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直流電源濾波知識

作者:本站 發布時間:2019-10-16點擊:1253次

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距IT設備240V高壓直流供電標準的誕生已過三年。現如今,某些電信運營商和一些大型互聯網公司,已經有數目可觀的IT設備、IDC機房、核心網絡和業務平臺采用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?

節能!依據電信運營商的運行數據結果統計,用高壓直流替代傳統的交流UPS供電,在UPS整個生命周期內平均節能大于20%;從新建系統統計數據分析,高壓直流系統替代傳統的交流UPS系統,平均節約投資大于40%。可靠!由于高壓直流系統結構比UPS系統簡單,而且采用了電池直掛輸出母線,在進一步提高系統可靠性的同時,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境。簡單!從“通信電源系統”和“電力操作電源系統”衍生出來的模塊化高壓直流系統,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、互聯網公司和設備制造商的高度關注。真實!從實際運行數據上看,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,加上節能休眠管理,大大提高系統整體效率

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,也分散到網絡設備群中布置

6、現場更換故障電源模塊簡易,一線運維人員即可操作

但是,現有的服務器等IT設備多數采用交流220Vac供電,尚無IT設備廠商明確表態支持直流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有的服務器而不對服務器的可靠性產生影響呢?這是運營商和IDC運營企業關注的首要問題,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據通信業務,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、功率因數高、諧波小。

交流服務器電源通常采用一個PFC電路將交流經過整流橋整流后的直流電壓升壓到400V左右的高壓,再經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。

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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的電網,輸入范圍可能在90~264Vac,因此,根據交流經過整流后的平均值3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4;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。

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圖2 通道3:Vin=220Vac  D1反向電壓(100V/格)   

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圖3通道3:Vin=270Vdc  D1反向電壓(100V/格)

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