交流电源的高压直流直供可行性分析
- 1. 交流开关电源的高压直流直供可行性分析 腾讯计算机系统网络平台部 李典林 IT 设备 240V 高压直流供电，我国已经从实验室迈进了通信网络 3 年多。电信运营商和 一些大型互联网公司，已经有数以万计的 IT 设备、多个 IDC 机房、多套核心网络和业务平 台采用 270V（标称值 240V，默认值 270V）高压直流供电。从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%； 从新建系统统计分析，高压直流系统替代传统的交流 UPS 系统，平均节省投资大于 40%； 由于高压直流系统比 UPS 系统结构简单，而且采用了电池直挂输出母线，在进一步提高系 统可靠性的同时还作为一个很大的滤波池，给设备提供了更为洁净的供电环境。从实际运行 数据上看，设备可靠性不但没有降低，故障率还减少了一半。此外，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运维更为安全简单，而且没有 UPS 并机要求 相同的幅值、频率和相位等需求可直接并机扩容，系统安全性能提高一个数量级，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。 高压直流带来的好处： 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，尚没有 IT 设备厂商明确表 态支持可以采用直流 270Vdc 输入，从而可能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呢？会不会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主要障碍。 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、谐波小等特点。
- 2. 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 等电压。由于本文主要讨 论 220Vac 和 270Vdc 供电的差异，对电源的影响主要在 PFC 级之前，这里不再阐述 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，对于后面的 DC/DC 而言是完全一样的。 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：交流输入下的启动电流波形，以及直流输入下启动电流波形 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：软启动电阻两端的波形，分别在 220Vac 和 270Vdc 下测试 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 iU29.0 来计算，其直流电压的输入范围可以为 114~336Vdc。而
- 3. 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，而二 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 V3112220 ；在交流 电的负半周时，同理，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。 图 2 通道 3：Vin=220Vac D1 反向电压(100V/格) 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 %90 。那么根据 iaciaco IVP ，可以计算出交流输入电流的有效值为 A V P I iac o iac 5.13 9.0220 505.53 整流桥的峰值电流为 iaciacp II 2 =19.1A 考虑 40%的峰峰值纹波电流，那么流过整流桥的电流峰值为 AII iaciacp 92.222)2.01(
- 4. 整流桥上每个二极管的平均电流为 AII iaciav 075.69.05.0 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 iavd IP 1.1 =6.683W 整流桥的总损耗为 dacrec PP 4_ =26.73W 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。 A V P I idc o idc 11 9.0270 505.53 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 WIP idcdcrec 2.241.12_ 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，与理论分析基本吻合。 图 4 通道 2：Vin=220Vac D2 电流波形(10A/格) 图 5 通道 3：Vin=270Vdc D2 电流波形(10A/格)
- 5. 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，而从图 1 可以看到，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 AII iacpD 92.222)2.01(5 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 Id_ave 1 0 Iiacp ( ) 1 Duty ( ) d Iiacp 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。 (a) (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，因此，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。
- 6. 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，只是此时电感电流是一个直流量， 并且开关管占空比是一个常数，计算结果为 7.15A。 因此，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： (a)交流 220Vac 输入 (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)
- 7. 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。 (a)交流输入 (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 图 10 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，因此，应用高压直流完全可以替代 UPS 给服 务器供电。