USV-Technik im Detail - IP-Insider

Ausfallsicherheit bei einem Blackout USV-Technik im Detail

Damit Server und ganze Rechenzentren auch beim Ausfall der Netz-Stromversorgung weiterlaufen, benötigen sie eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Um auch vor Netzüberlastungen und Spannungsspitzen zu schützen, muss diese nach einem „never fail“-Prinzip gestaltet sein. Was genau macht also eine robuste und effiziente USV aus?

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„Never fail“ lautet die Maßgabe für das Design einer USV-Anlage. Sie muss unter voller Last genauso funktionieren wie im Teillastbetrieb.
(Bild: Hans Braxmeier auf Pixabay)

Rechenzentren sind heute unternehmenskritisch. Das Wachstum von Cloud-Speichern, E-Commerce und Big-Data-Analysen in Kombination mit der Zunahme von Social-Media-Aktivitäten und Smartphone-Nutzung treibt die Nachfrage nach immer mehr und größeren Rechenzentren.

Die Aufrechterhaltung ihres Betriebs zu jeder Zeit ist unerlässlich, um Störungen sowohl im Handel als auch in der persönlichen Kommunikation zu vermeiden. Daher sind Anlagen für die Unterbrechungsfreie Stromversorgung enorm wichtig. Sie gewährleisten eine Energieversorgung von Rechenzentren auch dann, wenn der Netzstrom ausfällt, um den Verlust kritischer Daten zu vermeiden und Anwendungen sicher weiterlaufen zu lassen.

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Damit eine USV immer verfügbar ist und reibungslos funktioniert, muss sie eine hundertprozentige („never fail“) Zuverlässigkeit aufweisen sowie vor Netzüberlastungen und Transienten geschützt sein. Die USV sollte außerdem nur wenig Strom verbrauchen – insbesondere in Einrichtungen, die große Mengen an Energie für die Infrastruktur des Rechenzentrums benötigen.

USV-Schaltungstopologien

Konstrukteure verwenden in der Regel eine von vier Topologien, um die optimale Lösung für minimalen Stromverbrauch, kürzestes Zeitintervall für den Leistungsverlust, maximale Filterung von Netzwerktransienten und geringe Kosten zu erhalten. Abbildung 1 zeigt die vier Topologien für eine USV und vergleicht sie auf Basis dieser Parameter. Nicht alle diese Topologien eignen sich für Rechenzentren, sind aber hier zum Vergleich aufgeführt.

Standby: Bietet den höchsten Wirkungsgrad zu den niedrigsten Kosten, da die Konstruktion nur dann Strom liefert, wenn die Netzspannung unterbrochen ist. Als Nachteil schaltet sie am langsamsten auf Batteriestrom um, wenn die AC-Leitung - Alternating Current - Wechselstrom - ausfällt. (Normalerweise weniger als 0,5 Kilovoltampere (kVA).)

Interaktive Leitung: Bei dieser Konfiguration befindet sich der Wechselrichter in Reihe mit der Last und bietet einen guten Wirkungsgrad. Diese Schaltung wechselt auch schneller auf Batteriestrom als das Standby-Design. Die Schaltzeit ist jedoch langsamer als bei den beiden weiteren Topologien: Doppelwandler in Reihe und Multi-Modus in Reihe. (Typischerweise 0,5 kVA bis zu 5 kVA.)

Doppelwandler in Reihe: Bei diesem Ansatz wird die Last immer mit Strom versorgt, wodurch eine Schaltzeitverzögerung zwischen AC-Netzstrom und Batteriestrom vermieden wird. Der Nachteil ist, dass ein gewisser Leistungsverlust durch die beiden Wandler auftritt. (Typischerweise größer als 5 kVA.)

Multi-Modus in Reihe: Diese Topologie kombiniert eine Schaltzeitverzögerung von Null mit weniger Leistungsverlust als die Doppelwandler-Topologie. (In der Regel größer als 5 kVA.)

Elektronikdesigner sollten die Topologie wählen, die ihren Entwicklungszielen am besten entspricht, sowohl für die USV als auch für die Anwendungen, für die sie bestimmt ist.

Schutz und Leistungseffizienz für eine USV planen

Unabhängig von der Topologie sollte der Konstrukteur Schutz-, Steuerungs- und Sensorlösungen einbeziehen, um ein zuverlässiges und robustes Produkt zu gewährleisten. Die Schutzkomponenten ermöglichen es der USV, Überlastungen und Transienten standzuhalten.

Steuerungskomponenten können die Effizienz durch Minimierung des Stromverbrauchs optimieren. Sensoren helfen beim Schutz von Komponenten mit hoher Leistung. Abbildung 2 stellt beispielhaft eine USV mit empfohlenen Schutz-, Steuer- und Sensorkomponenten dar.

Am Beispiel einer Doppelwandler-in-Reihe-Topologie zeigt Abbildung 3 das Blockdiagramm und eine Tabelle mit den empfohlenen Komponenten für jeden Schaltungsblock.

Der AC-Eingang

Der AC-Eingang ist dabei direkt mit der AC-Leitung verbunden und damit deren Stromüberlastungen und Spannungstransienten ausgesetzt. Konstrukteure müssen den Schaltkreis und die nachgeschalteten Schaltkreise vor diesen schädlichen Bedingungen schützen.

Für den Überstromschutz von Schaltkreisen mit hoher Leistung sollten sie schnelle Sicherungen verwenden, um den Schutz zu verbessern. Halbleitersicherungen können hohe Nennströme, zum Beispiel 40 Ampere (A) bis 2000 A, und eine schnelle Reaktion auf einen Überstrom bieten. Eine Halbleitersicherung spricht extrem schnell auf Kurzschlussereignisse an und lässt weniger potenziell schädliche Energie zu den Leistungshalbleitergeräten durch.

Bei der Auswahl der Sicherung ist darauf zu achten, dass die Nennspannung deutlich über der AC-Netzspannung liegt und dass die Sicherung einen hohen Kurzschlussstromunterbrechungswert hat, damit sie auch im schlimmsten Fall einer Überlast zuverlässig die Abschaltung auslöst. Zu berücksichtigen ist auch die Nennverlustleistung der Sicherung bei Nennvolllaststrom. Die geringe Watt-Verlustleistung von Halbleitersicherungen kommt dabei dem Gesamtwirkungsgrad des Systems zugute.

Überspannungen

Zum Schutz vor transienten Überspannungen auf der AC-Leitung sollten Elektronikdesigner die Verwendung eines Metalloxidvaristors (MOV) in Erwägung ziehen, der sich so nah wie möglich am Eingang der Leiterplatte befindet, damit die Ausbreitung der Transiente auf der Leiterplatte begrenzt wird. MOVs können bis zu 70.000 A Spitzenimpulsstrom und bis zu 10.000 J aus transienten Überspannungen absorbieren. Einige MOVs sind mit einem thermischen Schutz erhältlich. Dieser verhindert, dass der MOV aufgrund von Überhitzung ausfällt.

Um die Reaktionsgeschwindigkeit auf eine transiente Spannung zu erhöhen, sollte ein symmetrischer Thyristor in Reihe mit dem MOV geschaltet werden. Der symmetrische Thyristor wird bei einer geringeren Spannung als der MOV aktiviert, wodurch eine niedrigere maximale Klemmleistung für den MOV möglich ist. Dies verbessert den Schutz für die nachgeschalteten Schaltungen. E

ine weitere Strategie zur Verbesserung des Schutzes ist die Verwendung von Hochleistungs-TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor). Diese reagieren extrem schnell auf Überspannungsereignisse, ohne die Abnutzungsprobleme von MOVs aufzuweisen. Die optimale Wahl für jedes Design ergibt sich aus einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Leistung und Gesamtbetriebskosten. Einige Technologien kosten zwar mehr als andere, aber zusätzliche Faktoren können dazu führen, dass die niedrigsten Gesamtbetriebskosten eine teurere Komponente erfordern.

Der AC/DC-Wandler

Die AC/DC-Stufe, wie im Diagramm dargestellt, erfüllt zwei wichtige Funktionen. Erstens dient sie als Gleichrichter für die AC-Eingangsspannung zu DC, etwa zum Laden der Pufferbatterien.

Die zweite Funktion ist die Leistungsfaktorkorrektur, die Oberschwingungen reduziert und die Netzqualität verbessert. Bei der Auswahl der aktiven Komponenten ist es wichtig, die richtige Balance zwischen Leistung, Größe, Kosten und Energie-Effizienz zu finden.

Viele USV-Produkte mit kleiner bis mittlerer Leistung verwenden Gleichrichter-Dioden oder -Module, während Systeme mit höherer Leistung halb- oder vollgesteuerte Gleichrichterbrücken oder Thyristor-Module nutzen. In USV-Systemen kleiner und mittlerer Leistung, die in Rechenzentren zum Einsatz kommen, wird die Boost-PFC-Funktion (PFC = Power-Factor-Correction) entweder mit einem IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder einem MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), als aktivem Schalter in Kombination mit einer schnellen Silizium- oder Siliziumkarbid-Diode realisiert.

Um den Systembetrieb weiter zu verbessern, können Temperatursensoren wie ein NTC-Thermistor (NTC = Negative Temperature Coefficient) direkt auf dem Kühlkörper angebracht werden. Sie sind Teil des Geräteüberwachungssystems zur Optimierung der Systemleistung. Enge Messtoleranz und ein weiter Erfassungsbereich gewährleisten einen zuverlässigen Messwert durch den Temperatursensor.

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Der DC/AC-Wechselrichter

Um die Netzwechselspannung am Ausgang bereitzustellen, werden wieder Leistungshalbleiter eingesetzt, die diesmal den Gleichstrom wieder in Wechselstrom umwandeln. Ähnlich wie bei der Gleichrichtung muss das Design die ideale Balance zwischen Leistung, Energie-Effizienz, Größe und Kosten finden.

Dazu werden oft verlustarme IGBT-Module verwendet. Auch hier lassen sich Temperatursensoren einsetzen, um die Betriebsbedingungen zu optimieren.

Der Bypass-Schalter

Der Bypass-Schalter steuert, ob AC-Netzstrom oder Batteriestrom an die Last ausgegeben wird. Zur Steuerung des Schaltvorgangs kann ein Thyristor zum Einsatz kommen. Hierzu sind Thyristoren mit niedriger Gate-Trigger-Spannung und geringem Durchlassspannungsabfall für minimalen Leistungsverlust zu wählen.

Anwendbare Normen

Elektronikdesigner sollten die Normen kennen, welche für die jeweiligen Konstruktionen gelten. In der Tabelle sind die wichtigsten Normen für USV-Produkte aufgeführt. Deren Nichteinhaltung kann zu einer erforderlichen Neukonstruktion und einer erneuten Einreichung bei einem Normungsgremium führen. Dadurch steigen die Projektkosten unnötig.

Schutz vor Überlast, Transienten und Übertemperatur

Wenn Elektronikdesigner Schutz- und Sensorkomponenten einbeziehen und die Einhaltung von Normen schon früh im Projekt berücksichtigen, können sie kostengünstig eine robuste und zuverlässige USV entwickeln. Die Verwendung effizienter Steuerungskomponenten erleichtert dabei die Entwicklung eines Produkts mit geringem Stromverbrauch. Indem sie bei der Auswahl von Schutz-, Steuerungs- und Sensorkomponenten das technische Know-how der Hersteller nutzen, lassen sich außerdem Zeit und Ressourcen sparen.