数据中心输入配电系统及整流器浅析

UPS输入功率因数低的主要原因在于输入部分的电路结构和工作方式。现代的整流充电器分降压型和升压型两种，降压型主要用于UPS电池组电压低于输入交流峰值电压一定值的情况，而升压型主要用于UPS电池组电压高于输入交流峰值电压的情况。

一、 输入配电系统

在数据中心的UPS供电系统中，输入电路一个最重要的指标就是输入功率因数。输入功率因数低会造成成下面的不利影响：

(1) 导致输入供电线路上各环节的早期老画

输入功率因数低的原因是输入谐波电流成分含量大，谐波电流经过输入电缆时，使电缆产生附加发热量，导致电缆外皮材料长期发热、变软、变脆、变酥、变碎;谐波电流经过输入断路器(开关)时，开关出点由于长期发热而导致接触不良，一个正反馈的效应是开关过早时效;谐波电流经过输入保险丝时，由于长期的附加发热而导致熔丝变软、下垂(使整个保险丝粗细变得不均与)、自然断裂而引起断电。

(2) 不能充分利用输入功率

由于输入功率中含有大量的无功分量，有功功率被吸收，无功功率在电缆中往复流动，使正常的有效电流通道变窄，由于线路的“拥挤”而使单位截面积伤的电流密度加大，功耗加大。根据欧姆定律。导线上的功耗P为

P=I2R

由上式可以看出，线路上的功耗和电流I的平方值成正比，与导线的电阻R成正比，而发热量又是功耗P和时间T的函数，即

Q=0.24Pt

这样一个长期效应造成了电力的浪费。

(3) 对供电电网产生干扰

输入电路是可控硅(闸流管)整流器时，由于可控硅的开启往往伴随着高压电和大电流，不但破坏了输入电压波形，而且还形成很强的传到干扰和辐射干扰，应系那个了同一线路上其他用电设备的正常运行。

(4) 使前置发电机的装机功率成几倍增大

输入功率因数低(一般未经补偿的值为功率用单相二极管整流器的0.6，较大功率用三相可控硅全波整流——6脉冲整流的0.8)，可导致前置发电机的装机功率至少3倍于UPS的额定功率。

二、工频整流器与高频整流器

由前面的讨论可以看出，UPS输入功率因数低的主要原因在于输入部分的电路结构和工作方式。现代的整流充电器分降压型和升压型两种，降压型主要用于UPS电池组电压低于输入交流峰值电压一定值的情况，而升压型主要用于UPS电池组电压高于输入交流峰值电压的情况。

1. 工频降压整流器

降压整流器有工频和高频之分，而工频又有稳压和不稳压之分。下面以UPS中应用最广的稳压工频电路为例进行讨论。一般采用三相整流，是因为三相整流的脉动系数和纹波系数都低。一个三相可控硅全桥整流电路中用了6只可控硅整流器，需要6个脉冲进行分别控制，也俗称其为6脉冲整流。三相全桥整流电路是按线电压工作的，在市电为额定值380V/220V时的最高整数流出电压可达到

UDC=380V×√2=537V

一般电池组额定电压为12V×32只=384V的浮充电压(约438V)已足够了。由于这种电路是按照市电的频率(所谓工频)节奏而工作的，成为工频整流器。由于可控硅的电流容量和耐压都可以做的很高，因此它在中大功率传统双变换UPS中得到了广泛的应用。又由于这种电路整流器件的开启(相位)是可控的，因此它就具有了输出稳压的功能。但这个输出稳压的功能不能作为输入市电大范围变化的根据，原因是可控硅存在着在一定条件下失控的隐患。

例如，一个电池组额定电压为384V，在正常情况下的浮充电压低于440V，如果认为及时是电线电压额定值Un上升到135%Un时也可保证整流电压低于450V，就可把这时的输入电压(135%Un)作为改UPS的优点提供给用户，就会给用户的使用埋下隐患。当然，按照相控原理，即使输入市电电压上升到150%Un，在正常情况下也可使电池浮充电压稳定在440V以下，但万一在135%Un时可控硅失控，这时可控硅整流器就变成了普通二极管整流器，此时的输出整流电压UDC就变成了

UDC=380V×1.35×√2=725V

这时就出现了两个危险情况：一种情况是，整流器后面的滤波电容是否可耐此高压，否则必炸无疑;另一种情况是，原来12V一节的电池，现在变为每节电压UB=725/32=2.6V，这就意味着电池也因此而报废!甚至还会带来其他的危险，如因电池炸裂而喷出的硫酸伤人和伤物。

另一方面，由于6脉冲整流电路的工作是脉冲式的，对市电输入电压博兴的破坏作用非常显著，使输入电流谐波成分达到30%以上，输入功率因数仅为0.8左右，为了实现“绿色”电源的目标，还必须进行功率因数校正。

采用普通二极管的整流器就不具备稳压功能，它一般用于小功率UPS电路中，充电器另外设置。

2. 高频降压整流器

在一般小功率UPS电源中，为了简化电路的复杂程度而采用了二极管整流器，但二极管整流器无稳压功能，为了滤波电容和逆变器的安全，有的采用了BUCK型高频降压整流器。

BUCK(降压)型高频降压整流器工作原理：

控制信号以高频脉冲(一般式20kHz的固定脉冲宽度)

加到开关功率管的控制极，当一个控制脉冲到来时，VT打开，电流由整流器二极管经VT流向负载和滤波电容，这是电感L储能;控制信号结束后，VT截至，电感L产生的反电势继续维持原来的电流流向将村能释放，其路径是：Lb→C、R→VD→La，使输入形成连续的电流。电感上的能量释放完或达到一定程度后，功率管又被下一个触发脉冲打开，再重复上面的过程。

这个电路的有点是简单，送到负载的电流是连续的，但输入电流仍然是脉动的。