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。其系統(tǒng)的效率更高、更好維護、可靠性更高。但與其配套的設備也需采用直流的服務器，或者采用交、直流共用的服務器。在模塊化的數(shù)據(jù)中心里，同時也需要監(jiān)控設備及空調(diào)，這些設備包括采集器、電池巡檢儀、刻錄機、消防設備、空調(diào)制冷設備等，這些設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。當市電異常時，逆變器通過逆變輸出交流電給這些設備提供電源，本文主要介紹了該逆變器的相關設計。

逆變器是高壓直流微模塊數(shù)據(jù)中心的一個重要配套設備，其提供監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)的相關電源。本文通過其在系統(tǒng)的應用，分析了該產(chǎn)品的功率如何選擇，內(nèi)部電路的設計，保證了系統(tǒng)的絕緣檢測能夠正常可靠運行。

1 一種HVDC微模塊數(shù)據(jù)中心的原理

為保證服務器的可靠運行，現(xiàn)有服務器正常具備兩路電源供電，當一路電源異常時另外一路電源能夠正常的提供電源給服務器。在一種HVDC模塊化數(shù)據(jù)中心里，服務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%負載（圖1）[1]。

圖1 HVDC模塊化數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)原理圖

當市電1電源異常的時候，市電2通過HVDC變換之后，提供全部的能量給服務器；當市電2電源異常時，市電1除了直接提供交流給服務器，另外通過HVDC變換之后給服務器提供能量；當兩路市電都異常的時候，因電池與母線相連，由電池直接提供電源給服務器能量。逆變器做為監(jiān)控設備及空調(diào)風機的電源，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)控設備及空調(diào)風機在系統(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)控設備主要包括監(jiān)控一體機、電池巡檢儀、極早期、交換機、監(jiān)控服務器、硬盤刻錄機。這些設備負責信號的采集處理，對數(shù)據(jù)中心24小時的實時監(jiān)測，為數(shù)據(jù)中心的可靠運行提供了保障。當市電異常時，這些設備也需要正常工作，其電源的來源為逆變器將直流電源轉化為交流電源。其中監(jiān)控一體機的功耗為45W，電池巡檢儀功耗為20W、極早期功耗為30W，交換機功耗為120W，監(jiān)控服務器功耗為150W，硬盤刻錄機功耗為35W，漏水傳感器功耗為10W，這些監(jiān)控設備的總功耗為410W。

在市電異常時，逆變器同時也需要帶空調(diào)的風機，確保在市電異常時微模塊內(nèi)部不會出現(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風機，其中內(nèi)風機數(shù)量為3個，外風機的數(shù)量也為3個，其最大的功率為18.6kW。監(jiān)控設備與空調(diào)風機的總負載為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 逆變器的設計

對于高壓直流系統(tǒng)，按照標準《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、負極均不得接地，并且具備絕緣檢測功能。因逆變器輸出的負載，其火線、零線存在對地的安規(guī)電容，甚至有些零線是與電網(wǎng)的零線連接在一起，其會直接影響到系統(tǒng)正、負極對地的絕緣電阻檢測。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、可靠性方面對全隔離逆變器與非隔離逆變器的應用進行對比。

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備負責，設備可選的類型多，產(chǎn)品適用范圍廣；非隔離逆變器：負載只能采用不帶零線的設備，可選的設備類型少，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，逆變器輸出負載的一些干擾信號無法傳輸?shù)捷斎雮龋ＷC了直流母線電源的純凈，對系統(tǒng)干擾小，進而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；非隔離逆變器：逆變器輸出負載的一些干擾信號會影響到逆變器的輸入，最終造成母線會有相應的干擾信號，直流母線電源不純凈，對系統(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：不會影響到高壓直流系統(tǒng)的母線絕緣檢測，當人員單點觸碰到母線時，保證不會造成電擊危險，系統(tǒng)的安全性高；非隔離逆變器：因系統(tǒng)未隔離，逆變器會影響到母線絕緣檢測，當人員單點觸碰到母線時有可能會造成電擊危險，系統(tǒng)的危險系數(shù)較高。

3.4 可靠性

全隔離逆變器：當負載設備電源對地或者其他異常時不會影響到母線，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：當負載設備電源對地或者其他異常時會影響到母線，可能會造成故障的進一步擴大，影響到系統(tǒng)的可靠性。

從上面的對比分析，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，以達到輸入與輸出的隔離。后級的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，其控制技術比較復雜，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 電池輸入隔離的設計

當逆變器有帶空調(diào)風機的時候，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。當功率超過3kW，直流升壓隔離拓撲需采用其他拓撲。以下介紹了如何采用移相全橋和LLC諧振電路的隔離拓撲來實現(xiàn)直流的隔離，并對比了各種方案的優(yōu)缺點。

方案一：采用移相全橋的方案，變壓器采用4個，每個變壓器的設計功率為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，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，每個變壓器功率為6kW，單個變壓器的功率大。采用單輸入電壓。開關管的耐壓等級為600V，可選的MOS管型號比較少。后級整流總共4路，損耗比較集中；方案二：數(shù)量為8個，每個變壓器的功率為3kW，單個變壓器的功率小、體積也小。采用單輸入電壓，然后通過電解串聯(lián)，輸入實際分為雙輸入電壓。開關管的耐壓等級為300V，可選的型號比較多。后級整流總共8路，損耗比較分散，有利于整機的散熱。

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/方案三對比選擇：方案二移相全橋，8個變壓器/方案三LLC諧振；效率：輸出二極管存在硬關斷，其關斷損耗大，效率比較低/比較高；開發(fā)的難點。輸出二極管的反峰處理。因輸出二極管存在關斷損耗，整機的效率低，整機的溫升相對比較高，系統(tǒng)的散熱存在難點/輸入電壓低，初級的電流大，其諧振電容既要滿足容量又要滿足導通電流的要求，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。對于負載及輸入電壓的大動態(tài)，工作頻率有可能進入控制三區(qū)，控制比較復雜。

硬件設計難度。參數(shù)比較好計算，相對比較簡單/參數(shù)不好計算，器件選型比較復雜；軟件設計難度。移相全橋的軟件控制相對比較簡單，其不存在變頻的過程，整個環(huán)路控制比較簡單/軟件的環(huán)路參數(shù)需要詳細的調(diào)節(jié)，調(diào)試的難度比較大。

對比以上三個方案，采用移相全橋的電路更加的可靠，雖然其效率會比較低一些，但是可靠性得到了提高。相比兩個移相全橋拓撲，8個變壓器的拓撲，在整機的體積和散熱方面更加有優(yōu)勢。整機的高度可以可以控制在3U以內(nèi)，并且系統(tǒng)的散熱會更好。因此我們選擇方案二。

3.6 輸出DC/AC的設計

逆變器的輸出DC/AC設計，其與普通UPS的DC/AC設計沒有太大的差別。可以采用市場上比較成熟的T型三電平電路，其效率比較高，控制也比較成熟，此文就不進行詳細的介紹。

3.7 市電旁路輸入的設計

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心其后面的電子設備有交流的設備，其配電系統(tǒng)要采用TN-S系統(tǒng)。電源端有一點直接接地，電氣裝置的外露可導電部分通過保護導體連接到此接地點，系統(tǒng)的中性導體和保護導體是分開的。零線在配電的遠端與地線是相短接的。但當微模塊在進行系統(tǒng)維護的時候，市電需要掉電，其市電的零線也可能會存在斷開的情況，其與遠端的地沒有連接，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)。此時如果有維護人員對逆變器的市電輸入進行維護操作，當觸碰到市電輸入時，則會存在電擊的危險。

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裝置。當市電異常時，通過監(jiān)測線路監(jiān)測市電情況，然后控制反防灌保護裝置，完全斷開逆變器市電輸入的火線和零線，確保直流逆變時，人員操作市電輸入的安全性。

4 結語

本文通過對逆變器在HVDC微模塊數(shù)據(jù)中心應用的負載特性、系統(tǒng)配電架構分析，得出以下結論：逆變器的直流輸入與輸出必須采用變壓器進行隔離，才能夠保證系統(tǒng)的絕緣檢測能夠正常的工作；在采用TN-S的配電架構數(shù)據(jù)中心里，當逆變器的市電旁路輸入零線斷開的情況下，逆變器的市電輸入需要增加相應的防反灌裝置，保證維護的人員的安全。