高頻UPS在數據中心的應用

于茂海

維諦技術有限公司上海分公司 上海 200122

1 高頻化的發展方向

UPS的發展趨勢主要跟電力電子技術的發展方向密切相關，從低頻技術向高頻技術的轉變，是現代電力電子技術的發展方向。20世紀50年代末開始，電力電子技術的硅整流器件先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，而20世紀80年代末發展起來的以MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，則標志著傳統電力電子技術向現代電力電子技術的邁越，并不斷推進著電力電子技術向高頻化發展，為電源設備的高效、節能、節約材料等提供了重要的技術基礎[1]。

2 高頻UPS的基本原理

所謂的工頻UPS與高頻UPS，是按兩者在設計電路原理和工作頻率來區分的。工頻UPS是按模擬電子電路原理設計的，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成，輸入及輸出電路均工作在50Hz的工業頻率，目前使用較多的是12脈沖整流＋11次諧波濾波器的結構，其基本電路原理圖如圖1。高頻UPS是按數字電子電路原理設計的，主要是由IGBT整流、IGBT逆變器、電池變換器等主要元器件構成，IGBT整流器的開關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遠高于工頻50Hz的頻率，其基本電路原理圖如圖1。從結構上看，兩者的區別主要在于，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分工頻機型與高頻機型。

圖1

3 高頻UPS在數據中心的應用

作為數據中心工程設計工程師，在很多數據中心建設初期，經常會碰到建設單位關于UPS選型的問題，例如采用什么類型的UPS設備好，工頻與高頻各有什么特點，目前高頻UPS設備在數據中心中用得多，采用高頻UPS設備會不會降低供電可靠性，采用高頻UPS有什么好處等。在近年數據中心領域中，UPS使用現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，高頻機在IGBT穩定性、大功率容量等方面尚存在一定的技術缺陷，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勢，高頻UPS在數據中心領域的應用越來越廣泛，呈現一種高頻UPS逐漸替代工頻UPS的現象[2]。

3.1 高頻UPS電源技術

高頻UPS電源又稱高頻機。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動，來對于IGBT的開關動作進行操控。對于IGBT整流器開關來說，其頻率在數K至數十kHz之間，有的還能達到數百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。高頻UPS具備輸入功率因數高、自身功耗小、對外干擾小、體積小、重量輕、全數字技術、價格低等優點。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這一數據中心的重要指標起到了決定作用，另一方面，面對如今高昂的地價，體積小這一優點可以節約出寶貴的空間。

3.2 降低空間及承重要求

作為一種新型UPS設備，高頻UPS在數據中心迅速發展應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，實際設計對比如圖2。

圖2

從圖2中可看出，同樣容量規格的情況下，同樣一套800kVAUPS系統，采用高頻UPS設備，所需的電力室面積可節省約20%，有效減少珍貴的數據中心電源設備空間占地要求。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，特別在當前大量舊廠房改造為數據中心項目中，這一特性可大量減少樓板加固工作量，大大縮減建設周期及加固費用。

3.3 高壓直流技術

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

3.4 市電直供技術

顧名思義，此技術使用AC220V市電直接給通信、數據等設備供電，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、配電設備以外沒有任何消耗電能的環節，是最為節能、直接的通信電源形式，但是此技術需要保證市電供電質量，通過需要通信、數據設備自身電源適配滿足此要求[3]。

4 結語

高頻UPS的出現和應用順應了數據中心的綠色節能要求，在UPS的選型上，高頻化UPS將是今后發展的趨勢。隨著電力電子技術上的進一步研究、發展、成熟，我們相信，高頻UPS供電系統也將朝著更加安全可靠的方向不斷發展。