CN102301304B - 电力转换、控制和分配系统 - Google Patents

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Abstract

一种电力转换、控制和分配系统，包括多个大电力调节器(BPR)子组件、大电力分配(BPD)子组件以及大电力控制器和集线器(BPCH)子组件。BPR子组件的每一个被配置为根据AC输入电力和DC输入电力二者提供经调节的DC电力。BPD子组件用来分配经调节的DC电力。BPCH子组件耦合至多个BPR子组件和BPD子组件。BPCH子组件用来监测和控制BPR子组件和BPD子组件。

Description

电力转换、控制和分配系统
技术领域
本公开总体上涉及电力系统，并且更具体地涉及向高性能计算集群或者需要高可用性的其它系统的一个节点或者多个节点提供大电力(bulk power)的电力转换、控制和分配系统。
背景技术
传统的高可用性系统(例如，服务器)已经使用了如果电力供应出现故障时试图防止系统电力中断的电力供应冗余。不过，仅具有电力供应冗余常常不足以实现系统的百分之百的可用性。
发明内容
根据本公开的一个方面，电力转换、控制和分配系统包括：多个大电力调节器(BPR)子组件，每一个被配置为根据AC输入电力和DC输入电力提供经调节的DC电力；对经调节的DC电力配置的大电力分配(BPD)子组件；以及耦合至多个BPR子组件和BPD子组件的大电力控制器和集线器(BPCH)子组件，其中BPCH子组件被配置为监测和控制BPR子组件和BPD子组件。
根据本发明的另一方面，提供了一种大电力组件，包含：包括多个静态断路器的大电力分配(BPD)子组件，静态断路器被配置为分配DC大电力以及提供继电和故障保护；以及耦合至BPD子组件的大电力控制器和集线器(BPCH)子组件，其中BPCH子组件被配置为监测和控制BPD子组件，并且其中BPCH子组件包括：具有用来路由DC大电力的多个静态断路器的大电力控制(BPC)主板；和被隔离在安全超低压(SELV)块中并且被配置为提供以太网通信功能的大电力集线器(BPH)子卡。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：
图1是根据本公开各个方面来配置的大电力组件(BPA)的相关部分的示意图。
图2是根据本公开各个实施例的可以在图1的BPA中使用的示例性大电力控制器和集线器(BPCH)子组件的相关部分的示意图。
图3是根据本公开各个实施例的可以在图2的BPCH子组件中使用的示例性大电力集线器(BPH)子卡的相关部分的示意图。
图4是根据本公开各个实施例的可以在图1的BPA中使用的另一个示例性BPCH子组件的相关部分的示意图。
图5是根据本公开各个实施例的可以在图1的BPA中使用的示例性大电力分配(BPD)子组件的相关部分的示意图。
图6是根据本公开各个实施例的可以在图1的BPA中使用的另一个示例性BPD子组件的相关部分的示意图。
图7是根据本公开各个实施例的可以在图1的BPA中使用的示例性大电力调节器(BPR)子组件的相关部分的示意图。
图8是根据本公开各个实施例的可以在图7的BPR中使用的示例性整流器前端的相关部分的示意图。
具体实施方式
如本领域普通技术人员将认识到的那样，本发明的各个部分可以具体实现为方法、系统、设备或者计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以采用全硬件实施例、全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等等)或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，通常在本申请中它们全部可以被称为电路、模块或者系统。例如，本发明可以采用计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机可用存储介质具有实现于该介质中的计算机可用程序代码(例如，以一个或多个设计文件的形式)。
可以使用任何适当的计算机可用或者计算机可读存储介质。计算机可用或者计算机可读存储介质可以例如是但不限于电、磁、光、电磁、红外或者半导体系统、装置或者设备。计算机可读存储介质的更具体示例(非穷尽性列表)包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或者闪存、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备或者磁存储设备。如在本申请中所使用的那样，术语“耦合”包括元件或者块之间的直接电连接和使用一个或更多个中间元件或者块实现的元件或者块之间的间接电连接。
如在本申请中所使用的那样，术语大电力外壳(BPE)指的是被设计成容纳大电力组件(BPA)或者电力转换、控制和分配系统中包括的模块化组件的板金属外壳。在一个或更多个实施例中，可以将BPE设计成容纳如下模块化子组件：一至六个可热插拔的大电力调节器(BPR)子组件，每一个根据AC输入电力或者DC输入电力产生-350VDC；大电力控制器和集线器(BPCH)子组件，其执行所选的控制/监测功能、由电子断路器分配-350V DC、经由32端口RS-422多路转接器(MUX)提供电力控制以及针对系统服务而用作34端口以太网交换机；用来通过电子断路器将-350V DC分配给外部电力设备的大电力分配(BPD)子组件；以及从各个子组件所散发的空气中移除热负荷的四个大电力风机(BPF)子组件。
为了支撑子组件，BPE可以包含：水岐管，被设计成接受系统进水口和出水口连接并且对BPE中包括的子组件所需的水进行分配；针对每个电力输入的电磁干扰(EMI)滤波器以保证BPA的线传导噪声满足要求；经由可分离连接器附接至输入电线的一对电力输入；互连信号并且为子组件提供电力的背板；使所有子组件与BPE紧密配合(以及使BPE与系统应用中的框架紧密配合)的导引装置和紧固件；以及在热插拔BPR子组件期间防止漏气的机械特征件。
参考图1，示出了包括BPE102中的多个模块化子组件的示例性BPA100。例如，BPA可以被配置为在单个机架中提供达250KW的电力。在该实施例中，通过BPE102的背板来形成BPCH子组件104和BPD子组件106之间以及BPCH子组件104和BPR子组件110之间的电连接。通过电缆组件从BPCH子组件104到BPE102的背板并且接着从该背板到BPF子组件108中的每一个来形成到BPF子组件108的电连接。在一个实施例中，每一对输入电力连接器(图1中未示出)提供输入电力给三个BPR子组件110。应当注意到，来自BPE102的所有输出电力和信号出现在BPCH子组件104(信号或者部分电力)或者BPD子组件106(大部分电力)的尾架上。
在所公开的实施例中，BPA100的额定AC输入电压可以包括200V、208V、220V、240V、380V、400V、415V或者480V的有效值(RMS)。稳态AC输入电压可以覆盖从176V到508V的范围。在各个实施例中，BPA100被配置用于平衡三相四线系统的AC输入。BPA100被配置为连接至WYE(即，接地但未使用的中性点)和DELTA(即，接地角或者中心抽头相)源。稳态DC输入电压可以覆盖从231VDC到600V DC的范围。到BPR子组件110的DC输入是两种电位(+和-)线加接地。在各个实施例中，DC输入的+线以接地作为参考。为了将两种DC电位输入导线连接至三相AC输入，DC电位中的一个连接至相输入中的两个。在此情况下，输入电压的极性是任意的(即，+和-可以连接至相输入中的任何一个)。可以对BPA100中两条电力线中的每一条提供线路滤波器以保证全满BPE102满足适用的线传导噪声限制。
可以提供BPR子组件定位管脚以使BPR子组件主机微控制器识别BPR子组件110插入BPE102的哪个插槽。通过连接管脚到BPR子组件主机微控制器的接地参考(即，BPR子组件输出的正轨)而在任一管脚上断言“0”。通过让管脚断开而在管脚上断言“1”。两个电力输入连接器中的每一个可以具有指示足以使得BPR子组件110启动的输入电压可用的相关联单个LED。在一个实施例中，如果行线路输入电压中的任何一个大于180V AC或者231V DC(即，该示例中BPR子组件的稳态输入操作范围)，则单个LED发光。在一个实施例中，如果所有行线路输入电压小于150V AC或者185V DC(该示例中BPR子组件的低线故障范围)，则单个LED关闭。
尽管BPE中包含的子组件所散发的大部分热量可以散入水中，但可能需要强制通风来移除剩余的热量。在一个实施例中，可以通过位于BPE中的四个BPF子组件(速度控制风机模块)来提供强制通风。每个风机模块可以包括两个对旋式风机。通常，BPF子组件被配置为在所有非故障运行状态下提供足够的风量来冷却所有子组件。在一个风机出现故障的情况下，已运行的风机应当具有足够的能力来在达它们额定输出的75％下冷却所有BPR子组件。通常，风机的电气和机械设计允许在不中断BPA100服务时对故障风机进行替换。在各个实施例中，BPE102的设计包括适当的硬件来防止漏气并且在BPF子组件108中的一个出现故障或者从BPE102中移除的情况下允许再循环。BPF子组件108中的每一个包括微控制器，微控制器具有可用来控制风机速度和监测各BPF子组件的状况的串行接口。
例如，BPF微控制器可以包括下列连接：Tach；TachSel；PWMSpeed；Vfan；FanGood#；ID#；Xmit；和Rcv。在此情况下，Tach提供来自风机输出转速表的脉冲序列。针对非故障运行状态，脉冲序列可以具有位于40％到60％之间的占空比。例如，对于每秒的每个上升沿，风机速度可以被计为15RPM。例如，风机运行速度可以覆盖从0到14,000RPM的范围。TachSel用来选择两个风机转速表中的哪一个连接至tach输入。PWMSpeed(其可以是28.8KHz的脉冲宽度调制(PWM)波形)用来控制所附接的风机的速度。例如，在PWM占空比为“0”时风机速度为零，并且在占空比为100％时风机速度处于最大。Vfan可以对应于按照4.00±2％来划分的风机电压。例如，Vfan信号可以通过600Hz的单极并且由其来低通滤波。当FanGood#为低时，LED可以发光以指示BPF子组件正在运行。当ID#为低时，可以驱动另一个LED以在BPE中的BPF子组件正在运行时进行指示。可以使Xmit和Rcv管脚生效以形成与大电力控制器(BPC)主板118连接的全双工UART接口。例如，该接口可以转换为RS-422协议以连接至BPCH子组件104。
每一个BPF子组件可以提供指示风机完全就位的插入检测信号。插入检测信号可以连接至风机上的接地参考并且针对BPC主板118作为单独信号来运行。在至少一个实施例中，当BPF子组件没有插入时，BPC主板118将插入检测信号拉至高(即，未插入)态。BPA可以被设计成在0-10,000英尺的高度下进入BPA的入口温度在15℃到40℃之间的情况下以最大负荷来运行。在至少一个实施例中，相对湿度的范围是非冷凝状态的20-80％。
在一个或更多个实施例中，BPE102自身所包含的组件中没有一个是由水冷却的。然而，在该实施例中，BPR子组件110和BPD子组件106是水冷却的。BPE102包括水岐管以及到BPR和BPD子组件的连接。冷却水温度可以覆盖大约从13℃到24℃的范围。在一个实施例中，传送至全满配置的BPE(例如，包括六个BPR子组件110和一个BPD子组件106)的水流大约是10磅每平分英寸(PSI)的压降下的3.5加仑每分钟。在一个或更多个实施例中，使用BenzotriazoleTM的百万分之1000(按重量)的去离子冷却水。在各个实施例中，系统控制被设计成基于实际温湿条件保证水温是非冷凝的。
如上所述，BPCH子组件104是BPA100的一部分。参考图2，BPCH子组件104的BPC主板118包括被用来控制和分配DC电力的静态断路器(SCB)212。例如，可以在SCB212中实现5个SCB。通过提供继电和故障保护功能的SCB212的不同输出来切换施加给BPCH子组件104的DC大电力(-350V)。BPCH子组件104包括提供BPA100中所需的各种电压的电力供应器210。在所公开的实施例中，BPCH子组件104控制和监测四个BPF子组件。BPCH子组件104还提供到关联输出端口的通信路径。BPCH子组件104还包括提供系统级处理和以太网通信功能的灵活支持处理器(FSP)子卡120。大电力集线器(BPH)子卡116提供以太网集线器功能。BPCH子组件104不具有提供BPF子组件电力和控制的电路中的单点故障。在一个或更多个实施例中，BPCH子组件104还提供UEPO发光二极管(LED)、传感器和需要6V电力的连接，6V电力并非BPCH子组件104的运行所需要的。
SCB212实现断路器、固态继电器和浪涌电流控制电路的功能。SCB212被设计成在输出电流超过预定阈值时通过禁止固态开关来限制过载。可以为SCB212中的每一个附接保险丝作为后备保护。可能导致后备保险丝断开的情形是异常的，因为其需要BPCH子组件104的输出过载以及SCB212中的一个对过载的电流限制失败二者。在一个或更多个实施例中，针对SCB211中每一个的保险丝被永久地安装在BPCH子组件104中并且是不可更换的。在BPCH子组件104上产生针对SCB212的模拟电路的12V偏压并且以-350V DC作为参考。可以通过位于SCB偏压输出处的可熔断电阻器来保护提供12V偏压的总线。当SCB212中的一个被禁止时，输出电压的下降率取决于负载阻抗。在一个或更多个实施例中，根据来自BPCH子组件微控制器204的逻辑“低”(-NBL)信号开启SCB212。当重置BPCH子组件微控制器204时，所有的SCB(-NBL)信号为禁止SCB的高。如果SCB212中的一个锁闭，则必须将(-NBL)线路关闭并且接着将其开启来重新使能SCB。每个SCB输出电压(-DCVP)的状态被报告给BPCH子组件微控制器204。当出现输出电压时SCB输出电压为“低”。在没有+12V偏压的情况下，SCB输出电压线为“高”。如果SCB由于过电流而锁闭，其(+OC)信号为“高”。信号被报告给BPCH子组件微控制器204。在没有+12V偏压的情况下，(+OC)线为“高”。
在一个实施例中，BPH子卡116提供3210/100MB/S以太网接口和2GB/S以太网接口。BPH子卡116还提供32RS-422/RS-485UART接口。每个10/100MB/s RJ-45连接器包括两种类型的接口(2GB/S接口不包括RS-422/RS-485UART)。参考图3，在一个实施例中，BPH子卡116包括三个微控制器302、304和306(即，两个用于UART通信和多路转换而一个用于配置和管理以太网交换机模块308和310)。在至少一个实施例中，BPH子卡116按照虚拟局域网来配置。
BPH子卡微控制器302(BPH0)通过模块308和310的同步串行接口来配置以太网交换机模块308和310。使用通用异步接收/传送(UART)协议的到BPCH子组件104的通信在来自TD1上FSP202的串行接口上进行。在一个或更多个实施例中，接口层兼容TTL。BPCH子组件104还具有T4上用于UEPO通信和BPCH子组件104测试的RS-232串行接口。接口兼容适当配置的个人计算机COM(串行)端口。TTL接口和RS-232接口的协议相同。在一个实施例中，布线有来自FSP子卡120的四个UART。这些接口使用TTL/CMOS(3.3V)层。
针对FSP202的一个UART上的UART通信，BPCH子组件104提供硬件多路转换器208。多路转换器208使得FSP202选择用于通信的端口。FSP接口兼容TTL/CMOS(3.3V)，而BPCH子组件104在所有其它端口上提供RS-422/RS-485(差动、点-点)驱动/接收器。多路转换器208具有由FSP202控制的四个地址位。BPH子卡微控制器304和306(分别标为“BPH1”和“BPH2”)用于多路转换RS-422/RS-485UART接口。BPH子卡微控制器304和306的每一个提供十六个RS-422/RS-485UART接口，其可以是半双工接口。BPH子卡微控制器304和306为RS-422/RS-485驱动提供方向控制。BPC主板微控制器204使用多路转换的RS-422/RS-485UART接口(经由UART多路转换器206)控制和监测BPF子组件108。
BPCH子组件104包括用于四个BPF子组件108中的每一个的RS-422/RS-485UART串行控制接口。这些接口允许风机速度控制和感测。BPF子组件108中的每一个还提供有来自电力供应器210的受保护12V电力。BPCH子组件104可以使能/禁止和检测每个电力输出。BPCH子组件104包括根据350V DC输入产生如下电压的电力供应器：+3.3V；+12V(SCB)；+12V(BPF)。四个BPF子组件108中的每一个提供针对+12V(BPF)电压的电流限制和浪涌电流控制。在不向其它BPF子组件108分配+12V(BPF)电压的情况下，任何一个BPF子组件108可以是热插入/拔出的。任何一个BPF子组件108上的短路不影响其它BPF子组件108或者BPCH子组件104。
电力供应器210具有如下保护和特征：350V交叉供电输入；冗余，原因在于由用于改善的系统可用性的冗余电路产生该+12V(BPF)；通过BPC主板微控制器204检测每个供应冗余级别；限制输入电流，原因在于任何子组件偏压供应中的短路不干扰-350V DC总线；BPCH子组件偏压供应是高效的并且被设计成最小化冷却需求；不启动BPCH子组件供应器直到输入电压超过设定电压；只要过电压持续则过多的电压将导致供应器禁止切换；以及过高的BPCH子组件主板温度将导致供应器锁闭。
来自BPR子组件110的6V UEPO电力(用于UEPO环路和面板)可独立于BPCH子组件偏压电力供应器来获得。一旦在开机时完成UEPO环路，则BPR子组件110自动使能350V DV来保证BPCH子组件电力供应器启动。如果禁止所有的350V DC电力，则系统需要手动干预来重启，因为FSP控制逻辑已经关闭。将来自BPR子组件110的6V UEPO电压发送至与T4连接的UEPO开关。因为BPCH子组件104和FSP202不由6V UEPO电压供电，所以BPCH子组件104上的输出不被过电流保护。BPCH子组件104向UEPO面板提供RS-232UART串行接口。该接口还用来在测试期间向BPCH子组件104发送命令。
UEPO面板向BPCH子组件104提供如下感测信息：环境温度；湿度；大气压；+UEPO电力可用；+室内EPO完成/旁路；以及+UEPO完成。BPCH子组件104还直接支持如下面板功能：A/B侧感测；FSP到FSP握手信号；以及框架服务LED。BPCH子组件104提供UEPO旁路开关以允许UEPO面板和/或电缆的并发维护。当开关被设置为“旁路”时，相对于BPC主板118内部地完成6V UEPO环路。接下来，可以在不影响来自BPR子组件110的350V DC输出的情况下执行维护。BPC主板微控制器204感测/控制：来自每个SCB的-NBL、-DCVP和+OC信号；来自每个BPF电力输出的-NBL、-DCVP和-OC信号；BPR1-6和BPF1-4何时插入；UEPO(6V)电力何时可用以及UEPO何时完成；UEPO面板何时连接至T4；并发地维护UEPO面板/电缆的旁路开关；以及来自T5交叉供电连接器的350V输入。
BPC主板微控制器204与UEPO面板通信并且缓存所接收的传感器信息。BPC主板微控制器204监测BPF子组件108并且根据来自FSP202的命令改变风机速度。BPC主板微控制器204还提供SCB状态并且根据来自FSP202的命令使能/禁止SCB、提供BPF/BPR插入检测状态、以及提供偏压感测。BPC主板微控制器204存储UEPO面板和BPF子组件108的代码图像。在成功的开机自检之后，BPC主板微控制器204使能BPCH子组件104“良好”LED。接下来，一旦初始化开机(硬件重置)就禁止所有SCB。BPC主板微控制器204通常不初始化BPF子组件108的风机速度。在代码下载期间以及之后维持所有BPC主板微控制器204输出的状态。BPH子卡微控制器302通过读取配置寄存器并且将其值与同微控制器相关联的闪存中存储的表格进行比较来持续地验证交换机模块310和312的VLAN配置。这保证了网络的安全并且检查交换机模块的重置条件，如果发生重置，则交换机模块将清除这些寄存器。
持续地检查端口链路的状态。如果发现链路出现或者消失，则设置“链路状态改变”标志和相应的掩码以使网络管理器恢复。一旦接收到适当的FSP命令，BPH子卡微控制器302能够为任一端口改变LED状态。BPH子卡微控制器302提供用于调节器312的偏压感测。在一个实施例中，一旦启动，则BPH子卡微控制器302首先检查交换机模块308和310保持重置以保证集线器从不处于“开放网络”配置。将闪存中存储的默认VLAN配置加载至交换机模块308和310。接下来，在所有可用的端口上使能端口转发。BPH子卡微控制器302接着使能用于端口链路监测功能的控制标志。
参考图4，图400例示了包括SELV块402的BPCH子组件104，SELV块402包括BPH子卡116和FSP子卡120。SELV块402通过变压器和光耦合器406耦合至350V电路404。
参考图5，BPD子组件106包括用来控制和分配DC电力的SCB502和504。在所公开的实施例中，由提供继电和故障保护功能的SCB502和504通过26个不同的输出(T1-T26)来切换施加给BPD子组件106的DC大电力(350V)。在该实施例中，BPD子组件106执行源自BPC主板118的命令并且不执行任何独立的控制功能。例如，提供给BPD子组件106的命令包括使能/禁止SCB502和504以及查询SCB502和504的状态。在所公开的实施例中，BPD子组件106具有两个独立微控制器506和508，两个微控制器506和508的每一个分别检测SCB502和504的一半。依此，任一微控制器出现故障将不会禁止BPD子组件106的全部。BPD子组件106具有两个独立的3.3V/12V偏压供应器510和512。两个偏压供应器510和512中的每一个分别向微控制器506和508中的其中一个以及SCB502和504的其中一个提供电力。依此，任一偏压供应器出现故障将不会禁止整个BPD子组件106。3.3V偏压、5V偏压、12V偏压、SCB控制和微控制器电路都以350V(-)为参考。针对BPC主板118的RS-422接口被设计成安全超低压(SELV)接口以将该接口和BPD子组件106光学隔离。
BPD子组件106中的SCB502和504用作断路器、固态继电器和浪涌电流控制电路。SCB502和504被设计成当输出电流超过预定阈值时通过禁止固态开关来限制过载。SCB中的每一个可以具有用于后备保护的相关保险丝。可能导致后备保险丝断开的情形是异常的，因为其需要BPD子组件106的输出过载以及SCB对过载的电流限制失败二者。在至少一个实施例中，保险丝被永久地安装在BPD子组件106中并且是不可更换的。当SCB被禁止时，输出电压的下降率取决于负载阻抗。
根据来自微控制器506和508中相关联的一个的逻辑“低”(-NBL)信号开启SCB502和508。当重置微控制器506和508中的一个时，所有相关联的-NBL信号为禁止相关联的SCB的“高”。如果SCB锁闭，则必须将-NBL线路关闭并且接着将其开启来重新使能SCB。每个SCB输出电压(-DCVP)的状态被报告给微控制器506和508中相关联的一个。当出现输出电压时SCB输出电压为“低”。在没有+12V偏压的情况下，SCB输出电压线为“高”。如果SCB由于过电流而锁闭，其(+OC)信号为“高”。这些信号被报告给微控制器506和508中适当的一个。在没有+12V偏压的情况下，(+OC)线为“高”。
到BPD子组件106的通信通过来自TOA/TOB上BPC主板118的串行接口进行。在一个或更多个实施例中，接口的协议是UART协议并且接口层兼容RS-422。例如，接口上的位传输速率可以是115.2K波特。在一个实施例中，BPD子组件106具有在BPD子组件106良好时进行指示的单个LED。当替换BPD子组件106时，单个LED被用来进行识别。微控制器506和508中的每一个还为BPD子组件106提供热保护。在一个或更多个实施例中，如果相关联的冷板过热，则禁止SCB502和504。通常，偏压供应器510和512被配置成在风量不足时保护它们自己。在成功的开机自检之后，微控制器506使能BPD“良好”LED。一旦初始化开机(硬件重置)就禁止所有SCB502和504。微控制器506和508可以相同或者不同。参考图6，图600例示了包括SELV块602的BPD子组件106，SELV块602通过变压器和光耦合器606耦合至350V电路604。
根据本公开的各个方面，BPR子组件110被配置成：向BPCH子组件104和BPD子组件106提供经调节的-350V DC隔离输出；抽取经低谐波低噪声功率因数校正的输入电力；向BPCH子组件104和系统紧急断电(EPO)环路提供6V的线路调整的待机电压；通过内部继电器提供EPO机制；以及通过微控制器监测多个内部信号以访问自身的状况并且经由串行链路提供该信息。通过较小电力转换器级的模块化布置获得BPR子组件110的高电力电平。
参考图7，BPR子组件110中的每一个包括由字母R、S和T表示的三个电性相同的电力转换器部件。部件中的每一个包括整流器前端702和连接在一块来形成输出电力总线的一组DC/DC转换器704。部件中的每一个不依赖于其它两个部件。也就是说，一个部件中的故障不妨碍其它两个部件的运行。当向BPR子组件110的输入施加电力时，备用内部管理电力供应器(标记为“STBY HSKPR”)706提供电力给整流器R和DC/DC转换器组R的控制电路。一旦启动整流器R，备用内部管理电力供应器706自举其馈送至整流器R的输出的输入电力。接下来，由备用内部管理电力供应器706供电的主微控制器708可以启动主内部管理电力供应器(标记为“MAIN HSKPR”)710。
主内部管理电力供应器710接收来自整流器R的输出的输入电力并且给BPR子组件110的其余部分的控制供电。继电器用来通过向DC/DC转换器控制电路提供所需的操作偏压来使能-350V输出。继电器还用作UEPO环路功能。当未激活继电器时，所有的DC/DC转换器控制机械地移除它们的偏压。这在安全电力移除并非必要的情况下防止激活DC/DC转换器的输出。当激活偏压并且使能输出时，开启BPR子组件110“BPR良好”信号。
BPR子组件可以配置有具备机械互锁的开/关滑动开关来保证始终在禁止状态下安装或者移除BPR子组件。为了提高三个整流器和三组DC/DC转换器之间的输入和输出上的电流共享，电力转换器级中每一级的三相输入连接和DC输出连接可以具有它们自己专用的一组管脚。BPR子组件110包括主微控制器和六个辅助微控制器(每个整流器和DC/DC转换器组一个)。
参考图8，每个整流器702包括其控制电路执行用于AC输入的电阻仿真(即，正弦单位功率因数输入电流)的单相AC/DC转换器。整流器开关电力级是具有四个交织部件(标记为部件w、X、Y和Z)的降压+升压转换器。单相整流器中的每一个连接至AC输入线的第三相以针对电力线路干扰提供增加的抗扰度。在正常运行时，在连接C上没有电流流动。当需要时，连接至连接A和B的单相输入二极管桥变为包括连接C的三相二极管桥(通过在连接C上烧制一对SCR)。三个整流器部件交替地连接至三相输入线以提供标称的平衡三相DELTA输入，一个整流器运行在AC输入的任何一个线至线电压之间。因为三个整流器中的每一个名义上根据不同对的线路电压来运行，所以每个整流器的(-)输出不同。
到BPR子组件110的输入电力由BPE102的背板提供。例如，当BPR子组件110插入背板时，可以使每个相位的一个稍微较长的输入管脚生效以首先衔接AC。在此情况下，当BPR子组件110完全就位时管脚可以接着与相位的其余管脚并联。在典型的实现中，初始接触管脚/管座被配置为处理任何电弧破坏。
连接至每个整流器输出的是产生经调节的输出电压并且还提供相对于输入线路的电隔离的一组DC/DC转换器(例如，可以包括四个DC/DC转换器的组)。给定组中的四个DC/DC转换器在此被称为w、X、Y和Z。DC/DC转换器的每个输出包括或二极管，其防止一个输出部件上的故障导致并联转换器崩溃。在一个实施例中，相同组中的DC/DC转换器共享公共电压误差信号，这迫使所有的转换器运行在相同的输出电流上。
AC的初始应用时每任一相位的BPR子组件最差情况最大浪涌电流由输入电容充电电流组成。在各种实现中，充电电流将不超过具有200uS脉宽的100A峰值，并且依赖于输入源阻抗。当开启BPR子组件以产生输出电压时，输入软启动电流将会是AC输入的50/60Hz正弦，或者在DC输入的情况下将会是斜波。对于大部分输入故障情况，电流导致内部BPR输入保护保险丝断开。对于大部分输出负载故障，电流(在初始AC应用浪涌电流之后)将不超过最大稳态值。该情况是BPR运行在输出电流限制上的情况下。-350V和6V在最大负载下的最大输入电流通常小于或者等于428伏的平衡AC输入电压下的38A RMS平衡三相。在这些情况下，每个整流器的输入电流应当小于22A RMS单相。输入电流通常应当由BPR子组件限制为最大值58ARMS(33.5A RMS每整流器)。
在DC输入的情况下，-350V和6V在最大负载下的最大输入电流应当小于或者等于437V DC下的66A。在这些情况下，三个整流器中每一个的输入电流应当小于22A。系统应用状态通常应当防止输入电流超过最大输入电流。在至少一个实施例中，由每一个AC输入相位上的一个30A、600V快速动作半导体保险丝来保护每个整流器。
如果一个正常活动相位出现丢失时，每个整流器被配置为进行切换以处理来自正常禁止相位的电力。任何相位的丢失还将导致该整流器中的相位故障指示。假设其它活动相位出现，则正常禁止相位上的电压丢失不影响输入电力处理。假设线路电压在稳态运行需求范围内，则每个整流器被设计成在单相状态下启动。在一个或更多个实施例中，使用软件来控制连接C的运行。BPR子组件110被配置成当断开DC输入运行时在电池放电状态期间无误差地运行。
BPR子组件中散发的热量主要通过水冷却的冷板。通常，在无故障状态下空气中的热负荷不应当超过250瓦特。由于BPR子组件的模块化设计，所以可以允许仅一部分电力级通电以维持较少的负荷。通常，低电力模式应当保持主内部管理供应器710关闭以消除三个整流器中的两个及其相关联的DC/DC转换器的控制所需的电力。在单个DC/DC转换器开启并且运行在达1.5A的输出电流下的情况下，BPR子组件110通常应当能够在没有水冷却的情况下无限期地运行。
在各个实施例中，BPR子组件110的输出与高电压输入和控制磁隔离并且相对于绿色接地线浮动。+6V输出与AC输入磁隔离并且被视为SELV输出。DC/DC转换器中的每一个具有在其电力路径上位于输出连接器之前的二极管，以防止内部输出短路故障影响并联N+1冗余应用的公共总线。可以通过阻抗匹配来实现达12个并联BPR子组件之间共享的输出。这导致输出电压具有随着输出电流增加的负斜率特性。在至少一个实施例中，电压调整保证并联运行的BPR子组件在使用软件调整时所有正在运行的调节器的平均电流的大约±7.5安培的范围内共享。
在用于每一电力级的电流型环路的情况下，同一组中的DC/DC转换器共享公共调整基准和电力误差信号。作为结果，同一组中的DC/DC转换器通常共享在该组的平均电流的大约±0.63安培的范围内的电流。三个DC/DC组输出电压中的每一个可以被配置成通过软件可独立调整。例如，BPR子组件110可以被配置成对于如下状态的任何组合将其输出电压维持在350伏±15V(在BPR子组件110的输出端检测电压调整)：稳态运行范围内的静态输入电压改变；无误差电力线路干扰；瞬态负载改变(步骤)；以及转换器运行环境中的变化。
“备用”指的是在部分产品故障的情况下产品继续提供部分功能的能力。在BPR子组件110的情况下，系统应用平衡动力传动系来执行备用。在至少一个实施例中，BPR子组件110允许在一个或更多个整流器前端或者DC/DC转换器存在问题的情况下在减小的电力电平上运行。尽管在这些状态下运行，但应当减小输出应用电流(例如，对于非运行的每个DC/DC转换器减小6.3A)。在所公开的实施例中，应当认识到，一个故障的整流器导致一组四个DC/DC转换器不可运行。通常，在该模式下运行时可以将减小输入电压的电流应用于较低容量。
在至少一个实施例中，在给BPR子组件110施加输入电压之后应当在不超过3秒钟的时间内存在+6V浮动电平(其用于EPO线圈吸合电压)。在典型的设计中，在无故障状态下，+6V电平应当针对0到0.5A的DC负载电流范围维持5.9V到7.8V的调整。+6V上的基础电压纹波通常不应当超过60mV峰一峰值。+BPR NBL给机械地向DC/DC控制电路施加内部偏压的继电器供电。在没有该偏压的情况下，不能使能350V输出，并且该特征使得BPR子组件输出电压出于UEPO安全需要而被机械地禁止。一旦施加了吸合电压，则能够开启350V输出。当移除吸合电压时，将在10mS内断开BPR输出电压并且接着开始衰减。衰减率取决于负载。
BPR子组件110可以包括标记为“识别”的黄色LED和插入BPA时容易看见的标记为“BPR良好”的绿色LED。可以通过主微控制器708管理这些LED。在一个或更多个实施例中，BPR子组件110包括允许来自BPC主板118的控制和监测的全双工RS-422接口并且连接至主微控制器708。每个整流器包括主控制板712。主控制板712包括用来操作整流器动力传动系的电路(包括整流器微控制器)并且包括向主微控制器708报告的辅助微控制器。每个主控制板712以输入电压干线上的不同电压作为参考。
在至少一个实施例中，整流器微控制器包括如下信号连接：PrimeVoltsA；PrimeVoltsP；ACAmps；Bulk V；IBBW、IBBX、IBBY和IBBZ；TP；TempDiode；TempB+B；Bulk Adj；Line Fault；AMUX0、AMUX1、AMUX2；T/OnW#、T/OnX#、T/OnY#、T/OnZ#；SCRNbl；Crowbar；Xmit；Rcv；和HOV。
PrimeVoltsA对应于连接至三相全波二极管桥的三相输入连接的电压。PrimeVoltsP对应于连接至三相全波二极管桥的三相输入的峰值电压。ACAmps是进入整流器的缩放线路电流。BulkV是整流器输出上的缩放电压，IBBw、IBBX、IBBY和IBBZ表示通过每个降压+升压电感器的相对电流。TP是对辅助控制板714供电的内部管理供应器的最大缩放输出电压。TempDiode是用于由热敏电阻所测量的输入二极管桥的冷却块的温度。TempB+B是用于由热敏电阻所测量的降压或者升压开关的冷却块的较高温度。Bulk Adj(其可以是2KHz PwM信号)用来调整整流器输出电压的调节点。
LineFault用来指示是否出现线路故障(例如，如果断开输入时全波三相桥的瞬时电压高于212伏±5％)并且用来确定是否烧制SCR802和804；AMUX0、AMUX1和AMUX2构成以AMUX0为最低有效位的模拟多路转换器的标准二进制形式的地址。T/Onw#、T/OnX#、T/OnY#和T/OnZ#指示是否开启输入整流器的相关相位。SCRNbl控制是否激活输入二极管桥上的SCR。当为高时，Crowbar指示直到输入电流保护导致电力从整流器输入处移除时才应当导通整流器中的升压开关；Xmit和Rcv用来构成到主微控制器708的全双工UART连接；以及HOv指示是否在大输出电压上检测到硬件过电压。
在所公开的实施例中，每一组DC/DC转换器704包括辅助控制卡714，该辅助控制卡714包括用来操作转换器704的DC/DC动力传动系的电路(例如，DC/DC组微控制器)。卡714包括向主微控制器704报告的一个辅助微控制器。辅助控制板714以DC/DC转换器输出电力总线的公共正轨作为参考。在至少一个实施例中，DC/DC组微控制器包括如下信号连接：TempDCW、TempDCX、TempDCY和TempDCZ；T/OnW、T/OnX、T/OnY和T/OnZ；VoAdj；IsnsAdj；IlimAdj；TempDCA；ISW、ISX、ISY和ISZ；HOV；AMUX0、AMUX1和AMUX2；Xmit；和Rcv。
TempDCW、TempDCX、TempDCY和TempDCZ对应用于由热敏电阻所测量的各DC/DC转换器的输出二极管桥的冷却块的温度。T/OnW、T/OnX、T/OnY和T/OnZ由确定所有DC/DC转换器是否为开的主开启位来控制。VoAdj(其可以是57KHz PWM信号)用来调整所有DC/DC转换器的调节点。IsnsAdj(其可以是57KHz PWM)用来使Iout信号的偏移为零。IlimAdj(其可以是57KHz PWM信号)用来调整所有DC/DC转换器的电流限制点。
TempDCA通过到由AVCC供电的温度传感器的连接测量辅助控制卡714的局部空气温度。ISW、ISX、ISY和ISZ是其值与各DC/DC转换器的平均一次电流成比例的信号。HOV指示是否在输出总线上检测到硬件(即，快速)过电压。AMUX0、AMUX1和AMUX2构成以AMUX0为LSB的模拟多路转换器的标准二进制形式的地址。Xmit和Rcv构成到主微控制器708的全双工UART连接。主微控制器708从六个辅助微控制器(即，整流器微控制器和DC/DC组微控制器)聚集信息并且按该信息动作。
因此，本申请已经公开了容易促进用于高性能计算(HPC)集群的电力转换、控制和分配系统的实现的多种技术。
附图中的流程图和框图例示了根据本发明各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可以实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、代码片段或部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一条或更多条可执行指令。还应当注意到，在某些替换实现中，块中所提及的功能可以不按图中所提及的顺序出现。例如，事实上，可以基本上并发地执行连续示出的两个块，或者，有时可以按相反顺序来执行各块，这取决于所涉及的功能。还将注意到，可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件与计算机指令的组合来实现框图和/或流程图示图的每一块以及框图和/或流程图示图的各块的组合。
本申请所使用的术语目的仅在于描述特定实施例，并非旨在限制本发明。如在本申请所使用的那样，单数形式的“一个”、“该”意欲也包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。将进一步理解，当在该说明书中使用时，术语“包含”(以及类似的术语，诸如包括、具有等等)是开放式的，表明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的出现，但并不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的出现或添加。
以下权利要求中所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物(如果有)旨在包括如特别主张那样的用于执行结合其它主张的元件的功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了本发明的描述，但是其并不旨在穷举或者将本发明限制在所公开的形式。对于本领域普通技术人员而言，在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多改进和变型是显然的。实施例的选择和描述是为了最佳地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解本发明的适于特定使用预期的具有各种改进的各种实施例。
已经详细地描述了本申请的发明并且参考了本发明的优选实施例，显然在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，改进和变型都是可能的。

Claims (18)

1.一种电力转换、控制和分配系统，包括：
多个大电力调节器(BPR)子组件，每一个被配置为根据AC输入电力和DC输入电力提供经调节的DC大电力；
大电力分配(BPD)子组件，被配置为分配所述经调节的DC大电力；以及
耦合至所述多个BPR子组件和所述BPD子组件的大电力控制器和集线器(BPCH)子组件，其中所述BPCH子组件被配置为监测和控制所述BPR子组件和所述BPD子组件。
2.如权利要求1所述的电力转换、控制和分配系统，进一步包含：
多个大电力风机(BPF)子组件，被配置为从所述BPR子组件和所述BPD子组件所散发的空气中移除热负荷。
3.如权利要求1或权利要求2所述的电力转换、控制和分配系统，进一步包含：
包括背板的大电力外壳(BPE)，被配置为将所述BPCH子组件耦合到所述BPR子组件和所述BPD子组件。
4.如权利要求1所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述BPR子组件中的每一个包括多个电性相同的电力转换器部件。
5.如权利要求4所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述多个电性相同的电力转换器部件中的每一个包括整流器前端和一组DC/DC转换器。
6.如权利要求5所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述一组DC/DC转换器的各输出被电连接以构成输出电力总线。
7.如权利要求5所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述BPR子组件中的每一个包括被控制成禁止所述一组DC/DC转换器的继电器。
8.如权利要求5所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述整流器前端包括执行用于AC电力输入的电阻仿真的单相AC/DC转换器。
9.如权利要求5所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述一组DC/DC转换器用作具有四个交织部件的降压加升压转换器。
10.如权利要求5所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述一组DC/DC转换器包括被配置为提供与输入电力线的电隔离的四个DC/DC转换器。
11.如权利要求10所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述四个DC/DC转换器的每个输出包括：或二极管，其防止所述四个DC/DC转换器中的一个或更多个转换器上的故障致使所述四个DC/DC转换器中的其余转换器不可运行。
12.如权利要求1所述的电力转换、控制和分配系统，其中所述BPCH子组件包括大电力控制(BPC)主板，所述大电力控制主板包括：用来路由所述DC大电力的多个静态断路器；以及被隔离在安全超低压(SELV)块中并且被配置为提供以太网通信功能的大电力集线器(BPH)子卡。
13.一种高性能计算集群，包括如任一在前权利要求所述的电力转换、控制和分配系统，并且进一步包括：
一个或更多个处理节点，耦合至所述BPD子组件并且被配置为接收由所述经调节的DC大电力得出的运行电力。
14.一种向高性能计算集群提供运行电力的方法，包括：
使用多个大电力调节器(BPR)子组件根据AC输入电力或者DC输入电力产生经调节的DC大电力；
使用大电力分配(BPD)子组件将所述经调节的DC大电力分配给高性能计算集群的一个或更多个处理节点；
使用大电力控制器和集线器(BPCH)子组件监测和控制所述BPD子组件和所述多个BPR子组件；以及
使用大电力外壳(BPE)的背板将所述BPCH子组件耦合至所述多个BPR子组件和所述BPD子组件，其中所述一个或更多个处理节点被配置为接收由所述经调节的DC大电力得出的运行电力。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述BPR子组件中的每一个包括多个电性相同的电力转换器部件，并且其中所述多个电性相同的电力转换器部件中的每一个包括整流器前端和一组DC/DC转换器。
16.如权利要求15所述的方法，其中电连接所述一组DC/DC转换器的各输出来构成输出电力总线并且所述BPR子组件中的每一个包括被控制成禁止所述一组DC/DC转换器的继电器。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述一组DC/DC转换器用作具有四个交织部件的降压加升压转换器。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述一组DC/DC转换器包括用来提供相对于输入电力线的电隔离的四个DC/DC转换器，并且所述四个DC/DC转换器的每个输出包括：或二极管，其防止所述四个DC/DC转换器中的一个或更多个转换器上的故障致使所述四个DC/DC转换器的其余转换器不可运行。
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