CN117375199A - 电源转换电路 - Google Patents

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CN117375199A CN202210771264.1A CN202210771264A CN117375199A CN 117375199 A CN117375199 A CN 117375199A CN 202210771264 A CN202210771264 A CN 202210771264A CN 117375199 A CN117375199 A CN 117375199A
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Abstract

本发明公开了一种电源转换电路，用于在多个电源之间进行切换以向负载供电。该电源转换电路包括第一开关、第二开关和旁路开关，其中，多个电源之一经由第一开关和第二开关为负载供电，旁路开关在零线上并联到第二开关，并且被配置为控制在多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间。本公开提供的包括旁路开关的电源转换电路可以将电源转换过程中零线重叠的时间缩短至微秒级，使响应快速可靠。

Description

电源转换电路
技术领域
本公开的实施例涉及一种电源转换电路。
背景技术
自动转换开关(ATS)常用于当具有多个电源可以向负载供电的场景，例如，在紧急供电系统中，将负载所在的电路从一个电源自动转换至另一(备用)电源的开关电器，以确保重要负载连续、可靠运行。ATS也常用于数据中心的供电系统，以确保数据业务不中断。
发明内容
本公开至少一个实施例提供一种电源转换电路，用于在多个电源之间进行切换以向负载供电。该电源转换电路包括：第一开关、第二开关和旁路开关，其中多个电源之一经由第一开关和第二开关为负载供电，其中旁路开关在零线上并联到所述第二开关，并且被配置为控制在所述多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，第二开关为机械开关，并且旁路开关包括第三开关和第四开关，其中第三开关和第四开关中的至少一个为固态开关。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，第一开关包括第一固态开关和第二固态开关，第二开关包括第一机械开关和第二机械开关，其中，第一固态开关与第一机械开关相连接，并且多个电源中的第一电源经由第一固态开关和第一机械开关连接到负载，第二固态开关与第二机械开关相连接，并且多个电源中的第二电源经由第二固态开关和第二机械开关连接到负载。当第一电源向负载供电出现故障时，第一开关和第二开关被配置为切换到从第二电源向负载供电。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，第一机械开关包括连接到第一电源引出的第一零线的第一端子和第二端子，第二机械开关包括连接到第二电源引出的第二零线的第一端子和第二端子；旁路开关包括第一旁路开关和第二旁路开关，其中，第一旁路开关的第一端子连接到第一机械开关的第一端子，第一旁路开关的第二端子连接到第一机械开关的第二端子，第二旁路开关的第一端子连接到第二机械开关的第一端子，第二旁路开关的第二端子连接到第二机械开关的第二端子。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，第一旁路开关包括串联连接的第三固态开关和第五机械开关，第二旁路开关包括串联连接的第四固态开关和第六机械开关，其中，通过第三固态开关和第四固态开关来控制在多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，当由第一电源向负载供电时，第一旁路开关中的第五机械开关保持导通。由从第一电源向负载供电切换为从第二电源向负载供电包括：在第一固态开关关断时，导通第一旁路开关中的第三固态开关；在第三固态开关导通后，关断第一机械开关并导通第二旁路开关中的第六机械开关；在第一机械开关关断且第六机械开关导通后，导通第二旁路开关中的第四固态开关；在第四固态开关导通后，关断第一旁路开关中的第三固态开关；在第三固态开关关断后，关断第一旁路开关中的第五机械开关并导通第二机械开关；在第二机械开关导通后，关断第二旁路开关中的第四固态开关并导通第二固态开关，以实现将第一电源切换为第二电源以向负载供电。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，还包括辅助电路，其连接在包括多个电源的电源模块与负载之间。该辅助电路包括：补偿电源模块，被配置为在多个电源之间进行切换的过程中向负载提供连续的供电；以及连接在电源模块与补偿电源模块之间的取电模块，被配置为从多个电源之一为补偿电源模块取电。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，补偿电源模块包括串联连接的整流器和逆变器，取电模块包括第三机械开关和第四机械开关，其中，第三机械开关连接在多个电源中的第一电源与整流器之间，第四机械开关连接在多个电源中的第二电源与整流器之间，并且逆变器连接到负载。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，当由第一电源向负载供电时，第四机械开关保持导通，使得在第一电源向负载供电出现故障时，由逆变器向负载供电。
例如，在本公开一实施例提供的电源转换电路中，在第一电源停止经由第一固态开关和第一机械开关向负载供电时，由逆变器向负载供电，在第二电源开始经由第二固态开关和第二机械开关向负载供电时，逆变器停止向负载供电，从而实现在电源转换过程中向负载的连续供电。
本公开至少一个实施例提供一种转换器件，其包括前述任一所述的电源转换电路，以用于向负载连续供电。
本公开至少一个实施例提供一种数据中心的供电系统，其包括前述任一所述的电源转换电路，以实现数据业务的连续性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了根据本公开至少一实施例的示例供电系统电路的示意图；
图2示出了根据本公开至少一实施例的电源转换电路的结构示意图；
图3A示出了根据本公开至少一实施例的包括电源转换电路的单相电源供电系统电路的示意图；
图3B示出了根据本公开至少一实施例的包括电源转换电路的三相电源供电系统电路的示意图；
图4示出了图3B的三相电源供电系统电路的时序图；
图5示出了根据本公开至少一实施例的电源转换电路中的开关模块的示意图；
图6示出了根据本公开至少一实施例的电源转换电路的结构示意图；
图7示出了图6的供电系统电路的时序图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
如前所述，自动转换开关(ATS)可用于多个电源向负载供电的场景。例如，在供电系统中，用于将负载所在的电路从一个电源自动转换至另一电源，以确保重要负载连续、可靠运行。
图1示出了根据本公开实施例的示例供电系统电路10的示意图。
如图1所示，示例供电系统电路10可以包括电源模块110、电源转换电路SSATS以及负载120，其中，电源模块110通过电源转换电路SSATS连接到负载120，以向负载120供电。
电源模块110可以包括多个电源。如图1所示，电源模块110包括第一电源S1和第二电源S2。根据本公开的实施例，第一电源S1和第二电源S2中的一个为主电源，其中的另一个为备用电源，例如，当第一电源S1作为主电源向负载120供电时，第二电源S2为备用电源，以在第一电源S1出现故障(例如，过压、欠压、掉电、频率超限时、过载等)时，替代第一电源S1向负载120供电。为了便于说明，在本文描述的实施例中，电源模块包括两个电源，但应理解，在本公开的另一些实施例中，电源模块可以包括多于两个的电源，诸如三个电源、四个电源等，这里不作限制。当电源模块包括多于两个的电源时，类似地，其中的一个电源可以作为主电源，其它电源则可以作为备用电源。另外，电源模块110中所包括的电源可以是单相电源，也可以是三相电源。
如图1所示，电源转换电路SSATS可以包括固态开关SS、机械开关CTR和辅助电路AUX，其中，电源模块110经由固态开关SS与机械开关CTR连接到负载120。例如，固态开关SS可以是由半导体开关器件构成的双向开关，用于电源通道切换。固态开关SS可以是晶闸管、金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等任何半导体开关器件构成的双向开关阵列。在一些实施例中，固体开关SS可以包括多个独立的固体开关以分别与电源模块中的不同的电源相连接。机械开关CTR可以用于物理隔离电源模块中的多个电源，例如，用于物理隔离第一电源S1和第二电源S2。在一些实施例中，机械开关CTR可以是由分立的多个元件构成，每个元件可以被独立地控制；或者，在又一些实施中，机械开关CTR可以是一个整体的、互锁的机械开关。与固体开关类似，机械开关CTR可以包括多个独立的机械开关以分别与电源模块中的不同的电源相连接。
如图1所示，示例供电系统电路10还可以包括辅助电路AUX，其连接在电源模块110与负载120之间，其中，辅助电路AUX的一端分别连接到电源模块110中的多个电源中的每个电源。如图1所示，辅助电路AUX的一端可以分别与电源模块110中的第一电源S1和第二电源S2相连接。根据本公开的一些实施例，辅助电路AUX可以包括补偿电源模块，用于在电源转换过程中作为补偿电源向负载提供连续的供电。辅助电路AUX还可以包括取电模块，连接在电源模块110与补偿电源模块之间，用于从电源模块110中的多个电源之一为补偿电源模块取电。下面将参照图2具体描述电源转换电路SSATS及其中所包括的辅助电路AUX。
图2示出了根据本公开实施例的电源转换电路200的详细结构的示意图。
如图2所示，电源模块110经由电源转换电路200连接到负载120。电源转换电路200包括第一开关模块210、第二开关模块220和辅助电路230。
在图2所示的实施例中，第一开关模块210(对应于图1的固态开关SS)可以包括第一固态开关SCR1和第二固态开关SCR2，第二开关模块220(对应于图1的机械开关CTR)可以包括第一机械开关CTR1和第二机械开关CTR2，其中，第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1相连接，且第一电源S1经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1连接到负载120以向负载120供电，并且第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2相连接，且第二电源S2经由第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2连接到负载120以向负载120供电。第一开关模块210和第二开关模块220一起可用于实现将向负载120供电的电源从例如第一电源S1切换为第二电源S2，或从例如第二电源S2切换为第一电源S1。
在图2所示的实施例中，辅助电路230(对应于图1的辅助电路AUX)可以包括取电模块240和补偿电源模块250，其中，取电模块240连接在电源模块110与补偿电源模块250之间，以为补偿电源模块240取电。
在一些实施例中，取电模块240可以是与图1所示的机械开关CTR相同或相似的机械开关，用于物理隔离电源模块中的多个电源，其可以由能够被独立地控制的、分立的多个元件构成，也可以是一个整体的、互锁的机械开关。如图2所示，取电模块240包括第三机械开关CTR3和第四机械开关CTR4，其中，第三机械开关CTR3连接在第一电源S1与补偿电源模块250之间，第四机械开关CTR4连接在第二电源S2与补偿电源模块250之间，因此，取电模块240不仅可以用于切换第一电源S1或者第二电源S2来作为补偿电源模块250的供电，还可以为第一电源S1和第二电源S2提供相互的物理隔离。例如，当第三机械开关CTR3导通且第四机械开关CTR4断开时，可以由第一电源S1为补偿电源模块250取电，而当第三机械开关CTR3断开且第四机械开关CTR4导通时，则可以由第二电源S2为补偿电源模块250取电。
补偿电源模块250用于在转换过程中为负载120提供连续的供电。如图2所示，补偿电源模块250可以包括串联连接的整流器AC/DC(例如，隔离型AC-DC整流器)和逆变器VSI(例如，三相逆变器)。在一些实施例中，整流器AC/DC可以用于将从电源模块110接收到的交流电流转换为直流电流，而逆变器VSI可以用于将直流电流转换为交流电流，例如与电源模块110的输出电流的相位同步的交流电流。进一步如图2所示，第三机械开关CTR3连接在第一电源S1与整流器AC/DC之间，第四机械开关CTR4连接在第二电源S2与整流器AC/DC之间，因此，在第三机械开关CTR3导通时，第一电源S1的电流可以流入整流器AC/DC，而在第四机械开关CTR4导通时，第二电源S2的电流可以流入整流器AC/DC。此外，如图2所示，逆变器VSI连接到负载120，当从整流器AC/DC中流出的电流流经逆变器VSI后，逆变器VSI可以逆变输出一个逆变电压，从而为负载120进行供电。
在图2所示的实施例中，电源转换电路200还可以包括控制单元CNTR。控制单元CNTR可以用于监控第一电源S1、第二电源S2和负载120的状态，也可以用于控制电源转换电路200中的所有模块，例如，第一开关模块210、第二开关模块220、取电模块240和补偿电源模块250等。在一些实施例中，控制单元CNTR可以集成在电源转换电路200中，与如图2所示的各个模块或任意电路位置相连；在又一些实施例中，控制单元CNTR可以是外接到电源转换电路200的独立的模块。
下面将结合图3A和图3B描述如图2所示的电源转换电路200在具有不同供电电源的供电系统电路中的应用。
图3A示出了包括电源转换电路300的单相电源供电系统电路30A的示意图。
如图3所示，单相电源供电系统电路30A包括电源模块110、电源转换电路300以及负载120，其中，电源模块110通过电源转换电路300连接到负载120，以向负载120供电。
如上所述，电源模块110包括第一电源S1和第二电源S2，具体可参见如上关于图1的描述，这里不再赘述。然而，如图3A所示，这里的第一电源S1和第二电源S2均为单相电源，即第一电源S1包括一根相线(又称“火线”)和一根零线(又称“中线”、“中性线”)，这两个线形成一个单相回路以用于供电；同样地，第二电源S2也包括一根相线和一根零线用于供电。
电源转换电路300，与图2的电源转换电路200类似，可以包括第一开关模块310、第二开关模块320和辅助电路330。如图3A所示，第一开关模块310包括第一固态开关SCR1和第二固态开关SCR2，第二开关模块320包括第一机械开关CTR1和第二机械开关CTR2，其中，第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1相连接，且第一电源S1经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1连接到负载120以向负载120供电，并且第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2相连接，其第二电源S2经由第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2连接到负载120以向负载120供电。
进一步参照图3A，第一固态开关SCR1连接在第一电源S1的相线上，第一机械开关CTR1连接在第一电源S1的相线和零线两者上。如图所示，第一机械开关CTR1可以包括第一端子x1和第二端子y1，第一端子x1和第二端子y1都连接到第一电源S1的零线上。类似地，第二固态开关SCR2连接在第二电源S2的相线上，第二机械开关CTR2连接在第二电源S2的相线和零线两者上。具体地，第二机械开关CTR2可以包括第一端子x2和第二端子y2，第一端子x2和第二端子y2都连接到第二电源S2的零线上。
辅助电路330可以包括取电模块340和补偿电源模块350。其中，取电模块340与补偿电源模块350相连接，并且取电模块340包括第三机械开关CTR3和第四机械开关CTR4，补偿电源模块350包括整流器AC-DC和逆变器VSI，具体可参见如上关于图2的辅助电路230的描述，这里不再赘述。
电源转换电路300还可以包括控制单元(未示出)，类似于图2的控制单元CNTR，控制单元可以用于监控第一电源S1、第二电源S2和负载120的状态，并控制电源转换电路300中的所有模块。具体地，可参见如上关于图2的控制单元CNTR的描述，这里不再赘述。
图3B示出了包括电源转换电路300的三相电源供电系统电路30B的示意图。
图3B的三相电源供电系统电路30B在电路结构上与图3A的单相电源供电系统电路30A类似，为了简洁的目的，这里省略了相同部分的描述。然而，与上述图3A所示的不同，图3B中的电源模块110中包括的第一电源S1和第二电源S2均为三相电源，即第一电源S1和第二电源S2中的每个包括三根相线和一根零线，其中，三根相线中的每一根相线都可以和零线形成一个单相回路用于供电。因此，与单相电源相比，三相电源效率更高，电力传输能力更强，更适用于负载较大的情况(例如，商业、工业)中。
与图3A所示的实施例类似，在如图3B所示的实施例中，第一开关模块310中的第一固态开关SCR1和第二固态开关SCR2连接在电源的相线上，而第二开关模块320中的第一机械开关CTR1和第二机械开关CTR2连接在电源的相线和零线两者上。如图3B所示，第一固态开关SCR1连接在第一电源S1的相线上，第一机械开关CTR1连接在第一电源S1的相线和零线两者上，其中，第一机械开关CTR1可以包括连接到第一电源S1的零线上的第一端子x1和第二端子y1。第二固态开关SCR2连接在第二电源S2的相线上，第二机械开关CTR2连接在第二电源S2的相线和零线两者上其中，第二机械开关CTR2可以包括连接到第二电源S2的零线上的第一端子x2和第二端子y2。
下面将结合图4，具体描述图3B的三相电源供电系统电路30B实现电源转换的逻辑。
图4示出了图3B的三相电源供电系统电路30B的时序图。
假设在正常运行的时候，由第一电源S1经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1向负载120供电。在这种情况下，如图4所示，在t0时刻之前，第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1导通，第一电源S1经由导通的第一固态开关SCR1和导通的第一机械开关CTR1向负载120供电；第二固态快关SCR2和第二机械开关CTR2关断，以使第二电源S2从负载断开。同时，辅助电路330中的第四机械开关CTR4处于导通状态，第三机械开关处于关断状态，这样，当第一电源S1发生故障时，第二电源S2可以作为补偿电源模块350的供电，从而使得补偿电源模块350可以为负载120连续供电，以确保负载120连续、可靠运行。并且在t0时刻之前，VSI处于关断状态。
当例如由如图2中的控制单元CNTR检测到第一电源S1出现故障，控制单元CNTR可以控制从第一电源S1转换至第二电源S2向负载120供电。例如，控制单元CNTR可以通过控制第一开关模块310和第二开关模块320的导通和关断实现从第一电源S1至第二电源S2的转换，以使向负载120供电的电源从第一电源S1切换为第二电源S2。
如图4所示，假设第一电源S1在t0时刻出现故障，并且控制单元CNTR(未示出)在t1时刻检测到第一电源S1出现故障，则在t1时刻，关断第一固态开关SCR1，第一电源S1停止向负载120供电。
在第一固态开关SCR1关断后，控制单元CNTR然后可以控制关断第一机械开关CTR1及导通第二机械开关CTR2。为了保证切换电源过程中电路的零线始终保持接通的状态以避免出现零电位漂移，因此，根据本公开的至少一实施例，控制单元CNTR先控制第二机械开关CTR2导通，在第二机械开关CTR2导通后再关断第一机械开关CTR1。如图4所示，在t1时刻关断第一固态开关SCR1后，控制单元CNTR在t2时刻控制第二机械开关CTR2导通，并在第二机械开关CTR2导通后，在t3时刻控制第一机械开关CTR1关断。应注意，对于机械开关而言，由于其本身具有一定的机械延迟，因此当机械开关接收到导通和/断开指示后，在一段时间后才能真正的实现机械开关的导通和/断开。例如，控制单元CNTR在t2时刻指示第二机械开关CTR2导通，但第二机械开关CTR2在距t2时刻一段时间后才真正的导通。类似地，第一机械开关CTR1在距t3时刻一段时间后才真正的关断。
在第二机械开关CTR2导通且第一机械开关CTR1关断后，然后导通第二固态开关SCR2，使得第二电源S2可以经由第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2向负载120供电，从而实现从第一电源S1至第二电源S2的转换。如图4所示，在t4时刻时，第二机械开关CTR2已导通且第一机械开关CTR1已关断，因此在t4时刻导通第二固态开关SCR2，此时，可以由第二电源S2经由导通的第二固态开关SCR2和导通的第二机械开关CTR2向负载120供电。
此外，在由第一电源S1转换至第二电源S2向负载120供电的过程中，可以借助辅助电路330中的补偿电路模块350向负载120供电以保持对负载120的连续供电，直到第二电源S2可以经由导通的第二固态开关SCR2和导通的第二机械开关CTR2向负载120供电。具体地，在第一电源S1停止经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1向负载120供电时，可以由补偿电路模块350中的逆变器VSI向负载120供电，然后在第二电源S2开始经由第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2向负载120供电时，逆变器VSI停止向负载120供电，从而实现在电源转换过程中向所述负载的连续供电。
如图4所示，在t1时刻，第二电源S2通过导通的第四机械开关CTR4向补偿电源模块350供电，并使得补偿电源模块350中的与负载120相连接的逆变器VSI自t1时刻起为负载120连续供电。例如，补偿电源模块350中的整流器AC-DC先将第二电源S2的输出电流转换为直流电流，然后逆变器VSI将从整流器AC-DC接收到的直流电流转换为与第一电源S1的输出电流的相位同步的三相交流电流，同时逆变器VSI可以逆变输出一个逆变电压，为负载120进行供电。
在由逆变器VSI输出逆变电压为负载120供电的同时，如上所述，由控制单元CNTR控制第二机械开关CTR2导通及第一机械开关CTR1关断。并且，在第二固态开关SCR2导通时(即图4的t4时刻处)，逆变器VSI停止向负载120供电，而是转换为由第二电源S2向负载120供电。
因此，自t4时刻起，是由第二电源S1经由第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2向负载120供电而不再是最初的由第一电源S1经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1向负载120供电，则可以认为实现了供电系统的电源转换，即从第一电源S1供电到第二电源S2供电的切换。
图4还示出了在从第一电源S1到第二电源S2的转换过程结束之后，可以控制辅助电路330中的第四机械开关CTR4断开并使第三机械开关CTR3导通，以为后续可能的从第二电源S2到第一电源S1的转换过程做准备。如图4所示，例如由图2中的控制单元CNTR在t5时刻指示第四机械开关CTR4断开，并在t6时刻导通第三机械开关CTR3。
应理解，如上给出的示例中，是由于第一电源S1发生故障而自动触发了电源转换过程，但在另一些示例中，电源转换过程也可以是响应于人工指令而进行的，本申请对此不作限制。此外，以上参照三相电源描述了电源转换过程，但应当理解，上述电源转换过程同样适用于单向电源转换。
如上所述，为了避免出现零电位漂移，在t2时刻至t3时刻之间的一段时间内，第一机械开关CTR1和第二机械开关CTR2均处于导通状态，也就是说，第一电源S1的零线与第二电源S2的零线在t2时刻至t3时刻之间出现了“零线重叠”的现象，又称“中性线重叠”。传统的由机械开关实现的零线重叠的时间一般较长(例如，如在图4中，t2时刻至t3时刻之间的时长一般大于10ms)，且隔离耐压不够。而若使用隔离式固态开关替代机械开关进行电源转换过程，尽管可以相对于机械开关控制零线重叠的时长，但会产生零线浮地而导致零地电压(即，供电系统的零线和地线之间的电压)过高。而在上述隔离式固态开关结合机械开关的实施例中，可以通过机械开关来控制零线重叠切换，避免产生零线浮地，同时隔离式固态开关可以提高隔离耐压，但这种方式依然难以做到10ms以内的短时零线重叠，易向电路中引入环流。
如前所述，自动转换开关(ATS)可以用于数据中心的供电系统，以实现数据业务的连续性。然而，当ATS应用于数据中心的供电系统时，除了对转换时间有严格的要求(一般地，转换时间小于10ms)以外，在一些情况下，还需要控制零地电压。一般而言，零地电压形成的两个主要原因包括：(1)三相负载不平衡，(2)接地不可靠。根据现行设计规范(《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008)，其要求机房的零地电压应控制在2V以内，而较高的零地电压则可能导致硬件故障并烧毁设备、引发控制信号的误动作、影响通信质量等。在实践中，当零地电压高于某一阈值(例如，2V)时，机房的服务器就会无法启动。例如，当用户想要在机房安装某一负载(诸如HP小型机、IBM服务器)时，若机房的零地电压大于2V，则该负载无法如期望的那样被安装。换言之，当ATS应用于数据中心的供电系统时，既需要保证电源转换过程中零线重叠以避免零线浮地而导致零地电压高于阈值大小(例如，2V)，同时也要控制零线重叠的时长使其小于例如10ms。
为了解决上述问题，本公开提供了一种电源转换电路，该电源转换电路在电源引出的零线上引入了新的旁路电路，例如旁路开关，其可以包括开关元件，例如，至少一个机械开关和至少一个固态开关，以控制电源转换过程中的零线重叠时间尽可能短，以实现微秒级的零线重叠切换。
具体的，根据本公开的至少一个实施例，提供了一种电源转换电路，用于在多个电源之间进行切换以向负载供电。该电源转换电路包括第一开关、第二开关和旁路开关，其中，多个电源之一经由第一开关和第二开关为负载供电，旁路开关在零线上并联到第二开关，并且被配置为控制在多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间。本公开提供的包括旁路开关的电源转换电路可以控制电源转换过程中零线重叠切换的时间，将切换时间缩短至微秒级，使响应快速可靠。
图5示出了根据本公开至少一实施例的电源转换电路SSATS的电路示意图。为了简洁的目的，这里仅详细示出了电源转换电路SSATS中有关第一开关模块和第二开关模块的电路结构部分，但是应理解，如上所述，电源转换电路SSATS还可以包括辅助电路(例如，图1的辅助电路AUX、图3A或图3B的辅助电路330)，这里不再详述。
如图5所示，电源转换电路SSATS包括第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1，其中，第一固态开关SCR1与第一机械开关CTR1相连接，并且电源模块110可以经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1连接到负载120，以向负载120供电。进一步地，第一固态开关SCR1连接在第一电源S1的相线上，第一机械开关CTR1连接在第一电源S1的相线和零线两者上。其中，第一机械开关包括第一端子x1和第二端子y1，第一端子x1和第二端子y1都连接到第一电源S1的零线上。
如图5所示，电源转换电路SSATS包括第一旁路开关550，其在零线上并联到第一机械开关CTR1，并且第一旁路开关550的第一端子连接到第一机械开关CTR1的第一端子x1，第一旁路开关550的第二端子连接到第一机械开关CTR1的第二端子y1。其中，第一旁路开关550可以包括串联连接的固态开关SS_SW1和机械开关CTR1N。在一些实施例中，还可以在第一旁路开关550中串联其它元件，例如小电感等阻抗器件，以抑制瞬时环流电路。
如图5所示，电源转换电路SSATS还可以包括第二固态开关SCR2、第二机械开关CTR2和第二旁路开关560。第二固态开关SCR2连接在第二电源S2的相线上，第二机械开关CTR2连接在第二电源S2的相线和零线两者上。其中，第二机械开关包括第一端子x2和第二端子y2，第一端子x2和第二端子y2都连接到第二电源S2的零线上。与第一旁路开关550类似，第二旁路开关560在零线上并联到第二机械开关CTR2，并且第二旁路开关560的第一端子连接到第二机械开关CTR2的第一端子x2，第二旁路开关560的第二端子连接到第二机械开关CTR2的第一端子y2。其中，第二旁路开关560可以包括串联连接的固态开关SS_SW2和机械开关CTR2N。同样地，第二旁路开关560还可以如第一旁路开关550那样在其中串联其它元件，这里不再赘述。
虽然图5仅示出了电源转换电路SSATS包括两个旁路开关，即第一旁路开关550与第二旁路开关560，但应理解，根据电源转换电路SSATS的不同结构，可以包括不止两个的旁路开关。例如，当从电源模块引出三根或更多根零线并连接到负载时，相应的每条零线上均可以连接有一个旁路开关。
下面将结合图6与图7具体描述如图5所示的电源转换电路SSATS在三相电源供电系统电路60中的工作原理。
图6示出了根据本公开至少一实施例的三相电源供电系统电路60的示意图。
与图3B所示的三相电源供电系统电路30B类似，如图6所示，三相电源供电系统电路60可以包括电源模块110、电源转换电路600以及负载120，其中，电源模块110通过电源转换电路600连接到负载120，以向负载120供电。电源模块110可以包括的第一电源S1和第二电源S2。在本实施例中，示出的第一电源S1和第二电源S2均为三相电源，但应理解，下述关于本实施例的描述同样适用于单相电源供电系统电路，即第一电源S1和第二电源S2均为单相电源的情况。
与上述图3A和图3B的电源转换电路300相比，电源转换电路600在电源转换电路300的基础上增加了第一旁路开关650和第二旁路开关660。因此，电源转换电路600中与电源转换电路300相同部分的内容可参照上面关于图3A和图3B的描述，这里不再赘述。下面将具体描述第一旁路开关650和第二旁路开关660。
如图6所示，第一电源S1通过引出的三根相线和第一零线经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1连接到负载120。类似地，第二电源S2通过引出的三根相线和第二零线经由第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2连接到负载120。如图所示，第一固态开关SCR1连接在第一电源S1的相线上，第一机械开关CTR1连接在第一电源S1的相线和零线两者上，第二固态开关SCR2连接在第二电源S2的相线上，第二机械开关CTR2连接在第二电源S2的相线和零线两者上。
如图6所示，第一旁路开关650在零线上并联到第一机械开关CTR1。第一旁路开关650的第一端子连接到第一机械开关CTR1的连接在第一零线上的第一端子x1，第一旁路开关650的第二端子连接到第一机械开关CTR1的连接在第一零线上的第二端子y1。第一旁路开关650包括串联连接的第三固态开关SS_SW1和第五机械开关CTR1N。
如图6所示，第二旁路开关660在零线上并联到第二机械开关CTR2。第二旁路开关660的第一端子连接到第二机械开关CTR2的连接在第二零线上的第一端子x2，第二旁路开关660的第二端子连接到第二机械开关CTR2的连接在第二零线上的第二端子y2。第二旁路开关660包括串联连接的第四固态开关SS_SW2和第六机械开关CTR2N。
通过设置第一旁路开关650和第二旁路开关660，可以分别为第一零线和第二零线引入了第一零线旁路和第二零线旁路。由此，不同于如上所述的需要通过控制第一机械开关和第二机械开关使第一零线和第二零线在电源转换过程中保持一定时长的重叠以避免零线浮地，替代地，可以通过控制第一旁路开关650和第二旁路开关660使第一零线旁路和第二零线旁路在电源转换过程中保持一定时长的重叠来实现“零线重叠”，与通过第一机械开关和第二机械开关经由第一零线和第二零线实现的零线重叠相比，第一零线旁路和第二零线旁路所实现的零线重叠时长更短，从而可以使得电源转换电路具有更优越的性能。下面将结合图7描述如何通过对第一旁路开关650和第二旁路开关660的控制实现零线重叠时长的缩短。
图7示出了图6的三相电源供电系统电路60的时序图。
假设在正常运行的时候，由第一电源S1经由第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1向负载120供电。即如图7所示，在t0时刻之前，第一固态开关SCR1和第一机械开关CTR1导通，第一电源S1经由导通的第一固态开关SCR1和导通的第一机械开关CTR1向负载120供电，因此，由第一电源S1所引出的零线导通。此时，由第一电源S1引出的第一零线旁路的第一旁路开关650中的第三固态开关SS_SW1关断而第五机械开关CTR1N保持导通状态，换言之，第一零线旁路此时处于断开状态。
当第一电源S1在t0时刻出现故障并在t1时刻检测到第一电源S1出现了故障，如图7所示，在t1时刻，关断第一固态开关SCR1，第一电源S1停止向负载120供电。同时，在t1时刻，导通第一旁路开关650中的第三固态开关SS_SW1，由于第五机械开关CTR1N一直处于导通状态，因此，自在t1时刻起，第一旁路开关650导通并形成了导通的第一零线旁路。
在第三固态开关SS_SW1导通后，即第一零线旁路导通后，关断第一机械开关CTR1并导通第六机械开关CTR2N。如图7所示，在t2时刻，关断第一机械开关CTR1，同时导通第六机械开关CTR2N。由于如上所述的机械开关本身的延迟，第一机械开关CTR1在距t2时刻一段时间后关断，同样地，第六机械开关CTR2N在距t2时刻一段时间后导通。
在第一机械开关CTR1关断且第六机械开关CTR2N导通后，导通第二旁路开关660中的第四固态开关SS_SW2。如图7所示，在t2a时刻，导通第二旁路开关660中的第四固态开关SS_SW2，此时，第二旁路开关660也处于导通状态，并形成了导通的第二零线旁路。
在第四固态开关SS_SW2导通后，关断第一旁路开关650中的第三固态开关SS_SW1。如图7所示，在t2b时刻，关断第一旁路开关650中的第三固态开关SS_SW1，使第一旁路开关650自t2b时刻起关断，因此，第一零线旁路自t2b时刻起关断。换言之，在t2a时刻至t2b时刻之间，完成了从导通的第一旁路开关650到导通的第二旁路开关650的转换。并且如图7所示，由于第二零线旁路自t2a时刻起处于导通状态而第一零线旁路自t2b时刻后断开，因此，在本实施例中，零线仅在t2a时刻至t2b时刻之间重叠。由于固态开关相比于机械开关不具有机械延迟，因此，这里的t2a时刻和t2b时刻是可控的，换言之，可以通过控制第四固态开关SS_SW2的导通和第三固态开关SS_SW1的关断来控制零线重叠的时长，使得零线重叠的时长可以缩短至微秒级。
然后，在第三固态开关SS_SW1关断后，关断第一旁路开关650中的第五机械开关CTR1N并导通第二机械开关CTR2，在第二机械开关CTR2导通后，关断第二旁路开关中的第四固态开关SS_SW2并导通第二固态开关SCR2，从而实现将第一电源S1切换为第二电源S2以向负载120供电。如图7所示，在t3时刻，关断第五机械开关CTR1N，并导通第二机械开关CTR2。当第二机械开关CTR2在距t3时刻一段时间后关断且第五机械开关CTR1N在距t3时刻一段时间后导通，在t4时刻，关断第四固态开关SS_SW2并导通第二固态开关SCR2，以使自t4时刻起，第二电源S2可以经由导通的第二固态开关SCR2和第二机械开关CTR2直接向负载120供电且第二旁路开关660断开。从而完成从第一电源S1供电到第二电源S2供电的切换过程。
与图4类似，在由第一电源S1转换至第二电源S2向负载120供电的过程中，可以借助辅助电路中的补偿电路模块(例如，其中的逆变器VSI)向负载120供电以保持对负载120的连续供电。如图7所示，在t1时刻，第二电源S2通过导通的第四机械开关CTR4向补偿电源模块供电，使得补偿电源模块中的逆变器VSI自t1时刻起为负载120连续供电。在t4时刻，逆变器VSI停止向负载120供电，而是转换为由第二电源S2向负载120供电。具体可参见上面关于图4的描述，这里不再赘述。
因此，与图4所示的通过控制第一机械开关CTR1和第二机械开关CTR2来控制零线重叠时间相比，在如图7所示的电源转换过程中，通过控制第一旁路开关中的第三固态开关SS_SW1和第二旁路开关中的第四固态开关SS_SW2来控制在多个电源(例如，第一电源S1和第二电源S2)之间进行切换的过程中的零线重叠时间，可以具有更短的零线重叠时间，以实现微秒级的零线重叠切换，从而使该电源转换电路可以应用到更广泛的领域中。例如，根据本公开的至少一实施例的电源转换电路可以用于转换器件，以向负载提供连续的供电。或者，根据本公开的至少一实施例的电源转换电路可以用于数据中心的供电系统，以实现向数据业务的连续性。
有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种电源转换电路，用于在多个电源之间进行切换以向负载供电，所述电源转换电路包括：
第一开关；
第二开关；和
旁路开关，
其中，所述多个电源之一经由所述第一开关和所述第二开关为所述负载供电，
其中，所述旁路开关在零线上并联到所述第二开关，并且被配置为控制在所述多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间。
2.根据权利要求1所述的电源转换电路，其中，
所述第二开关为机械开关，并且
所述旁路开关包括第三开关和第四开关，其中所述第三开关和所述第四开关中的至少一个为固态开关。
3.根据权利要求1或2所述的电源转换电路，其中，所述第一开关包括第一固态开关和第二固态开关，所述第二开关包括第一机械开关和第二机械开关，其中，
所述第一固态开关与所述第一机械开关相连接，并且所述多个电源中的第一电源经由所述第一固态开关和所述第一机械开关连接到所述负载，
所述第二固态开关与所述第二机械开关相连接，并且所述多个电源中的第二电源经由所述第二固态开关和所述第二机械开关连接到所述负载，
其中，当所述第一电源向所述负载供电出现故障时，所述第一开关和所述第二开关被配置为切换到从所述第二电源向所述负载供电。
4.根据权利要求3所述的电源转换电路，其中，所述第一机械开关包括连接到所述第一电源引出的第一零线的第一端子和第二端子，所述第二机械开关包括连接到所述第二电源引出的第二零线的第一端子和第二端子，
其中，所述旁路开关包括第一旁路开关和第二旁路开关，并且
其中，所述旁路开关在零线上并联到所述第二开关包括：
所述第一旁路开关的第一端子连接到所述第一机械开关的第一端子，所述第一旁路开关的第二端子连接到所述第一机械开关的第二端子，以及
所述第二旁路开关的第一端子连接到所述第二机械开关的第一端子，所述第二旁路开关的第二端子连接到所述第二机械开关的第二端子。
5.根据权利要求4所述的电源转换电路，其中，所述第一旁路开关包括串联连接的第三固态开关和第五机械开关，所述第二旁路开关包括串联连接的第四固态开关和第六机械开关，并且
其中，控制在所述多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间包括：通过所述第三固态开关和所述第四固态开关来控制在所述多个电源之间进行切换的过程中的零线重叠时间。
6.根据权利要求5所述的电源转换电路，其中，当由所述第一电源向所述负载供电时，所述第一旁路开关中的第五机械开关保持导通，并且其中，
由从所述第一电源向所述负载供电切换为从所述第二电源向所述负载供电包括：
在所述第一固态开关关断时，导通所述第一旁路开关中的所述第三固态开关，
在所述第三固态开关导通后，关断所述第一机械开关并导通所述第二旁路开关中的所述第六机械开关，
在所述第一机械开关关断且所述第六机械开关导通后，导通所述第二旁路开关中的所述第四固态开关，
在所述第四固态开关导通后，关断所述第一旁路开关中的所述第三固态开关，
在所述第三固态开关关断后，关断所述第一旁路开关中的所述第五机械开关并导通所述第二机械开关，
在所述第二机械开关导通后，关断所述第二旁路开关中的所述第四固态开关并导通所述第二固态开关，以实现将所述第一电源切换为所述第二电源以向所述负载供电。
7.根据权利要求1所述的电源转换电路，还包括：
辅助电路，连接在包括所述多个电源的电源模块与所述负载之间，其中，所述辅助电路包括：
补偿电源模块，被配置为在所述多个电源之间进行切换的过程中向所述负载提供连续的供电；以及
取电模块，连接在所述电源模块与所述补偿电源模块之间，被配置为从所述多个电源之一为所述补偿电源模块取电。
8.根据权利要求7所述的电源转换电路，其中，所述补偿电源模块包括串联连接的整流器和逆变器，
其中，所述取电模块包括第三机械开关和第四机械开关，其中：
所述第三机械开关连接在所述多个电源中的第一电源与所述整流器之间，
所述第四机械开关连接在所述多个电源中的第二电源与所述整流器之间，并且
所述逆变器连接到所述负载。
9.根据权利要求8所述的电源转换电路，其中，当由所述第一电源向所述负载供电时，所述第四机械开关保持导通，使得在所述第一电源向所述负载供电出现故障时，由所述逆变器向所述负载供电。
10.根据权利要求9所述的电源转换电路，其中，在所述第一电源向所述负载供电出现故障时，由所述逆变器向所述负载供电，包括：
在所述第一电源停止经由所述第一固态开关和所述第一机械开关向所述负载供电时，由所述逆变器向所述负载供电，
在所述第二电源开始经由所述第二固态开关和所述第二机械开关向所述负载供电时，所述逆变器停止向所述负载供电，从而实现在电源转换过程中向所述负载的连续供电。
11.一种转换器件，包括根据权利要求1-10中任一所述的电源转换电路，以用于向负载连续供电。
12.一种数据中心的供电系统，包括根据权利要求1-10中任一所述的电源转换电路，以实现数据业务的连续性。
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