高压直流电源在IDC机房环境的工作原理及应用初探

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
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
图3 交直流供电图
（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
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：A—2—C—D—4—B；在负
半周的时候，电流
C—D—1—A，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220V±10％，即198V～242V，因此
图4 交流配电结构图5 机架直流配电结构图6 设备直流配电结构
图7 计算机设备的高频开关电源的基本工作原理图8 整流电路图
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，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 =I 2*R *T ，当通过时，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，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
U F
业标准《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，节能效果很明显。

目前电信全国在网的240V 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
图10 中国电信240V 直流系统图
杜娟：硕士毕业于华中科技大学，现任职于中国移动通信集团广东有限公司，从事集采产品供应商管理和研究工作。

作者简介
240V 供电技在中国移动的进展
中国移动的336V直流系统中国移动于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。

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。

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图11 中国移动的336V 直流系统
高压直流电源在IDC机房环境的工作原理及应用初探
作者：杜娟
作者单位：中国移动通信集团广东有限公司,广东 广州,510623
刊名：
移动通信
英文刊名：Mobile Communications
年，卷(期)：2014(13)
引用本文格式：杜娟高压直流电源在IDC机房环境的工作原理及应用初探[期刊论文]-移动通信 2014(13)。