高壓 DC 配電是改善系統效率及可再生能源機遇的關鍵

轉向 400V_DC 的配電與轉換有助於實現溫室氣體、效率和可再生能源目標。

在整個能源供應鏈中更高效地提供電力的壓力巨大並且與日俱增。 最明顯的是，在回應哥本哈根協定（Copenhagen Accord）時，歐盟提出了“20-20-20”能源戰畧，目標是到 2020 年，旨在將能源消耗和溫室氣體排放分別减少 20%，對可再生資源發電的依賴程度提高 20%。 儘管主要耗電大戶在需求量上大幅增長，如語音、資料和網路融合及合併等資料中心（“服務器群”），同時用戶需求也在以每年 5 - 10% 的速度遞增，但這些雄心勃勃的目標仍然需要去實現。

AC-DC 轉換系統拓撲中的現有解決方案儘管在效能方面進行了局部化改進，但要想在大規模改進的層面上提升哪怕幾個百分點，都顯得异常艱難。 基於全新方案的迥然不同的 AC-DC 結構可能才是要尋求的解决之道，而不是僅通過增量方法。 採用高電壓 DC 進行電力傳輸，並結合使用新的轉換方法，可同時為採購選項和系統端到端效能提供切實有益的顯著優勢。 事實上，根據來自法國電信和中國移動的一些經營資料估算，通過 DC 配電可在整個電路板上節省 8 - 10% 不等的電能。

極富諷刺意味的是，這種方法居然可以追溯到 19 世紀——人類發電和配電的早期階段。 愛迪生贊同 DC 發電和配電，而特斯拉（Tesla）則提倡 AC，因為其變壓器能通過升壓和降壓來降低輸電（I²R）損耗。 （雖然效率僅為 50 - 80%，但變壓器卻是實現所需電壓轉換的唯一實用的方法；繁瑣的電動機/發電機組合是一種非常低效的備用方案）。 這是一場“硬戰”，不僅風險很高，而且還要承擔科技、經濟和政治後果。

眾所周知，AC 贏得了這場戰爭。 但是，組件和器件的新技術發展和額外的電力系統目標正成為催化劑，不斷推動基於 DC 的系統成為更佳的可用備選方案。這些發展包括極富創新的轉換、控制和分配方法，其中很大部分由高級電晶體和轉換拓撲實現，它們能以前所未有的管道高效運行。 因此，對於在建築物、辦公園區、倉庫、學校和工廠內配電和使用高壓 DC（HVDC）系統現在已成為可能。

究竟為何要使用 DC？

傳統的 AC 穩定成熟且經過了 100 多年的實踐驗證，那為什麼還要考慮高壓 DC（380V 標稱/400V  峰值）而非 AC呢？ 答案是多方面的。 DC 不像 AC 那樣需要源同步，而且由於每種能源均現成可用，因而 DC 能充分利用風能、太陽能和電網。 若使用既沒有相位平衡也沒有諧波以及“絞合”設備問題的 DC，那麼所有在 AC 基礎設施方面進行的高昂投資都可能過時或顯得多餘。

DC 不僅可降低建築物佈線、銅纜和連接器的總體擁有成本（TCO），而且還能將效率提升 8 - 10%，實可謂意義重大。 正確配寘的 DC 系統可提供更高的效率，並具有從多種可用能源中汲取功率的更大潜能。

此外，還擁有一些不會立竿見影的優勢。 大多數諸如電池和飛輪等備用能源，本質上都採用 DC。 另外，電信和服務器負載也運行於 DC 系統之上，囙此中間階段與效率損耗階段更少，而且具有更高的可靠性，這是因為基於 DC 的方法潜在故障點更少。

HVDC 方法不僅僅是一個投機性的夢想或實驗室的好奇心，其還獲得了關鍵組件供應商全行業的廣泛支持。 此外，其還獲得行業聯盟的支持，這些聯盟正在制定基本標準和可互操作性規範，例如 DCG + C [DC 組件和電網]聯盟、通過標準 L.1200 的國際電信聯盟[ITU]、通過 EN 300 132-3-1 的歐洲電信標準協會[ETSI]、國際電子電機委員會[IEC]、NTT/日本[日本電報和電話]以及 IEEE 等。

拓撲實現創新

在研究拓撲和實施 400V_DC 配電方案之前，我們首先討論一下用於主要能源消費設施的現有方法，如資料中心或電信中控室等設施。 在圖 1 的資料中心中，首先對輸入的高壓 AC 線路進行降壓，然後將其轉換為 DC，這樣其就能與電池備份系統並行工作。 然後再將 DC 轉換回高壓 AC，以便在建築物內分配，之後再從 AC 轉換為較低電壓的 DC，最後把電壓調到能通過 DC-DC 轉換器為電路導軌供電的電壓。因此，從輸入的 AC 到最終的 DC 有四個主要的轉換階段。

而現有的電信系統只有兩個主要階段，而且主要問題是效率低下，圖 2:AC 線路轉換為 48V_DC 並與備用電池組合； 然後該48V_DC線路可提供一系列 DC - DC 轉換器，以提供電路所需的局部低壓電軌。

另外，HVDC 系統也只有兩個主要的轉換階段，但端到端性能指標比單獨的階段數更多，因為每個階段的效率也很關鍵。 在 HVDC 方法中，所有階段都同時兼具更高效率和更高的可靠性。

HVDC 拓撲從 AC 線路整流至 380V_DC （標稱）開始，而且電池備份也在該電壓下運行，如圖 3 所示。 隨後，DC 電壓被分佈在整個設施中，並通過局部 DC-DC 轉換器降壓，以為處理器導軌和各種負載供電。 為了防止出現故障（例如由於風暴引起的電網問題），系統可同時或單獨利用外部 AC 線路、電池甚至現場可再生能源，如風能和太陽能等。

降至低壓

現實情况是，大多數電路的 DC 工作電壓均低於 12V，並且甚至還會低至 1V 區域。 研發並且提供高效可靠的低電壓（及其高電流）的配電/轉換系統是充滿挑戰的。

HVDC 也能使用若干個可用的構建組來滿足這種要求。 其中之一是 BCM^® 母線轉換器形式的正弦振幅轉換器 ™ （SAC ™）。 它是一種隔離型的非穩壓 DC-DC 轉換器，採用零電壓/零電流開關架構，如圖 4 所示。 除了輸入/輸出是 DC 之外，SAC 就像傳統的 AC 變壓器一樣，具有的輸入/輸出電壓比在設計時就已經固定。 例如，憑藉 1/8 的變壓比（K），其可將 400V_DC 輸入產生 50V_DC 的輸出，而 380V 輸入就能產生 47.5V 的輸出。

圖 4：為了支持 HVDC 拓撲設計人員能使用正弦振幅轉換器（SAC）或 BCM 母線轉換器（隔離非穩壓 DC-DC 轉換器組）SAC™ 可實現逾 96% 的效率，部分原因在於其擁有固定的高頻率（>1MHz）、軟開關拓撲。 結果是功率密度為 70W/cm3； Vicor 全晶片母線轉換器大小僅為 3.25 × 2.2 × 0.67cm（1.28 × 0.87 × 2.265in） ——與標準 RJ-45 以太網的插頭大小相當，如圖 5，能提供高達 330W 的功率。 第二個模組是非隔離升降壓穩壓器，也採用零電壓開關和 1MHz 工作頻率，如圖 6 所示，從而能實現非常小的尺寸和 97% 的高效率。

SAC/BCM 與升降壓穩壓器通過協同工作，可在整個輸入電壓範圍內提供等化器（轉接器）功能，其適用於 ETSI 定義的正常工作範圍，如圖 7 所示。 在正常的 380V 點，母線轉換器可以將線路電壓降低至 48V，等化器在直通模式（降壓-升壓功能被旁路）工作。 囙此，由於該設備僅在需要時進行轉換，所以系統效率得到進一步加強。 如果線路或電池的 DC 電壓往 260V 下降，則昇降壓轉換器“啟動”並保持固定的 48V 的電軌。

在任何一種情况下，該架構都能保持高效率，並在其可用時允許無縫且動態地使用多種能源——經整流的 DC 線路、電池和可再生能源。

原有設備也獲得全面支持，從現今的 AC 到 48V_DC 整流架構開始，然後是 48V_DC 配電裝置（PDU），最後才是根據需要提供更低電壓的 DC-DC 和 DC-AC 模組，如圖 8 所示。 在過渡階段，如圖 9 所示，將對可產生 380V_DC 的線路電壓進行整流，接下來是 HV PDU，再然後是 380V_DC、48V_DC 和較低壓 AC（若需要）輸出，以及最終電軌的 48V/12V_DC（或 9.6V）母線轉換器。

圖 9：轉型階段使用了整流器、升壓和降壓階段的組合。 通過這種管道，HVDC 能在不把“一切”都推倒重來消除的情况下即進入階段，而這樣做會導致出現既昂貴又不切實際的要求。 在過渡期之後，可能就沒必要進行 PDU 之後的中間電壓轉換了：380V_DC 將直接進入負載，僅需一步就能轉換為最終所需的電壓，如圖 10 所示。

實用的演示

方框圖和提出的架構都非常好，但可以工作的模型更完善，如完整的 400V_DC 系統所示，該系統是採用市面的專用連接器、保險裝置和分配裝置而構建的，參見圖 11 和圖 12。 艾默生（Emerson）、Vicor、Anderson Electric 和富士通（Fujitsu）之間的通力協作為多種負載提供動力，如英特爾 VR12 處理器、LAN 交換機、1U 服務器、PC 和監視器等。 為進一步證實該概念的有效性，通過使用升降壓加類似於母線轉換器的裝置直接將 48V 轉到 1V，而無需額外中間步驟，這樣其效率比傳統方法高出大約 5%。

未來的挑戰和機遇

多種因素的結合在一起，使得高壓 DC 成為能源消耗困境中一個極富吸引力的解決方案。 將以語音為中心的電信與以資料為中心的網路（語音、視頻、資料）融合在一起，將不斷推動各方更大的用電量，如從資訊來源直到終端用戶，無所不包。 與此同時，我們還面臨著林林總總的問題，如氣候變化、有限的化石燃料以及亟需綜合可再生能源等。 諸如“京都議定書（Kyoto Protocol）”（1997 年）、“哥本哈根協定（Copenhagen Accord）”（2009 年）和歐洲理事會 20-20-20 能源戰畧（European Council 20-20-20 Energy Strategy）等倡議舉措，不僅可為减少溫室氣體排放、降低能源消耗和新增可再生能源使用量提供監管框架，而且還設立了一系列雄心勃勃的目標。

電子行業將是應對這些舉措和實現這些目標的關鍵組成部分。 其必須是能實現突破性技術創新的卓越解決方案，同時極富創造力，而不僅僅只是刻板的舊科技的堆疊； 其不僅在科技上富有主動性，而且還能在轉型過程中處於業界前沿地位，同時借助有目共睹具備卓越實踐穩定性的高安全性科技全面加速產品上市行程。 此外，其還必須能與整個行業中各家供應商和組織機構之間展開聯盟合作，製定綜合全面的標準，定義通用性，進而最大限度消除普及壁壘。

與此同時，計畫、流程和產品都必須具有商業可行性，才能鼓勵全球範圍的參與和採用。 當然，要應對這些重大挑戰，需要大量的創新思維和轉變，而整個行業從來都不缺遠見卓識的行動派和極富領導能力的業界領袖。 多年來，無論在過程、產品還是實施方面，層出不窮的前瞻性轉變都無不淋漓盡致地詮釋了這一點。