IDC机房设备采用高压直流供电可行性探讨
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论文 IDC机房设备采用高压直流供电可行性探讨
摘要：本文叙述了IDC机房设备采用高压直流供电，替代传统
UPS供电凸现出来的优势：既提升了供电的可靠性，又能大幅提高供
电效率，成本节约明显。
关键词：高压直流、节能、安全、可靠。
引言:随着互联网的大规模普及运用，网络视听、电子商务、电子
信息等依托基础网络的业务大力拓展，其市场业务份额大幅提高，而
目前网络业务的发展在全球仍然是朝阳产业，未来数年IDC业务还将
得到持续高速发展，IT业还将新增大量的服务器投入运行；高压直流
供电以其高可靠性，超低运营成本的优势取代传统UPS供电已是不可
逆转的趋势。
1、UPS供电现状的弊端
1.1工作效率低能耗高
目前全国的IDC机房供电基本上均采用UPS供电方式，UPS供
电又分为单机供电、1+1并联供电、N+1并联供电以及双母线供电方
式；无论供电方式如何变化，它们都是以UPS为基础的组合性变化，
UPS供电的本质没有变化；由于UPS自身组成的性质决定：输入级
有滤波电感和滤波电容，输出级又有逆变器、输出隔离变压器；电流
电压变换要经过交流变直流，直流再变为交流的两级变换过程，因此
工作效率非常的低，经实际测试在60%-70%之间；由于IDC中心一
般都规模较大，用电量惊人，因而提高供电效率，节省成本支出，也
是当前的重要命题。 论文 1.2设备利用率低，资源浪费严重
UPS供电设备利用率低，以目前最常用的1+1并联供电方式为
例：此种供电方式要求整个供电系统提供的安全供电能力不超过单台
UPS额定容量的70%，正常工作时两台UPS负荷均担，即每台UPS
工作在额定容量的35%，如果不出现单台UPS故障或者单台UPS
进行检修，UPS系统在其整个运行寿命中，每台UPS是长期工作在
额定容量35%以下的状态，而根据我们调查：实际使用中的UPS大
多运行在额定负荷的20%-30%之间，导致花大量资金购买的设备处
于闲置状态。
1.3 供电安全存在弊端
大型UPS的输入均采用三相交流市电，为了保障供电安全重要
场合UPS很少有单机工作方式，并机冗余工作方式最为常见，两台
以上UPS并联工作时，既要保证多台UPS都跟踪市电的相位、频率、
幅值保持一致，同时还要求多台UPS之间的相位、频率、幅值也相
互跟踪、同步，而这些参数是不断变化的，所以UPS只有不断的调
整输出参数才能保障同步运行。实际工作中，随着市电的不断变化，
以及电子元器件参数的变化，尤其是电子器件的零点漂移，往往在切
换供电时造成中断，这种中断会给IDC中心的设备运行带来了巨大的
影响和损失。
并机冗余工作方式的另一个重要结构特点是：并联中的所有UPS
输出端均是以实线连接在一起的，若其中的一台出现故障或由于输出
端短路引发故障，将直接影响系统中的所有UPS正常运行，单点引
发的故障及易造成系统供电中断。 论文 1.4更新、扩容、维护难度大
目前很多在网运行的UPS已经逾龄或接近逾龄，按照现在并机工
作的模式及供电结构，必须中断通信业务方能进行设备更新，这必将
给通信生产带来极大的影响；在网运行的UPS扩容也同样困难多风
险大，因为扩容涉及到电源的频率、相序、相位、振幅等诸多复杂问
题，而且系统调测时还要求将负载转换到旁路供电，这期间随时可能
发生掉电的灾难；流供电系统只需要关注电压幅值一个参数，相比
UPS安全很多。
2、高压直流供电
2.1服务器电源模块的特点
IDC机房设备已服务器为主，现在生产的每一只服务器自身都有两个
以上的电源模块，模块之间主备用关系，正常工作时两个电源模块负
载均担，当一只模块出现故障或检修时，另一只模块承担全部负荷；
每一只电源模块基本工作原理如下图：
交流输入 直流输出
图1：服务器电源模块工作原理示意图
从图1我们可以看出，电源模块的核心是DC/DC(直流变换)部分,
我们只要能给DC/DC提供一个适合的直流电源即可保障电源模块的
正常工作，没有必要一定输入交流电源，若不用输入交流电源，UPS
也就可以不用，这样由于使用UPS而带来的种种不利因素也就不存
在。 整流 DC/DC 论文 直流供电的设想是将一定电压范围的直流电源，直接从原来交流
UPS输入端输入，对服务器电源模块不进行任何改造，这样就需要对
电源模块能否满足直流供电的要求进行论证。
2.2高压直流供电的单管供电问题
图2： 服务器电源模块整流部分工作示意图
服务器采用高压直流供电后，其基本整流电路“桥式整流”，将由
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，单边长时间导通整流管工作电流、整流管发热量能否满足
要求，是顺利实现高压直流供电的关键参数。
工作电流
服务器开启后，运行功率是恒等的；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260V，相当于电
压提高了30%，则工作电流相应下降30%，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
我们知道发热量Q=I*I*R*T,当通过整流管的电流一定时，其发热
量与电阻成正比，通过二极管的伏安特性（见图3）我们得知：在
截 论文 止区电阻要区域；饱和区电阻最小，发热量最小；交流供电时每个二
极管每秒钟有50次的导通，都要经过线性区，发热量较大；而直流
供电时二极管始终工作在饱和区，因此高压直流供电时比交流供电时
在二极管上产生的热量小很多。
图3 ： 二极管伏安特性
2.3电源模块中整流器件参数分析
小功率设备如：PC机，交换机等实测运行功率都小于100W，
用260V直流供电时，通过的电流小于0.4A,而这类设备所配备的整
流器件额定电流都不小于1A.
中功率设备：一般是指常用的1U服务器，此类设备常配置350W
电源模块，交流供电时实际运行电流1A左右，直流260V供电时运
行电流更小，电源模块内部配置的整流器件额定电流一般不小于5A。
较大功率设备：小型机及其磁盘阵列等一般配置750W-1000W
电源模块，交流供电时实际运行电流小于2.5-3.5A之间,这类设备配
备的电源模块整流器件额定电流不小于10A；更大功率的设备一般采
用增加电源模块数量的方式满足供电要求，单体电源模块的功率不再
增加。 论文 通过以上多方位、多角度的分析，采用高压直流供电替代UPS
交流供电是可行的。
3、高压直流供电的优点
3.1 供电可靠性大幅提高
供电安全性提高是采用直流供电最大的优点之一，主要体现在：
一是蓄电池组与负载直接并联，遇到停电或设备故障时蓄电池直接给
负载提供电能，确保供电的不间断。二是直流供电只有电压幅值一个
参数，各个开关电源模块之间不存在相位、频率、相序同步的问题，
系统结构简单可靠性大幅提高。
3.2工作效率大幅提高
从结构上讲直流供电相比较UPS供电，少了逆变器和输出隔离
变压器两个环节，工作效率至少提高10%；由于直流供电系统是模块
化结构，单个模块可随时投入或退出运行，实际负载率可控制在高效
运行区域，效率进一步得到提升；而实际测试显示UPS负载率35%
时，效率为65%左右，负载率低于此数时效率更低，目前多数UPS
实际负载率均低于此值；采用直流供电设备工作效率约在90%-95%，
比UPS供电节约电能至少25%，可为企业节约大量资金，且符合我
国目前大力倡导的低碳经济发展方向。
3.3 消除谐波污染
UPS整流部分，根据电路结构目前常用的有6脉冲和12脉冲两
种，无论哪一种均产生大量的谐波污染，当谐波分量超过10%时就需
要投入资金进行治理，否则将会对公共电网以及本网通信设备造成严
重负面影响；而直流供电不存在谐波污染，解决了上述问题。 论文 高压直流供电扩容方便，不存在“零地”电压以及其它不明干扰，
也是它的明显优势。
4、实际节电和投资成本
在中国电信部分省份都有很多成功将交流UPS供电改造为高压
直流供电的实例，改造后经实测节约电能平均在35%-60%之间，节
电效果非常明显。
由于高压直流供电系统的核心是高频开关电源模块，模块生产技
术经过20年的发展已非常成熟，模块间的控制不用考虑同步、相位
等因素，生产工艺简单，因此高压直流一次性建设成本低于传统UPS
供电系统。
5、结束语
通过全文的分析，我们可以看到高压直流供电与传统的UPS供
电方式比较有优势明显：尤其是高效和安全两方面的优势更为突出，
希望通过本文能够唤起更多业内人士的关注，使高压直流供电这一新
兴技术在通信领域得到更多的运用，通过用量的增加，也促使全球主
要服务器提供商尽快将服务器的直流电源模块作为其标准配置，以变
更好的服务于通信市场。
中国联合网络通信有限公司
