科华数据股份有限公司 汤贤椿

在现有的模块化数据中心里，高压直流的供电方案相比采用UPS供电的方案存在明显优势。其系统的效率更高、更好维护、可靠性更高。但与其配套的设备也需采用直流的服务器，或者采用交、直流共用的服务器。在模块化的数据中心里，同时也需要监控设备及空调，这些设备包括采集器、电池巡检仪、刻录机、消防设备、空调制冷设备等，这些设备的电源大部分是交流供电，这就需在系统里配套逆变器。当市电异常时，逆变器通过逆变输出交流电给这些设备提供电源，本文主要介绍了该逆变器的相关设计。

逆变器是高压直流微模块数据中心的一个重要配套设备，其提供监控系统、消防系统、空调制冷系统的相关电源。本文通过其在系统的应用，分析了该产品的功率如何选择，内部电路的设计，保证了系统的绝缘检测能够正常可靠运行。

1 一种HVDC微模块数据中心的原理

为保证服务器的可靠运行，现有服务器正常具备两路电源供电，当一路电源异常时另外一路电源能够正常的提供电源给服务器。在一种HVDC模块化数据中心里，服务器的两路电源一路为交流电源、另外一路为直流电源，在电网正常的情况下交流、直流各带50%负载（图1）[1]。

图1 HVDC模块化数据中心系统原理图

当市电1电源异常的时候，市电2通过HVDC变换之后，提供全部的能量给服务器；当市电2电源异常时，市电1除了直接提供交流给服务器，另外通过HVDC变换之后给服务器提供能量；当两路市电都异常的时候，因电池与母线相连，由电池直接提供电源给服务器能量。逆变器做为监控设备及空调风机的电源，其直流输入与HVDC的直流输出相连，交流输入与市电1路相连。因监控设备及空调风机在系统中起着重要的作用，所以其所连接的逆变器主工作模式为直流逆变主供，市电旁路输入作为备用供电方式。

2 逆变器容量的选择

模块化数据中心的监控设备主要包括监控一体机、电池巡检仪、极早期、交换机、监控服务器、硬盘刻录机。这些设备负责信号的采集处理，对数据中心24小时的实时监测，为数据中心的可靠运行提供了保障。当市电异常时，这些设备也需要正常工作，其电源的来源为逆变器将直流电源转化为交流电源。其中监控一体机的功耗为45W，电池巡检仪功耗为20W、极早期功耗为30W，交换机功耗为120W，监控服务器功耗为150W，硬盘刻录机功耗为35W，漏水传感器功耗为10W，这些监控设备的总功耗为410W。

在市电异常时，逆变器同时也需要带空调的风机，确保在市电异常时微模块内部不会出现快速的热量累积。在某一数据中心里，空调采用的是三相EC风机，其中内风机数量为3个，外风机的数量也为3个，其最大的功率为18.6kW。监控设备与空调风机的总负载为19.01kW，逆变器的余量系数取0.8，逆变器的额定功率选择30kVA/24kW[2]。

3 逆变器的设计

对于高压直流系统，按照标准《YD/T 2378-2011通信用240V直流供电系统》的要求，该系统需采用悬浮方式供电。输出的正、负极均不得接地，并且具备绝缘检测功能。因逆变器输出的负载，其火线、零线存在对地的安规电容，甚至有些零线是与电网的零线连接在一起，其会直接影响到系统正、负极对地的绝缘电阻检测。因此逆变器电池输入与交流输出需要隔离。

以下从适用性、稳定性、安全性、可靠性方面对全隔离逆变器与非隔离逆变器的应用进行对比。

3.1 适用性

全隔离逆变器：可以满足采用带零线和不带零线的设备负责，设备可选的类型多，产品适用范围广；非隔离逆变器：负载只能采用不带零线的设备，可选的设备类型少，适用范围比较窄。

3.2 稳定性

全隔离逆变器：因采用高频变压器隔离，逆变器输出负载的一些干扰信号无法传输到输入侧，保证了直流母线电源的纯净，对系统干扰小，进而保证系统的稳定性；非隔离逆变器：逆变器输出负载的一些干扰信号会影响到逆变器的输入，最终造成母线会有相应的干扰信号，直流母线电源不纯净，对系统干扰大，影响系统的稳定性。

3.3 安全性

全隔离逆变器：不会影响到高压直流系统的母线绝缘检测，当人员单点触碰到母线时，保证不会造成电击危险，系统的安全性高；非隔离逆变器：因系统未隔离，逆变器会影响到母线绝缘检测，当人员单点触碰到母线时有可能会造成电击危险，系统的危险系数较高。

3.4 可靠性

全隔离逆变器：当负载设备电源对地或者其他异常时不会影响到母线，系统能够正常工作，保证了系统的可靠性；非隔离逆变器：当负载设备电源对地或者其他异常时会影响到母线，可能会造成故障的进一步扩大，影响到系统的可靠性。

从上面的对比分析，在采用HVDC的数据中心里，其逆变器必须采用隔离的方式。逆变器的隔离可以采用直流升压DC/DC隔离，或者采用DC/AC隔离，以达到输入与输出的隔离。后级的DC/AC隔离如果采用工频变压器隔离，其不利于产品的小型化，在数据中心里其占用的空间大。如果采用高频的DC/AC隔离并且输出是三相的，其控制技术比较复杂，不利于产品化。因此我们选择了输入DC/DC的隔离方式。

3.5 电池输入隔离的设计

当逆变器有带空调风机的时候，其功率要求比较大，以往逆变器大部分是采用推挽的隔离电路，但是变压器的利用率不高[3]、系统的效率也不高，其更适合3kW以下的逆变器。当功率超过3kW，直流升压隔离拓扑需采用其他拓扑。以下介绍了如何采用移相全桥和LLC谐振电路的隔离拓扑来实现直流的隔离，并对比了各种方案的优缺点。

方案一：采用移相全桥的方案，变压器采用4个，每个变压器的设计功率为6kW，输出电压采用串联方式；方案二：采用移相全桥的方案，变压器采用8个，输入及输出都采用串联的方式。

图2 采用移相全桥的方案

图3 采用移相全桥的方案

方案一/方案二的主要差别如下。方案一：变压器数量为4个，每个变压器功率为6kW，单个变压器的功率大。采用单输入电压。开关管的耐压等级为600V，可选的MOS管型号比较少。后级整流总共4路，损耗比较集中；方案二：数量为8个，每个变压器的功率为3kW，单个变压器的功率小、体积也小。采用单输入电压，然后通过电解串联，输入实际分为双输入电压。开关管的耐压等级为300V，可选的型号比较多。后级整流总共8路，损耗比较分散，有利于整机的散热。

方案三：采用LLC谐振的隔离方案。

图4 采用LLC谐振的隔离方案

方案二/方案三对比选择：方案二移相全桥，8个变压器/方案三LLC谐振；效率：输出二极管存在硬关断，其关断损耗大，效率比较低/比较高；开发的难点。输出二极管的反峰处理。因输出二极管存在关断损耗，整机的效率低，整机的温升相对比较高，系统的散热存在难点/输入电压低，初级的电流大，其谐振电容既要满足容量又要满足导通电流的要求，其器件选型方面比较不好选择。由于采用输入、输出都并联的方式，需要增加均流线路。软件环路的调节及仿真的工作量大。对于负载及输入电压的大动态，工作频率有可能进入控制三区，控制比较复杂。

硬件设计难度。参数比较好计算，相对比较简单/参数不好计算，器件选型比较复杂；软件设计难度。移相全桥的软件控制相对比较简单，其不存在变频的过程，整个环路控制比较简单/软件的环路参数需要详细的调节，调试的难度比较大。

对比以上三个方案，采用移相全桥的电路更加的可靠，虽然其效率会比较低一些，但是可靠性得到了提高。相比两个移相全桥拓扑，8个变压器的拓扑，在整机的体积和散热方面更加有优势。整机的高度可以可以控制在3U以内，并且系统的散热会更好。因此我们选择方案二。

3.6 输出DC/AC的设计

逆变器的输出DC/AC设计，其与普通UPS的DC/AC设计没有太大的差别。可以采用市场上比较成熟的T型三电平电路，其效率比较高，控制也比较成熟，此文就不进行详细的介绍。

3.7 市电旁路输入的设计

现有的数据中心其后面的电子设备有交流的设备，其配电系统要采用TN-S系统。电源端有一点直接接地，电气装置的外露可导电部分通过保护导体连接到此接地点，系统的中性导体和保护导体是分开的。零线在配电的远端与地线是相短接的。但当微模块在进行系统维护的时候，市电需要掉电，其市电的零线也可能会存在断开的情况，其与远端的地没有连接，这就造成逆变器的输出零线的零地电压上升，其输出是出于悬浮的状态。此时如果有维护人员对逆变器的市电输入进行维护操作，当触碰到市电输入时，则会存在电击的危险。

为了避免此种情况发生，逆变器的市电旁路输入需要增加反防灌保护装置。当市电异常时，通过监测线路监测市电情况，然后控制反防灌保护装置，完全断开逆变器市电输入的火线和零线，确保直流逆变时，人员操作市电输入的安全性。

4 结语

本文通过对逆变器在HVDC微模块数据中心应用的负载特性、系统配电架构分析，得出以下结论：逆变器的直流输入与输出必须采用变压器进行隔离，才能够保证系统的绝缘检测能够正常的工作；在采用TN-S的配电架构数据中心里，当逆变器的市电旁路输入零线断开的情况下，逆变器的市电输入需要增加相应的防反灌装置，保证维护的人员的安全。