CN103872747B - 一种12v直流不间断电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流12V不间断电源系统，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组。本发明采用直流12V不间断电源系统，电池组按机架配置、和服务器同步建设，降低了电池的充电功率。电源模块采用PWM整流技术，相较于传统工频UPS电源系统，供电系统回路谐波含量降低，对各级配电系统容量、电缆、前端备份发电机组容量要求降低。

Description

一种12V直流不间断电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源供电装置，特别是一种可应用于数据中心、通信机房、IT机房的12V直流不间断电源系统。

背景技术

给数据中心服务器供电，本质上就是将220V交流市电变换成稳定可靠的12V基准直流电，再给服务器内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”供电。UPS、高压直流、服务器PSU等电源设备都是手段，不是目的。当前的数据中心电源建设方案，市电经过多次变换才生成直流12V给服务器内部芯片供电，电能利用率很低。

关于ＵＰＳ负载率－效率曲线，各个厂家的数据不尽相同，但是基本上均遵守以下的曲线图，图3为某厂家的UPS负载率－效率曲线图。

由图3分析可以得出以下几点结论：

1)ＵＰＳ的运行效率与负载率相关，负载率低于某种程度后，效率将大幅下降；

2)负载率为40％到80％的区间，效率曲线刚性较强，ＵＰＳ运行效率最高；

3)系统的负载率决定了系统的运行效率。

以目前数据中心最常用的1+1并联供电方式为例：此种供电方式要求单台UPS负载不超过额定容量的70%，正常工作时两台UPS负荷均担，即每台UPS工作在额定容量的35%，每台UPS是长期工作在额定容量35%以下的状态，实际使用中的UPS大多运行在额定负荷的15%-30%之间，导致花大量资金购买的设备处于低负荷运行状态，且系统效率较低。

此外，UPS蓄电池组均按UPS满载的容量及放电时间来配置，由于负载较轻，蓄电池组实际配置容量远超负载实际运行所需最低容量。额外的蓄电池组充电功率，对前端配电线路及开关、变压器容量提出了更高的容量要求，额外的电能损耗最终转化为热能，又增加了空调的负担。

由图4可见，现有技术中交流输入经过多次转换才能给服务器芯片供电，每经历一次转换，就伴随着开关元器件的导通及关断损耗，以负载为30%时候分析可见，此时的电能实际利用率η为81.9%。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种12V直流不间断电源系统。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种直流12V不间断电源系统，其特征在于，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组。

本发明中，所述交流输入配电单元连接三相380V交流电用于将输入的三相380V交流电分配成多路小容量的220V分路，便于高频整流电路接入单相220V交流电。

本发明中高频整流电路：由高频整流模块组成，将220V交流电变换成稳定不间断的12V直流电，其允许的输入电压范围为：220V*(1-15%,1+10%),输出电压精度为12V(1±4%)，单模块输出容量为25A、40A、50A、75A、100A等。配置显示仪表，同时实现对蓄电池组的充电、放电管理。当市电正常时，高频整流电路输出12V直流电给负载供电，同时通过稳压电路给蓄电池组进行浮充。

本发明中稳压电路为直流双向稳压电路，稳压精度为±4%之内。当高频整流电路对负载进行充电时，稳压电路输出稳定的12V直流电给蓄电池充电；当蓄电池组放电时，给负载提供稳定的12V直流电。

本发明中12V铁锂电池组作用为：当高频整流电路没有输出时，蓄电池组实现对负载的供电，蓄电池组容量根据放电时间灵活配置。

本发明中直流输出配电单元作用为：将整流电路或蓄电池组通过稳压电路输出的12V直流电分配给服务器供电，实现方式通过熔丝或者直流断路器给服务器供电。

本发明用高频整流电路，代替传统的UPS或者高压直流电源系统及服务器输入端电源模块，产生12V直流电，给服务器供电；12V的铁锂电池组并接在高频整流电路的输出端，作为备用电源。

本发明解决现有数据中心现有电源系统负载率低、电能利用率低、远期出现的电源容量与负载功率不匹配的状况等一系列问题，提出了一种新型、节能的不间断电源系统，为服务器供电。

本发明可应用于数据中心、通信机房、IT机房，可取代目前普遍使用的UPS或高压直流电源系统为服务器供电，降低电源转换次数、蓄电池组按实际负载配置，解决数据中心电源容量与服务器负载功率不匹配、输入谐波含量高、电源利用率低等问题，降低数据中心运行成本。新建数据中心、IT机房、通信机房：将直流12V不间断电源系统和服务器机架集成，直流12V不间断电源系统内置于服务器机架内，服务器无需配置输入电源模块，直接接入直流12V不间断电源系统。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明电源系统（含蓄电池组）分散于每架服务器机架，数据中心可取消电力电池室，降低机房建筑成本，而节省的电力电池室又可用来布放服务器机架；

（2）采用分散供电，将风险下沉到每个机架，避免了UPS供电若输出有问题，造成其所带负载全部瘫痪的风险。

（3）服务器与电源系统同步建设，容量灵活配置，可将负载率控制在效率最大点，避免了机房后期电源容量与负载不匹配的缺陷；

（4）电源在服务器机架内部，接近负荷中心，降低输电及配电损耗；

（5）电源模块采用PWM整流技术，相较于传统工频UPS电源系统，供电系统回路谐波含量降低，对各级配电系统容量、电缆、前端备份发电机组容量要求降低。

（6）本发明采用直流12V不间断电源系统，电池组按机架配置、和服务器同步建设，降低了电池的充电功率。而以往的UPS、高压直流方案配置的蓄电池组是按照负载终期容量配置，在电源容量满载之前，对蓄电池组进行的充电功率，有部分是被浪费掉的，额外的电能转化为热负荷，增加了机房的空调负荷。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明12V供电不间断电源系统框图。

图2为本发明直流12V不间断电源系统效率分析图。

图3为某一现有技术ＵＰＳ负载率－效率曲线示意图。

图4为现有技术服务器UPS供电系统及效率图。

图5为市电正常时，电源系统电流路由图。

图6为市电停电时，电池放电路由图。

图7为本发明电源系统电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种新型的直流不间断电源系统，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组。

本发明输出电压等级为直流12V，输出电压范围为：（11.5V,12.5V）。

本发明电源系统与服务器同步建设于同一机架内部，彻底解决了目前数据中心电源系统与负载建设不同步、电源容量与负载功率不匹配的问题；采用高频整流电路代替UPS及服务器输入电源模块来实现12V电压的输出，给服务器供电，减少了电能转换次数，最大程度的提高了电能的利用率；采用高频整流技术，使输入谐波含量大大降低，降低了电能的传输损耗，同时降低了空调的负荷，配电系统容量以及发电机容量均可显著降低。用直流12V不间断电源系统为服务器供电的数据中心，服务器将无需配置输入电源模块，电能将最大程度的被数据中心真正的负载——“服务器内各种芯片”使用，是最节能环保的电源解决方案，电能利用率分析如图2所示。

本发明工作原理如下：

（1）市电正常时

如图5所示，市电经过交流配电单元，将大容量的380V/3P（P表示马力。）分流成多路小容量的单相220V/1P交流电；单相交流电输入至各高频整流电路模块，生成稳定可靠的12V直流电；同时高频整流电路经过稳压电路对铁锂电池进行充电；再通过直流输出单元给各服务器供电。由于整流电路采用高频整流技术，输入功率因素高，输入电流谐波含量低，对整流电路前端交流配电系统容量、发电机组器容量要求将大大降低。

（2）市电停电或高频整流电路无输出时

如图6所示，12V铁锂电池组通过稳压电路输出稳定的12V直流电，给负载供电。

电源系统集成在服务器机架内部，电源系统与服务器同步建设、系统容量灵活配置，生成稳定可靠的12V直流电，直接给服务器芯片供电，服务器输入端无需配置电源模块。本电源系统可代替数据中心常见的UPS、高压直流电源系统，给服务器供电。

（3）高频整流电路

图7中，本发明中高频整流电路分为以下几个部分：输入滤波整流电路、PWM脉冲产生电路、PWM直流变压电路、输出滤波电路、反馈采样电路。

图7中各个标号含义如下：

F1:输入保险丝；

TH1：输入浪涌电流抑制的热敏电阻；

R1:C1,C9的放电电阻；

C1，C9：输入差模滤波电容；

L5,L6：输入共模电感；

L2,L3：输入差模电感；

C11，C12，C13，C14：输入共模滤波电容；

BD1：输入整流桥；

C15，C16：输入差模滤波电容；

L4：输入差模电感；

R11，C3：阻容吸收电路（同R7,C17;R2,C5;R12,C4;R9,C2;C6,R4；R5,C7）；

M1，M2：双管正激Mosfet；

R10,R8：驱动门极电阻；

R3：电流采样电阻；

D1,D2，L1：原边整流滤波器件；

T1：主变压器；

D5，D6，L7，C9:副边整流滤波器件；

L8,C10：2极滤波器件；

R6：死负载；

R25，R26，R27：电压反馈分压电阻；

C21,R22,C22,R23,R24,C20，U2：输出电压反馈调节器；

R21，Z1：限流线路；

R28：给U2提供偏置电流；

U1：反馈的光耦；

R19，R20，C20：电流采样滤波；

R13，R14，R15,R16,C18,C19：反馈电压的运算放大器；

R17,R18：分压电阻；

其中输入滤波整流电路和PWM直流变压电路串接后位于主变压器的原边，对输入的共模和差模的纹波进行滤波处理，同时将AC输入整流成直流的输出。M1和M2为同开或同关的开关，控制这两个开关高频的开通和关断，使变压器T1两端有一个高频的方波交流电压，通过变压器T1做电磁隔离，将能量从原边传到副边。输出滤波电路位于主变压器的副边，通过二极管整流，将高频的交流电压整流成直流，通过LC滤波网络，将纹波滤平。

PWM脉冲产生电路与PWM直流变压电路连接，根据电压环（R14、R15、C18组成）的反馈电压和输入的原边电流，产生一电压幅值与输出功率有关的电平信号，这一电平信号与时钟信号结合在一起，产生高频的PWM方波，此方波用于对M1和M2开关的驱动。

反馈采样电路连接输出滤波电路，用分压电阻采取输出电压，与基准电压做对比，将误差信号放大，用于调节PWM的脉冲宽度。从而稳定输出电压。

输入保险丝F1作为输入电流保护，通过浪涌抑制的热敏电阻TH1脉冲保护，输入差模滤波电容滤除L、N线上的差模信号，共模电感L5、L6绕组分别接在L和N线上,两个绕组同进同出,滤除共模信号；差模电感L2、L3绕组单独接在零线和火线上的滤波电感器滤除差模干扰。输入整流桥BD1将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电；输入差模滤波电容C15、C16，输入差模电感L4完成滤除差模干扰。双管正激M1、M2两开关管同时开通和关断。同时开通向副边传递能量，同时关断，变压器原边通过开关管的反向并联二极管向输入侧馈电，完成磁复位；阻容吸收电路R11、C3利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。原边整流滤波器件D1,D2，L1整流滤波输出，反馈电压的运算放大器R15、R16、R19使通过输入引脚的差分电压变成零，分压电阻R17、R18配置12V的稳压管二极管获得12V的采样标准。

本发明提供了一种12V直流不间断电源系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种直流12V不间断电源系统，其特征在于，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组，所述充电稳压电路为直流双向稳压电路，稳压精度为±4％之内；

所述交流输入配电单元连接三相380V交流电用于将输入的三相380V交流电分配成小容量的220V分路；

所述高频整流电路包括以下部分：输入滤波整流电路、PWM脉冲产生电路、PWM直流变压电路、输出滤波电路、反馈采样电路，高频整流电路允许的输入电压范围为：220V*(1-15％,1+10％)，输出电压精度为12V(1±4％)；

其中输入滤波整流电路和PWM直流变压电路串接后位于主变压器T1的原边，用于对输入的共模和差模的纹波进行滤波处理，同时将AC输入整流成直流的输出；主变压器T1的原边包括M1和M2两个同开或同关的开关管，M2的源极连接变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端连接M1的漏极，通过控制这两个高频开关管的开通和关断，使变压器T1原边两端有一个高频的方波交流电压，通过变压器T1做电磁隔离，将能量从原边传到副边；输出滤波电路位于主变压器的副边，通过二极管整流，将高频的交流电压整流成直流并通过LC滤波网络进行滤波；PWM脉冲产生电路与PWM直流变压电路连接，用于根据反馈采样电路输出的反馈电压和输入的原边电流，产生一电压幅值与输出功率有关的电平信号，将这一电平信号与时钟信号结合，产生高频的PWM方波，此方波用于对变压器T1原边的开关管M1和M2进行驱动，所述反馈采样电路连接输出滤波电路，其采用分压电阻采样输出电压，并与基准电压做对比，将误差信号放大，用于调节PWM的脉冲宽度，从而稳定输出电压；变压器T1的原边还包括输入保险丝F1、热敏电阻TH1、共模电感L5、共模电感L6、差模电感L2、差模电感L3、差模电感L4、输入整流桥BD1、差模滤波电容C15、差模滤波电容C16；输入保险丝F1的一端连接L线，另一端连接热敏电阻TH1的一端，输入保险丝F1作为输入电流保护，通过对浪涌进行抑制的热敏电阻TH1实现脉冲保护；热敏电阻TH1的另一端连接共模电感L5的第一绕组的一端，共模电感L5的第一绕组的另一端连接共模电感L6的第一绕组的一端，共模电感L6的第一绕组的另一端通过差模电感L2连接输入整流桥BD1的第一交流输入端，共模电感L5的第二绕组的一端连接N线，共模电感L5的第二绕组的另一端连接共模电感L6的第二绕组的一端，共模电感L6第二绕组的另一端通过差模电感L3连接输入整流桥BD1的第二交流输入端；输入整流桥BD1的直流输出正端连接差模电感L4的一端，差模电感L4的另一端连接开关管M2的漏极，输入整流桥BD1的直流输出负端通过电流采样电阻R3连接开关管M1的源极，差模滤波电容C15的正极连接差模电感L4的一端，差模滤波电容C16的一端连接差模电感L4的另一端，差模滤波电容C15的负极和差模滤波电容C16的另一端均连接输入整流桥BD1的直流输出负端；共模电感L5、L6用于滤除共模信号，输入差模滤波电容C15、C16，差模电感L2、L3、L4完成滤除差模干扰；输入整流桥BD1将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电；两开关管M1、M2同时开通和关断，同时开通时向副边传递能量，同时关断时，变压器原边通过开关管的反向并联二极管向输入侧馈电，完成磁复位；开关管M2的源极和漏极之间并联由电阻R11和电容C3串联构成的阻容吸收电路，开关管M1的源极和漏极之间并联由电阻R9和电容C2串联构成的阻容吸收电路，该阻容吸收电路利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率，由于电路中存在变压器漏感或负载电感，因此与电容C2、C3串联的电阻R9、R11起阻尼作用，用来防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏开关管。