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直流电源滤波知识

作者:未知 发布时间:2019-10-16点击:

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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)