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交流开关电源直供高压直流的路在何方?

时间:2014-11-12 17:41 栏目:主页 > 电源与空调 >
距IT设备240V高压直流供电标准的诞生已过三年。现如今,某些电信运营商和一些大型互联网公司,已经有数目可观的IT设备、IDC机房、核心网络和业务平台采用270V(标称值240V,默认值

  距IT设备240V高压直流供电标准的诞生已过三年。现如今,某些电信运营商和一些大型互联网公司,已经有数目可观的IT设备、IDC机房、核心网络和业务平台采用270V(标称值240V,默认值270V)高压直流供电。高压直流供电都有哪些好处呢?

  节能!依据电信运营商的运行数据结果统计,用高压直流替代传统的交流UPS供电,在UPS整个生命周期内平均节能大于20%;从新建系统统计数据分析,高压直流系统替代传统的交流UPS系统,平均节约投资大于40%。可靠!由于高压直流系统结构比UPS系统简单,而且采用了电池直挂输出母线,在进一步提高系统可靠性的同时,还提供了一个很大的滤波池,给设备带来更为洁净的供电环境。简单!从“通信电源系统”和“电力操作电源系统”衍生出来的模块化高压直流系统,其运维没有UPS并机所要求的“相同的幅值、频率和相位”等需求,可直接并机扩容,维护操作方法得到简化,倍受各大运营商、互联网公司和设备制造商的高度关注。真实!从实际运行数据上看,设备可靠性大有提升,故障率减少了一半。

  高压直流带来的具体好处:

  1、设备负载率高,加上节能休眠管理,大大提高系统整体效率

  2、拓扑简单,电池直接挂母排上,且电源模块N+1冗余,可靠性高

  3、电源模块达到插拔式的便利程度,可在机柜内按需在线扩容

  4、并机扩容无交流电源幅度、相位和频率的同步要求,机柜扩容简单

  5、标准机柜设备,可以集中能源池布置,也分散到网络设备群中布置

  6、现场更换故障电源模块简易,一线运维人员即可操作

  但是,现有的服务器等IT设备多数采用交流220Vac供电,尚无IT设备厂商明确表态支持直流270Vdc输入,这势必会影响设备的维保服务。那么高压直流能否可直接应用于现有的服务器而不对服务器的可靠性产生影响呢?这是运营商和IDC运营企业关注的首要问题,也是制约高压直流应用的一大魔障。

  为了分析这个问题,我们先来了解一下目前交流输入服务器等IT设备电源的基本工作原理。由于IT设备都承载重要的数据通信业务,因此通常都采用高标准的高频开关电源,其主要特点是效率高、体积小、功率因数高、谐波小。

  交流服务器电源通常采用一个PFC电路将交流经过整流桥整流后的直流电压升压到400V左右的高压,再经DC/DC变换电路转换为12V、5V和3.3V的电压。(本文主要谈论220Vac和270Vdc供电的差异,这对电源的主要影响在PFC级之前,因此不再阐述DC/DC级之后的电路结构。)高频开关电源PFC级之前的电路结构如图1所示,其中,L1、L2和 C1、C2、C3为EMI滤波电感和电容,R是软启动电阻,用于防止服务器上电时输入有较大的冲击电流。软启动结束后,通过继电器将软启动电阻短路,减小损耗,D1~D4为整流桥,L3、S1和D5为PFC电路的电感,开关管和二极管,C4为母线电容,为后面的DC/DC电路提供所需要的直流电压。从下面的拓扑中可以看到,服务器采用交流还是直流供电,对服务器本身的影响都只集中在前级PFC电路上。

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图1 高频开关电源电路结构

  因此,如果想要用高压直流替代UPS作为服务器的供电电源,需要关注以下方面:

  1、交流输入电压范围和直流输入范围,特别是直流输入下最低工作电压

  2、启动电流比较:交流和直流输入下的启动电流波形

  3、整流桥后的电压比较:220Vac下整流桥后电压,以及270Vdc下的整流桥后电压

  4、流经整流桥二极管的电流比较:220Vac下的整流桥二极管电流,以及270Vdc下的整流二极管电流波形

  5、软启动电阻的风险分析:分别在220Vac和270Vdc下的软启动电阻两端的波形

  6、PFC二极管电压电流、PFC母线电压、母线电容的波形等

  下面我们逐条分析。

  2.1直流电压范围的确定  
  目前服务器为了兼容不同国家和地区的电网,输入范围可能在90~264Vac,因此,根据交流经过整流后的平均值3来计算,其直流电压的输入范围可以为114~336Vdc。而通常高压直流的输出范围在210~290Vdc之间,正常电压为270Vdc,因此在服务器电源的欠压保护电压和过压保护电压的范围内,可以保证服务器的正常工作。

  2.2整流桥的电压应力

  从上面的图1可以看到,在交流电的正半周,输入电流流经整流桥的D2和D4,二极管D1和D3承受反向电压,反向电压的最大值即等于交流电压的峰值。如果按照交流额定电压220Vac计算,此时D1和D3上承受的反向电压最大值为4;在交流电的负半周时,输入电流流过D1和D3,二极管D2和D4上承受最高311V的电压。而采用额定输出270Vdc的高压直流供电,那么整流桥上承受的反向电压即等于服务器输入的直流电压270V。

  图2和图3是采用交流和直流供电时,整流桥D1上的反向电压和电感L3上的电流对比,从图中可以看到,在交流230Vac和直流280Vdc输入下,整流桥上二极管承受的反向电压分别为323V和288V,高压直流输入下整流管可靠性更高。

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图2 通道3:Vin=220Vac  D1反向电压(100V/格)   

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图3通道3:Vin=270Vdc  D1反向电压(100V/格)
 

  2.3流经整流桥二极管的电流

  交流输入的情况下,整流桥的每个二极管都只在半个周期内流过电流,在交流正半周时,电流流过二极管D2和D4;在交流负半周,电流流过D1和D3。假设采用一个通信电源的整流模块来模拟服务器,整流模块输出53.5V/50A,输入为220Vac时,假设模块的效率为7。那么根据8,可以计算出交流输入电流的有效值为

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  整流桥的峰值电流为10

  考虑40%的峰峰值纹波电流,那么流过整流桥的电流峰值为

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  整流桥上每个二极管的平均电流为12

  假设整流桥二极管的导通压降为1.1V,那么每个二极管的损耗为

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  整流桥的总损耗为14

  如果同样负载条件下采用270V的高压直流供电,那么电流只会流过D2、D4(或者D1、D3),其电流为11A,有效值比交流220Vac输入下要小。

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  同样考虑40%峰峰值纹波电流,直流输入时整流桥的电流峰值为13.2A,远小于交流输入情况。

  由于在直流输入时,电流只流过半边整流桥,因此,二极管的电流的平均值等于输入电力平均值,假定二极管导通压降仍为1.1V(实际根据二极管伏安特性曲线,高压直流下电流减少压降也会减少,那么导通压降还要低于1.1V),整流桥的总损耗为

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  因此,对于270V直流输入而言,整流桥二极管的电流不管是有效值、平均值还是峰值都要比220Vac下要小,能够提高其可靠性。虽然直流下两二极管的损耗增加了,但是整个整流桥的损耗仍是减小的,由于四个二极管在同一个封装里共用同一个散热片,那么在相同的散热能力下,同样能够提高其工作可靠性。

  图4是交流输入时二极管D2电流和D1的反向电压在峰值处展开后的波形;图5是直流输入时二极管D2电流和D1的反向电压在展开后的波形。从图中可以看到,Vin=220Vac时,整流桥二极管最大电流为23.1A,而在直流下为14.3A,考虑测量误差,该结果与理论分析基本吻合。

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图4 通道2:Vin=220Vac  D2电流波形(10A/格)

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图5通道3:Vin=270Vdc  D2电流波形(10A/格)

  2.4 PFC二极管的电流

  在PFC电路中,开关管S1关断时,电感电流L3流过二极管D5,因此,只需要测量电感的电流即可以计算出二极管D5的电流大小,根据图1,输入电流经过整流桥整流后即等于电感L3的电流,不同之处在于交流输入时,输入电流是一个正弦波,而电感电流的波形为馒头波,其数值大小是一样的。

  因此,根据前面的计算电感L3电流峰值为

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  下图中(a)为交流220Vac输入时电感L3电流及二极管D5的反向电压波形,(b)为为电感电流在波峰处的展开波形,从图中可以看到,在S1开通时,电感电流上升,二极管D5截止,此时电感电流不流过D5,S1关断时,电感电流下降,此时二极管导通,电感电流流过D5。

此时,流过二极管的平均电流可根据下式计算得到,其中Duty()为PFC电路中开关管的交流输入不同瞬时值下的占空比

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  根据上式可以得到,在220Vac输入时,整流模块53.5V/50A输出时,二极管D5的平均值为7.234A。

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(a)

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(b)

图7 Vin=220Vac时,L3电流和D5反向电压波形
 

  同理,在直流输入时,电感电流同样等于整流二极管的电流,根据前面整流二极管电流的计算,电感电流的最大值为13.2A,因此,二极管D5的峰值电流要比交流输入时小很多。图8是直流输入时候,电感L3电流和二极管D5反向电压波形。

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图8 Vin=270Vdc时,L3电流和D5反向电压波形

  同样可以计算直流270V输入时候二极管D5上平均电流,此时电感电流是一个直流量,开关管占空比是一个常数,计算结果为7.15A。

  从上面的数据来看,交、直流输入时候PFC二极管D5的平均电流差异不大,而直流输入时D5的峰值电流较小。

  2.5 母线电容电压和电流纹波

  在交流输入时,由于需要经过整流二极管整流,整流过后的直流电压会存在100Hz的低频分量,虽然经过PFC电容升压,但并不能完全消除这个纹波,因此,母线电容电压必然存在100Hz的纹波,这会增大流过母线电容的纹波电流,从而影响母线电容寿命;而在直流输入时,电容上纹波电压和纹波电流则不存在100Hz的低频分量。下图是实测结果:

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(a)交流220Vac输入

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(b)直流270Vdc输入

  图9交流和直流输入时母线电容电压和电流纹波 (电压20/格,电流10A/格)

  从上图中可看到,交流输入时母线电容C4上的电压纹波47.6V,明显要大于直流输入情况下的17V,并且流经电容的纹波电流有效值为3.76A,比直流输入时的2.56A要大,这将会缩短电解电容的寿命。

  2.6 软启动电阻电压

  服务器在启动的时候,需要先通过软启动电阻给母线电容充电,当母线电压达到一定值后功率电路才开始正常工作。在交流输入的时候,交流电压通过不控整流后经软启动电阻给母线电容充电,充电时间较长,因此软启动电阻上的功率损耗会比较大,发热较严重;而直流充电时间很短,软启动电阻的功耗也会小很多,可靠性得到提升。图10给出了交直流输入条件下的启动过程波形,从图中可以很明显的看到在直流输入时,软起电阻上的电压(蓝色波形)持续时间很短,因此对软启动电阻的冲击要小很多,直流输入下可靠性更高。

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(a)交流输入

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(b)直流输入

  1:软启动电阻R电压波形,2:输入电压,3:PFC电感L3电流波形,4:输出电压波形交流和直流输入时软启动过程波形

  通过以上的分析,高压直流供电时,服务器电源PFC部分的功率器件的电压、电流应力、母线电容的纹波电压和电流都会小于交流供电的情况,而且软启动电阻的寿命以及和整流桥的可靠性都会变得更高,非但不会影响服务器的正常使用,还能够提高其可靠性能。而对DC/DC部分电路则和交流输入的情况是一致的。

  结论:应用高压直流完全可以替代UPS给服务器供电。交流开关电源直供高压直流路在何方?想必诸位都已经看得很清楚了,前路漫漫,但光芒万丈!

来源:腾讯数据中心 作者:佚名

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