CN103248111A - 与变压器耦接的电流封顶电源拓扑 - Google Patents

与变压器耦接的电流封顶电源拓扑 Download PDF

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Abstract

本申请描述了与变压器耦接的电流封顶电源拓扑。通过该技术，使用磁通量来提供备份电力。变压器具有可控地耦接至第一输入绕组的线电力源、以及可控地耦接至第二输入绕组的次级电力源。控制器监控线电力，并且如果线电力电压下降得过低，则切换至次级电力源，或者如果线电力电流变得过高，则使用次级电力源来补充线电力源。还描述了从次级电力源渐增地转换回线电力源。

Description

与变压器耦接的电流封顶电源拓扑
技术领域
本公开涉及电力控制技术领域。
背景技术
不间断电源（UPS）通常设计为通过输入AC（交流电）、将AC整流为耦接至电池的DC（直流电），然后将电池输出逆变回AC电力来工作。在输入AC中断的情况下，电池继续给逆变器供电，直到AC电力恢复或者电池被耗尽为止。
然而，即使高效率的不间断电源也损失了大量能量，主要是因为发热。在当前设计中，至多可以达到大约百分之九十三的效率。这种损失在通常需要数兆瓦电力的大型数据中心的场景下是非常不希望有的。一种解决方案提供了一种复杂的、定制的设计：在AC可用时旁路电池。然而，这也是昂贵的。
AC/DC支架级（rack level）的或者服务器内电池备份/UPS设计对高阻抗电力源比如柴油发电机产生了问题（在电池被耗尽之前，柴油发电机在失去常规AC电力源时运行）。一个问题是，当输入电压（VAC）下降至指定的（欠电压保护或UVP）电平以下时，服务器电源关断并且将负载转移至本地能量存储装置。当发电机准备好时，VAC输入电压增加至工作点，电源自动接通，服务器负载被从本地能量存储装置上移除，并且被电源从而发电机接过去。此时，发电机经历从零至百分之百的突然的负载增加，例如2.5MW发电机需要在10毫秒内从0W转换至供10,000个250W服务器使用的2.5MW。由于发电机的高输出阻抗特性，高速率的瞬态负载增加引起了输出电压减弱（droop）。该电压减弱基本上足以使电源中的UVP跳闸，这会迅速地关断和从发电机移除负载（百分之百至零的转换）。这样会产生连续的“接通/断开/接通/断开”或者“摩托艇般（motorboating）”的能量转储。这种运行状态会一直持续到本地能量存储装置被耗尽，从而不能在失去VAC期间维持服务器运行为止，或者直到发电机、配电装置或服务器电源出现部件故障为止。
用于修正服务器处的这种问题的方法包括改变UVP阈值、VAC良好阈值以及软启动电路延迟电路。对于上万数量级的服务器的服务器应用，这引入了几千个电源设计，每个都具有其自己的接通关断特性。即使那样，该方法也不是防故障的。此外，电源设计/部件数目的增加使得单位产出以及保修期内的维修管理的成本增加。
重新加载发电机的次级控制在于延迟静态转移切换。这仍然产生了阻碍加载效应（block loading effect）。结合可变的关断/接通特性，这是部署起来复杂、制造和支持起来昂贵的解决方案。
发明内容
本“发明内容”是为了以简化的形式介绍一组代表性的设计，这些代表性的设计会在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”不是指出要求保护的主题的关键特征或者本质特征，也不是要以任何方式用来限制要求保护的主题的范围。
简要地说，本文中描述的主题的各个方面是针对如下技术的：通过该技术，通过磁通量可控地耦接第一电力源和第二电力源以提供电源。自动地控制切换机构以从第一电力源向第一变压器绕组输入电力，或者从第二电力源向第二变压器绕组输入电力，或者从第一电力源向第一变压器绕组输入电力并且从第二电力源向第二变压器绕组输入电力。可以使用电压和/或电流监控来控制切换机构。
在一个方面中，用于电源的负载转移机构包括具有第一输入绕组、第二输入绕组和输出绕组的变压器。控制器将负载在第一电力源和第二电力源之间切换，或者将负载切换至第一电力源和第二电力源两者，以实现与输出绕组相对应的期望的输出电压。控制器监控电源状态，以基于电源状态来确定负载的切换，包括通过以下方式来进行所述切换：选择性地将第一电力源耦接至第一输入绕组，或者将第二电力源耦接至第二输入绕组，或者将第一电力源耦接至第一输入绕组并且将第二电力源耦接至第二输入绕组。控制器可以基于所监控的状态来将至少一部分负载从一个电力源渐增地转换至另一电力源。
另一个方面是针对与来自耦接至变压器的第一输入绕组的第一电力源的电力相对应的输入电压的监控。描述了：如果输入电压下降至欠电压保护阈值以下，则进行切换以将来自第二电力源的电力耦合至变压器的第二输入绕组。还描述了监控与来自第一电力源的电力相对应的电流，并且，如果该电流超过了过电流状态，则进行切换以将来自第二电力源的至少一部分电力耦接至变压器的第二输入绕组。
从下文结合附图进行的详细描述可以明白其他优点。
附图说明
在附图中示例性地而非限制性地图解了本发明。在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：
图1是示出了根据一个示例实现方式的与变压器耦接的电流封顶电源拓扑的示例部件的框图；
图2是示出了可以由控制器采用以操作与变压器耦接的电流封顶电源的示例步骤的流程图；以及
图3是呈现了可以如何将电池选择性地耦接至与变压器耦接的电流封顶电源的框图。
具体实施方式
本文中所描述的技术的各个方面总体上涉及用于具有有源功率因数校正的隔离电源（例如AC/DC）的集成负载转移机构。这种技术通过引入从通常为电池的本地能量存储设备馈送的、初级隔离变压器处的磁通量来工作。如将被理解的，这种技术能够限制电源线（line cord）的电流幅值和上升速率，以提供本地能量备份/过渡（穿越，ride through）、适度控制的高阻抗AC源的重新加载（零至百分之百）以及电源线电力封顶限制的目的。
应当理解，本文中的任何示例都是非限制性的。例如，这种技术是针对AC电力输入和DC电力输出来例示的，然而，输入也可以是具有任意适当电压的AC电力或者DC电力，并且输出可以是DC或AC。此外，虽然本技术通常适用于由高阻抗本地发电比如柴油发电机来供电的、在丧失AC输入、AC电力不足或下降过程中进行支持和操作的IT（信息技术）电力系统，但是本技术也应用于其他应用，诸如相对小的备份系统。再者，虽然描述了输出期望的电压的、基于电压的电源，但是输出期望的电流的、基于电流的电源是等同的。这样，本发明不限于本文中描述的任何具体的实施例、方面、概念、结构、功能或示例。相反，本文中描述的任何实施例、方面、概念、结构、功能或示例都是非限制性的，并且本发明可以以提供益处和优点的各种方式来用在一般性的电源技术中。
图1示出了根据文中描述的技术来配置的电源的一个示例实现方式的各部件。被称为V输入的输入AC电压通过传统的功率因数校正（块102）被变换至DC电力。在常规操作中，切换机构104（例如包括一个或多个场效应晶体管FET）由控制器106（例如脉冲宽度调制控制器）来供给脉冲，以产生通过初级侧变压器107（例如铁氧体磁芯隔离变压器108）馈送的经整流的AC。这又使得次级侧变压器110产生AC，AC被整流成DC电力（块112），该DC电力可以用于任何适当目的，包括对计算机系统供电。
如本文中所述，控制器106可以控制另一切换机构114（例如基于FET的切换机构）向另一变压器绕组118提供本地能量存储装置的经AC整流的电力（例如来自电池116的电力），从而引入磁通量来代替或者添加至来自初级（基于电源线的）绕组的磁通量，基本上创建了双输入、单输出的变压器设计。本地能量存储装置可以是电源的组成部件（例如，内置在计算机系统中）或者可以是可插入设备。
在一种实现方式中，如本文中所述，控制器包括传感器接口120，传感器接口120用于监控各种电源状态数据，包括电源的电压和电流，并且基于电源的工作状态来执行各种操作。如图1的示例控制器106中所示，控制器处理器122运行存储器126中的逻辑124以执行这样的操作。控制器106可以用任意适当的硬件和/或软件装置来实现。可以由控制器106来执行的一种操作包括经由合适的切换机构130来控制充电电路128。（在常规操作中）对电池充电的方法包括断开DC电力或者断开变压器T1。
在一种实现方式中，控制器106监控输入线电流（I线）、输入电压（V线）、隔离变压器电流（IT1）、初级侧变压器FET切换占空比（QP）、次级侧变压器FET切换占空比（Qs）、电池放电FET占空比（QB）、电池充电FET占空比以及输出电压（V输出）。控制器106作用于受监控的点，以调节QP、Qs、QB和QC，使得输出电压在期望的范围内，包括当遭遇AC丧失和恢复、AC电力不足或下降和恢复时，以及在高速率的负载瞬变期间。注意，控制器可以从初级侧来供电并且具有相对于初级侧的接地，具有单独的电池备份（例如小的监视/医用型电池）或者经由隔离变压器来自次级侧的电池备份，所以在初级侧不提供电压时能继续工作。由于变压器为隔离变压器，所以可以使用光学耦接或者其他机制，以使得控制器能够控制切换/监控次级侧。或者，控制器可以在次级侧运行，具有机箱接地和类似的隔离，以实现对初级侧的信令/监控。
图2是示出了例示的控制器106的各种示例操作的流程图。为了描述的目的，可以使用以下术语：
·用于从0%到100%加载发电机的时间段（P）
·从0%到100%加载发电机所需的步骤（S）
·重新加载的步骤之间的时间增加量（t步骤）
t步骤=（P）/（S）
·重新加载的步骤之间的加载步骤的幅值（L步骤）
L步骤=（发电机容量）/（重新加载中步骤的数量）
·VAC输入电压（V输入）
·输入电流（I线）
·电池切换占空比（QB）
·初级变压器切换占空比（QP）
·初级变压器电流（IT1）
·DC输出电压（V输出）
·DC输出切换占空比（QS）
·电池充电切换占空比（QC）
图2的示例步骤包括控制器在AC故障和严重的电力不足/下降情况期间如何操作，其中，电压输入幅值减弱至可接受的电平以下以及欠电压保护阈值以下，并且在一段时间之后恢复到可接受的电压电平。在这种情况下，输入线电流没有超过可接受的阈值。图2还包括用于处理名义电力不足/下降情况的步骤，其中，电压输入幅值减弱至可接受的电平以下但是保持在欠电压保护阈值以上。这导致了超过可接受水平的增加的输入线电流。在输入电压在一段时间之后恢复到可接受的电平时，输入线电流降低。
步骤202表示针对欠电压保护阈值来评估输入电压V输入。如果没有处于欠电压状态，则步骤202分支到步骤204和206，在步骤204和206中，针对过电流阈值来检查电流。如果输入电压和电流是可接受的，则控制器继续操作电源正常地工作。如果输入电压是可接受的但是电流太高（例如名义电力不足状态），则步骤208表示控制切换占空比，以用电池电力来补充线输入电压电力。继续该处理直到线电压和电流是可接受的为止，此时，控制器例如以渐增的步骤来转换离开电池电力，如经由步骤210和212所表示的。
如果相反，在步骤202处输入电压处于欠电压状态，则步骤202分支到步骤214和216，在步骤214和步骤216中，开关被控制成切换电源以从电池向变压器提供磁通量。继续该处理直到欠电压情况结束为止。然而，如本文中所述，控制器106不直接（从AC线输入或发电机）切换回V输 入初级变压器侧，而是相反，将电源从电池可控地转换回V输入初级变压器侧电力。
使用以上术语来总结，对于名义电力不足/下降情况，如果VAC输入电压（V输入）>=欠电压保护阈值，并且输入电流（I线）<过电流保护阈值，则电源正常工作，如经由步骤202、204和206所表示的。如果VAC输入电压（V输入）>欠电压保护阈值但是输入电流（I线）>过电流保护阈值，则电源的转换通过减小初级变压器切换占空比（Qp）来减小从电源线得到的能量。同时，从本地能量存储装置抽出附加的能量到初级变压器中，使得DC输出切换占空比（QS）能够维持期望的DC输出电压（V输出）。这些概念用步骤208来表示。
如通过步骤210和212所表示的，当VAC输入电压（V输入）增加至（或者保持为）可接受的电平并且输入电流（I线）下降至过电流保护阈值以下时，控制器106开始增加占空比至（Qp），以向T1中引入附加的能量，使得电流输入（I线）小于所计算的L步骤。控制器106可以以速率t步 骤来增加占空比至（Qp）。在这个处理期间，电池切换占空比（QB）相应地减小，使得DC输出切换占空比（QS）能够维持期望的DC输出电压（V输出）。一旦电池切换占空比（QS）降为零，则电源正常工作。
对于AC故障和严重的电力不足/下降情况，这可以被描述为：
如果VAC输入电压（V输入）>=欠电压保护阈值，则电源正常工作。
如果VAC输入电压（V输入）<=欠电压保护阈值（步骤202），则电源转换停止，其中初级变压器切换占空比（QP）被控制为零。此时，电池切换占空比（QB）增加（步骤214），从本地能量存储装置（例如电池或多个电池）抽取能量到初级变压器中，使得V输出被校准。
当VAC输入电压（V输入）>欠电压保护阈值时（在步骤218处），控制器开始增加占空比至（QP），以向T1中引入附加能量，使得电流输入（I线）小于所计算的L步骤。控制器106可以以速率t步骤来增加占空比至（Qp）。在这个转换处理（步骤220）期间，电池切换占空比（QB）相应地减小，使得DC输出切换占空比（QS）能够维持期望的DC输出电压（V输出）。一旦电池切换占空比（QS）降为零，则电源正常工作。
如借助于该拓扑可看到的，将电池能量集成到T1变压器中允许增加低电压工作范围，因为从电源线抽出的能量与电压成比例并且可以在低至比当前可接受的低得多的电压值下工作。副产品是本地能量存储装置的延迟/过渡（穿越）时间可以被扩展。欠电压阈值点不再需要从电源线保险丝/断路器来获得，而是由初级变压器处的功能占空比和工作电压来获得。
转向另外的方面，这种技术可以用于方便电力平滑。例如，考虑通常各自以八安培来运行但是偶尔在罕见的高需求时间段内峰值为十三安培的一组一万个服务器。提供分别以高达十三安培来运行一万个服务器的容量非常昂贵，并且因此在很多情况下，此前可用的服务器的数量需要减少，因为没有充足的电力可用。本文中描述的技术允许从电池汲取仅在罕见的情况下需要的额外的电流，从而所有适当装备的服务器都可以保持可用。
此外，为了在很多场景下实现这种技术，与其他技术中所使用的较大的电池（例如铅酸电池）相比，可以使用较小、较长寿命的电池（如锂离子电池）。虽然使用了较大的变压器，然而，相应的成本相对不昂贵。
在家庭和小型办公场景下，可以在计算机系统中提供电源，该计算机系统允许通过插入适当的电池来获得电池备份。例如，在图3中，使可再充电电池330经由耦接装置332（诸如插座或其他适当的连接器）耦接至电源，这允许实现可选地附接的电池备份。耦接装置332可以在计算机系统外部，或者在计算设备的外壳内部。任何具有电源的电器都可以从相似的可插入的电池备份系统获益；可以将逆变器用于AC电器。
根据上述描述可知，本公开的实施例包括但不限于如下技术方案：
技术方案1.一种系统，其包括用于电源的负载转移机构，所述负载转移机构包括变压器和控制器，所述变压器具有第一输入绕组、第二输入绕组和输出绕组，所述控制器被配置成将负载在第一电力源和第二电力源之间切换，或者将负载切换至所述第一电力源和所述第二电力源两者，以实现与所述输出绕组相对应的期望的输出电压，所述控制器被配置成监控电源状态，以基于所述电源状态来确定负载的切换，包括通过以下方式来进行：选择性地将所述第一电力源耦接至所述第一输入绕组，或者将所述第二电力源耦接至所述第二输入绕组，或者将所述第一电力源耦接至所述第一输入绕组并且将所述第二电力源耦接至所述第二输入绕组。
技术方案2.根据技术方案1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成检测与所述第一电力源相对应的欠电压保护状态，并且作为响应，将负载切换至所述第二电力源。
技术方案3.根据技术方案2所述的系统，其中，所述控制器不再检测与所述第一电力源相对应的非欠电压保护状态，并且作为响应，所述控制器将至少一部分负载从所述第二电力源渐增地转换至所述第一电力源。
技术方案4.根据技术方案3所述的系统，其中，所述控制器被配置成通过增加与所述第一电力源的耦接相对应的第一占空比来将所述至少一部分负载渐增地转换至所述第一电力源，并且通过减小与所述第二电力源的耦接相对应的第二占空比来将所述至少一部分负载渐增地转换至所述第二电力源。
技术方案5.根据技术方案1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成检测与所述第一电力源相对应的过电流状态，并且作为响应，将至少部分负载切换至所述第二电力源。
技术方案6.根据技术方案5所述的系统，其中，所述控制器不再检测与所述第一电力源相对应的所述过电流状态，并且作为响应，所述控制器将至少一部分负载从所述第二电力源渐增地转换至所述第一电力源。
技术方案7.根据技术方案6所述的系统，其中，所述控制器通过增加与所述第一电力源的耦接相对应的第一占空比来将所述至少一部分负载渐增地转换至所述第一电力源，并且通过减小与所述第二电力源的耦接相对应的第二占空比来将所述至少一部分负载渐增地转换至所述第二电力源。
技术方案8.根据技术方案1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成控制充电电路以对所述第二电力源再充电。
技术方案9.根据技术方案1所述的系统，其中，所述负载转移机构耦接至计算机系统。
技术方案10.根据技术方案1所述的系统，还包括耦接装置，所述耦接装置被配置成提供所述第二电力源至所述负载转移机构的选择性的耦接和去耦接。
技术方案11.根据技术方案1所述的系统，其中，所述第一输入绕组与初级侧相对应，所述初级侧与对应于所述输出绕组的次级侧隔离，并且其中，所述控制器相对于电压和接地在所述初级侧运行。
技术方案12.根据技术方案1所述的系统，其中，所述第一输入绕组与初级侧相对应，所述初级侧与对应于所述输出绕组的次级侧隔离，并且其中，所述控制器相对于电压和接地在所述次级侧运行。
技术方案13.根据技术方案1所述的系统，其中，所述控制器耦接至备份电源，以允许所述控制器在没有来自所述第一电力源或所述第二电力源的可用电力时工作。
技术方案14.一种或更多种计算机可读介质，其具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时执行如下步骤：监控与来自耦接至变压器的第一输入绕组的第一电力源的电力相对应的输入电压，并且，如果所述输入电压下降至欠电压保护阈值以下，则进行切换以将来自第二电力源的电力耦接至所述变压器的第二输入绕组。
技术方案15.根据技术方案14所述的一种或更多种计算机可读介质，还包括：检测到所述输入电压不再低于所述欠电压保护阈值，并且作为响应，进行切换以将来自所述第一电力源的电力耦接至所述变压器的所述第一输入绕组。
技术方案16.根据技术方案14所述的一种或更多种计算机可读介质，还包括：监控与来自所述第一电力源的电力相对应的电流，并且，如果所述电流超过过电流状态，则进行切换以将来自所述第二电力源的至少一部分电力耦接至所述变压器的所述第二输入绕组。
技术方案17.根据技术方案16所述的一种或更多种计算机可读介质，还包括：检测到所述输入电流不再超过所述过电流状态，并且作为响应，进行切换以将来自所述第二电力源的所述至少一部分电力与所述变压器的所述第二输入绕组去耦接。
技术方案18.一种方法，其包括：通过磁通量可控地耦接第一电力源和第二电力源以提供电源，包括自动地控制切换机构从所述第一电力源向第一变压器绕组输入电力，或者从所述第二电力源向第二变压器绕组输入电力，或者从所述第一电力源向所述第一变压器绕组输入电力并且从所述第二电力源向所述第二变压器绕组输入电力。
技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其还包括：监控与所述第一电力源相对应的电压电平，并且在所述电压电平在阈值以下时将所述第二电力源可控地耦接至所述第二变压器绕组。
技术方案20.根据技术方案18所述的方法，其还包括：监控与所述第一电力源相对应的电流值，并且在所述电流值在阈值以上时将所述第二电力源可控地耦接至所述第二变压器绕组。
虽然本发明易于进行各种修改和替代构造，但是只有某些实施方式在图中进行了图示并且在上文中进行了详细描述。然而，应当理解，并非意在将本发明限于所公开的具体的形式，相反，本发明意在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有的修改、替代构造和等同方案。

Claims (10)

1.一种系统，其包括用于电源的负载转移机构，所述负载转移机构包括变压器（108）和控制器（106），所述变压器具有第一输入绕组（107）、第二输入绕组（118）和输出绕组（110），所述控制器被配置成将负载在第一电力源和第二电力源之间切换，或者将负载切换至所述第一电力源和所述第二电力源两者，以实现与所述输出绕组相对应的期望的输出电压，所述控制器被配置成监控电源状态，以基于所述电源状态来确定负载的切换，包括通过以下方式来进行所述切换：选择性地将所述第一电力源（V输入，102）耦接至所述第一输入绕组，或者将所述第二电力源（116）耦接至所述第二输入绕组，或者将所述第一电力源耦接至所述第一输入绕组并且将所述第二电力源耦接至所述第二输入绕组。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成检测与所述第一电力源相对应的欠电压保护状态，并且作为响应，将所述负载切换至所述第二电力源。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成检测与所述第一电力源相对应的过电流状态，并且作为响应，将至少部分负载切换至所述第二电力源。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成控制充电电路以对所述第二电力源再充电。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一输入绕组与初级侧相对应，所述初级侧与对应于所述输出绕组的次级侧隔离，并且a）其中所述控制器相对于电压和接地在所述初级侧运行，或者b）其中所述控制器相对于电压和接地在所述次级侧运行。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器耦接至备份电源，以允许所述控制器在所述第一电力源和所述第二电力源无电力可用时工作。
7.一种方法，其包括：监控（202）与来自耦接至变压器的第一输入绕组的第一电力源的电力相对应的输入电压，并且，如果所述输入电压下降至欠电压保护阈值以下，则进行切换（214）以将来自第二电力源的电力耦接至所述变压器的第二输入绕组。
8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：监控与来自所述第一电力源的电力相对应的电流，并且，如果所述电流超过过电流状态阈值，则进行切换以将来自所述第二电力源的至少一部分电力耦接至所述变压器的所述第二输入绕组。
9.一种方法，其包括：通过磁通量可控地耦接第一电力源（204）和第二电力源（214）以提供电源，包括自动地控制切换机构从所述第一电力源向第一变压器绕组输入电力，或者从所述第二电力源向第二变压器绕组输入电力，或者从所述第一电力源向所述第一变压器绕组输入电力并且从所述第二电力源向所述第二变压器绕组输入电力（208）。
10.根据权利要求9所述的方法，其还包括：监控与所述第一电力源相对应的电压电平，并且在所述电压电平在阈值以下时将所述第二电力源可控地耦接至所述第二变压器绕组，并且/或者，监控与所述第一电力源相对应的电流值，并且在所述电流值在阈值以上时将所述第二电力源可控地耦接至所述第二变压器绕组。
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