CN105052248B - 设备外壳风扇控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种不间断电源(UPS)系统，包括外壳和位于所述外壳中的多个功率变换器模块，每个功率变换模块包括功率变换器电路、被配置为控制所述功率变换器电路的模块控制器电路和由所述模块控制器电路控制的至少一个模块风扇。所述系统还包括位于所述外壳中且被配置为通过通信总线与所述模块控制器电路通信的系统控制器以及被配置为从所述外壳排出空气且由所述系统控制器控制的至少一个排风扇。所述系统控制器被配置为响应于从所述模块控制器电路接收的信息，例如温度和/或负载信息，控制所述至少一个排风扇。

Description

设备外壳风扇控制系统及方法
技术领域
本发明的主题涉及电子系统，尤其涉及电子系统的冷却系统和方法。
背景技术
在数据中心、电信中心等中，这种设备通常安装在标准化的、可以按行排列的外壳(例如“机架”)中。这种外壳可以具有槽，槽被配置为装载有模块化的组件，例如执行各种计算和通信功能的服务器、路由器和集线器等。由于电子设备可能产生大量的热，通常需要冷却系统以防止设备发生故障或失效。设备和/或外壳可以装配有风扇或其他通风装置以提供这种冷却。管道系统可以提供附加的冷却，管道系统采用风扇结合耦合至机架的各种类型的排风通风管道疏散来自机架的热空气。例如，伊顿公司(2011)出版的名称为“AirflowManagement Solutions”的手册中描述了各种冷却系统装置。
安装了不间断电源(UPS)系统的机架被广泛地用在数据中心应用中。这种系统可以包括安装在一个或多个外壳中的多个功率变换器模块。功率变换器模块可以包括集成的冷却风扇，该集成的冷却风扇例如将空气吸入模块、穿过发热组件并且通过例如模块的后壁排出热空气。需要不断改善冷却以使得能够增加功率密度、减少占位面积和增加这些UPS系统的实施灵活性。
发明内容
本发明的主题的一些实施例提供了不间断电源(UPS)系统，其包括外壳和位于外壳中的多个功率变换器模块，每个功率变换模块包括功率变换器电路、被配置为控制功率变换器电路的模块控制器电路和由模块控制器电路控制的至少一个模块风扇。系统还包括位于外壳中且被配置为通过通信总线与模块控制器电路通信的系统控制器，以及被配置为从外壳排出空气且由系统控制器控制的至少一个排风扇。系统控制器被配置为响应于从模块控制器电路接收的信息控制所述至少一个排风扇。系统控制器也可以被配置为控制静态开关和其他UPS系统组件。
在一些实施例中，功率变换器模块可以被配置为产生模块温度信息。模块控制器电路可以被配置为响应于模块温度信息控制模块风扇的速度。模块控制器电路可以被配置为将模块温度信息传送至系统控制器，并且系统控制器可以被配置为响应于模块温度信息控制至少一个排风扇的速度。模块温度信息可以包括环境进气温度信息和/或散热器温度信息。
在一些实施例中，功率变换器模块可以被配置为产生模块负载信息，并且模块控制器电路可以被配置为响应于模块负载信息控制模块风扇的速度。模块控制器电路可以被配置为将模块负载信息传送至系统控制器，并且系统控制器可以被配置为响应于模块负载信息控制至少一个排风扇的速度。
在其他实施例中，功率变换器模块可以被配置为产生模块状态信息，并且模块控制器电路可以被配置为响应于模块状态信息控制模块风扇的速度。模块控制器电路可以被配置为将模块状态信息传送至系统控制器，并且系统控制器可以被配置为响应于模块状态信息控制至少一个排风扇的速度。模块状态信息可以包括功率变换器电路状态信息和/或模块风扇状态信息。模块风扇状态信息可以包括模块风扇故障信息。
UPS系统还可以包括位于外壳中、与功率变换器模块分开的至少一个传感器。系统控制器可以进一步被配置为响应于至少一个传感器控制至少一个排风扇。所述至少一个传感器例如可以被配置为检测温度和/或负载。
本发明的主题的一些实施例提供了系统，其包括被配置为通过通信总线从安装在共同外壳中的多个功率变换器模块接收模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息的通信电路。系统还包括风扇控制电路，其被配置为响应于从功率变换器模块接收的模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息控制从外壳排出空气的至少一个排风扇。风扇控制电路可以被配置为响应于从功率变换器模块接收的模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息改变至少一个排风扇的速度。模块温度信息可以包括环境空气进入温度信息和/或功率变换器散热器温度信息。模块状态信息可以包括功率变换器电路状态信息和/或模块风扇状态信息，例如模块风扇故障信息。
系统还可以包括外壳，并且通信电路和控制电路可以位于外壳中。系统还可以包括至少一个排风扇。
更进一步的实施例提供操作包括安装在共同外壳中的多个功率变换器模块的UPS系统的方法。该方法包括所述功率变换器模块中的各个功率变换器模块响应于所述各个功率变换器模块的温度和/或负载信息独立地控制其相应的冷却风扇，以及UPS系统的系统控制器从功率变换器模块接收模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息，并且响应地控制从外壳中排出空气的至少一个排风扇。
附图说明
图1是根据一些实施例的UPS系统的透视图；
图2是图1的UPS系统的侧视图；
图3是根据一些实施例的具有风扇控制子系统的UPS系统的示意图；以及
图4是根据进一步实施例的具有风扇控制子系统的UPS系统的示意图。
具体实施方式
现将参考附图描述本发明的主题的特定示例性实施例。然而，本发明的主题可以体现在许多不同的形式中，且不应理解为限制于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例以使得这些公开将是彻底的和完整的，且将本发明的主题的范围充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，相同的符号指代相同的元件。应当理解的是，当一个元件被提到是被“连接”或“耦合”至另一个元件时，该元件可以被直接地连接或耦合至其他元件或可能存在介于中间的元件。本文所使用的词语“和/或”包括相关的列出的项的一个或多个的任何一个和所有组合。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，且并不旨在限制本发明的主题。如在本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非特别地阐明其他含义。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括(includes)”、“包含(comprises)”、“包括(including)”和/或“包含(comprising)”时，指定存在阐明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的主题所属的技术领域中的普通技术人员所通常理解的那样相同的含义。将进一步理解的是，术语，例如在常用词典中定义的那些术语，应该被理解为具有与它们在说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不会以理想化的或过于正式的意义被解释，除非本文明确定义。
图1和2分别是根据一些实施例的UPS系统100的透视图和侧视图。UPS系统100包括机架型或柜型外壳110。外壳110被配置为在预定的槽112中容纳和支撑多个设备模块。如图所示，模块可以包括系统控制器130和多个功率变换器模块120。
功率变换器模块120可以包括被配置为提供UPS操作的一个或多个功率变换电路，例如一个或多个在线式UPS电路，该在线式UPS电路包括通过中间的DC母线连接的整流器和逆变器电路的级联组合。如进一步示出的，每个功率变换器模块120包括一个或多个模块风扇系统122，模块风扇系统122被配置为将空气吸入模块120并将由模块120的组件加热的空气排出模块的后部并进入集气室114。应当认识到，模块风扇系统122的数量和在模块120中的位置可以改变，且可以包括，例如电动机驱动风扇和控制风扇的操作的驱动器电子设备(例如电动机驱动器)。功率变换器模块120还可以包括控制电路(例如一个或多个微处理器、微控制器等)，控制电路被配置为控制功率变换电路、模块风扇系统122和模块120的其他组件，并且被配置为与系统控制模块130通信。系统控制模块130可以包括被配置为支持控制和监控功率变换器模块120和安装在外壳110中的其他系统的数据处理和通信电路。系统控制模块130还可以包括类似于功率变换器模块120的模块风扇系统122的模块风扇系统。
如进一步示出的，UPS系统100还包括排风扇系统140，排风扇系统140通常被配置为疏散由功率变换器模块120和/或系统控制器模块130排放到集气室114的热空气。排风扇系统140可以包括以各种不同的方式定位(例如在外壳110中和/或在耦合至外壳110的通风管道中)的一个或多个风扇。如图所示，排风扇系统140安装在外壳110中，但是应当认识到，在一些实施例中，排风扇系统140可以位于外壳110的外部，例如在耦合至外壳110的通风管道中。如下详细讨论，在一些实施例中，可以由系统控制模块130响应于与功率变换器模块120的操作有关的信息(例如功率变换器状态信息、模块风扇状态信息等)来控制排风扇系统140。
图3是示出根据一些实施例的用于风扇控制的装置和操作的示意图。UPS系统300包括多个功率变换器模块320。功率变换器模块320可以包括各自的外壳，各自的外壳被配置为安装在机架或类似的更大的外壳中，例如以上参考图1和2描述的外壳110。功率变换器模块320的每一个包括功率变换器电路326。功率变换器电路326例如可以包括通过DC母线耦合的整流电路和逆变器电路。功率变换器电路326的组件可以包括功率半导体器件(例如IGBT、功率MOSFET等)和功率半导体器件的驱动电路，以及相关组件，例如散热器、温度传感器、电流传感器、电压传感器等。功率变换器模块320的功率变换器电路326的输入和/或输出可以被配置为并行。
模块控制器电路322控制每个功率变换器电路326，模块控制器电路322例如可以包括微控制器、微处理器和/或数字信号处理器(DSP)，和被配置为与功率变换器电路326通信以控制其驱动电路的相关外围电路。模块控制器电路322可以接收功率变换器电路326产生的信号，例如指示变换器组件的操作状态、负载和/或温度的信号，例如用于冷却功率变换器电路326中的功率半导体器件的散热器的温度。
功率变换器模块320的每一个还包括风扇系统324，风扇系统324可以被配置为功率变换器电路326和功率变换器模块320的其他组件提供冷却气流。风扇系统324可以包括一个或多个电动机驱动风扇，以及用于以可变速度驱动一个或多个风扇的驱动电路(例如线性或脉宽调制驱动电路)。风扇系统324可以接收来自模块控制器电路322的速度控制信号和其他操作控制信号，且可以给模块控制器电路322提供信号(例如指示一个或多个风扇和/或驱动电路的状态(例如故障)的信号)。每个功率变换器模块326还可以包括与模块控制器电路322通信的附加传感器328，例如检测由风扇系统324吸入的环境空气的温度和/或其他冷却相关的参数(例如空气压力和/或流速)的传感器。
如进一步示出的，功率变换器模块320的模块控制器电路322被配置为通过数字通信总线315与系统控制器310通信。在各种实施例中，系统控制器310可以是，例如安装在和功率变换器模块320相同的外壳中的独立模块，另外集成在外壳中的电路和/或位于外壳的外部且电耦合至外壳中的组件的电路。系统控制器310包括用于通过通信总线315与功率变换器模块320通信的通信电路312。系统控制器310可以还包括控制电路(例如微处理器或微控制器)，控制电路可以执行监控功能，例如监测功率变换器模块320的操作、控制功率变换器模块320的启动、止动和/或运行特性，以及其他UPS系统组件的控制，例如用于将功率变换器模块320耦合至电源和/或负载的静态旁路开关和/或接触器或其他开关器件。系统控制器310还可以包括执行UPS系统300的外部通信功能的附加通信电路，例如以太网或支持与监控设备通信的其他通信接口电路，监控设备在应用环境中(例如在数据中心)协调操作UPS系统300和其他设备。这样的接口电路例如可以支持基于网络或其他途径访问系统300。
系统控制器310还包括可操作地耦合至排风扇系统330的风扇控制电路312，排风扇系统330被配置为使热空气从功率变换器模块排出并进入将功率变换器模块320保持在其中的外壳，例如，以上参考图1和2描述的装置。排风扇系统330可以包括一个或多个电动机驱动风扇，以及用于以可变速度驱动一个或多个风扇的驱动电路(例如线性或脉宽调制驱动电路)。排风扇系统330可以接收来自风扇控制电路314的模拟和/或数字速度控制信号和其他操作控制信号，并且可以将信号(例如指示一个或多个风扇和/或驱动电路的状态(例如故障)的信号)提供给风扇控制电路314。UPS系统300可以还包括连接至系统控制器310的附加的系统级传感器，例如检测吸入和/或排出排风扇系统330的空气的温度和/或外壳环境的其他部件的温度的一个或多个温度传感器340，以及检测由功率变换器模块320服务的设备的负载的负载传感器350。
根据一些实施例，功率变换器模块320的每一个中的模块控制器电路322可以基于由相应的功率变换器模块320产生的负载和热信息来独立地控制他们各自关联的风扇系统324。例如，模块控制器电路322可以使用从模块级传感器328和功率变换器电路326接收的散热器温度、环境空气温度和负载(例如电流强度)信息来控制相关的模块风扇系统324的速度。
系统控制器310可以基于由系统级温度和负载传感器350提供的信息以及从模块控制器电路322获得的状态、负载和温度信息来控制排风扇系统330。例如，系统控制器310可以使用这个状态、热的和负载信息最小化排风扇速度以减小可听噪音和/或功耗，同时将系统300中的功率模块320和其他设备的温度保持在提供所需的可靠性水平的可接受的范围内。系统控制器310可以使用这种信息响应于功率变换器模块320的状态的改变适应性地控制排风扇系统330。例如，系统控制器310可以响应于接收到来自模块320的指示增加的模块负载、增加的散热器或环境空气温度和/或模块风扇系统324的故障的信息，来增加排风扇速度。
根据一些实施例，上面描述的系统控制器还可以基于功率变换器模块的操作模式控制进气风扇系统和/或排风扇系统。参考图4，UPS系统400包括多个功率变换器模块420。如图所示，每个模块420具有在线式UPS架构，其包括耦合至逆变器电路424的整流电路422。UPS系统400还可以包括至少一个被配置为旁路整流电路422和逆变器电路424的旁路开关430。应当理解的是，所述至少一个旁路开关430可以独立于功率变换器模块420或可以作为多个开关被包含在分布式旁路装置中，其中多个开关中的相应开关包括在模块420中的相应模块中或者与相应模块相关联。
所述至少一个旁路开关430在不同操作模式中可以被闭合以旁路整流电路422和逆变器电路424。例如，如果一个或多个整流电路422或逆变器电路422出现故障，系统控制器410可以闭合该至少一个旁路开关430且停用模块420中的变换器电路，从而使得通过该至少一个旁路开关430服务负载。如果系统控制器410检测到施加至功率变换器模块420的AC电源符合特定的质量标准(例如电压、频率、谐波含量等)，那么系统控制器也可以闭合该至少一个旁路开关430，并且使得功率变换器模块420的变换器电路处于备用状态以将系统400转换至“高频”模式，在该“高频”模式中，通过该至少一个旁路开关430传输电力以减少变换器相关的损失。响应于检测到这些模式的任何一个，系统控制器410可以例如由于模块420的预期的减少的热输出而减少排风扇系统440和/或功率变换器模块420的风扇系统的速度，因此潜在地减少排风扇系统440和/或模块风扇系统的功耗，并且通过旁路变换器电路增加节电。排风扇速度的调整还可以减少在其中操作系统的数据中心或其他环境中的环境噪声等级。
应当认识到，上面描述的适应的风扇控制操作作为示例提供，其他控制机制在本发明的主题的范围内。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的主题的示例性实施例。尽管使用了特定的术语，但他们仅用于通用的和描述性的意义，并且不用于限制的目的，本发明的主题的范围通过以下权利要求限定。

Claims (21)

1.一种不间断电源(UPS)系统，包括：
外壳；
位于所述外壳中的多个功率变换器模块，每个功率变换模块包括功率变换器电路、被配置为控制所述功率变换器电路的模块控制器电路和由所述模块控制器电路控制的至少一个模块风扇；
位于所述外壳中且被配置为通过通信总线与所述模块控制器电路通信的系统控制器；以及
被配置为从所述外壳排出空气且由所述系统控制器控制的至少一个排风扇，
其中，所述系统控制器被配置为响应于从所述模块控制器电路接收的信息控制所述至少一个排风扇。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率变换器模块被配置为产生模块温度信息，并且其中所述模块控制器电路被配置为响应于所述模块温度信息控制所述模块风扇的速度。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述模块控制器电路被配置为将所述模块温度信息传送至所述系统控制器，并且其中所述系统控制器被配置为响应于所述模块温度信息控制所述至少一个排风扇的速度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述模块温度信息包括环境进气温度信息和/或散热器温度信息。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率变换器模块被配置为产生模块负载信息，并且其中所述模块控制器电路被配置为响应于所述模块负载信息控制所述模块风扇的速度。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述模块控制器电路被配置为将所述模块负载信息传送至所述系统控制器，并且其中所述系统控制器被配置为响应于所述模块负载信息控制所述至少一个排风扇的速度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率变换器模块被配置为产生模块状态信息，并且其中所述模块控制器电路被配置为响应于所述模块状态信息控制所述模块风扇的速度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述模块控制器电路被配置为将所述模块状态信息传送至所述系统控制器，并且其中所述系统控制器被配置为响应于所述模块状态信息控制所述至少一个排风扇的速度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述模块状态信息包括功率变换器电路状态信息和/或模块风扇状态信息。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述模块风扇状态信息包括模块风扇故障信息。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括位于所述外壳中、与所述功率变换器模块分开的至少一个传感器，并且其中所述系统控制器进一步被配置为响应于所述至少一个传感器控制所述至少一个排风扇。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个传感器被配置为检测温度和/或负载。
13.一种风扇控制系统，包括：
通信电路，其被配置为通过通信总线从安装在共同外壳中的多个功率变换器模块接收模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息；以及风扇控制电路，其被配置为响应于从所述功率变换器模块接收的所述模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息控制从所述外壳排出空气的至少一个排风扇。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述风扇控制电路被配置为响应于从所述功率变换器模块接收的所述模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息改变所述至少一个排风扇的速度。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述模块温度信息包括环境空气进入温度信息和/或功率变换器散热器温度信息。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述模块状态信息包括功率变换器电路状态信息和/或模块风扇状态信息。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述模块风扇状态信息包括模块风扇故障信息。
18.根据权利要求13所述的系统，还包括所述外壳，并且其中所述通信电路和所述控制电路位于所述外壳中。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括所述至少一个排风扇。
20.一种操作包括安装在共同外壳中的多个功率变换器模块的UPS系统的方法，所述方法包括：
所述功率变换器模块中的各个功率变换器模块响应于该各个功率变换器模块的温度和/或负载信息独立地控制其相应的冷却风扇；以及
所述UPS系统的系统控制器从所述功率变换器模块接收模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息，并且响应地控制从所述外壳中排出空气的至少一个排风扇。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述UPS系统的所述系统控制器从所述功率变换器模块接收模块状态信息、模块温度信息和/或模块负载信息，并且响应地控制从所述外壳中排出空气的至少一个排风扇包括改变所述至少一个排风扇的速度。
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