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白皮书

高压 DC 配电是改善系统效率及可再生能源机遇的关键

Photo of ground solar panels

转向 400VDC 的配电与转换有助于实现温室气体、效率和可再生能源目标。

在整个能源供应链中更高效地提供电力的压力巨大并且与日俱增。最明显的是,在回应哥本哈根协议(Copenhagen Accord)时,欧盟提出了 “20-20-20” 能源战略,目标是到 2020 年,旨在将能源消耗和温室气体排放分别减少 20%,对可再生资源发电的依赖程度提高 20%。尽管主要耗电大户在需求量上大幅增长,如语音、数据和网络融合及合并等数据中心(“服务器群”),同时用户需求也在以每年 5 -10% 的速度递增,但这些雄心勃勃的目标仍然需要去实现。

AC-DC 转换系统拓扑中的现有解决方案尽管在性能方面进行了局部化改进,但要想在大规模改进的层面上提升哪怕几个百分点,都显得异常艰难。基于全新方案的迥然不同的 AC-DC 结构可能才是要寻求的解决之道,而不是仅通过增量方法。采用高电压 DC 进行电力传输,并结合使用新的转换方法,可同时为采购选项和系统端到端性能提供切实有益的显著优势。事实上,根据来自法国电信和中国移动的一些经营数据估算,通过 DC 配电可在整个电路板上节省 8 - 10% 不等的电能。

极富讽刺意味的是,这种方法居然可以追溯到 19 世纪——人类发电和配电的早期阶段。爱迪生赞同 DC 发电和配电,而特斯拉(Tesla)则提倡 AC,因为其变压器能通过升压和降压来降低输电(I2R)损耗。(虽然效率仅为 50 - 80%,但变压器却是实现所需电压转换的唯一实用的方法;繁琐的电动机/发电机组合是一种非常低效的备用方案)。这是一场“硬战”,不仅风险很高,而且还要承担技术、经济和政治后果。

众所周知,AC 赢得了这场战争。但是,组件和器件的新技术发展和额外的电力系统目标正成为催化剂,不断推动基于 DC 的系统成为更佳的可用备选方案。

这些发展包括极富创新的转换、控制和分配方法,其中很大部分由高级半导体和转换拓扑实现,它们能以前所未有的方式高效运行。因此,对于在建筑物、办公园区、仓库、学校和工厂内配电和使用高压 DC(HVDC)系统现在已成为可能。

究竟为何要使用 DC?

传统的 AC 稳定成熟且经过了 100 多年的实践验证,那为什么还要考虑高压 DC(380V 标称/400V 峰值)而非 AC 呢?答案是多方面的。DC 不像 AC 那样需要源同步,而且由于每种能源均现成可用,因而 DC 能充分利用风能、太阳能和电网。若使用既没有相位平衡也没有谐波以及“绞合”设备问题的 DC,那么所有在 AC 基础设施方面进行的高昂投资都可能过时或显得多余。

DC 不仅可降低建筑物布线、铜缆和连接器的总体拥有成本(TCO),而且还能将效率提升 8 - 10%,实可谓意义重大。正确配置的 DC 系统可提供更高的效率,并具有从多种可用能源中汲取功率的更大潜能。

此外,还拥有一些不会立竿见影的优势。大多数诸如电池和飞轮等备用能源,本质上都采用 DC。另外,电信和服务器负载也运行于 DC 系统之上,因此中间阶段与效率损耗阶段更少,而且具有更高的可靠性,这是因为基于 DC 的方法潜在故障点更少。

HVDC 方法不仅仅是一个投机性的梦想或实验室的好奇心,其还获得了关键组件供应商全行业的广泛支持。此外,其还获得行业联盟的支持,这些联盟正在制定基本标准和可互操作性规范,例如 DCG + C [DC 组件和电网]联盟、通过标准 L.1200 的国际电信联盟[ITU]、通过 EN 300 132-3-1 的欧洲电信标准协会 [ETSI]、国际电工委员会 [IEC]、NTT/日本[日本电报和电话]以及 IEEE 等。

拓扑实现创新

在研究拓扑和实施 400VDC 配电方案之前,我们首先讨论一下用于主要能源消费设施的现有方法,如数据中心或电信中控室等设施。在图 1 的数据中心中,首先对输入的高压 AC 线路进行降压,然后将其转换为 DC,这样其就能与电池备份系统并行工作。然后再将 DC 转换回高压 AC,以便在建筑物内分配,之后再从 AC 转换为较低电压的 DC,最后把电压调到能通过 DC-DC 转换器为电路导轨供电的电压。因此,从输入的 AC 到最终的 DC 有四个主要的转换阶段。

A typical data center has four major conversion stages from incoming AC line to final DC rails diagram

图 1:从输入的 AC 线路到最终的 DC 电轨,典型的数据中心有四个主要的转换阶段。

而现有的电信系统只有两个主要阶段,而且主要问题是效率低下,图 2:AC 线路转换为 48VDC 并与备用电池组合;然后该 48VDC 线路可提供一系列 DC - DC 转换器,以提供电路所需的局部低压电轨。

另外,HVDC 系统也只有两个主要的转换阶段,但端到端性能指标比单独的阶段数更多,因为每个阶段的效率也很关键。在 HVDC 方法中,所有阶段都同时兼具更高效率和更高的可靠性。

For existing telecom systems, the two major stages of current telecom systems are major points of inefficiency diagram

图 2:对于现有的电信系统来说,当前电信系统的两个主要阶段存在的主要问题是效率低下。

HVDC 拓扑从 AC 线路整流至 380VDC (标称)开始,而且电池备份也在该电压下运行,如图 3 所示。随后,DC 电压被分布在整个设施中,并通过局部 DC-DC 转换器降压,以为处理器导轨和各种负载供电。为了防止出现故障(例如由于风暴引起的电网问题),系统可同时或单独利用外部 AC 线路、电池甚至现场可再生能源,如风能和太阳能等。

The line AC is rectified to 380VDC (nominal), while the battery backup also operates at that voltage in the HVDC topology diagram

图 3:AC 线路整流成 380VDC (标称),而电池备份也可以在 HVDC 拓扑中的该电压下工作。

降至低压

现实情况是,大多数电路的 DC 工作电压均低于 12V,并且甚至还会低至 1V 区域。研发并且提供高效可靠的低电压(及其高电流)的配电/转换系统是充满挑战的。

HVDC 也能使用若干个可用的构建块来满足这种要求。其中之一是 BCM® 母线转换器形式的正弦振幅转换器™(SAC™)。它是一种隔离型的非稳压 DC-DC 转换器,采用零电压/零电流开关架构,如图 4 所示。除了输入/输出是 DC 之外,SAC 就像传统的 AC 变压器一样,具有的输入/输出电压比在设计时就已经固定。例如,凭借 1/8 的变压比(K),其可将 400VDC 输入产生 50VDC 的输出,而 380V 输入就能产生 47.5V 的输出。

To support the HVDC topology, designers can use a Sine Amplitude Converter (SAC) or BCM Bus Converter (an isolated, non-regulated DC-DC converter) diagram

图 4:为了支持 HVDC 拓扑设计人员能使用正弦振幅转换器(SAC)或 BCM 母线转换器(隔离非稳压 DC-DC 转换器块)。

SAC™ 可实现逾 96% 的效率,部分原因在于其拥有固定的高频率(>1MHz)、软开关拓扑。结果是功率密度为 70W/cm3;Vicor 全晶片母线转换器大小仅为 3.25×2.2×0.67cm(1.28×0.87×2.265in) ——与标准 RJ-45 以太网的插头大小相当,如图 5,能提供高达 330W 的功率。第二个模块是非隔离升降压稳压器,也采用零电压开关和 1MHz 工作频率,如图 6 所示,从而能实现非常小的尺寸和 97% 的高效率。

Bus converter is the size of a standard RJ-45 Ethernet plug comparison image

图 5:此 Vicor 母线转换器的尺寸与标准 RJ-45 以太网插头相同,但仍可提供高达 330W 的功率。

Zero-voltage switching at 1MHz operation, the non-isolated buck-boost regulator offers small size and 97% efficiency diagram

图 6:当采用 1MHz 工作频率的零电压开关时,该款非隔离升降压稳压器具有非常小的尺寸和高达 97% 的效率。

SAC/BCM 与升降压稳压器通过协同工作,可在整个输入电压范围内提供均衡器(适配器)功能,其适用于 ETSI 定义的正常工作范围,如图 7 所示。在正常的 380V 点,母线转换器可以将线路电压降低至48V,均衡器在直通模式(降压-升压功能被旁路)工作。因此,由于该设备仅在需要时进行转换,所以系统效率得到进一步加强。如果线路或电池的 DC 电压往 260V 下降,则升降压转换器“启动”并保持固定的 48V 的电轨。

在任何一种情况下,该架构都能保持高效率,并在其可用时允许无缝且动态地使用多种能源——经整流的 DC 线路、电池和可再生能源。

Corner-case design considerations and uses multiple functional blocks diagram

图 7:满足由 ETSI 定义的正常服务范围,需要了解极端情况案例设计考虑因素和使用多个功能块。

原有设备也获得全面支持,从现今的 AC 到 48VDC 整流架构开始,然后是 48VDC 配电装置(PDU),最后才是根据需要提供更低电压的 DC-DC 和 DC-AC 模块,如图 8 所示。在过渡阶段,如图 9 所示,将对可产生 380VDC 的线路电压进行整流,接下来是HV PDU,再然后是 380VDC、48VDC 和较低压 AC (若需要)输出,以及最终电轨的 48V/12VDC(或 9.6V)母线转换器。

Multiple modules ensures that legacy equipment is supported diagram

图 8:使用多个模块能确保对原有设备的支持。

Transition phase uses a combination of rectifier, step-up and step-down stages diagram

图 9:转型阶段使用了整流器、升压和降压阶段的组合。

通过这种方式,HVDC 能在不把“一切”都推倒重来消除的情况下即进入阶段,而这样做会导致出现既昂贵又不切实际的要求。在过渡期之后,可能就没必要进行 PDU 之后的中间电压转换了:380VDC 将直接进入负载,仅需一步就能转换为最终所需的电压,如图 10 所示。

380V high-voltage DC going directly to the loads and then converted to the lower-voltage rails in a single stage diagram

图 10:随着技术和方法变得越来越成熟并被业界所接受,380V 高压 DC 可直接进入负载,然后经历一个阶段就能转换为较低电压的电轨。

实用的演示

方框图和提出的架构都非常好,但可以工作的模型更完善,如完整的 400VDC 系统所示,该系统是采用市面的专用连接器、保险装置和分配装置而构建的,参见图 11 和图 12。艾默生(Emerson)、Vicor、Anderson Electric 和富士通(Fujitsu)之间的通力协作为多种负载提供动力,如英特尔 VR12 处理器、LAN 交换机、1U 服务器、PC 和监视器等。为进一步证实该概念的有效性,通过使用升降压加类似于母线转换器的装置直接将 48V 转到 1V,而无需额外中间步骤,这样其效率比传统方法高出大约 5%。

Working model of a complete 400VDC system built using commercially available connectors, fuses and distribution cabling diagram

图 11:该工作模型显示的完整 400VDC 系统由采用市面上提供的连接器、保险装置和配电电缆构建而成。

未来的挑战和机遇

多种因素的结合在一起,使得高压 DC 成为能源消耗困境中一个极富吸引力的解决方案。将以语音为中心的电信与以数据为中心的网络(语音、视频、数据)融合在一起,将不断推动各方更大的用电量,如从信息来源直到终端用户,无所不包。与此同时,我们还面临着林林总总的问题,如气候变化、有限的化石燃料以及亟需整合可再生能源等。诸如“京都议定书(Kyoto Protocol)”(1997 年)、“哥本哈根协议(Copenhagen Accord)”(2009 年)和欧洲理事会 20-20-20 能源战略(European Council 20-20-20 Energy Strategy)等倡议举措,不仅可为减少温室气体排放、降低能源消耗和增加可再生能源使用量提供监管框架,而且还设立了一系列雄心勃勃的目标。

电子行业将是应对这些举措和实现这些目标的关键组成部分。其必须是能实现突破性技术创新的卓越解决方案,同时极富创造力,而不仅仅只是刻板的旧技术的堆叠;其不仅在技术上富有主动性,而且还能在转型过程中处于业界前沿地位,同时借助有目共睹具备卓越实践稳定性的高安全性技术全面加速产品上市进程。此外,其还必须能与整个行业中各家供应商和组织机构之间展开联盟协作,制定综合全面的标准,定义通用性,进而最大限度消除普及壁垒。

与此同时,计划、流程和产品都必须具有商业可行性,才能鼓励全球范围的参与和采用。当然,要应对这些重大挑战,需要大量的创新思维和转变,而整个行业从来都不缺远见卓识的行动派和极富领导能力的业界领袖。多年来,无论在过程、产品还是实施方面,层出不穷的前瞻性转变都无不淋漓尽致地诠释了这一点。

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