[发明专利]一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统

说明书

技术领域

本发明涉及通信电源技术领域，尤其涉及一种柔性充放电管理整流模块、管理树装置及系统。

背景技术

在我国，信息技术(Information Technology，简称IT)设备一直采用不间断电源(uninterrupted power supply，简称UPS)电源系统供电方式。但近年来，随着计算机网络的迅速普及和数据业务的快速发展，特别是互联网数据中心(Internet Data Center，简称IDC)业务的快速发展，传统的UPS供电模式的可靠性、安全性及高耗能等方面凸现的问题越来越多。

采用高压直流供电系统向IT设备供电，以低投资、高可靠性、低运营成本的优势成为IDC机房一种新的供电模式。

下面分别从传统机房的供电现状、高压直流供电方案的可行性和实际应用案例这三个方面对通信电源的现有技术进行说明。

一、传统机房的供电现状

1、传统的UPS供电方案

在传统的IDC机房中，服务器设备一般采用交流电源输入，电压为220V，50Hz或者110V，50HZ的单相交流电源，因此IDC机房一般采用交流UPS供电方案。UPS供电系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。

在市电正常时，市电交流电源经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为50Hz交流电供给负载。在停电时，蓄电池放出电能，通过逆变器变换为交流电，供给负载。UPS供电系统的基本结构如图1所示。

在图1中，UPS供电系统包括依次连接在交流电源输入端与负载之间的整流器、逆变器和静态开关K2，连接在交流电源输入端与负载之间的UPS旁路开关K1，以及连接至整流器与逆变器的公共端的电池E(如蓄电池)。

为了提高设备供电的可靠性，通常采取多台UPS冗余并机的方式，即N+1系统，N为自然数。对于一些重要的双电源负载，采用两套(N+1)UPS系统并联组成双系统双总线冗余供电方案，这种供电方案安全可靠性相当高。

2、UPS供电系统的缺点

(1)负载率低，设备利用率不高。

为了提高可靠性，多机并联，负载率低，使得设备的实际使用率低下，例如1+1冗余的UPS最大负载率也不过是50％，同时低负载率也带来了低效率。

(2)系统存在单点故障瓶颈。

从图1可直观的看出，电池、逆变器、负载为串联关系，任意一点的单点故障都会带来系统断电的风险设备维护时间长；由于不是模块化组装，维护还处于电路板、元器件的水平，造成维护时间长。

(3)电池管理能力差，后备电池寿命短。

UPS的核心部分是逆变器，其充电器是辅助部分，因此在充电管理上不如专门设计高频开关电源功能强大，标准化难度大。

特别是大功率的UPS，生产基本还是手工组装，使得每一台设备的离散性大，现场的每一条设备都要单独调试。

二、高压直流供电方案的可行性

现在IT设备内部一般使用高频开关电源，把外部输入的交流电转化为内部电子电路所用的直流电。最终变换出12V、5V、3。3V的低压直流给IT设备供电，对于前段是否交流供电并无直接关系。

交流型IT设备的开关电源在交流供电和直流供电状态下的基本工作原理如图2a-图2c所示。

1、直流输入的可行性

IT设备的开关电源前级为整流桥，并为后级提供一个脉动的高压直流，整流桥后的高压直流范围为：DC154～336V(交流输入为：AC110～240/335V)。对于直流输入而言，整流桥可视为直连。只要在交流输入端使用合适电压范围的高压直流，IT设备的开关电源是可以正常工作。

2、直流输入对整流桥发热的影响及风险分析

在交流输入时，整流桥的四只二极管可以在一个周期内轮流导通一次，而在直流输入时，只有两只二极管长期导通。

由于整流桥的四只二极管是封装在一起的，可以认为在交流电流有效值与直流电流值相同的情况下，整个整流桥的发热量是相同的。

经测试，IT设备的开关电源可等效为恒功率设备。用直流270V供电，电压比交流供电时提高了，也就是说，此时的输入电流下降了。因通过整流管的工作电流下降，整流桥产生的热量也比交流供电时减少。

器件的损坏主要有发热引起，而器件的发热由器件本身的特性决定。图3是二极管的V/A特性曲线图。