交流開關電源直供高壓直流的路在何方？

距IT設備240V高壓直流供電標準的誕生已過三年。現(xiàn)如今，某些電信運營商和一些大型互聯(lián)網(wǎng)公司，已經(jīng)有數(shù)目可觀的IT設備、IDC機房、核心網(wǎng)絡和業(yè)務平臺采用270V（標稱值240V，默認值270V）高壓直流供電。高壓直流供電都有哪些好處呢？

節(jié)能！依據(jù)電信運營商的運行數(shù)據(jù)結果統(tǒng)計，用高壓直流替代傳統(tǒng)的交流UPS供電，在UPS整個生命周期內平均節(jié)能大于20%；從新建系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，高壓直流系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的交流UPS系統(tǒng)，平均節(jié)約投資大于40%?？煽?！由于高壓直流系統(tǒng)結構比UPS系統(tǒng)簡單，而且采用了電池直掛輸出母線，在進一步提高系統(tǒng)可靠性的同時，還提供了一個很大的濾波池，給設備帶來更為潔凈的供電環(huán)境。簡單！從“通信電源系統(tǒng)”和“電力操作電源系統(tǒng)”衍生出來的模塊化高壓直流系統(tǒng)，其運維沒有UPS并機所要求的“相同的幅值、頻率和相位”等需求，可直接并機擴容，維護操作方法得到簡化，倍受各大運營商、互聯(lián)網(wǎng)公司和設備制造商的高度關注。真實！從實際運行數(shù)據(jù)上看，設備可靠性大有提升，故障率減少了一半。

高壓直流帶來的具體好處：

1、設備負載率高，加上節(jié)能休眠管理，大大提高系統(tǒng)整體效率

2、拓撲簡單，電池直接掛母排上，且電源模塊N+1冗余，可靠性高

3、電源模塊達到插拔式的便利程度，可在機柜內按需在線擴容

4、并機擴容無交流電源幅度、相位和頻率的同步要求，機柜擴容簡單

5、標準機柜設備，可以集中能源池布置，也分散到網(wǎng)絡設備群中布置

6、現(xiàn)場更換故障電源模塊簡易，一線運維人員即可操作

但是，現(xiàn)有的服務器等IT設備多數(shù)采用交流220Vac供電，尚無IT設備廠商明確表態(tài)支持直流270Vdc輸入，這勢必會影響設備的維保服務。那么高壓直流能否可直接應用于現(xiàn)有的服務器而不對服務器的可靠性產(chǎn)生影響呢？這是運營商和IDC運營企業(yè)關注的首要問題，也是制約高壓直流應用的一大魔障。

為了分析這個問題，我們先來了解一下目前交流輸入服務器等IT設備電源的基本工作原理。由于IT設備都承載重要的數(shù)據(jù)通信業(yè)務，因此通常都采用高標準的高頻開關電源，其主要特點是效率高、體積小、功率因數(shù)高、諧波小。

交流服務器電源通常采用一個PFC電路將交流經(jīng)過整流橋整流后的直流電壓升壓到400V左右的高壓，再經(jīng)DC/DC變換電路轉換為12V、5V和3.3V的電壓。（本文主要談論220Vac和270Vdc供電的差異，這對電源的主要影響在PFC級之前，因此不再闡述DC/DC級之后的電路結構。）高頻開關電源PFC級之前的電路結構如圖1所示，其中，L1、L2和 C1、C2、C3為EMI濾波電感和電容，R是軟啟動電阻，用于防止服務器上電時輸入有較大的沖擊電流。軟啟動結束后，通過繼電器將軟啟動電阻短路，減小損耗，D1~D4為整流橋，L3、S1和D5為PFC電路的電感，開關管和二極管，C4為母線電容，為后面的DC/DC電路提供所需要的直流電壓。從下面的拓撲中可以看到，服務器采用交流還是直流供電，對服務器本身的影響都只集中在前級PFC電路上。

圖1 高頻開關電源電路結構

因此，如果想要用高壓直流替代UPS作為服務器的供電電源，需要關注以下方面：

1、交流輸入電壓范圍和直流輸入范圍，特別是直流輸入下最低工作電壓

2、啟動電流比較：交流和直流輸入下的啟動電流波形

3、整流橋后的電壓比較：220Vac下整流橋后電壓，以及270Vdc下的整流橋后電壓

4、流經(jīng)整流橋二極管的電流比較：220Vac下的整流橋二極管電流，以及270Vdc下的整流二極管電流波形

5、軟啟動電阻的風險分析：分別在220Vac和270Vdc下的軟啟動電阻兩端的波形

6、PFC二極管電壓電流、PFC母線電壓、母線電容的波形等

下面我們逐條分析。

2.1直流電壓范圍的確定

目前服務器為了兼容不同國家和地區(qū)的電網(wǎng)，輸入范圍可能在90~264Vac，因此，根據(jù)交流經(jīng)過整流后的平均值來計算，其直流電壓的輸入范圍可以為114~336Vdc。而通常高壓直流的輸出范圍在210~290Vdc之間，正常電壓為270Vdc，因此在服務器電源的欠壓保護電壓和過壓保護電壓的范圍內，可以保證服務器的正常工作。

2.2整流橋的電壓應力

從上面的圖1可以看到，在交流電的正半周，輸入電流流經(jīng)整流橋的D2和D4，二極管D1和D3承受反向電壓，反向電壓的最大值即等于交流電壓的峰值。如果按照交流額定電壓220Vac計算，此時D1和D3上承受的反向電壓最大值為；在交流電的負半周時，輸入電流流過D1和D3，二極管D2和D4上承受最高311V的電壓。而采用額定輸出270Vdc的高壓直流供電，那么整流橋上承受的反向電壓即等于服務器輸入的直流電壓270V。

圖2和圖3是采用交流和直流供電時，整流橋D1上的反向電壓和電感L3上的電流對比，從圖中可以看到，在交流230Vac和直流280Vdc輸入下，整流橋上二極管承受的反向電壓分別為323V和288V，高壓直流輸入下整流管可靠性更高。

圖2 通道3：Vin=220Vac D1反向電壓(100V/格)

圖3通道3：Vin=270Vdc D1反向電壓(100V/格)

2.3流經(jīng)整流橋二極管的電流

交流輸入的情況下，整流橋的每個二極管都只在半個周期內流過電流，在交流正半周時，電流流過二極管D2和D4；在交流負半周，電流流過D1和D3。假設采用一個通信電源的整流模塊來模擬服務器，整流模塊輸出53.5V/50A，輸入為220Vac時，假設模塊的效率為。那么根據(jù)，可以計算出交流輸入電流的有效值為

整流橋的峰值電流為

考慮40%的峰峰值紋波電流，那么流過整流橋的電流峰值為

整流橋上每個二極管的平均電流為

假設整流橋二極管的導通壓降為1.1V，那么每個二極管的損耗為

整流橋的總損耗為

如果同樣負載條件下采用270V的高壓直流供電，那么電流只會流過D2、D4(或者D1、D3)，其電流為11A，有效值比交流220Vac輸入下要小。

同樣考慮40%峰峰值紋波電流，直流輸入時整流橋的電流峰值為13.2A，遠小于交流輸入情況。

由于在直流輸入時，電流只流過半邊整流橋，因此，二極管的電流的平均值等于輸入電力平均值，假定二極管導通壓降仍為1.1V（實際根據(jù)二極管伏安特性曲線，高壓直流下電流減少壓降也會減少，那么導通壓降還要低于1.1V），整流橋的總損耗為

因此，對于270V直流輸入而言，整流橋二極管的電流不管是有效值、平均值還是峰值都要比220Vac下要小，能夠提高其可靠性。雖然直流下兩二極管的損耗增加了，但是整個整流橋的損耗仍是減小的，由于四個二極管在同一個封裝里共用同一個散熱片，那么在相同的散熱能力下，同樣能夠提高其工作可靠性。

圖4是交流輸入時二極管D2電流和D1的反向電壓在峰值處展開后的波形；圖5是直流輸入時二極管D2電流和D1的反向電壓在展開后的波形。從圖中可以看到，Vin=220Vac時，整流橋二極管最大電流為23.1A，而在直流下為14.3A，考慮測量誤差，該結果與理論分析基本吻合。

圖4 通道2：Vin=220Vac D2電流波形(10A/格)

圖5通道3：Vin=270Vdc D2電流波形(10A/格)

2.4 PFC二極管的電流

在PFC電路中，開關管S1關斷時，電感電流L3流過二極管D5，因此，只需要測量電感的電流即可以計算出二極管D5的電流大小，根據(jù)圖1，輸入電流經(jīng)過整流橋整流后即等于電感L3的電流，不同之處在于交流輸入時，輸入電流是一個正弦波，而電感電流的波形為饅頭波，其數(shù)值大小是一樣的。

因此，根據(jù)前面的計算電感L3電流峰值為

下圖中(a)為交流220Vac輸入時電感L3電流及二極管D5的反向電壓波形，(b)為為電感電流在波峰處的展開波形，從圖中可以看到，在S1開通時，電感電流上升，二極管D5截止，此時電感電流不流過D5，S1關斷時，電感電流下降，此時二極管導通，電感電流流過D5。

此時，流過二極管的平均電流可根據(jù)下式計算得到，其中Duty()為PFC電路中開關管的交流輸入不同瞬時值下的占空比

根據(jù)上式可以得到，在220Vac輸入時，整流模塊53.5V/50A輸出時，二極管D5的平均值為7.234A。

(a)

(b)

圖7 Vin=220Vac時，L3電流和D5反向電壓波形

同理，在直流輸入時，電感電流同樣等于整流二極管的電流，根據(jù)前面整流二極管電流的計算，電感電流的最大值為13.2A，因此，二極管D5的峰值電流要比交流輸入時小很多。圖8是直流輸入時候，電感L3電流和二極管D5反向電壓波形。

圖8 Vin=270Vdc時，L3電流和D5反向電壓波形

同樣可以計算直流270V輸入時候二極管D5上平均電流，此時電感電流是一個直流量，開關管占空比是一個常數(shù)，計算結果為7.15A。

從上面的數(shù)據(jù)來看，交、直流輸入時候PFC二極管D5的平均電流差異不大，而直流輸入時D5的峰值電流較小。

2.5 母線電容電壓和電流紋波

在交流輸入時，由于需要經(jīng)過整流二極管整流，整流過后的直流電壓會存在100Hz的低頻分量，雖然經(jīng)過PFC電容升壓，但并不能完全消除這個紋波，因此，母線電容電壓必然存在100Hz的紋波，這會增大流過母線電容的紋波電流，從而影響母線電容壽命；而在直流輸入時，電容上紋波電壓和紋波電流則不存在100Hz的低頻分量。下圖是實測結果：

(a)交流220Vac輸入

(b)直流270Vdc輸入

圖9交流