Без трансформаторов

Самые мощные IGBT ИБП для ЦОДов

Василий Мочар,

зам. директора ITResearch

ИБП для систем бесперебойного электропитания в ЦОДах мы уже посвятили целый цикл обзоров. Но тема эта отнюдь не исчерпана, поскольку рынок развивается, и на первый план выходят новые технологии и форм-факторы. И основные дискуссии, на наш взгляд, должны вестись в направлении анализа предпочтительной архитектуры или же конфигурации систем ИБП. В диапазоне малых и средних мощностей этот вопрос так остро не стоит, но в самом тяжелом сегменте он превращается в ключевую проблему выбора.

Почему же данная тема столь критична? Дело в том, что все без исключения представленные на рынке модели инфраструктурных ИБП при необходимости могут быть использованы для построения СБЭП в ЦОДе любой требуемой сложности и надежности. Для каждой модели в случае необходимости найдется все требуемое дополнительное оборудование, а на рынке найдутся специалисты, способные сделать из всего этого «конфетку». Но при этом одна из систем будет занимать половину машинного зала, а ее обслуживание, обновление или масштабирование превратятся в нечто невообразимое. А другая система той же мощности займет малоприметный уголок, а ее сервис будет чем-то малозначительным и рутинным. То есть вопрос состоит не в принципиальной реализуемости (или не реализуемости) решения, а в его оптимальности, исходя из технологичности, общей стоимости владения, а также простоты обслуживания и масштабируемости (если она предусмотрена).

На рынке ИБП для самых серьезных ЦОДов важнейшим фактором является мощность аппаратов, что влияет на плотность энергии и на суммарную мощность реализованной системы бесперебойного питания. Если устройства маломощные, суммарно они могут занимать слишком много места, а совместная работа большого количества ИБП — задача не самая тривиальная, сопровождаемая немалыми дополнительными затратами на инсталляцию и управление системой. В связи с этим оптимально, чтобы система питания в ЦОДе содержала ограниченное число ИБП. И в случае крупных комплексов все чаще становится необходимым, чтобы каждый силовой модуль ИБП имел мощность в несколько сотен кВА.

До недавнего времени здесь доминировали трансформаторные ИБП, надежные, но уж очень огромные. И фактически только с 2011 г. началась эра IGBT-ИБП почти неограниченной мощности. Трансформаторные ИБП потеряли свое последнее преимущество (максимальной мощности), по крайней мере в ЦОДах, после чего их вытеснение стало лишь вопросом времени. И хотя сейчас такие аппараты еще производятся и продолжают устанавливаться, финал уже понятен.

Преимущества и недостатки топологий

Разработчики давно пытались уменьшить массу, размеры ИБП и его стоимость, и с появлением IGBT-транзисторов[1] это стало возможным. Новая технология сначала была опробована на однофазных ИБП, а затем перекочевала и на тяжелые трехфазные устройства. Первое поколение IGBT-устройств появилось еще в 1985 г., с 1998 г. вышло четвертое поколение, используемое и ныне. Но прогресс, безусловно, не остановился, и производители выпускают новые, все более мощные системы.

В принципе IGBT в ИБП применяются достаточно давно — они присутствуют в инверторах трансформаторных ИБП. Попытка обойтись без трансформатора сначала реализовалась в схеме: диодный/тиристорный выпрямитель — IGBT-бустер — IGBT-инвертор. Однако уже примерно 15 лет назад были разработаны ИБП на схеме IGBT-выпрямитель — IGBT-инвертор. Тогда это называлась «зеркальная» технология, но к текущему времени термин практически перестал использоваться.

Внедрение данной топологии повысило коэффициент мощности практически до единицы, что позволило добиться существенного снижения входных токов. Схема ИБП упростилась, а сами они стали намного компактнее и легче. Кроме того, теперь они способны поддерживать устойчивое выходное напряжение при более широких интервалах изменения входного напряжения и частоты, и при этом не требовать перехода на питание от батарей. Также такие ИБП вносят минимальные искажения в питающую силовую сеть и не требуют применения дополнительных дорогостоящих фильтров. Ну и последнее (но не по важности) — такие ИБП имеют более высокий КПД, что приводит к сокращению энергопотерь в несколько раз по сравнению с трансформаторными собратьями.

Есть у IGBT-технологии и определенные недостатки, но в случае необходимости полной гальванической развязки всегда есть возможность использовать опциональный трансформатор. Также считается, что у таких ИБП меньше перегрузочная способность и выше время зарядки АКБП, но здесь все условно, и проявляются они крайне редко.

Преимущества IGBT в ЦОДах

Попробуем вкратце структурировать те атрибуты выбора ИБП для ЦОДа, где между двумя топологиями есть реальные различия, и где IGBT-аппараты действительно получают преимущество.

В некоторых случаях может потребоваться полная гальваническая развязка, обеспечиваемая трансформатором. Тогда можно или сразу взять трансформаторный ИБП, или же использовать опциональный изолирующий трансформатор к IGBT-модели.

Критичным фактором могут быть массогабаритные параметры. IGBT-модели примерно вдвое меньше и легче трансформаторных устройств. 700 и 1200 кг — это очень существенная разница, когда рассчитывается нагрузка на перекрытия и фальшполы.

Лишний процент КПД в мегаваттных ЦОДах оборачивается очень значительной экономией. Высокий КПД может превысить все остальные резоны, и IGBT-ИБП как раз имеют в этом отношении серьезное преимущество.

Важен также фактор удобства технического обслуживания, в частности, некоторых случаях может быть критичен фронтальный доступ к «внутренностям» ИБП. Раньше к ИБП относились по принципу «установил и забыл», но в ЦОДе все совсем не так, тут к ИБП необходим простой доступ. В моделях последних поколений (а это IGBT) в основном эти возможности уже предусмотрены и реализованы.

В больших ЦОДах дизель-генераторы (ДГУ) в связке с ИБП используются практически по умолчанию, поэтому желательно, чтобы у ИБП был низкий коэффициент нелинейных искажений (THD) и близкий к единице коэффициент мощности, что позволяет использовать ДГУ с меньшим запасом по мощности. Идеальный вариант для этого — как раз полностью бестрансформаторная схема.

Некоторым недостатком IGBT-устройств ранее являлась меньшая мощность силовых блоков, но сейчас отставание уже полностью ликвидировано. Шкафы мощностью вплоть до 800 кВА уже позволяют реализовывать самые бескомпромиссные системы.

Рыночная востребованность

Большая технологичность, компактность и улучшенные потребительские характеристики привели к тому, что в последнее десятилетие трансформаторные ИБП были вытеснены в диапазон самых больших мощностей (200+ кВА), где им удалось на какое-то время закрепиться.

Проблема дальнейшей экспансии IGBT-технологии состояла в большей степени не в физических ограничениях, хотя и здесь разработчикам пришлось немало поработать над реализацией все более мощных транзисторов. Задача носила комплексный характер, упираясь с себестоимость и наличие спроса. Но с взрывным развитием микроэлектроники управление сверхтяжелыми ИБП превращалось из «электрической» задачи в компьютерную. ИБП становились все более интеллектуальными, в режиме реального времени выдавая практически идеальную синусоиду с минимальными гармониками даже высших порядков.

Менялся и портрет заказчика. Если ранее СБЭП — это все же была преимущественно часть инженерной инфраструктуры промышленных и офисных комплексов, то к настоящему времени даже самые тяжелые ИБП все чаще стали использоваться в быстрорастущем мире ЦОДов, где они действуют неразрывно с ИТ-оборудованием. Более высокая мобильность ИТ-заказчиков, запросы которых непрерывно менялись, также вынуждала поставщиков ИБП быстро перестраиваться. «Недостатки» IGBT в ЦОДах никак себя не проявляли, а достоинств, как было показано в предыдущем разделе, масса.

Трансформаторные модели сопоставимой мощности потихоньку уходят с рынка. Но это далеко не путь в никуда: данная топология еще очень долго будет востребована в целом ряде ниш. Если для заказчика важно изолировать оборудование от внешней сети, защищается чувствительное оборудование, необходимы выдающиеся динамические характеристики ИБП или возможен большой дисбаланс нагрузки на разных фазах, то, конечно, стоит присмотреться к трансформаторным моделям.

Текущее продуктовое предложение

За последние годы мы наблюдали быстрое наращивание количества моделей мощных IGBT-ИБП, в которых мощность единичного силового блока уже начала исчисляться несколькими сотнями кВА. К ранее одинокому Eaton 9395 в 2011 г. прибавилось несколько абсолютно новых аппаратов, или же у ранее существовавших моделей существенно выросла мощность. На данный момент список таких аппаратов уже довольно внушителен. Приведем самые популярные на нашем рынке модели (по данным аналитической компании ITResearch). Для того чтобы устройства можно было сопоставить, мы взяли от каждого производителя аппараты идентичной мощности — самый популярный формат в 200 кВА, за исключением аппарата Eaton, где самая близкая мощность составляет 225 кВА, и свели их в единую таблицу.

Таблица. Характеристики IGBT-устройств мощностью 200 кВА

Основной вывод, который следует из сравнения основных характеристик: в целом все это аппараты довольно близкие по потребительским свойствам, что делает их всех применимыми фактически в любых проектах.

Полная электронная версия этой статьи доступна только для подписчиков. Для получения полной электронной версии статьи сейчас Вы можете оформить запрос.