陈冀生1张广明2
　　
　　(1.先控捷联电源设备有限公司,石家庄050035)
　　
　　(2.中国电源学会专家委员会,天津300111)
　　
　　摘要:在数据中心中,供电系统是基础设施最重要的子系统之一,文中将针对现代数据中心供电系统规划设计要求、数据中心供电系统存在的问题和设计理念的变化、数据中心供电系统方案的选择、对UPS设备性能指标的重新认识、系统模块化与模块化UPS、高频机型UPS将成为现代数据中心UPS设备的首选机型、直流输出DC-UPS系统的研究和应用前景、数据中心备用能源的配置、数据中心供电系统的节能设计、供配电系统设备的布局设计与安装等问题,分专题进行系统的介绍和讨论。
　　
　5.2无输出变压器UPS的电路形式
　　
　　无输出变压器UPS视设计功率的大小,所用的具体电路形式也不尽相同,这里仅就大功率UPS的主电路结构形式(见图5.6)来讨论它是如何完成三相四线输出和系统升压功能的。

　　
　　图5.6主要表示了与是否需要变压器这一论题有关的电路框图,输入部分是IGBT-PFC整流电路,后面部分是三相半桥逆变电路,中间是电池配置示意图。这里电池组用了两组384V电池组(浮充工作电压400V左右),串联后直接跨接在直流母线上。下面主要叙述IGBT-PFC整流电路和三相半桥逆变电路的工作状态。
　　
　　(1)无输出变压器UPS是如何向负载提供三相四线制电压的
　　
　　图5.6中,输出半桥逆变电路由三组IGBT桥臂组成,每组与公用电容C(电池E)电路组成单相半桥逆变器。三个半桥电路可独立输出功率,由他们形成的三个50Hz单相正弦波电压彼此相差120°,所以用一个半桥电路的工作过程,就可了解三相电路的工作状态。

　　
　　如图5.7所示。在分析其工作过程时,先按输出电压正半周和负半周把它分解为两个降压型开关电路(Buck)。在输出电压的正半周时,降压开关电路由开关管VT1、续流二极管VD2和电感L组成。VT1导通时电容C1上的正电压(400V)通过电感L向负载输出功率,电感L中的电流线性上升;当VT1由导通转为截止后,由于电感L的续流作用,感应电压使VD2导通,续流电流流经电容C2,其电
　　
　　流方向实际上是给电容C2充电。在输出电压的负半周时,降压开关电路由开关管VT2、续流二极管VD1和电感L组成。VT2导通时,电容C2上的负电压(-400V)通过电感L形成输出电压的负半周,电感L中电流线性上升,VT2由导通转为截止后,由于电感的续流作用使二极管VD1导通,其电流方向实际上是给电容C1充电。在电路中,输出电容C是容量不大的交流滤波电容器,设置它的主要目的是与电感L一起滤除逆变器高频(例如15kHz左右)开关脉动电压和干扰成分,当开关管的控制波形按正弦规律变化(SPWM)时,输出电压肯定是平滑的正弦波。
　　
　　由以上工作过程分析可知,三个半桥电路可分别输出三个稳定的正弦波电压,控制电路使三个稳定的正弦波电压相位差为120°,于是就形成了三相四线制输出,公共零线则是由直流母线的电容中点引出,而无需再配置输出隔离变压器。
　　
　　(2)PFC技术可同时完成输入功率因数校正和升压功能
　　
　　采用高频整流技术(IGBT-PFC)同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能,是无输出变压器UPS电路技术的另一重要的标志性的特点。

　　
　　图5.8是单相升压式(Boost)电路原理。与一般AC/DC整流变换所不同的是,在桥式整流与大容量直流电容C2之间加入了PFC电路环节,该环节由电感L、开关管VT和二极管VD以及相应的控制电路组成,控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值、输出直流电压幅值3种反馈信号,并以PWM方式控制开关管的导通和截止,其工作过程如下:
　　
　　功率开关管VT导通时,二极管VD因反向偏置而截止,输入电压通过开关管VT向电感L充磁,电感电流(即此时的输入电流)IL的变化规律直接取决于电感L值和此时的输入电压瞬时值,其增加值则同时与L值、此时刻输入电压的瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时,由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上,使二极管VD正向导通,电感L将储存的磁能转化为电能向电容C2充电并向负载输出,输入电流IL下降,IL下降速率与电感L值、此时刻输入电压瞬时值,以及负载(即直流电压U2)大小有关,其减小值除了取决于以上因素外,还与开关管VT的截止时间有关。显然,当输入电压U1以正弦规律变化时,控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制,当工作频率足够高(例如15～20kHz)时,输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。

　　
　　对于三相输入的大功率传统双变换式UPS,其输入电路是三相整流形成统一的直流母线(同时配备一组蓄电池),输入功率因数校正和升压原理与单相相似,如图5.9所示。每个桥路由上下两只开关管及与其反并联的二极管组成,每相电流可通过该相桥臂上的这两只开关管控制。如A相电压为正时,VT4导通使电感La上电流ia增大,电感La充电储能;VT4关断时,电感La感应电压叠加在输入电压UA上(升压),使与VT1并联的二极管VD1导通,电流ia通过VD1流向负载,在电感能量释放过程中电流ia逐渐减小。同样A相电压为负时,可通过VT1和VT4反并联的二极管VD4对电流ia进行控制。
　　
　　六开关三相PFC原理电路的输入电压是380V,峰值是537V,所以此电路升压后的输出直流电压可升至800V(±400V),此值正是UPS输出三相半桥电路所需要的直流母线电压。
　　
　　5.3无变压器UPS的性能优势
　　
　　这里的讨论仅限于是否带输出变压器这两种电路结构的不同而带来的设备性能的差异,不包括与产品研制定型和生产水平有关的因素而造成的性能差别。
　　
　　(1)高输入功率因数,低输入电流失真度
　　
　　为了完成系统升压功能,PFC整流环节成为“高频机”的重要组成部分和必要条件,同时它又把UPS输入功率因数提高到理想的数值:0.99,把输入电流总谐波失真度THDI降低到5%以下,所以说输入功率因数高、电流失真度低是“高频机”最显著的优点之一。这不仅消除了UPS对电网的谐波污染,还可明显地降低前端设备和线缆的容量。表5.1为两种结构UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求。

　　
　　表5.1是输出满负载时的数据,当实际应用中负载减轻时,12脉冲(+11次无源滤波)的输入功率因数还会明显地减小,输入电流谐波成分明显增大。
　　
　　(2)工作效率高
　　
　　无输出变压器UPS的整机效率之所以比带变压器UPS的效率高,主要来自两个方面,一是去掉了变压器的损耗,大功率变压器的损耗通常在1.5%左右;二是系统直流母线电压的提高减少电路工作损耗0.5%左右,如果排除电路设计和生产水平差异因素,电路结构的变化可使整机工作效率提高2.5%左右。表5.2是一组典型的测试数据。

　　
　　表5.2数据仅仅考虑了设备本身效率的提高,如果把因输入功率因数的提高,而使输入设备(滤波器、开关、线缆等)容量和损耗的降低,以及12脉冲整流时的输入变压器的损耗计算在内的话,那么无变压器UPS对整个系统效率的贡献可以超过4%。
　　
　（未完待续）

【红尘有你】