数据中心380Vdc中间电压转换架构催生新型保护方案问世

【导读】目前爆发性增长的数据中心对低功耗的需求日益突出，带动了分布式电源设计架构的新需求趋势，即中间电压从传统48Vdc变为380Vdc，而这一设计新趋势也推动了对新的过压过流保护器件的需求。

碎片化物联网应用市场必然伴随着云计算服务，因为很多终端应用有低功耗和低成本要求，而且往往不需要很强的计算能力和很大的本地存储容量。云计算的概念就是集合分散在全球的服务器计算和存储资源为全球各地用户提供可定制的实时计算和存储需要。

目前迅猛增长的云计算服务已经催生了越来愈多的刀片式服务器的需求，而且它们必须具备更强的计算能力和更高的能效。刀片式服务器是数据中心用于数据存储和处理的骨干设备，一个数据中心往往由几百甚至几千个刀片服务器构成。

随着越来越多的物联网终端设备需要把数据送到云端进行实时处理，数据中心市场目前呈现爆发性增长态势。在当前节能大环境下，如何把耗能大户数据中心的能耗降下来是目前业界普遍在重点努力的一个课题，其中关键的是如何进一步提高AC转DC电源转换效率。

AC转DC效率越高，产生的热量就越小，散热冷却系统消耗的功率就越低。这又从另外一个方面大幅降低了功耗，因为散热系统在数据中心里面也是一个很大的耗能所在。顺带地，系统可靠性也大幅有了提升。

因此，无论从哪方面看，提高数据中心AC转DC电源效率都是重中之重，因此近年来业界提出了好几种不同的分布式电源转换架构来解决这一问题。

今天数据中心广泛采用的典型分布式电源转换架构是：电网过来的13.2KVac通过第一级变压器转换成3相480Vac，然后再通过UPS中的AC-DC和DC-AC、以及一个电源分配单元（PDU）转换成208或120Vac（针对不同国家或地区），这一中间总线电压然后再通过服务器机柜里电源转换单元（PSU）中的AC-DC和DC-DC转换成12Vdc输出，该12Vdc即可用来直接驱动风扇散热，也可以通过DC-DC转换器变成3.3Vdc驱动计算板上处理器或其它电子元件。这种电源转换架构整体效率在50-60%。

图1：今天数据中心广泛采用的典型分布式电源转换架构

另外一种在电信系统中广泛采用的分布式电源转换架构是：3相480Vac直接通过PDU的AC-DC转换成48Vdc，然后再通过PSU的DC-DC转换成12Vdc和5Vdc输出，12Vdc用于驱动风扇，5Vdc再通过DC-DC转换器变成3.3V驱动处理器或其它电子元件。

图2：电信系统中广泛采用的分布式电源转换架构

目前市场上比较流行的一种全新的分布式电源转换架构是，3相480Vac直接通过UPS中的AC-DC和PDU转换成380Vdc，380Vdc再通过HVDC总线送到计算系统、照明系统、冷却系统等的输入端，然后再通过各个分系统PSU中的DC-DC转换成12Vdc或其它输出，12Vdc既用于驱动风扇，也可再通过DC-DC转换器变成3.3V或1.8V驱动处理器或其它电子元件。

图3：目前市场上比较流行的一种全新的分布式电源转换架构

通过大幅提高中间直流电压，即从当前电信电源转换架构传统的48Vdc提高到380Vdc，不仅大幅提高了AC转DC电源转换效率，而且也大幅降低了传输相同功率所需的电流，从而有效实现了大幅度的功耗降低。

目前支持这一全新数据中心电源转换架构的组织有：EMerge Alliance、European TelecommunicaTIons Standards InsTItute（ETSI）、InternaTIonal Electrotechnical Commission（IEC）、NFPA70：NaTIonal Electrical Code（NEC）、Electric Power Research Institute（EPRI）、Lawrence Berkeley National Lab（LBNL）。

如果从UPS+PDU+PSU+VR+风扇的整体电源转换效率来看，传统方案只能达到48%，第二种48Vdc中间电压方案可以达到72%，第三种方案可以达到最高的76%。

图4：三种数据中心电源转换架构的效率对比

力特（Littelfuse）高级应用技术工程师李晓辉（Steven Li）说："数据中心市场近些年一直在快速增长，可以讲是爆发式的增长。不管是响应政府节能呼求，还是为了降低运营成本和提高系统可靠性，380Vdc中间电压电源转换架构正在形成一个新的设计大趋势。当然，它同时也催生了针对380Vdc的过流保护器件需求。"

380Vdc至少有5大明显的好处，1）转换次数少了，系统可靠性可以提升；2）更少的电源转换次数，更高的转换效率，可以降低对冷却散热系统的要求；3）设备成本更低了，因为更高的电压和更低的电流可以采用更细的铜钱，而且不再需要AC功率因数校正或谐波补偿；4）更容易和太阳能发电系统集成；5）更容易与电动车的能量储存系统集成。

李晓辉指出："380Vdc中间总线电压电源转换架构最终将