率會(huì)比較低一些，但是可靠性得到了提高。相比兩個(gè)移相全橋拓?fù)洌?個(gè)變壓器的拓?fù)?，在整機(jī)的體積和散熱方面更加有優(yōu)勢(shì)。整機(jī)的高度可以可以控制在3U以內(nèi)，并且系統(tǒng)的散熱會(huì)更好。因此我們選擇方案二。

3.6 輸出DC/AC的設(shè)計(jì)

逆變器的輸出DC/AC設(shè)計(jì)，其與普通UPS的DC/AC設(shè)計(jì)沒(méi)有太大的差別。可以采用市場(chǎng)上比較成熟的T型三電平電路，其效率比較高，控制也比較成熟，此文就不進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

3.7 市電旁路輸入的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心其后面的電子設(shè)備有交流的設(shè)備，其配電系統(tǒng)要采用TN-S系統(tǒng)。電源端有一點(diǎn)直接接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過(guò)保護(hù)導(dǎo)體連接到此接地點(diǎn)，系統(tǒng)的中性導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體是分開(kāi)的。零線在配電的遠(yuǎn)端與地線是相短接的。但當(dāng)微模塊在進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)候，市電需要掉電，其市電的零線也可能會(huì)存在斷開(kāi)的情況，其與遠(yuǎn)端的地沒(méi)有連接，這就造成逆變器的輸出零線的零地電壓上升，其輸出是出于懸浮的狀態(tài)。此時(shí)如果有維護(hù)人員對(duì)逆變器的市電輸入進(jìn)行維護(hù)操作，當(dāng)觸碰到市電輸入時(shí)，則會(huì)存在電擊的危險(xiǎn)。

為了避免此種情況發(fā)生，逆變器的市電旁路輸入需要增加反防灌保護(hù)裝置。當(dāng)市電異常時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)線路監(jiān)測(cè)市電情況，然后控制反防灌保護(hù)裝置，完全斷開(kāi)逆變器市電輸入的火線和零線，確保直流逆變時(shí)，人員操作市電輸入的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)逆變器在HVDC微模塊數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的負(fù)載特性、系統(tǒng)配電架構(gòu)分析，得出以下結(jié)論：逆變器的直流輸入與輸出必須采用變壓器進(jìn)行隔離，才能夠保證系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)能夠正常的工作；在采用TN-S的配電架構(gòu)數(shù)據(jù)中心里，當(dāng)逆變器的市電旁路輸入零線斷開(kāi)的情況下，逆變器的市電輸入需要增加相應(yīng)的防反灌裝置，保證維護(hù)的人員的安全。