數據機房UPS配置及TVS & MOV瞬態(tài)浪涌防護設計

郭德盛

上海信盛電訊設備網絡有限公司，上海 200086

摘要：對UPS的電氣構成及容量選擇給出了設計建議，采用以ATS切換UPS市電輸入、UPS與市電STS切換配置的工程為例進行剖析，列舉了7種電涌瞬態(tài)過電壓損壞形式，給出SPD特性與工程設計實例，對UPS防雷采用MOV浪涌保護器及計算機精密設備采用TVS。

關鍵詞：不間斷電源系統(tǒng); 靜態(tài)開關; 金屬氧化物可變電阻; 瞬變電壓抑制二極管

一般中小型數據機房電源要求按一類負荷配電，其設計要求應符合A級或B級機房要求，應采用在線UPS為數據機房提供穩(wěn)定的高可靠性輸出配電。UPS的原理、設計取值、輸入與輸出配置及瞬態(tài)浪涌抑制是數據機房的設計核心問題。

1UPS的構成及容量選擇

1.1　基本功能

不間斷電源系統(tǒng)(Uninterruptible System Po-wer， UPS)，安裝在電源輸入配電柜和負載配電柜之間，它可以保障計算機系統(tǒng)在停電之后繼續(xù)工作一段時間，使用戶能夠緊急存盤，用戶不會因停電而影響工作或丟失數據。它在計算機系統(tǒng)和網絡應用中，主要起到兩個作用： 一是應急使用，防止突然斷電而影響正常工作，給計算機造成損害；二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質量，為計算機系統(tǒng)提供高質量的電源。

1.2　電氣構成

從基本應用原理上講，UPS是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要元件、穩(wěn)壓輸出的電源保護設備，如圖1所示，主要由濾波單元、整流單元、逆變單元、靜態(tài)開關單元、蓄電池組單元、(輸出采用Δ/Z0)隔離變壓器單元等組成。

圖1　UPS電氣構成

濾波單元： 消除市電輸入UPS中的瞬態(tài)尖峰，保持電壓平穩(wěn)。

整流單元： 將交流(AC)轉化為直流(DC)的裝置，它有兩個主要功能： ① 將交流電(AC)變成直流電(DC)，經濾波后供給負載，或者供給逆變器；② 給蓄電池提供充電電壓，起到一個充電器的作用。

逆變單元： 將直流電(DC)轉化為交流電(AC)的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。

靜態(tài)開關單元： 由兩個晶閘管(SCR)反向并聯(lián)組成一種交流開關，當逆變器過載或不能正常工作時，起到將負載不間斷地切換到旁路上的作用。

蓄電池組單元： 是UPS用來作為儲存電能的裝置，它由若干個電池串聯(lián)而成，其容量的大小決定了維持放電(供電)的時間，具有2個主要功能： ① 當市電正常時，將電能轉換成化學能儲存在電池內部；② 當市電故障時，將化學能轉換成電能提供給逆變器或者負載。

隔離變壓器單元： 輸出采用Δ/Z0隔離變壓器，電壓無直流分量，能平衡由不平衡載荷對輸出的影響，有效抑制計算機類非線性負載引起的輸出電壓，其工作主要有三種狀態(tài)。

1) Q1、Q4閉合，UPS正常工作；

2) 過載或UPS故障，Q2、Q4閉合，旁路輸出；

3) Q3合上，維護旁路，便于UPS送修。

1.3　取值

電池： 一般按后備0.25~4h選取。

UPS容量： 標示值為視在功率S，它的取值為：

Sups=3∑W/cosφ (kVA)

(1)

式中： 冗余計算值一般取3；W為數據機房載荷之和；功率因素cosφ一般取0.7~0.75。

相數： 一般取3相4線制供電，容易達到載荷均衡，減少配電電纜面積。

2UPS的輸入與輸出設計

中心機房的整個動力系統(tǒng)是由連接兩個獨立變壓器輸入的二路主、備進線回路與ATS(雙路單投自動切換開關)組成，以支持機房的動力設備，如精密空調、氣體防火系統(tǒng)及UPS輸入電源。在ATS輸出端并接電涌保護器SPD(Surge Protection Device)共同組成“雙輸入供電系統(tǒng)，如圖2所示。如果電源主回路產生故障，ATS能在比較短的時間內(80~100ms)自動執(zhí)行切換到備用回路供電，同時UPS輸入電源會出現(xiàn)短暫的停電事故，在線式UPS輸出無中斷，后背式UPS設備能在4ms內對設備恢復供電，服務器不會中斷。

圖2　雙路單投(ATS)自動輸入配電

將靜態(tài)切換系統(tǒng)(Static Transfer System, STS)安裝在負載設備前端，當UPS失效宕機，利用其不間斷切換市電的功能來保證電源設備的供電，從而消除服務器癱瘓的重大供電事故隱患，如圖3所示。在制造業(yè)公司小型數據機房，解決了預算少、機房場地緊張，不可能購買雙UPS冗余的應用，受到了客戶的好評。

圖3　UPS與市電STS切換

STS將雙總線系統(tǒng)中的某一路電源作為優(yōu)選電源提供給用電設備，并實時對兩路交流電源的各項指標進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)當前供電電源出現(xiàn)異常，可以自動地將用電設備在極短的間斷時間內切換到另一路備用電源上，從而給設備提供穩(wěn)定的、不中斷的交流供電。

STS整個切換時間小于1ms，它的切換方式是先斷后合，因此兩電源在切換時的相位差甚至可以大于180°，主要應用于供電可靠性要求極高的高端不間斷供電領域。

3UPS的浪涌過電壓防護設計

浪涌過電壓有7種形式： 雷擊、太陽黑子磁暴(Sunspots)、電路操作過電壓、靜電放電(ESD)、核電磁脈沖(NEMP)、微波輻射、短路。數據機房一般位于LPZ2第二防護區(qū)，如圖4所示，SPD主要考慮防護雷擊、電路操作過電壓、靜電放電部分的浪涌。

圖4　LPZ防護區(qū)劃分

3.1　MOV防雷擊設計

采用MOV(Metal Oxide Varisitor)金屬氧化物可變電阻保護釋放由遠距離或傳導雷擊而引起的電涌雷擊，一般并接在UPS市電輸入前與UPS輸出后。LPZ3區(qū)域，用于保護使用插座的單個負載而設計的防雷器,選用精確D級防雷器，可以進一步減少雷電電磁脈沖；MOV取值見表1。

表1　MOV SPD取值表

3.1.1MOV壓敏電阻標稱值的取值

(2)

3.1.2空氣斷路器的選用

一般空氣斷路器串接在壓敏電阻器回路上，在壓敏電阻短路損壞時，斷開電路連接，它的取值一般取50A，但必須小于主回路啟動值，起到保護設備的目的。

3.2　TVS抑制操作過電壓，防護計算機設備

在UPS使用過程中，會發(fā)生STS切換(<1ms)、UPS維護旁路合閘、用戶電路帶負荷啟動、短路等操作。感性負荷切斷時，磁場瞬態(tài)崩潰，在負載電路中，產生瞬態(tài)高壓，造成計算機設備及UPS損壞。電壓表達式為：

V=-L(di/dt)

(3)

式中：L為電感，H；di/dt為電流的每秒變化率，A/s。

在120V交流電路中會產生1.4~2.5kV的瞬態(tài)峰值電壓，甚至高達6kV，可采用TVS瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor)作為第二級抑制峰值保護。

3.2.1TVS特性

TVS是一種硅PN結器件，它使危險的電壓尖峰以鉗位方式(由硅PN結的雪崩效應)被限制在電路可以允許的范圍內。它能吸收很高的瞬態(tài)電壓，利用這種器件可以避免過高的瞬態(tài)電壓對電壓敏感的器件造成損壞。該系列器件的電壓為5~400V，誤差為5%~10%。TVS能夠承受很高的浪涌電壓，響應時間非常短，內阻非常小。由于瞬態(tài)電壓是不可預測的，并且阻抗隨瞬態(tài)電壓而變化，因此沒有確定的數值。同時在器件承受很大的脈沖電流時，溫度變化可造成最高鉗位電壓Vc有50%~70%的測量誤差。但是，在低電流狀態(tài)下，最低電壓(VBR)和在最高脈沖峰值電流狀態(tài)下的最高鉗位電壓是可以確定的。TVS鉗位作用的響應時間為10-12s，因此可用來保護集成電路、MOS器件、數模混合電路以及其它對電壓敏感的半導體元器件。TVS可以串聯(lián)或并聯(lián)，以提高峰值功率。

圖5　TVS電壓電流特性曲線

TVS電壓-電流特性曲線及電路圖形符號如圖5所示，其正向特性與普通二極管相似，反向特性為典型的PN結雪崩特性。在瞬態(tài)峰值脈沖電壓作用下，流過TVS的電流由原來的最大反向漏電流ID上升到反向擊穿電流IR時，其兩極呈現(xiàn)的電壓由額定反向關斷電壓VRWM上升到擊穿電壓VBR,TVS被擊穿。隨著峰值脈沖電流的增大，流過TVS的電流達到峰值脈沖電流IPP，但兩極的電壓被鉗位到預定的最大鉗位電壓以下。其后，隨著脈沖電流按指數規(guī)律衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復到起始狀態(tài)，這就是TVS抑制浪涌脈沖電壓和保護電子元器件的過程。

3.2.2TVS的主要性能參數

(1) 額定反向關斷電壓VRWM和電流ID。VRWM是最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加于TVS的兩極間時，它處于反向關斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于最大反向漏電流ID。

(2) 最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS的最小雪崩擊穿電壓，當環(huán)境溫度為25℃時，在這個電壓之前，TVS是不導通的。當TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時，加于TVS兩極間的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把TVS分為±5%VBR和±10%VBR兩種。對于±5%VBR來說，VRWM=0.85VBR；對于±10%VBR來說，VRWM=0.81VBR。

(3) 最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPPM。當持續(xù)時間為20μs的脈沖峰值電流IPPM流過TVS時，在兩極間出現(xiàn)的最大鉗位電壓為VC，VC、IPPM反映了TVS抑制浪涌電流的能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。

(4) 最大峰值脈沖功耗PPPM。TVS對浪涌功率和浪涌電流的吸收能力取決于PN結的面積，對TVS的系列產品來說，給出的波形峰值脈沖功率(PPPM)的吸收能力可以達到數千瓦。用8/20μs波形定義。器件吸收的峰值脈沖功率是由TVS上的鉗位電壓VC和流過TVS的沖擊電流的峰值IPPM乘積來確定的，根據鉗位電壓的不同，TVS可用在5~400V左右的電路中。至于TVS的精準選擇，可參考相關書籍。

(5) 限制系數K1。它表示TVS實際承受的電壓VC與其雪崩擊穿電壓VBR之比，即K1=VC/VBR。

在使用中，TVS的擊穿電壓VBR應當比被保護電路的工作電壓高出10%以上，以防止由于UBR接近電路工作電壓而使TVS的漏電流影響了電路的工作，同時也避免了由于溫度效應所引起TVS的VBR變化。一旦瞬時過電壓出現(xiàn)后，TVS立即將尖峰電壓鉗位到安全電壓(或稱鉗位電壓)VC，而讓有害部分的能量以電流形式、不經過被保護電路、通過TVS給旁路掉。

4結束語

探討了數據機房UPS系統(tǒng)的構成、容量配置設計，創(chuàng)新地提出了單電源UPS與市電STS靜態(tài)切換開關輸出的模型，同時給出了防雷電采用MOV氧化鋅壓敏電阻器、操作過電壓用TVS的參數選用。

參考文獻

1] GB 50174—2008，電子計算機機房設計規(guī)范.

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李祥超，姜翠宏，趙學余.防雷工程設計與實踐.北京： 氣象出版社，2010.

郭德盛.特高壓屏蔽測試大廳弱電抗干擾施工原理與工藝.電子技術，2014，43(11)： 63.

UPS Configuration in Data Room and Protective Design of TVS & MOV Transient Surge

GuoDesheng

Shanghai Sunatel Telecom Co., Ltd., Shanghai 200086， China

Abstract:Gived a design proposal on UPS electrical structure and capacity options. Taken an engineering project, i.e. UPS mains input is provided by ATS switch and UPS output is provided by STS switch as the sample for analysis to enumerate 7damage patterns on transient overvoltage surge, and the measures proposed via SPD feature and engineering design cases recommends to adopt MOV surge protector for lightning protection and TVS for protection of the sophisticated computer equipment.

Key Words:UPS; Static Switch; Metal Oxide Varistor; Transient Voltage Suppression Diode

中圖分類號:TM 862

文獻標識碼：A

文章編號：1674-540X(2015)01-050-04

作者簡介：郭德盛(1960-)，男，工程師，主要從事系統(tǒng)集成設計工作，
E-mail： hansguo@sunatel.com

收稿日期：2015-01-05