CN104106019B - 在低负载时减少电流谐波 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了在低负载时减少电流谐波。在一个示例中，一种方法包括升高升压转换器的输出电压以在低电量功率模式下达到较高电势。在达到较高电势之后，所述方法包括降低输出电压的设定点。

Description

在低负载时减少电流谐波
背景技术
交流电(AC)电路的功率因数(PF)是实际功率与视在功率的比率，并且表示为0和1.0之间的数字(或百分数)。实际功率是电路在给定时间内进行工作的能力，而视在功率是电路的均方根(RMS)电流和RMS电压的乘积。
可能希望调整电子系统(例如，服务器计算机或计算资源的集合，例如数据中心)的功率因数。可使用功率因数校正(PFC)电路使AC电路的功率因数接近1.0。PFC电路通过确定PF并且调整输入电流使得该电流与电源电压同相而操作。
各种操作条件(例如，非线性负载，或存储在负载中的能量相对于返回至电源的能量的量)能够引起视在功率超过实际功率，这增加了传输功率损耗，影响了数据中心容量，并且使保护器件跳闸。这些条件可能引起数据中心的一个区域故障或整个数据中心故障。
附图说明
图1是可以实施控制方法以在低负载时减少电流谐波的数据中心的高级别视图。
图2是示出可以实施控制方法的图1所示示例电路的更多细节的示意图。
图3是可以在实施控制方法时使用的示例电压设定点的信号图。
图4是在低负载时减少电流谐波的示例高级别操作的流程图。
图5a-c是例示可以实施以在低负载时减少电流谐波的更详细操作的更多流程图。
具体实施方式
寻求资本投资最大化的越来越多的顾客将更多的信息技术(IT)设备添加到他们的数据中心(例如，服务器和相关的电子设备，例如存储器和通信设备)。尽管对于这些条件物理空间是可用的，但功耗可能会超载数据中心电力基础设施的传统限制。紧张的电力基础设施会带来具有谐波的新问题，该问题可能被在这些数据中心的初始配置中使用的超大尺寸的电力基础设施所掩盖。这种问题在处理低负载时可能尤其严重。
通过例示的方式，低负载可以引发谐波电流，其中一些谐波电流可能足够大到使保护器件跳闸并且造成数据中心故障。虽然在IT设备和公用事业公司之间增加昂贵的电力设备可能有助于掩盖该问题，但这样的解决方案会显著增加每个电源的数据中心操作成本。
公开了在低负载时减少电流谐波的控制电路，以代替给数据中心增加电力设备。将该新技术加入到现有电源，例如用于功率因数校正，比在数据中心中增加新的电力设备明显更划算。另外，控制电路解决了潜在的问题，而不是仅仅掩盖问题。
在一个示例中，控制电路可以实施为例如功率因数校正(PFC)电路的电路，以针对功率因数校正升压转换器在低负载时减少电流谐波。可以为(例如数据中心中的)一个或多个电源设置该电路。虽然该电路通常和功率因数校正升压转换器一起设置，但是也可以拆除通常的电源而让PFC升压前端给服务器中的多个DC/DC电源供电。
该电路实施低负载时减少电流谐波的控制方法。在进入低功率模式之前，控制器可以将输出电压设置为默认值。默认值可以被选择为使得能量的至少一半循环值以电容存储在PFC升压转换器的输出端中。也就是，在下降至低于设定点之后，该方法在再充电之前等待下一个过零点出现，因此在等待下一个过零点的同时能量的一半循环值保持为“缓冲”。
在操作过程中，当输出功率下降至低于阈值时，电路进入低功率模式。在低功率模式下，控制器升高升压转换器的输出电压以达到较高电势，然后降低输出电压的设定点。升高升压转换器的输出电压的速率可以被选择为使得输出电压在整数个输入循环中达到较高电势。该速率可以被选择为使得升压转换器的输出电压看起来像是电源上有较高负载，并且在充电期间减少输入谐波成分。
可以设置开关以在达到较高电势之后错开给电源充电(例如升压转换器中的并联电容器)。在输出电压下降至设定点之后切换停止，由此减少或完全消除来自升压转换器的谐波成分。在输出电压下降至设定点之后，控制器在将输出电压再次升高至较高电势之前等待输入电压的下一个过零点。
除了在低负载时减少谐波以外，本文描述的技术可以使“超”规模的数据中心能够超越潜在的电力基础设施的设计限制，同时减少或完全消除谐波电流的风险和保护器件的误跳闸。
在继续之前，应注意本文使用的术语“包括”和“包含”表示但不限于“包括”或“包含”以及“至少包括”或“至少包含”。术语“基于”表示“基于”和“至少部分基于”。
图1是可以实施控制方法以在低负载时减少电流谐波的数据中心10的高级别视图。数据中心10可以包括任何类型和数量的电子设备。出于例示的目的示出了电子设备的机架，其可以包括服务器12、数据存储设备14及通信和网络基础设施16。
数据中心10可以还包括电力基础设施，其提供合适的布线和转换器以将电功率输送至各数据中心部件(例如，服务器12、数据存储设备14及通信和网络基础设施16)。电力基础设施可以还包括接口18以从例如公用电网或外部发电机的外部电源19接收电力。在数据中心内部电力基础设施上还可以设置中间电源(未示出)以在数据中心10内部传输电功率。
在一个示例中，以电路实现在低负载时减少电流谐波的控制方法。电路20可以在物理上被设置为使得该方法能与升压转换器一起操作。例如，电路20可以设置在外部电源19和电源接口18之间，如电路20所示。在另一个示例中，该电路可以设置在电力基础设施上的其它位置，如电路20a-c所示。
电路20可以被设置为与现有PFC电路一起操作的PFC电路的部分(例如，可以用本文所述的控制电路进行修改的PFC电路)，或被设置为独立的电路。
PFC电路将电流控制为匹配电压信号，以便接近或达到1.0的功率因数(PF)。PFC电路20可以通过监视输入电压整流波形来校正电流，并且使输入电流与输入电压波形匹配。PF可以基于电压和/或电流测量值来确定。校正之后，电流信号和电压信号之间的差异非常少。
在一个示例中，PFC电路采用整流的输入AC电压(例如，约100-240VAC)，并且使输入AC电压升高(例如至约400VDC)，称为“高电压”。通常需要进一步转换以提供隔离和到最终负载(例如，48V、12V或5V)的进一步调节。例如如果失去AC功率，则存储在储能电容器中的能量通常足够以全输出功率运转电源至少约10ms，并且低负载时时间更长。
如上所述，紧张的电力基础设施可能由从PFC转换器形成谐波电流而造成，一些谐波电流大到足以使保护器件跳闸并且导致数据中心故障。该问题对于低负载时尤其严重。电路20可以用于在低负载时减少电流谐波，例如针对功率因数校正。
图2是示出可以实施控制方法的图1所示示例电路20的更多细节的示意图。在图2中，电路20被实施为PFC电路的部分。因此，电路20可以在电力基础设施中(未示出，但是经由引线24a-b连接)连接在负载22(例如，数据中心中的电子设备)和AC电源之间。桥接器25可以提供整流AC信号，该整流AC信号表现为“部分DC”信号。用于提供整流AC信号的桥接器在电子领域是已知的，并且通常通过“翻转”AC正弦波的负半部分而操作，使得在整流器的输出端的极性与AC正弦波的正半部分相同。电感-电容电路26可以被设置为高频滤波器元件，例如EMI滤波器。
升压转换器28将整流器25输出端的电压的电压“升压”提供至负载22。示例升压转换器28可以包括由场效应晶体管(FET)32和二极管34控制的电感器30。升压转换器28升高在电压母线上提供的电压。电容器37a-b可以被设置以保持电荷。在升压转换器停止切换之后，开关40对电容器37a进行充电以防止谐波产生电流对电容器37a进行峰值充电。返回母线提供回到AC电源的路径。
在图2中示出了示例电路20，其可以实施为硬连线电路。但是，应注意，在熟悉了本文示出和描述的教导之后，对本领域普通技术人员显而易见的是电路20还可以实施为其它电路(例如逻辑门)。
在低负载时，各种因素都可能影响谐波成分。许多这些因素可以通过增加在电源上的负载而解决。一个示例是电流检测电阻器38两端的信号。在低负载时，电流很小并且该信号具有很小的信号噪声比。该信号用来对电流进行整形，并且噪声能够显示为谐波成分。另一个示例是电压控制回路的慢响应，其宽松地调节给负载22供电的输出电压。在低负载时，因为电压控制回路具有很慢的反应时间，所以输出电压快速升高，这可能造成过冲。因此，升压转换器28可以在不方便的时间停止切换以防止过电压情况。但是，如果升压转换器28没有切换，则升压转换器28不能进行功率因数校正。这引起各循环期间输入线路电流上的不规则，该不规则增加了谐波成分。
相反，电路20使用控制器36来实施两个操作模式，针对低负载情况的第一操作模式和针对较高负载的第二操作模式。在较高负载期间，第一操作模式下的操作被停用，并且允许升压转换器28正常操作。在低功率模式下，电容37a-b存储超过正常能量电势的能量，并且升压转换器28停止切换，直到多余能量被耗尽。
在操作期间，控制器36接收基于引线24a-b处、电流检测电阻器38处和存储在电容器37a-b中的能量的情况的输入。基于负载情况，控制器36通过对FET32和/或开关40的输出来控制电容器37a-b的充电/放电循环。应注意，除非电容器37a大到在升压转换器28不进行切换时对电源谐波有负面影响，否则无需安装开关40。控制器36操作升压转换器28的设定点，下文参照图3将对其进行更详细的解释。
图3是例示电压设定点的信号图42。设定点可以通过上面参照附图2描述的控制器36来操纵。在进入低功率模式之前，将电压设定为默认值。一旦进入低功率模式，控制器36将输出电压设定在44处示出的水平。
在下一次输入电压过零时，控制器36升高升压转换器28的输出电压45使得其达到较高的电势，如在点46所示。应注意，设定点46处的电压可以是允许控制器36在再充电期间提供几乎恒定的输入电流的电压范围。
控制器36可以将升高的速率设定为使得输出电压在整数个输入半循环内达到电压46。这提供了在电源上有较高负载的表象，并且在充电时间期间减少了输入谐波成分。
在电压达到设定点46处表示的水平之后，控制器将电压设定点降低至较低值47。在一个示例中，较低值47可以被预编程。在另一个示例中，较低值47可以是从范围48中随机选择的。范围48被示出为具有最低电势44，并且可以用来错开并联电源之间的再充电，并防止外部电路上的过载情况。错开可以是随机的，或通过中心管理器(未示出)智能地设置。范围48可以被设置为使得其足够宽以提供对多个循环的选择。
在输出电压达到水平46之后，控制器36将设定点下降至47，并且升压转换器28停止切换。这减少或完全消除了来自PFC转换器的所有谐波成分。
电源可以在多个输入循环内操作而不切换，直到电压下降至设定点47。在电压下降至设定点47之后，控制器36等待直到输入电压的下一个过零点，然后在49处再次升高输出电压至水平46’。该过程可以无限地重复，直到负载上升至不需要以低功率模式操作的值。
作为一个示例，能够用15.6J的能量在400VDC下给195μF的电容器充电。在600VDC下，能够用35.1J的能量给相同的电容充电。在50W输入端处，电源能够从600VDC直到400VDC操作达390mS。这大约是输入功率的19至23个循环，取决于线路频率。然后，如果电源使用5至6个循环来给电容器再充电，则平均功率保持50W，但是在转换器真正切换期间，平均功率是约250W。这比以50W输入连续操作提供了好得多的谐波成分，并且看起来是负载的5倍。
在继续之前，应注意上述示例仅出于例示的目的，并不旨在进行限制。系统和方法不需要以任何特定的电路设计来实施。其它设备和结构也可以用来执行本文所述的操作。
可以参照下述的流程图进一步理解这些操作模式。上述附图中描绘的部件和连接可以用来实施下述流程图中示出的操作，并且出于例示的目的在下面的讨论中引用。下文还参照了图3所示的信号图。但是，还能想到可以用其它电路、逻辑部件和/或例如处理器或处理单元的控制逻辑来实施所述操作。
图4是例示针对功率因数校正在低负载时减少电流谐波的示例高级别操作的流程图100。示例方法包括当输出功率下降至低于阈值时，进入低功率模式。在低功率模式下，该方法(在110)包括升高升压转换器28的输出电压以在低功率模式下达到较高的电势。升压转换器28的输出电压升高的速率可以被选择为使得输出电压在整数个输入半循环内达到较高的电势46。升压转换器28的输出电压升高的速率看起来像在电源上有较高的负载，并且在充电期间减少输入谐波成分。
在达到较高的电势46之后，该方法(在120)包括降低在输出电压的范围48内的设定点47。这减少了或完全防止了外部电路上的过载情况。
该方法还可以(在130)包括在输出电压下降至设定点47以后停止在对电容器37a-b再充电之间的切换，以减少或消除来自升压转换器28的谐波成分。
在输出电压下降至设定点47以后，该方法还可以(在140)包括在49处再次升高输出电压至较高的电势46’之前等待输入电压的下一个过零点。
尽管在图4中没有示出，但是该方法还可以包括在进入低功率模式之前将输出电压设置为默认值。
本文所示和所述的操作用来例示示例实施方式。应注意，操作不限于示出的顺序。也可以实施其它的操作。
图5a-c是例示针对功率因数校正在低负载时减少电流谐波的更详细的示例操作的流程图200、300和400。
图5a和5b中的流程图200和300分别例示了监视操作以及对变化的适当响应。流程图200表示用于输入功率监视的操作。这里，在210处监视输入功率，并且确定220电源应该在哪种模式下操作(例如，低功率模式或高功率模式)。如果在220处输入功率不是小于阈值，那么清除低功率模式，然后在操作240检测不到变化，因此在操作210中进行正常操作。
如果在220处输入功率小于阈值，那么控制器36在操作250中设置低功率模式，在操作240中检测到状态变化，并且在260处例程触发中断，并且中断服务例程(ISR)提出改变(在下文针对流程图400进行描述)。
图5b中示出的流程图300表示用于输入和输出电压检测的操作。操作在310通过对输入电压进行取样而启动。如果在操作320处输入电压位于过零点，并且在操作330处输出电压已经下降至低于设定点，那么在340触发中断。指示ISR给输出电容器再充电(在下文针对流程图400描述)。
图5c中示出的流程图400表示ISR的操作。操作410由上述针对流程图200和/或流程图300中的任一操作触发。在操作420中，ISR检查PFC电路是在高功率模式下操作还是在低功率模式下操作。如果在高功率模式下操作，那么在操作430中控制器将输出电压设定为校正水平，然后在460终止例程。
如果在低功率模式下操作，那么已经检测到过零点并且输出已经下降至电容器需要再充电的点。因此，在操作440中控制器操纵电压设定点以在切换再次停止前的接下来的几个循环中给电容器均匀地充电。控制器还在操作450中将输出电压设置为47，例如在预定范围48中随机地设置。
应注意，示出和描述的示例仅出于例示的目的，并不旨在进行限制。其它示例也是可以想到的。

Claims (13)

1.一种用于在低负载时减少电流谐波的方法，包括：
升高升压转换器的输出电压以在低功率模式下达到较高电势；
在达到所述较高电势之后，降低所述输出电压的设定点；以及
在所述输出电压下降至所述设定点之后，在所述输出电压再次升高至所述较高电势之前，等待输入电压的下一个过零点。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述输出电压达到所述设定点之后停止所述升压转换器的切换以消除来自所述升压转换器的所有谐波成分。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在进入所述低功率模式之前，将所述输出电压设定为默认值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述默认值被选择为使得能量的至少一半循环值以电容存储在所述升压转换器的输出端中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在等待下一个过零点时能量的一半循环值被保持为缓冲。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述升压转换器的所述输出电压升高的速率被选择为使得所述输出电压在整数个输入半循环中达到所述较高电势。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述升压转换器的所述输出电压升高的速率看起来像在电源上有较高负载，并且减少充电期间的输入谐波成分。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在电源的输出功率下降至低于阈值时进入所述低功率模式。
9.一种在低负载时电流谐波减少的功率因数校正电路，包括：
升压转换器；和
控制器，用于升高所述升压转换器的输出电压以在低功率模式下达到较高电势，然后在达到所述较高电势之后降低所述输出电压的设定点，并在所述输出电压下降至所述设定点之后，在所述输出电压升高至所述较高电势之前，等待输入电压的下一个过零点。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述控制器在所述输出电压达到所述较高电势之后停止切换所述升压转换器，以消除来自所述升压转换器的所有谐波成分。
11.根据权利要求9所述的电路，其中所述控制器以使所述输出电压在整数个输入半循环中达到所述较高电势的速率来升高所述升压转换器的所述输出电压。
12.根据权利要求9所述的电路，其中所述升压转换器的所述输出电压升高的速率被选择为看起来像在电源上具有较高负载。
13.根据权利要求9所述的电路，其中所述升压转换器的所述输出电压升高的速率被选择为减少充电期间的输入谐波成分。
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