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从数据中心扩展到办公楼和家庭。未来，从电网过来的13.8KVac交流电压将通过IUT（智能通用变压器）转换成380Vdc，再通过一个消费者入口连接到太阳能屋顶面板、家庭娱乐系统、家用办公系统、针对便携式设备的感性充电板、垃圾门开启装置、混合动力汽车、家庭能量储存站、逆变器驱动HVAC单元、以及逆变器驱动家用洗衣机组。”

图5：380Vdc中间电源架构的最终目标应用市场

数据中心里的任何设备必须保证在闪电雷击天气正常工作，这就需要对雷击浪涌做过压过流保护。因为通常来说雷击不单单只是过压，它还有一个能量。如果雷击的能量过大，就有可能把TVS、MOV或GDT这些过压保护器件打坏。由于这些过压保护器件的失效模式有可能是短路，因此这种短路会对后面的服务器等设备造成非常危险的伤害，这就要求数据中心设备必须做过流保护。

力特今天已经有了针对400Vdc耐压的477系列保险丝（0.5-16A）、450Vdc耐压的808系列（2-5A）和977系列保险丝（0.5-16A）、以及500Vdc耐压的505系列保险丝（10-30A），但这些保险丝针对380Vdc这一新兴的应用来说性价比并不是最高的。

李晓辉说：“为了帮助客户进一步提高新兴的380Vdc应用过流保护方案性价比，力特特别开发了耐压420Vdc或420Vac的487系列快断型保险丝。考虑到电网通常由15-20%的波动，400Vdc耐压的477系列保险丝还是存在一定危险性，而420Vdc耐压的487系列保险丝足可抵抗20%的电网波动。当然，为了更安全考虑，您可可以考虑直接选用现有的450Vdc耐压的977系列保险丝，但977系列是慢断型保险丝，对于需要快速响应速度的直流脉冲电流冲击来说它可能并不是很理想的选择。”

当然，为了扩大487系列保险丝的应用面，它也可以应用在380Vac输入端。李晓辉指出：“力特作为一个拥有90多年历史的专业电路保护器件供应商，我们有能力根据市场最新的设计趋势为客户提供最优的过流过压保护方案。”

最后，值得一提的是，今天的力特也在与时俱进，它不再仅仅满足于做一家专业的过流过压保护器件供应商，它同时还在尝试向感应和功率控制领域进军。