1、高压直流电源在 IDC机房环境的工作原理及 应用初探http:/ 要】介绍了IDC机房现有的供电结构并详细叙述了高压直流电源的供电原理和336V电压选取的依据，同时对高压电源在国内外的应用情况进行了介绍。 【关键词】高压直流电源 供电结构 336V电压 国内外应用 1 引言 随着我国通信行业的高速发展，互联网的大规模普及与运用，网络视听、电子商务、电子信息等依托基础网络的业务不断拓展。数据业务的快速增长，使其市场业务份额大幅提高，通信局站的UPS使用量大增，系统的可靠性和维护的简便性越来越受到关注，而UPS在这2方面均存在很多问题。尽管双总线UPS供电系统增加了UPS供电的可靠性，但其加大了机
2、房使用面积，增加了设备投资，也加大了能源浪费。336V直流供电系统的系统效率和可靠性均要高于UPS供电系统，这一点已经得到了业内人士的公认。 2 高压直流电源（HVDC）概述 （1）定义：高压是相对通信电源常用的48V来说的“高压”，电压范围在200400V。 （2）其发展历程如图1所示： （3）高压直流提出的技术背景 UPS存在的问题 交流UPS供电模式在通信系统中存在的安全性、经济性等方面的问题越来越凸显，主要体现在能耗高，可靠性低，维护、扩容难度大，建设成本高等方面； 高频开关电源技术普及，生产成本已经低于变压器电源； 转型业务、数据通信、各种增值业务平台在电信运营商业务中的比重日趋增大
3、，安全和节能方面的需求对电源保障提出了更高的要求。 3 高压直流供电的技术基础 3.1 IT设备电源模块工作原理 IDC机房设备以服务器为主，现在生产的每一台服务器自身都有2个以上的电源模块，模块之间是主备用关系。正常工作时2个电源模块负载均担，当一只模块出现故障或进行检修时，另一只模块承担全部负荷。IT设备内部电源是一个可靠性很高的独立模块，每一只电源模块的基本工作原理如图2所示，对于功能强、使用在重要场合的服务器或小型机，均配置2个或2个以上的模块并联运行。 图2 IT设备电源模块工作原理示意图 由图2和图3可以看出，虽然IT设备输入的是交流电源，但核心部分还是DC/DC变换电路，因此只要
4、输入一个范围合适的直流电压给DC/DC变换电路，就同样能满足IT设备安全工作的要求。图中因为输入端没有工频变压器，所以输入直流不会产生短路阻抗，就没有必要非得交流输入。如果输入的直流合理配上蓄电池，辅以远程监控，构成一个可靠的直流供电系统，就可取代交流供电系统。 3.2 现有IT设备的配电结构 目前IDC机房针对IT设备的配电系统有3种结构：交流配电、机架直流配电、设备直流配电。首先对配电系统里的几个结构单元进行介绍。 PDU（Power Distribution Unit）：电源分配单元，具有电源分配和管理功能。电源分配是指电流及电压和接口的分配；电源管理是指开关控制（包括远程控制）、电路中
5、的各种参数监视、线路切换、承载的限制、电源插口匹配安装、线缆的整理、空间的管理、电涌防护和极性检测。 PSU（Power Supply Unit）：驱动电源，是计算机中的一个组件，负责将交流电转成稳定的12V、5V及3.3V直流电，是供计算机内其它组件使用的电源。服务器内部基础工作电压均为12V直流，不受服务器电源外部输入电压的影响，最后都统一转换成12V直流供电。 VRM（Voltage Regulator Module）：电压调节模块，其主要是通过对主板上直流/直流（简称DC/DC）转换电路的控制来为CPU提供稳定的工作电压，同时也对电脑启动时电压的变化情况和时序作出明确的要求。根据VRM
6、标准制定的电源电路能够满足不同CPU的要求，降低人工干预的复杂性，简化了稳压电路的电压控制设计。 AC/DC是交流输入，直流输出。DC/DC是直流输入，直流输出。 （1）交流配电结构 图4的方案为交流UPS系统所采取的供电结构，380V的三相交流电压经过UPS电源（其内部结构为1个AC/DC转换模块和1个DC/AC转换模块，先做1次交流变直流变换，再做1次直流变交流变换），输出为380V/220V的交流电压，通过PDU变压器后变成220V的交流电。在PSU中，交流220V先通过1个AC/DC转换模块变换为直流380V，再由隔离的DC/DC变压器降为典型的直流12V以供电源使用。 （2）机架直流
7、配电结构 图5的配电方式是在服务器机架上（图中rack部分）将电压变化为直流380V供电，通过在服务器机架内配置AC/DC转换模块，产生隔离的直流380V，但是有严重缺陷，机架内AC/DC转换模块的数量影响了用电效率的提高。 （3）设备直流配电结构 图6的配电方式为336V直流系统所采取的供电结构，它取消了UPS中的逆变器（即DC/AC转换模块）、PDU中的变压器、PSU中的AC/DC转换模块，使整个电路结构变得很简单，用电效率得到了极大提高。 3.3 高压直流电压范围选取 目前，因无相应的技术标准或规范对高压直流系统的供电电压作出相应规定，各方试点的电压等级不尽相同，所以有必要对供电电压的选
8、择进行相应分析确定出合适的供电电压。 电压等级的选择应主要从以下几个方面进行考虑： 电压选取的基本原则 元器件的耐压范围 配电设备的电压等级 配电线路的金属消耗 与蓄电池的匹配 安全性 （1）电压选取的基本原则 现在IDC机房的服务器内部一般使用SSI高频开关电源，把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。计算机设备的高频开关电源的基本工作原理如图7所示。 将图7进行简化，如图8所示，实际上在交流输入的时候，在正半周，电流的走向是：A2CD4B；在负半周的时候，电流的走向是：B3CD1A，整流管1、3和2、4轮流导通。 理论上，一般服务器的输入电压要求是220V10%，即198V242
9、V，因此Uo的取值范围是252V308V，这个值是电源的标称电压。实际上，CD后端的DC/DC变换器是通过调节开关脉冲的占空比即开关管的导通时间来控制输出直流电的电压的。因此，电压范围可以高于308V。 当采用直流电压直接输入AB时，由于电压不变相，整流管2、4长期导通，整流桥可视为直连。如图8所示，这样电压从AB端直接传到CD端。若不考虑整流管自身的损耗，则UiUo 直流电压范围上限计算（整流二极管最大反向电压）： 通常PC机、服务器铭牌标明工作电压范围180240V，由此得出电压上限为： U高=2401.414=339V （1） 直流电压范围下限计算： 经过对多种设备的现场测试，IT设备电
10、源模块交流工作电压在180240V的范围均能正常工作，根据IT设备电源模块恒功率特性和整流元件直流波形发热这2方面的特性来考虑，直流工作电压最低电压为： （2） （2）元器件的耐压范围 大部份的电子零件（Caps，MOSFET等）的耐压范围为450500VDC，此耐压范围的元器件技术成熟且价格低廉。考虑故障排除和启动时的电压脉冲峰值，高压直流供电系统最高工作电压不宜超过400V。 （3）配电设备的电压等级 多芯电力电缆的绝缘电压为690V/1 000V，线对地绝缘电压为690V，线之间绝缘电压为1 000V。从表1中的资料可以看出，高压直流供电系统工作电压不超过400V时，配电设备均可以支持。
11、 表1 部分厂家断路器直流应用的技术特性 设备 厂家 设备型号 额定工作 电压/V 额定绝缘电压/V 额定工作 电流/A 施耐德 微型断路器 C65H/L-DC 440（2P） - 163 塑壳断路器NS系列 500 750 100630 框架断路器NW系列 500/900 1 000 1 000 4 000 ABB 微型断路器 S260UC、S500、S800S 440/500 - 1125 塑壳断路器T系列 500/750 800/ 1 000 160800 框架断路器E系列 不适用直流 不适用 直流 - （4）配电线路的金属消耗 通信机房采用不同的电压等级，对于铜材的消耗也不相同，其初始
12、投资也有所不同。交流供电一般采用三相四线制，直流供电采用单相两线制。相同电缆截面，相同电缆数（4根），相同电流情况下的输送功率比如式（3）所示（cos为功率因数，可取0.9）： （3） 输送相同的功率，直流电压值越高则耗铜量越少。当直流供电电压高于296.2V时，电缆耗铜量比交流380V供电少。因此IDC机房若采用高于296.2V供电电压等级的直流供电系统（综合了转换器的功耗），就能达到降低初始投资成本，提高经济效益和节能的目的。 采用不同电压等级的直流供电系统，其长期运行的线路损耗不同。从长期运行角度比较交流与直流运行的经济性，选择恰当的直流电压等级，现对交、直流输送功率的通用公式进行分析（
13、cos值取0.9）： 直流电压为242.5V是交直流线损的平衡点，线损与电压的平方成反比。（综合相关转换器效率，常把296.2V作为平衡点） （5）与蓄电池的匹配 目前，普遍应用的蓄电池为铅酸蓄电池，单只电压为2V、6V或12V。蓄电池作为后备电源，在高压直流供电系统故障、维护或停电时，为系统提供不间断电源。因而，高压直流供电系统的电压应与蓄电池电压相匹配。系统可以采用2V、6V或12V电池，因而高压直流供电系统的标称电压应为2V、6V和12V的整数倍。 （6）安全性 由交流输入供电改成直流输入供电，其基本整流电路“桥式整流”，如图8所示。将原来的交流UPS供电时整流管1、3和2、4轮流导通，
14、变成2和4单边导通，原来2只整流管同时工作的模块，改成单管长时间工作。安全问题一直是人们担心的，对安全性将从下面2个方面来进行分析。 电流计算 IT设备二次电源基本上是一个恒功率设备。当服务器220V交流供电时，它的等效直流是200V，如果给服务器直接输入直流336V，相当于电压提高了70%，则工作电流相应下降70%，输入高压直流时流经整流管的电流，小于输入220V交流时流经整流管的电流。 发热量对比 发热量Q=I2*R*T，当通过整流管的电流一定时，其发热量与电阻成正比，二极管的伏安特性曲线如图9所示。由图9可知：在二极管截止区，该区域为高阻区，由于电流为0，它的作用忽略不计；在二极管饱和区
15、，该区域为低阻区，等效电阻极小，对二极管发热影响较小；在线性区，呈现一个较大的非线性电阻，是二极管发热的主要根源。在交流输入供电时，单个整流管每秒钟要经过100次线性区，而直流输入供电时，二极管工作不经过线性区，始终工作在饱和区，所以整流管等效电阻R，在直流输入状态下比交流输入状态下小。 图9 二极管伏安特性 通过上述2点我们得出结论：长时间单管直流供电的工作电流小、发热小，是安全的。 从以上6点的分析来看，高压直流供电系统的电压设置越高越有利，但是工作最高电压不宜超过400V，通过计算，高压直流供电系统的电压设置应为： 标称电压：336V； 浮充电压：374.64381.36V（2.232.
16、27V/cell）； 最高均充电压：386.40394.80V（2.302.35V/cell）； 蓄电池只数：2V电池168只串联或12V电池28只串联。 4 高压直流在国内外的应用 4.1 国际研究和应用 Intel EC最早就对数据中心采用的新型供电进行了研究与应用，法国电信和阿尔卡持公司相继于1999年提出供电给新的电信网络和服务用的新的供电系统，2000年又发表了电信和数据通信融合的整流型AC供电技术的新研究，并在2001年发表新电信网络和服务的最佳新型供电。欧美绝大部分通信运营商采用300400V直流电压方案；法国电信公司、日本NTT电信公司试用380V高压直流供电系统；美国Inte
17、l、Microsoft、Facebook等公司试用400V高压直流供电系统；瑞士在建第一个完全采用336V直流供电的MW级数据中心，为商用数据中心。 4.2 已发布的技术标准 在国际上，2012年2月欧洲标准接入400V直流源的电源输入接口已正式发布；2012年5月国际电信联盟（ITU-T）标准Direct current power feeding interface up to 400 V at the input to telecommunication and ICT equipment已正式发布。 在国内，国家标准通信高压直流电源系统工程设计规范已完成了征求意见稿，即将正式发布；行业
18、标准YD/T 2378-2011通信用240V直流供电系统也已下发；中国移动企业标准336V开关型整流器（QB-H-007-2012）、336V直流电源系统（QB-H-008-2012）已正式发布；中国电信已制定240V高压直流的企业标准。 4.3 国内高压直流进展情况 （1）中国电信使用情况 中国电信的240V直流系统如图10所示。 中国电信于2007年开始对240V高压直流供电系统进行研究与试用，2008年开始在江苏盐城试验标称电压为240V的直流供电系统，采用270V直流电为交流服务器供电。大部分交流服务器可以采用标称240V直流供电系统供电，部分服务器机架须作相应调整。试验效果比较好，
19、节能效果很明显。 目前电信全国在网的240V直流电源系统已达到300多套并分布于20多个省、直辖市；同时计划在内蒙古新建计算信息园数据中心，共6栋楼，由电信、腾讯、百度等入驻，招标要求设备厂家兼容240V系统供电。 （2）中国联通使用情况 中国联通于2009年，在山东淄博将IDC机房UPS交流供电改造为高压直流供电，此工程是联通第一个高压直流电源工程，采用240V系统。然后于2010年在河南进行高压直流电源试点；2012年在深圳，由省公司牵头进行技术交流、方案设计，进行高压直流试点应用。 （3）国内非运营商使用情况 国内非运营商企业阿里巴巴，率先采用240V直流供电，并在IT机架内安装270V
20、转12V嵌入式电源为服务器设备供电。南京日博、江苏广电、腾讯、润迅（深圳）等都已采用240V供电技术，百度等也将试用。 4.4 336V在中国移动的进展 中国移动的336V直流系统如图11所示。 （1）使用情况 中国移动于2009年开始进行高压直流研究和试点，试点地点选择在深圳罗湖邮政楼。经过测试，性能指标达到设计要求，运行稳定，节能效果明显。接着于2011年开始在内蒙古、辽宁等省开始实施运行。2012年仓储式机房与336V直流供电系统结合磷酸铁锂电池进行试验，服务器采用336V/12V嵌入式电源供电。 （2）技术标准和规范 目前中国移动已颁布的技术标准和规范有336V直流供电系统、336V开
21、关型整流器和336V直流供电系统设计规范。国家标准通信高压直流电源系统工程设计规范即将颁布。 5 结束语 通信用高压直流供电系统是一种新型的供电方式，是使用与维护人员信赖的电源种类，通信电源是通信负载的能源供应源泉，是通信设备的“心脏”，其重要程度不言而喻。作为通信电源系统，我们始终认为系统安全稳定可靠的运行才是最重要的；其次才是节能环保问题。高压直流系统的高可靠性才是推动其广泛应用的前提条件，由于其运行效率也比现有交流系统高出至少20%，所以必然会受到业界欢迎，同时这也是实现节能降耗的有效手段之一。 高压直流供电系统的通信行业标准和技术规范的颁布与实施，必将推动通信用高压直流系统的研发与生产，促进其在我国通信领域的应用，也为用户的正确使用、合理维护奠定了基础。通过全文的分析，可以看到高压直流供电有着明显的优势，尤其是在高效和安全这2方面的优势更为突出。随着数据通信与网络通信的高速发展，通信负载对电源系统的要求也越来越高，通信电源系统安全可靠稳定的运行是重中之重。高压直流供电以其高可靠性，超低运营成本的优势将在未来通信领域得到更广泛的运用。
