数据中心(Data Center)供电解决方案分享-电路方案

前言: Vicor公司设计、制造和销售模块化功率元件，这些电源转换解决方案产品广泛应用于航空航天、高性能计算机、工业设备和自动化、电信、网络基础设施，以及车辆和运输领域。近年来云计算、大数据、社交、移动等热点不断冲击和影响着服务器市场，全球服务器市场也因此呈现出持续增长的态势。据Gartner数据显示，2014年全球服务器出货量同比虽增长，但势头缓慢。除了亚太和北美市场外，中国服务器市场成为全球出货量增长的源动力。2015年，IDC行业发生了深刻的变化，传统IDC企业逐步在向云计算转型，金融、电信、能源等信息化程度较高的重点行业对数据中心服务的更新改造需求，互联网、生物、动漫等新兴行业对数据中心的外包需求以及云计算带来的巨大市场机遇，将推动中国IDC业务市场不断扩大。我国出现数千台服务器数据中心机房，运行功率为数十兆瓦或更高（天河2号高达24兆瓦），而如何可靠安全地为这些数据中心的IDC设备供电时限制IDC设备发展的一个难点。IBM、Google、Facebook等公司在这些做了先行的研究并成功商业化。 电网电压提供的是交流380V/220V，50Hz，而IT设备逻辑电路用的是直流低电压，这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备自然是完成两种制式电压的转换。在20世纪70年代，由于功率半导体器件性能的进步，开关电源技术界开始了一场“20kHz的革命”，到90年代，计算机机内电源基本上都使用了无输入变压器的高频开关电源，计算机设备是可以由高压交流市电(无需降压)直接供电的，当然也是可以直接用高压直流供电的。在AC-DC系统拓扑中，都在改进配电效率但局限于系统局部性能的优化，无法实现整体规模的显著改善，很难超过几个百分点。据法国电信和中国移动的研究成果，用直流配电可以提高整机效率8%到10%。 我们来了解交流供电和直流供电（48V中间总线）。交流供电是传统的变压器输入方法。需要交流UPS的AC-DC转换和DC-AC逆变转换两个步骤。系统中多了2级转换的两个谐波源——负载侧AC/DC变换器输入和和UPS输出的DC/AC逆变输出，降低的能源使用效率，同时故障级点的增加来更高的维护成本。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率，对零、地线系统提出苛刻的要求等。而直流系统免去交流UPS环节，直接用电池备份方案起源于上世纪90年代，省去交流系统的UPS逆变②和③。整机的可靠性可以提高约10%。降低设备的生产成本和维护成本。而效率可以得到提高。48V的直流系统供电成功用于电信级产品。在电信机房中，我们通过交流整流柜实现AC到48V的直流转换，与48V备用电池结合为为48V中间总线给DC-DC供电。48V产生12V总线为板上负载点供电，如处理器、专用网络处理器、内存、以及核心交换ASIC芯片等供电。 图1. 高压直流供电， 即将交流整流成为380V直流与336V电池直接结合形成高压直流总线， 将大大降低在机房总线布线的铜损，机房布线380V总线相对48V总线电压升高8倍， 损耗降低 82 即64倍.高压直流电压380V分布整个设施，在本地负载点实现DC/DC转换。 还可以利用风能、太阳能等再生能源形成微电网给给整个设施供电。同时有效地降低单一电网供电保障难题。 图2. 在现行电路中，绝大多数的负载工作在12V 以下的电压下， 如硬盘马达驱动为12V，SSD为5V/3.3V，DDR工作在1.2V， CPU的核电压1.8V等。转换系统所面临的挑战都是有关高效而可靠的产生低压/大电流。HVDC也能满足这一条件， 用一个BCM :registered: 总线转换器， 通过变比K为1/8或1/23的转换产生 380V 到47.5V或11.875V 总线。 Vicor 的BCM总线转换器是一个正弦波振幅转换器（Sine Amplitude Converter TM， 即 SACTM），是一个零电压/零电流开关拓扑的架构，是一个隔离非稳压的DC-DC转换器。 除了输入/输出是直流电压，SAC像一个具有固定输入/输出电压比的交流变压器。SAC可以说实现98%的转换效率，同时由于SAC的软开关技术，开关频率超过了1MHz， 再实现如此高的效率的转换之外还可以在一个ChiP（Converter Housed inPackage）6123 (63.34 mm x 22.80 mm x 7.26 mm)封装中实现K=1/8即400V到50V 1750瓦的转换,功率密度高达3000瓦/立方英寸。 图3. BCM 转换器功率转换架构 根据ETSI规范，336V备份电池正常的工作范围260V-410V， 当AC-DC失电情况下，备用电池总线电压因为放电而下降最低有可能为260V/8 即32V， 我们需要在ETSI定义的满量程电压范围内提供