前言:
電信或數(shù)據(jù)中心巨大的耗電量已迫使業(yè)界需要實行高壓直流配電來改善效率,捉高運作效益。國際訂立的直流標(biāo)準(zhǔn)是380VDC,其多樣的好處已有很多文獻(xiàn)闡述過了。高莊配電的數(shù)據(jù)中心現(xiàn)在已在全球各地實行起來了,可預(yù)期未來會越益普遍。電信設(shè)備設(shè)計在高壓配電的場合運行,需將高壓直流轉(zhuǎn)換到低壓48V或12V,再由下游的負(fù)載點轉(zhuǎn)換功能,輸出穩(wěn)壓的1V,3.3V, 5V等電壓,供電給處理器,記憶體等所需的電力。這些設(shè)備安裝大量的功能單板以至運作功率強(qiáng)大,每臺設(shè)備動輒涉及數(shù)千瓦的電力傳輸。那么目前到底有沒有高效的功率元件,適合甚或促使業(yè)界設(shè)計這些新設(shè)備呢?功率元件要有怎樣的特性,才算是理想呢?是體積小,功率高,即高功密,高效率吧;還有什么呢?低噪聲, 高可靠,易安裝,應(yīng)用簡一當(dāng)然; 是這些了罷,還想到什么?價格,貨期,服務(wù)…?怎樣才算高效率,DC一DC轉(zhuǎn)換器幾十年前80%效率已算高,目前已普遍做到90%,但這對于高功率的電信設(shè)備,還是不夠的; 先說一說這個題外話,一個高密度高功率穩(wěn)壓隔離DC一DC轉(zhuǎn)換器效率在92一95%已是相當(dāng)理想,大家或許知道96%也能做到,但這是必然需犧牲了體積的,效率和體積很多時候是互相取舍的,原因是若要細(xì)小體積,就需高頻開關(guān),才可縮小使用的磁件,電容;而高頻開關(guān)就要克服開關(guān)損耗,其正比于頻率,平衡點大概就是得到約93%的效率而同時又得到體積細(xì)小的器件,這或許是目前最佳的取舍了。言歸正傳,本文要說明的是目前已有效率高達(dá)98%,功率達(dá)1.8 kW而體積只約61x23x7.3mm (見圖1) 的高壓隔離母線轉(zhuǎn)換器,極為適合高壓配電設(shè)備的設(shè)計應(yīng)用。其還可直接并聯(lián)擴(kuò)展功率到數(shù)十千瓦。以下進(jìn)一步說明這種器件的本質(zhì)及其在高壓配電設(shè)備應(yīng)用的情況。慢著,剛才提到93%的效率是全功能轉(zhuǎn)換器的體積效率最佳取舍,現(xiàn)又說這個細(xì)小的母線轉(zhuǎn)換器已是98%,是否予盾?答曰無矛盾。理由是電信設(shè)備從380V隔離降壓到48V或12V,并不需要精準(zhǔn),緊密的穩(wěn)壓輸出,因此不需要帶有閉環(huán)控制回路的高穩(wěn)壓率DC一DC轉(zhuǎn)換器,而所說的母線轉(zhuǎn)換器是個開環(huán)的固定變比器件,其實就是真正的變壓器,是能夠在直流操作的變壓器,本質(zhì)上能夠雙向傳輸功率的。其使用特殊的諧振零電壓零電流開關(guān)方式,名為正弦振幅轉(zhuǎn)換(SAC),效率極高,噪聲低,在高壓配電應(yīng)用場合是最適合不過了。
正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC)
我們知道諧振式軟開關(guān),對比于硬開關(guān)可大大降低開關(guān)損耗而提升效率,其主因是使開關(guān)管(主要是埸效管)開關(guān)在零電流或零電壓狀態(tài),其產(chǎn)生的開關(guān)電壓或電流波型就像個準(zhǔn)正弦波,諧波從而減低,噪聲因而較小。SAC轉(zhuǎn)換拓?fù)湓谶@方面初看有相似的地方,但細(xì)看不如說它的操作是完全的截然不同。SAC是基于串聯(lián)變壓器的諧振拓?fù)?,有別于ZVS/ZCS準(zhǔn)諧振器。SAC在固定頻率操作,該頻率等于初側(cè)端諧振電路的自然振盪頻率;在初側(cè)端的場效管被鎖定在此自然振盪頻率并在過零瞬間開關(guān),消除開關(guān)功耗及大大降低高階噪聲諧波。在初側(cè)端諧振電路的電流或電壓是純正弦的,不是方波,也不是其它諧振器的準(zhǔn)正弦波,這也大大降低諧波而得出更低的輸出噪聲頻譜,見圖2。
SAC是能夠同時在零電壓及零電流開關(guān)場效管的,開關(guān)損耗極低而能工作在數(shù)個MHz的高頻,容許使用細(xì)小變莊器磁件,從而提升功率密度及效率。 Vicor的高壓母線轉(zhuǎn)換器 (HVBCM) 就是SAC的其中一員,具固定的數(shù)個MHz操作頻率,不依負(fù)載變化。SAC對副側(cè)負(fù)載增加的響應(yīng)是增強(qiáng)在諧振電路正弦波的振幅,也就增強(qiáng)了能量的傳遞,藕合到副邊、負(fù)載。當(dāng)負(fù)載降低,正弦幅度下降,負(fù)載為零時,其趨向零。
圖1: 高壓隔離母線轉(zhuǎn)換器 (HVBCM) 外觀圖
圖2: 正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC)
HVBCM 在高壓配電電信設(shè)備的應(yīng)用方式
如是新建的電信設(shè)備,要在高壓配電的場所運作,大可革命性創(chuàng)新設(shè)計,直接利用高莊直流為分布功率的源頭母線,即設(shè)備機(jī)柜的背板電壓就取自場所內(nèi)供應(yīng)的高壓直流電壓,機(jī)柜內(nèi)的每個單板就直接置放HVBCM,把高壓降到安全低莊如48V, 12V,再由負(fù)載點轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)壓多路輸出到所需負(fù)載如處理器,記憶體等,見圖3。如此的在高壓直接分布電力,完全消除了低壓分布的超大電流困難。例如一個5kW的設(shè)備在12V分布電力意味母線導(dǎo)體要導(dǎo)電417A電流,而在380V分布則只是13A。在417A電流,每1m歐阻抗就損耗174W,根本是不可克服的困難。
圖 3: 設(shè)備單板在高壓分布電力
電信設(shè)備生產(chǎn)商或會有個疑問,電信發(fā)展已有多年歷史,設(shè)備生產(chǎn)商已有大量低壓運作良好的單板,而且正在各場所良好運作,發(fā)揮其功能。如要生產(chǎn)適合在高壓配電場所運作的新設(shè)備,是否就要拋棄這些低壓單板,重新設(shè)計新的單板?是的,電信生產(chǎn)商有大量舊有但又仍然運作且能滿足要求的單板,而同時又要快速生產(chǎn)出高壓配電適用的機(jī)柜設(shè)備,怎辦?我們會看到,使用HVBCM也能照顧到這種情況,促使快速推出新設(shè)備而又可沿用本身已證明可靠的低壓運作單板。讓我們通過以下例子說明。
設(shè)現(xiàn)已有大量48V輸入的良好單板,要把它們組合出高壓配電適用的設(shè)備,那么,設(shè)計的機(jī)柜當(dāng)然要有48V的背板, 讓這些單板取電。然而場所內(nèi)的供電源是380VDC,那么機(jī)箱的設(shè)計只需附加上安裝HVBCM的功率板,接受380V輸入,提供48V電力到背板就可,見圖4。
圖4: 設(shè)備改進(jìn)使舊有低壓單板可在高莊場合運作
應(yīng)用HVBCM把380V轉(zhuǎn)到48V的電路非常簡單, 見圖 5。 使用兩個HVBCM并聯(lián)已組成出48V,3600W峰功率的功率板,這些功率板還能直接并聯(lián),擴(kuò)大傳送到48V背板的電力,如此就建構(gòu)出高壓配電場合適用的大功率設(shè)備。
圖5: HVBCM并聯(lián)典型應(yīng)用圖
注意:附件原理圖以及PCB僅供參考,不可用作商業(yè)用途!
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