数据中心机房高压直流供电技术研究

数据中心机房高压直流供电技术研究

中国电信股份有限公司广州研究院 孙文波 侯福平 赖世能

摘要：本文分析了现有IDC机房采用交流供电方式所存在的问题，并提出了采用直流供电方式的可行性。在详细分析了直流供电电压的选择以及直流供电的优点和一些可能存在的问题的同时，结合实际情况，对高压直流供电系统的设计提出了相关建议。

关键词：交流直流供电IDC 电压

1 概述

近年来由于web2.0、P2P、网络视频业务的兴起和大量风险资金的注入，使得IDC业务有了很大的提升，其市场规模也随之增长。根据中国IT实验室、《中国计算机报》和互联网观察中心发布的《中国IDC产业发展研究报告》显示，2006年我国IDC市场规模达到了23.1亿元。随着短信、语音、网络视频等多网融合的应用，以及电子商务的日益火爆，2007年中国的IDC市场规模已经达到了36亿元。据互联网观察中心预测，2010年，中国IDC市场规模预计将达到100亿元。现在国内已经出现的大型IDC 园区里，运行着数千台服务器，耗电功率更是达到了上千kW，如何安全可靠的为IDC机房设备供电已经成为IDC产业进一步发展的重要难点。

2 IDC供电现状

2.1 现有供电方式

当前，一般的IDC服务器设备要求交流电源输入，即220V，50Hz的单相交流电源。IDC机房的服务器、路由器、磁盘阵列等网络设备的电源系统我们称之为交流UPS系统。交流UPS系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。在市电正常时，市电交流电源经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为50Hz交流电供给负载。在停电时，蓄电池放出电能，通过逆变器变换为交流电，供给负载。为了提高设备供电的可靠性，通常采取了多台UPS冗余并机的方式，如1＋1系统。根据客户的重要性，一般分为两种供电方式，一种是单套（N+1）UPS系统，这种供电方式比较普遍，广泛用于各种数据中心机房，但供电回路中存在单点故障点，安全可靠性无法提高。另一种是两套（N＋1）UPS系统并联冗余供电系统，这种供电方式安全可靠性非常高，适用于一些高端客户，但前提是服务器必须具有两个电源，可以两路输入。

2.2 存在问题

2.2.1 交流UPS供电的缺点

因为交流电的电压方向、幅值每时每刻都在发生变化，当采用多台UPS并机输出时，就必须保证并机的每台机输出的相位、频率、幅值相同。在需要切旁路时，为了保障不间断供电，就必须保持对市电的相位、频率、幅值的跟踪和同步，当市电发生大范围变化时，其各种参数总会在一定范围内波动，因

此UPS系统也在不断的调整输出参数。这种设计在理论上没有问题，但在实际中，随着市电的不断变化，以及电子元器件的老化，尤其是采集模块的零点漂移，往往就会在切换时造成中断。这种中断在以往的案例中屡见不鲜，给数据中心的设备运行带来了巨大的影响。

2.2.2 交流UPS电源资源的浪费

由于并机的复杂性，尽管众多厂家声称可多台并机，有的甚至可以达到8台。但在实际投产中，UPS 并机系统并机的台数都不会太多，一般1＋1或者2＋1，也就是2～3台。而为了保持系统的冗余，在一台机器出现故障时系统依然能够供电，这就要使得每台UPS在平时的负荷率保持很低的水平，如对于一套UPS（1＋1）系统为50％，2＋1系统为66％，如果再考虑到负荷的可能突变，同时减少设备的故障率，这时系统就必须要保持一定的裕度，按系统80％的容量计算，实际上每台UPS的负荷率只有40％～55%左右。而为了提高供电可靠性采用的两套（N＋1）UPS系统，每台UPS的负荷率就更低了，以两套1＋1系统为例，为了保证冗余，实际每台的平时最大负荷率只有20％～25％。

2.2.3 安全供电存在单点故障瓶颈

因为UPS输出的是交流电，而作为备用蓄能的蓄电池，输出的是直流电，因此，UPS系统的蓄电池电能不能直接供给负载，必须通过逆变模块输出。这样，供电的持续性就取决于UPS系统的稳定性，如果逆变模块损坏，即使蓄电池有充足的电量，也不能供电给负载。

当然，对于传统电信专用设备，我们一直采用直流48V开关电源供电，多年来的运行经验表明，直流开关电源供电的可靠性确实比交流UPS供电高很多，因此采用直流电源为服务器供电也是大家放心的选择。可是直接采用传统电信设备用48V直流电源为大型IDC机房供电，存在功率、电流受到限制的不足，仍然无法解决IDC机房安全供电问题，因此人们开始考虑采用220V以上的高压直流电源为大型IDC 机房供电的可行性。

3 高压直流供电

如果要在大型IDC机房采用高压直流供电，首先要考虑现行的服务器是否能够输入直流电压，以及理想的直流电压幅值的多少。

基本原理

现在IDC机房的服务器内部一般使用高频开关电源，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下图。

图1 服务器电源基本工作原理图

将上图简化，如图二，实际上在交流输入的时候，在正半周，电流的走向是从A —>2—>C —>D —>4—>B ，在负半周的时候，电流的走向是从B —>3—>C —>D —>1—>A ，整流管1、3和2、4轮流导通。理论计算，i U 29.0U O =，因此，标称是220V 交流输入（即U i ＝220）的设备，在CD 输出的直流电压Uo ≈280V 。

一般服务器的电源输入电压要求是220V ±10％，即198V ～242V ，因此，Uo 的值的范围是252V ～308V 。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，电压范围是可以高于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。如图三，这样，电压从AB 端直接传到CD 端。若不考虑整流管的自身损耗，则U i ≈U o

图2 服务器电源工作原理简图

图3 服务器电源直流供电简图 3.1 直流电压的确定

3.1.1 工作电压对整流管发热的影响

在交流输入时，作为整流的四只二极管可以在一个周期内轮流导通一次，而在直流输入时，只有两只二极管长期导通，这样，二极管的发热量大大增加，因此，如果要采用直流电压，输入电压就不能太低，电压大约计算如下：

根据功率恒定

直直交交＝I U I U •••9.0―――――――式 1