1. 交流开关电源的高压直流直供可行性分析
腾讯计算机系统网络平台部 李典林
IT 设备 240V 高压直流供电，我国已经从实验室迈进了通信网络 3 年多。电信运营商和
一些大型互联网公司，已经有数以万计的 IT 设备、多个 IDC 机房、多套核心网络和业务平
台采用 270V（标称值 240V，默认值 270V）高压直流供电。从电信运营商的运行数据结果
统计，用高压直流替代传统的交流 UPS 供电，在 UPS 整个生命周期内平均节能大于 20%；
从新建系统统计分析，高压直流系统替代传统的交流 UPS 系统，平均节省投资大于 40%；
由于高压直流系统比 UPS 系统结构简单，而且采用了电池直挂输出母线，在进一步提高系
统可靠性的同时还作为一个很大的滤波池，给设备提供了更为洁净的供电环境。从实际运行
数据上看，设备可靠性不但没有降低，故障率还减少了一半。此外，从通信电源系统和电力
操作电源系统衍生出来的模块化高压直流系统运维更为安全简单，而且没有 UPS 并机要求
相同的幅值、频率和相位等需求可直接并机扩容，系统安全性能提高一个数量级，维护操作
方法得到简化，倍受各大运营商、互联网公司和设备制造商的高度关注。
高压直流带来的好处：
1、设备负载率高，加上节能休眠管理，大大提高系统整体效率
2、拓扑简单，电池直接挂母排上，且电源模块 N+1 冗余，可靠性高
3、电源模块达到插拔式的便利程度，可在机柜内按需在线扩容
4、并机扩容无交流电源幅度、相位和频率的同步要求，机柜扩容简单
5、标准机柜设备，可以集中能源池布置，也分散到网络设备群中布置
6、现场更换故障电源模块简易，一线运维人员即可操作
但是，现有的服务器等 IT 设备多数采用交流 220Vac 供电，尚没有 IT 设备厂商明确表
态支持可以采用直流 270Vdc 输入，从而可能会影响设备的维保服务。那么高压直流能否可
直接应用于现有的服务器呢？会不会对服务器的可靠性产生影响呢？这是运营商和 IDC 运
营企业关注的首要问题，也是制约高压直流应用的主要障碍。
为了分析这个问题，我们先来了解一下目前交流输入服务器等 IT 设备电源的基本工作
原理。由于 IT 设备都承载重要的数据通信业务，因此通常都采用高标准的高频开关电源，
其主要特点是效率高、体积小、功率因数高、谐波小等特点。

2. 交流服务器电源通常采用一个 PFC 电路将交流经过整流桥整流后的直流电压升压到
400V 左右的高压，再经 DC/DC 变换电路转换为 12V、5V 和 3.3V 等电压。由于本文主要讨
论 220Vac 和 270Vdc 供电的差异，对电源的影响主要在 PFC 级之前，这里不再阐述 DC/DC
级之后的电路结构。高频开关电源 PFC 级之前的电路结构如图 1 所示，其中，L1、L2 和 C1、
C2、C3 为 EMI 滤波电感和电容，R 是软启动电阻，用于防止服务器上电时输入有较大的冲
击电流。软启动结束后，通过继电器将软启动电阻短路，减小损耗，D1~D4 为整流桥，L3、
S1 和 D5 为 PFC 电路的电感，开关管和二极管，C4 为母线电容，为后面的 DC/DC 电路提
供所需要的直流电压。从下面的拓扑中可以看到，服务器采用交流还是直流供电，对服务器
本身的影响都只集中在前级 PFC 电路上，对于后面的 DC/DC 而言是完全一样的。
图 1 高频开关电源电路结构
因此，如果想要用高压直流替代 UPS 作为服务器的供电电源，需要关注以下方面：
1、交流输入电压范围和直流输入范围，特别是直流输入下最低工作电压
2、启动电流比较：交流输入下的启动电流波形，以及直流输入下启动电流波形
3、整流桥后的电压比较：220Vac 下整流桥后电压，以及 270Vdc 下的整流桥后电压
4、流经整流桥二极管的电流比较：220Vac 下的整流桥二极管电流，以及 270Vdc 下的整
流二极管电流波形
5、软启动电阻的风险分析：软启动电阻两端的波形，分别在 220Vac 和 270Vdc 下测试
6、PFC 二极管电压电流、PFC 母线电压、母线电容的波形等
下面我们逐条分析。
2.1 直流电压范围的确定
目前服务器为了兼容不同国家和地区的电网，输入范围可能在 90~264Vac，因此，根据
交流经过整流后的平均值 iU29.0 来计算，其直流电压的输入范围可以为 114~336Vdc。而

3. 通常高压直流的输出范围在 210~290Vdc 之间，正常电压为 270Vdc，因此在服务器电源的
欠压保护电压和过压保护电压的范围内，可以保证服务器的正常工作。
2.2 整流桥的电压应力
从上面的图 1 可以看到，在交流电的正半周，输入电流流经整流桥的 D2 和 D4，而二
极管 D1 和 D3 承受反向电压，反向电压的最大值即等于交流电压的峰值。如果按照交流额
定电压 220Vac 计算，此时 D1 和 D3 上承受的反向电压最大值为 V3112220  ；在交流
电的负半周时，同理，输入电流流过 D1 和 D3，二极管 D2 和 D4 上承受最高 311V 的电压。
而采用额定输出 270Vdc 的高压直流供电，那么整流桥上承受的反向电压即等于服务器输入
的直流电压 270V。图 2 和图 3 是采用交流和直流供电时，整流桥 D1 上的反向电压和电感
L3 上的电流对比，从图中可以看到，在交流 230Vac 和直流 280Vdc 输入下，整流桥上二极
管承受的反向电压分别为 323V 和 288V，高压直流输入下整流管可靠性更高。
图 2 通道 3：Vin=220Vac D1 反向电压(100V/格) 图 3 通道 3：Vin=270Vdc D1 反向电压(100V/格)
2.3 流经整流桥二极管的电流
交流输入的情况下，整流桥的每个二极管都只在半个周期内流过电流，在交流正半周时，
电流流过二极管 D2 和 D4；在交流负半周，电流流过 D1 和 D3。假设采用一个通信电源的整
流模块来模拟服务器，整流模块输出 53.5V/50A，输入为 220Vac 时，假设模块的效率为
%90 。那么根据 iaciaco IVP  ，可以计算出交流输入电流的有效值为
A
V
P
I
iac
o
iac 5.13
9.0220
505.53





整流桥的峰值电流为 iaciacp II 2 =19.1A
考虑 40%的峰峰值纹波电流，那么流过整流桥的电流峰值为 AII iaciacp 92.222)2.01( 

4. 整流桥上每个二极管的平均电流为 AII iaciav 075.69.05.0 
假设整流桥二极管的导通压降为 1.1V，那么每个二极管的损耗为 iavd IP  1.1 =6.683W
整流桥的总损耗为 dacrec PP 4_  =26.73W
如果同样负载条件下采用 270V 的高压直流供电，那么电流只会流过 D2、D4(或者 D1、
D3)，其电流为 11A，有效值比交流 220Vac 输入下要小。
A
V
P
I
idc
o
idc 11
9.0270
505.53





同样考虑 40%峰峰值纹波电流，直流输入时整流桥的电流峰值为 13.2A，远小于交流输
入情况。
由于在直流输入时，电流只流过半边整流桥，因此，二极管的电流的平均值等于输入电
力平均值，假定二极管导通压降仍为 1.1V（实际根据二极管伏安特性曲线，高压直流下电流
减少压降也会减少，那么导通压降还要低于 1.1V），整流桥的总损耗为
WIP idcdcrec 2.241.12_ 
因此，对于 270V 直流输入而言，整流桥二极管的电流不管是有效值、平均值还是峰值都
要比 220Vac 下要小，能够提高其可靠性。虽然直流下两二极管的损耗增加了，但是整个整流
桥的损耗仍是减小的，由于四个二极管在同一个封装里共用同一个散热片，那么在相同的散
热能力下，同样能够提高其工作可靠性。
图 4 是交流输入时二极管 D2 电流和 D1 的反向电压在峰值处展开后的波形；图 5 是直流
输入时二极管 D2 电流和 D1 的反向电压在展开后的波形。从图中可以看到，Vin=220Vac 时，
整流桥二极管最大电流为 23.1A，而在直流下为 14.3A，考虑测量误差，与理论分析基本吻合。
图 4 通道 2：Vin=220Vac D2 电流波形(10A/格) 图 5 通道 3：Vin=270Vdc D2 电流波形(10A/格)

5. 2.4 PFC 二极管的电流
在 PFC 电路中，开关管 S1 关断时，电感电流 L3 流过二极管 D5，因此，只需要测量电
感的电流即可以计算出二极管 D5 的电流大小，而从图 1 可以看到，输入电流经过整流桥整流
后即等于电感 L3 的电流，不同之处在于交流输入时，输入电流是一个正弦波，而电感电流的
波形为馒头波，其数值大小是一样的。
因此，根据前面的计算电感 L3 电流峰值为 AII iacpD 92.222)2.01(5 
下图中(a)为交流 220Vac 输入时电感 L3 电流及二极管 D5 的反向电压波形，(b)为为电感
电流在波峰处的展开波形，从图中可以看到，在 S1 开通时，电感电流上升，二极管 D5 截止，
此时电感电流不流过 D5，S1 关断时，电感电流下降，此时二极管导通，电感电流流过 D5。
此时，流过二极管的平均电流可根据下式计算得到，其中 Duty( )为 PFC 电路中开关管
的交流输入不同瞬时值下的占空比
Id_ave
1
 0

Iiacp ( ) 1 Duty ( ) 



d Iiacp
根据上式可以得到，在 220Vac 输入时，整流模块 53.5V/50A 输出时，二极管 D5 的平均
值为 7.234A。
(a) (b)
图 7 Vin=220Vac 时，L3 电流和 D5 反向电压波形
同理，在直流输入时，电感电流同样等于整流二极管的电流，因此，根据前面整流二极
管电流的计算，电感电流的最大值为 13.2A，因此，二极管 D5 的峰值电流要比交流输入时小
很多。图 8 是直流输入时候，电感 L3 电流和二极管 D5 反向电压波形。

6. 图 8 Vin=270Vdc 时，L3 电流和 D5 反向电压波形
同样可以计算直流 270V 输入时候二极管 D5 上平均电流，只是此时电感电流是一个直流量，
并且开关管占空比是一个常数，计算结果为 7.15A。
因此，从上面的数据来看，交、直流输入时候 PFC 二极管 D5 的平均电流差异不大，而直流
输入时 D5 的峰值电流较小。
2.5 母线电容电压和电流纹波
在交流输入时，由于需要经过整流二极管整流，整流过后的直流电压会存在 100Hz 的低
频分量，虽然经过 PFC 电容升压，但并不能完全消除这个纹波，因此，母线电容电压必然存
在 100Hz 的纹波，这会增大流过母线电容的纹波电流，从而影响母线电容寿命；而在直流输
入时，电容上纹波电压和纹波电流则不存在 100Hz 的低频分量。下图是实测结果：
(a)交流 220Vac 输入 (b)直流 270Vdc 输入
图 9 交流和直流输入时母线电容电压和电流纹波 (电压 20/格,电流 10A/格)

7. 从上图中可看到，交流输入时母线电容 C4 上的电压纹波 47.6V，明显要大于直流输入情况下
的 17V，并且流经电容的纹波电流有效值为 3.76A，比直流输入时的 2.56A 要大，这将会缩短
电解电容的寿命。
2.6 软启动电阻电压
服务器在启动的时候，需要先通过软启动电阻给母线电容充电，当母线电压达到一定值
后功率电路才开始正常工作。在交流输入的时候，交流电压通过不控整流后经软启动电阻给
母线电容充电，充电时间较长，因此软启动电阻上的功率损耗会比较大，发热较严重；而直
流充电时间很短，软启动电阻的功耗也会小很多，可靠性得到提升。图 10 给出了交直流输入
条件下的启动过程波形，从图中可以很明显的看到在直流输入时，软起电阻上的电压（蓝色
波形）持续时间很短，因此对软启动电阻的冲击要小很多，直流输入下可靠性更高。
(a)交流输入 (b)直流输入
1：软启动电阻 R 电压波形，2：输入电压，3：PFC 电感 L3 电流波形，4：输出电压波形
图 10 交流和直流输入时软启动过程波形
通过以上的分析，高压直流供电时，服务器电源 PFC 部分的功率器件的电压、电流应力、
母线电容的纹波电压和电流都会小于交流供电的情况，而且软启动电阻的寿命以及和整流桥
的可靠性都会变得更高，非但不会影响服务器的正常使用，还能够提高其可靠性能。而对
DC/DC 部分电路则和交流输入的情况是一致的，因此，应用高压直流完全可以替代 UPS 给服
务器供电。