KR20230026271A

KR20230026271A - 데이터 센터에 적용 가능한 dc 배전 아키텍처 및 방법

Info

Publication number: KR20230026271A
Application number: KR1020220100751A
Authority: KR
Inventors: 헨리퀴스 다비트 스토크만; 파나히오티스 콜리오스
Original assignee: 디씨 시스템즈 비.브이.
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2023-02-24
Also published as: AU2022211884A1; US20230054222A1; CN115706410A; EP4138246A1; US11909203B2

Abstract

일부 실시예는 DC 배전 시스템을 제공하고, 이는 각각의 DC 버스의 결함 또는 과부하 상태의 경우, DC 공급원과 각각의 DC 버스 사이에 개회로를 선택적으로 야기하도록 구성된 각각의 보호 디바이스를 통해 복수의 DC 버스들에 결합된 복수의 DC 공급원들을 포함한다. 복수의 DC 버스들은 부하 컴바이너에 결합되고, 시스템은 복수의 DC 버스를 통해 DC 공급원으로부터 전력을 복수의 DC 버스들을 통해 공급된 전력을 조합하는 부하 컴바이너를 통해 적어도 하나의 DC/DC 강압 컨버터에 병렬로 공급하도록 구성된다. DC 버스, 부하 컴바이너 및 DC 전원은 DC 버스 중 어느 하나가 동작하지 않는 경우에 총 최대 부하 전류가 복수의 DC 버스들 중 전체보다 적은 수를 통해 공급될 수 있도록 구성된다.

Description

데이터 센터에 적용 가능한 DC 배전 아키텍처 및 방법 {DC POWER DISTRIBUTION ARCHITECTURE AND METHOD APPLICABLE TO DATA CENTERS}

본 개시는 DC 배전에 관한 것이고, 더 구체적으로 일부 실시예는 데이터 센터 및/또는 중요한 부하를 포함하는 다른 설비 또는 구조에 매우 적절한 DC 배전 아키텍처 및 연관 시스템 및 방법에 관한 것이다.

DC 전기 그리드는 DC 동작 전기 그리드가 교류(AC) 동작 전기 그리드에 비해 가질 수 있는 많은 이점으로 인해 더욱 두각을 나타내고 있다. 그러나, DC 배전의 이점이 인정되었음에도 불구하고 AC 배전이 우세하게 현재 사용되는 기술로 남아 있는 한 영역은 데이터 센터와 같은 중요한 부하의 공급이다.

더 구체적으로, 예를 들어 데이터 센터에서 DC 배전의 잘 알려진 이점 중 하나는 부하 장비(예를 들어, 서버)에 AC 전력을 전하고 부하 장비에서 DC로 변환되는 AC 배전 시스템에 필요한 특정 전력 변환 단계를 제거함으로써 개선된 효율을 제공한다는 것이다. 전형적인 데이터 센터의 큰 전력 요건으로 인해, 데이터 센터에 공급하는 전력의 상당한 부분이 재생 불가능한 공급원에서 나올 수 있으므로, 효율 개선은 비용 감소뿐만 아니라 또한 온실 가스 배출 감소로 이어진다. 그러나, 언급한 바와 같이 대부분의 데이터 센터 설비는 AC 배전을 사용한다.

따라서, 데이터 센터에서의 사용과 같은 중요한 부하에 적절하고 고효율 배전뿐만 아니라 또한 높은 신뢰성, 리던던시 및 안전성을 제공하는 개선된 DC 배전 아키텍처에 대한 필요성이 남아 있다.

본 개시는 데이터 센터의 중요한 부하와 같은 중요한 부하에 전력을 공급하는 데 매우 적절한 DC 배전 아키텍처의 다양한 예시적인 실시예를 설명한다. 일부 실시예에 따르면, DC 배전 아키텍처는 메시 그리드 아키텍처를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, DC 배전 시스템은 개별적인 DC 버스의 결함 또는 과부하 상태의 경우, DC 공급원과 개별적인 DC 버스 사이에 개회로를 선택적으로 야기하도록 구성된 개별적인 제1 보호 디바이스를 통해 복수의 DC 버스들의 각각에 각각 결합된 복수의 DC 공급원들을 포함할 수 있다. 복수의 DC 버스들은 부하 컴바이너에 결합되고, 시스템은 복수의 DC 버스들을 통해 DC 공급원으로부터, 부하 컴바이너를 통해 적어도 하나의 DC/DC 강압 컨버터에 병렬로 전력을 공급하도록 구성되며, 부하 컴바이너는 복수의 DC 버스들을 통해 공급된 전력을 조합하고 적어도 하나의 DC/DC 강압 컨버터에 조합된 전력을 출력하고, 이 컨버터는 그에 결합된 적어도 하나의 부하에 전력을 출력한다. 부하 컴바이너는 부하 컴바이너에 결합된 적어도 하나의 부하에서의 결함 또는 과부하 상태의 경우에, 그에 결합된 적어도 하나의 부하와 복수의 DC 버스들 중 적어도 하나 사이에 개회로를 선택적으로 야기하고, 이에 의해, 부하 컴바이너에 결합된 적어도 하나의 부하에 대한 선택성을 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제2 보호 디바이스를 포함한다.

DC 버스, 부하 컴바이너 및 DC 전원은 DC 버스 중 어느 하나가 동작하지 않는 경우에 총 최대 부하 전류가 복수의 DC 버스들 중 전체보다 적은 수를 통해 공급될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, DC 버스의 결함(예를 들어, 단락) 상태가 그에 결합된 제1 보호 디바이스 각각이 개회로 상태로 스위칭되게 하고, 이에 의해, 각각의 DC 공급원으로부터 DC 버스를 분리하는 경우, DC 버스는 동작하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 적어도 하나의 부하에 필요한 전력(예를 들어, 공칭 전압에서의 총 최대 부하 전류)은 동작하는 DC 버스를 통해 DC 공급원에 의해 공급되고, 임의의 추가적인 능동적으로 제어되는 (예를 들어, 제1 보호 디바이스의 개회로 상태로의 스위칭 이외의) 추가적인 스위칭을 필요로 하지 않고 이러한 동작하는 DC 버스 각각을 통해 공급되는 전력 또는 전류의 증가가 이루어질 수 있다.

일부 실시예에서, DC 배전 시스템은 복수의 부하 컴바이너들을 포함할 수 있고, 각각의 부하 컴바이너는 각각의 DC 버스에 결합되고, 각각의 부하 컴바이너는 적어도 하나의 대응하는 부하에 결합되는 적어도 하나의 대응하는 DC/DC 강압 컨버터에 결합된다.

일부 실시예에서, DC 배전 시스템은 복수(M개)의 DC 버스들- M은 1보다 더 큰 정수이고, M =(N + 1)이고, M 개의 DC 버스들의 각각은 복수의 버스 전도체들을 포함함 -; 복수(K개)의 DC 전원들- K는 1보다 더 큰 정수이고, K =(J + 1)이며, DC 전원은 공칭적으로 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압을 갖도록 구성됨 -; 및 적어도 하나의 부하 컴바이너를 포함한다. K개의 DC 전원들 각각은 (i) DC 버스들 각각에서 결함 또는 과부하 상태의 경우에, DC 전원과 개별적인 DC 버스 사이의 개회로를 선택적으로 야기하도록 구성된 개별적인 제1 보호 디바이스를 통해 병렬로 M개의 DC 버스 각각에 결합될 수 있고, (ii) 동작시, DC 전원의 개별적인 제1 보호 디바이스가 폐회로 상태에 있는 M개의 DC 버스들의 각각에 공칭적으로 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압에서 병렬로 전류를 공급하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 부하 컴바이너 각각은 DC 배전 시스템에 의해 공급되는 각각의 부하 디바이스가 적어도 하나의 부하 컴바이너를 통해 전력을 공급받도록 적어도 하나의 부하 디바이스에 또는 그 내부에 위치될 수 있고, 부하 컴바이너는 복수의 DC 버스들의 각각에 결합되고, 적어도 하나의 부하 디바이스에 결합된 적어도 하나의 DC-DC 강압 컨버터에 출력을 제공하도록 구성되고, 부하 컴바이너는 적어도 하나의 DC-DC 강압 컨버터를 통해 출력에 결합된 적어도 하나의 부하 디바이스 중 하나 이상에서 결함 또는 과부하 상태의 경우에 복수의 DC 버스들과 상기 출력 사이에 개회로를 선택적으로 야기하도록 구성된 적어도 하나의 제2 보호 디바이스를 포함한다. DC 전원 각각은 동작 동안 DC 전원이 전도성으로 연결된 DC 버스에 의해 공급되는 부하 전류의 대략 동일한 몫을 공급할 수 있다. DC 배전 시스템은 총 최대 부하에 기초하여 적어도(J + 1) 리던던시를 제공하도록 구성될 수 있으며, DC 버스, 부하 컴바이너 및 DC 전원은 M개의 버스 중 어느 하나가 동작하지 않는(예를 들어, 그렇게 되는) 경우에, DC 버스 중 M개보다 적은 수를 통해 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성된다.

일부 실시예에서, DC 버스, 부하 컴바이너 및 DC 전원은 M개의 버스 중 어느 하나가 동작하지 않는 경우, N개의 DC 버스 중 임의의 것을 통해 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성된다. 일부 실시예에서, DC 버스, 부하 컴바이너 및 DC 전원은 M개의 버스 중 2개를 제외한 전체가 동작하지 않는 경우, DC 버스 중 임의의 2개 이상을 통해 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성된다. 일부 실시예에서, DC 버스, 부하 컴바이너 및 DC 전원은 M개의 버스 중 하나를 제외한 전체가 동작하지 않는 경우, DC 버스 중 임의의 하나를 통해 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성된다.

일부 실시예에서, 각각의 DC 전원은 실질적으로 동일한 전력 용량을 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 각각의 버스 전도체는 각각의 DC 전원 및 적어도 하나의 부하 컴바이너에 연결된 버스 바아를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 버스 전도체 각각은 DC 전원 각각에 연결된 제1 버스 바아 및 제1 버스 바아 및 적어도 하나의 부하 컴바이너에 연결되는 제2 버스 바아를 포함할 수 있고, 제1 버스 바아는 제2 버스 바아보다 단위 길이당 전도도가 더 크다.

일부 실시예에서, 부하 컴바이너는 M개의 브랜치를 포함할 수 있고, 각각의 브랜치는 각각의 DC 버스 중의 DC 버스에 연결되고 OR 연결을 형성하여 상기 출력을 제공하고, 각각의 브랜치는 트랜지스터 스위치와 직렬로 결합된 다이오드를 포함하고, 각각의 트랜지스터 스위치는 부하 컴바이너를 통해 전력이 공급되는 적어도 하나의 부하 디바이스 중 하나 이상에서의 결함 또는 과부하 상태의 경우에 개회로 상태로 스위칭하도록 제어된다.

일부 실시예에서, DC 배전 시스템은 적어도 하나의 DC 에너지 저장 시스템을 더 포함할 수 있고, 적어도 하나의 DC 에너지 저장 시스템 각각은 (i) 공칭 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압을 갖도록 구성되고, (ii) 개별적인 DC 버스 상의 결함 또는 과부하 상태의 경우에, DC 에너지 저장 시스템과 개별적인 DC 버스 사이에서 개회로를 선택적으로 야기하도록 구성된 개별적인 제3 보호 디바이스를 통해 M개의 DC 버스 각각에 결합되고, (iii) 동작시, DC 에너지 저장 시스템의 개별적인 제3 보호 디바이스가 폐회로 상태에 있는 M개의 DC 버스 각각에 병렬로 전류를 공급하도록 구성되고, 적어도 하나의 DC 에너지 저장 시스템 각각은 공칭적으로 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압에서 그 각각의 전류를 공급하도록 구성된다.

본 기술 분야의 숙련자는 도면에 대한 앞서 설명한 간단한 설명 및 다음의 설명은 본 발명의 일부 실시예를 예시하고 설명하는 것이며, 본 발명의 범위 내에서 모든 주제 및 실시예를 대표하거나 포괄하는 것이 아니고, 본 발명을 제한 또는 특징짓거나 본 발명의 실시예에 의해 달성될 수 있는 이점을 제한하려는 의도도 아니고, 본 발명이 일부 실시예와 관련하여 본 출원에 설명된 하나 이상의 이점을 반드시 제공하는 것을 요구하기를 의도하는 것도 아님을 이해할 것이다. 따라서, 본 출원에서 참조되고 본 출원의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 일부 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 일부 실시예의 원리를 설명하는 역할을 한다.

구조 및 동작 모두에 관한 본 발명의 일부 실시예의 양태, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 비제한적 및 비배타적 실시예에 대한 다음의 설명을 고려하여 이해될 것이며 더욱 쉽게 명백히 알 수 있을 것이며, 첨부 도면에서, 동일한 참조 번호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지정한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 DC 배전 아키텍처의 블록도를 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 보호 디바이스의 각각의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 3 내지 도 7은 일부 실시예에 따른 부하 컴바이너의 다양한 예시적인 대안 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 일부 실시예에 따른 도 3의 부하 컴바이너의 구성에 대응하는 부하 컴바이너의 각각의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 일부 실시예에 따른 DC 배전 메시 아키텍처를 포함하는 데이터 센터의 예시적인 부분 평면도를 개략적으로 도시한다.

설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 문맥상 달리 명시하지 않는 한, 다음 용어는 적어도 본 출원에서 명시적으로 연관된 의미를 취한다. 아래에 식별된 의미는 반드시 용어를 제한하는 것은 아니며, 용어에 대한 예시적인 예를 제공할 뿐이다.

본 출원에 사용된 "일 실시예"라는 문구는 동일한 실시예를 지칭할 수 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. 또한, 관사("a", "an" 및 "the")의 의미는 복수 참조를 포함하고; 따라서, 예를 들어 "일 실시예"는 단일 실시예로 제한되지 않고 하나 이상의 실시예를 지칭한다. 유사하게, "하나의 실시예"라는 문구는 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며, 단일 실시예로 제한되지 않는다. 본 출원에 사용될 때, 용어 "또는"은 포괄적인 "또는" 연산자이고, 문맥에서 달리 명백히 명시되지 않는 한, "및/또는"이라는 용어와 등가이다. "~에 기초한"이라는 용어는 배타적이지 않으며, 문맥상 달리 명백히 명시되지 않는 한, 설명되지 않은 추가 요소에 기초하는 것을 허용한다.

또한, 본 출원에 사용될 때, 문맥에 달리 명백히 명시되지 않는 한, 용어 "결합된"은 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 컴포넌트를 통해 간접적으로 연결되는 것을 지칭하고, 일부 문맥에서는, 또한 전도성 결합, 용량 결합 및/또는 유도 결합과 같은 전기적 결합을 지시하거나 포함할 수 있다. 또한, "전도성 결합(연결)", "전기적 결합(연결)" 및 유사한 변형은 각각 직류 및 교류를 포함할 수 있는 전도 전류를 통한 에너지 전달을 허용하는 하나 이상의 중간 컴포넌트를 통해 결합(연결)되는 것을 지칭하는 반면, "용량 결합"은 하나 이상의 유전체 매체를 통해, 그리고, 가능하게는 또한 하나 이상의 개입 전도체를 통해(예를 들어, 일련의 용량성 컴포넌트를 통해) 정전기적으로 결합되는 것- 결합된(연결된) 컴포넌트 사이의 직류를 통하지 않은, 그리고, 변위 전류를 통한 에너지 전달을 허용함 -을 지칭한다. 본 기술 분야의 숙련자는 요소가 의도적으로 또는 의도하지 않게(예를 들어, 기생적으로) 용량 결합될 수 있고, 일부 문맥에서, 용량 결합된다고 언급되는 요소는 의도적 용량 결합을 의미할 수 있음을 추가로 이해할 것이다. 또한, 본 기술 분야의 숙련자는 일부 문맥에서 용어 "결합된"이 직접 및/또는 간접 연결을 통한 동작 결합을 의미할 수 있음을 또한 이해할 것이다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트에 결합된다고 언급되는 전도체(예를 들어, 제어 라인)는 전도체가 게이트에 간접적으로(예를 들어, 다른 트랜지스터 등을 통해) 및/또는 직접적으로 연결되었는지 여부에 무관하게 FET의 동작(예를 들어, "온" 및 "오프" 상태 사이에서의 FET의 스위칭)을 제어하기 위해 게이트 전위를 제어하도록 동작하는 전도체를 의미할 수 있다.

명확성을 위해, 중전압 및 저전압이라는 용어는 다양한 표준에서 다른 정의를 가질 수 있거나, 그렇지 않으면, 다양한 문맥에서 다른 의미를 갖는 것으로 이해될 수 있지만, 본 출원에서 사용될 때, 본 출원에 사용될 때, 중전압은 약 1KV 내지 약 52KV 범위의 교류(AC) 제곱 평균 제곱근(rms) 전압 또는 약 1.5KV 내지 약 75KV 범위의 직류(DC) 전압을 의미할 수 있고; 저전압은 약 1KV 미만의 교류(AC) rms 전압 또는 약 1.5KV 미만의 직류(DC) 전압을 의미할 수 있다. 그러나, 이어지는 개시에 의해 이해할 수 있는 바와 같이, 본 개시에 따른 실시예는 특정 전압 또는 전압 범위로 제한되지 않는다.

도 1은 본 개시에 따른 일부 실시예에 따른 시설(100) 내의 DC 배전 아키텍처의 예시적인 블록도를 개략적으로 도시한다. 본 기술 분야의 숙련자는 명확성을 위해 특징은 일반적으로 블록도 형태로 표현되며, 예를 들어 다양한 전기 컴포넌트, 연결, 커넥터, 연관 장비, 백업 및/또는 대체 전원 등을 비롯한 이러한 시스템의 모든 특징 또는 세부사항이 도시되어 있는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 본 기술 분야의 숙련자는 이어지는 개시를 고려하여, 본 출원의 예시적인 실시예가 주로 데이터 센터에 관련하여 예로서 설명되지만, 본 개시에 따른 대안 실시예는 다른 DC 배전 응용, 예컨대, 상업용 건물, 공장 및 (예를 들어, 선박 서비스 및/또는 선박 추진 부하와 같은) 해양 및 연안 응용을 위한 DC 배전 시스템에 관련할 수 있다는 것을 추가로 이해할 것이다. 참조의 편의를 위해, 본 출원에 사용될 때, "시설"이라는 용어는 본 개시의 일부 실시예에 따른 DC 배전 시스템이 구현될 수 있는 (예를 들어, 데이터 센터, 상업용 건물, 공장, 선박 같은) 임의의 구조 또는 조립체를 의미한다.

도시된 바와 같이, 예로서, 유틸리티(5)로부터의 AC 전력은 2개의 독립적인 유틸리티 라인(예를 들어, 피더) A 및 B를 통해 시설(100)에 제공되고, 이 시설은 이 예시적인 실시예에서 데이터 센터이다. 특히, 데이터 센터(100)는 각각 피더 A 및 B로부터 AC 전력을 수신하는 AC 배전 장비(7 및 9)를 포함한다. 본 기술 분야의 숙련자는 일부 구현에서 데이터 센터 부위 자체가 유틸리티로부터 AC 전력을 수신하고 AC 전력 피더 A 및 B를 AC 배전 장비(7 및 9)에 제공하는 변전소를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이 예시적인 실시예에서, 데이터 센터에 급전하는 유틸리티 라인 A 및 B는 중복 구성으로 제공된 중전압(MV) 라인을 포함하고; 예를 들어, 유틸리티 라인 A와 B는 유틸리티의 별도 변전소에서 유래될 수 있다. 비제한적인 예로서, 유틸리티 피더 A 및 B는 각각 3상 전력으로 제공되는 50Hz 또는 60Hz에서 약 10kV의 AC 전압 레벨을 가질 수 있다.

AC 배전 장비(7 및 9)는 예를 들어 MV 스위치기어, 과도 보호 회로부, 백업 전원(예를 들어, 인버터, 발전기 등에 결합된 배터리) 및 MV AC 전력을 낮은 AC 전압 레벨, 예컨대, 비제한적인 예로서, DC 배전 버스(아래에서 추가로 설명됨)에 제공될 원하는 공칭 DC 전압 범위 및 예를 들어 AC-DC 변환의 효율(또한 아래에서 추가로 설명됨)에 따라 200V 내지 800V 범위의 AC 전압 레벨로 강압하기 위한 변압기를 포함할 수 있다. 그리고, DC 배전 버스에 제공되는 원하는 공칭 DC 전압 범위는 예를 들어 공칭 총 부하 전력 수요, 및 대응적으로 공칭 DC 전류 레벨 및 연관 배전 손실(예를 들어, 소위 I²R 손실)에 기초하여 결정될 수 있다. 단순히 설명의 명확성을 위해, AC 노드 또는 버스(11 및 13)로 출력되는 AC 전압의 예는 이 예시적인 실시예에서 공칭적으로 400V일 수 있다.

본 기술 분야의 숙련자는, 유틸리티 피더 A 및 B와 분배 장비(7 및 9)를 포함하는 단순화되고 개략적으로 도시된 AC 배전 네트워크가 일반적으로 2개의 독립적인 AC 전력 경로를 제공하는 것으로 예시되지만, 많은 AC 배전 네트워크 구성이 가능하고(예를 들어, 예컨대, 원하는 데이터 센터 티어(Tier)에 따라), 본 개시의 다양한 실시예에 따른 DC 배전 아키텍처는 유틸리티로부터 데이터 센터(100)로의 AC 배전의 특정 구성에 의해 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.

AC 노드 또는 버스(11 및 13)는 AC 전력 입력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 AC/DC 컨버터(10)에 결합된다. 이 예시적인 실시예에서, 4개의 AC/DC 컨버터(10)가 도시되지만; 그러나, 다양한 실시예는 적어도 2개의 AC/DC 컨버터(10), 바람직하게는 각각의 AC 피더 브랜치 A 및 B에 대응하는 적어도 하나를 포함할 수 있다(그러나, 대안 실시예는 독립 AC 피드를 필요로 하지 않을 수 있고/있거나 독립 AC 피드 상에 병렬 능동 AC/DC 컨버터(10)를 필요로 하지 않을 수 있다). 또한, 데이터 센터(100)와 같은 시설 전체에 걸쳐, AC 노드 또는 버스(11 및 13)가 추가 부하(도시되지 않음)에 공급하기 위해 시설 전체에 분산된 추가 AC/DC 컨버터(도시되지 않음; 예를 들어, AFE로 구현됨)에 급전하도록 분산될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

AC/DC 컨버터(10)는 예를 들어, AC 전압을 DC로 변환하기 위한 임의의 알려진 다이오드 및 제어된 정류기, 능동 프론트엔드(AFE), 또는 다른 회로 토폴로지로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 기술 분야의 숙련자에게 알려진 바와 같이, AFE는 양방향 전력 유동을 제공하고, 일반적으로, 고주파수 전류 성분을 제거하고 스위칭 주파수 리플을 제어하기 위해 전면측 입력 필터(예를 들어, L, LC 또는 LCL 유형)를 포함할 수 있으며, 전면측 입력 필터에는 능동 전원 스위치(예를 들어, 2-레벨 AFE를 위한 6개의 스위치), 예컨대, 적절한 펄스 폭 변조(PWM)에 기초하여 제어되는 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 또는 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)의 구성이 이어진다. 비제한적인 예로서, 이 예시적인 실시예에서, AC/DC 컨버터(10)는 3상 400V AC 입력을 공칭 700V DC 출력으로 변환하는 AFE로서 구현될 수 있다.

도시된 바와 같이, 각각의 AC/DC 컨버터(10)에 대해, AC/DC 컨버터(10)로부터 출력된 DC 전력은 스위칭 디바이스를 포함하는 것으로 도시된 각각의 보호 디바이스(12)를 통해 병렬 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)에 병렬로 결합된다. 더 구체적으로, 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 정상 동작에서 각각의 보호 디바이스(12)의 스위칭 디바이스는 폐쇄되고, 따라서, 모든 AC/DC 컨버터(10)에 의해 출력되는 DC 전력(예를 들어, 700V에서 공급됨)이 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 및 부하 컴바이너(20)를 통해 부하 디바이스(30 및 32)에 병렬로 공급된다. AC/DC 컨버터(10)(본 출원에서 DC 공급원이라고도 지칭됨)의 이러한 병렬화는 예를 들어, DC 공급원 사이에 전류를 공유하는 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 상의 공칭 DC 출력 전압 범위(예를 들어, 700V 플러스 또는 마이너스 약 40V)를 제공하도록 드룹 보상에 따라 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 주어진 AC/DC 컨버터(10)(예를 들어, AFE)에 결합된(예를 들어, 예컨대, 하나 이상의 인쇄 회로 보드 또는 그에 플러그 결합된 모듈 내에 및/또는 그 상에 통합된) 보호 디바이스(12)는 주어진 AC/DC 컨버터(10)의 공통 정류 출력(예를 들어, AFE의 공통 정류기 출력)에 각각 병렬로 결합될 수 있다. 다양한 대안 실시예에서, AC/DC 컨버터(10)(예를 들어, AFE)는 보호 디바이스(12) 중의 각각의 보호 디바이스에 결합된 각각의 출력을 갖는 병렬 연결된 정류기를 포함할 수 있다. 임의의 이러한 경우에, 주어진 DC 공급원(10)에 의해 공급되는 전류는 그 스위치가 폐쇄 상태인 각각의 보호 디바이스(12)를 통해 DC 공급원에 결합된 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 사이에서 공유된다.

또한, DC-DC 컨버터(16)에 결합된 배터리(14)를 포함하는 선택적 백업 전력 시스템이 도시되어 있으며, 이는 보호 디바이스(18)를 통해 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)에 결합된다. 보호 디바이스(18)는 배전 시스템의 정상 동작시, 전력 디바이스(18)의 스위치가 개방 상태에 있고, 사용 가능한 DC 공급원(10)에 의해 부하 요건을 충족하기에 불충분한 전력이 제공되는 경우 폐쇄 상태로 스위칭될 수 있다는 점을 제외하고는 보호 디바이스(12)와 본질적으로 동일하다.

각각의 보호 디바이스(12 및 18)는 폐쇄 상태에 있을 때(즉, 그 스위치가 DC 공급원의 전력이 각각의 버스에 공급되는 상태임), 이들이 결합되는 대응 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 상의 과부하 또는 결함(예를 들어, 단락)을 신속하게 검출하고, 이에 응답하여 신속하게 개방 상태로 스위칭한다. 보호 디바이스(12)(및 18)는 이에 의해 DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 중 임의의 것에 결함(예를 들어, 단락) 또는 과부하 상태가 발생한 경우 AC/DC 컨버터(10)(및 DC/DC 컨버터), 즉, DC 전원을 보호한다. 비제한적인 예로서, 각각의 보호 디바이스(12 및 18)는 이런 결함 이벤트가 시작된 후 수 밀리초 이내, 바람직하게는 수십 마이크로초 이내, 더욱 바람직하게는 10 마이크로초 미만(예를 들어, 수 마이크로초) 내에 결함(예를 들어, 단락) 상태를 검출하고 제거할 수 있다. 마찬가지로, 비제한적인 예로서, 각각의 보호 디바이스(12 및 18)는 이러한 과부하 상태가 시작된 후 10 마이크로초 미만(예를 들어, 수 마이크로초 이하) 이내에 과부하 상태를 검출할 수 있고, 과열로 인해 발생할 수 있는 손상 및/또는 장애에 대한 보호를 제공하기 위해 과부하 전류 크기의 함수일 수 있는 이러한 검출 이후의 시간에 개방 상태로 스위칭할 수 있다.

도 2a는 일부 실시예에 따른 보호 디바이스(12)의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 예시적인 보호 디바이스(12)는 커패시터(Cs), 트랜지스터(NM1)(MOSFET 또는 절연 게이트 FET로 도시됨), 감지 임피던스(Rs)(예를 들어, 저항기), 다이오드(D2), 인덕터(LS), 스위칭 디바이스(SD), 및 보호 제어 회로(44)를 포함하고, 양극 라인 L+ 및 음극 라인 L-을 통해 AC/DC 컨버터(10)에 의해 출력되는 DC 전력(예를 들어, 700V)을, 버스 전도체 DCB1/L+ 및 버스 전도체 DCB1/L-를 포함하는 것으로 도시된 버스 DCB1에 선택적으로 결합하도록 구성된다. 다양한 대안 실시예에서, 트랜지스터(NM1)는 (예를 들어, 전기 기계 릴레이 또는 다른 전기 기계 스위칭 디바이스에 비교하여) 고속 스위칭을 제공하는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 같은 대안적인 고상 스위칭 디바이스로서 구현될 수 있음을 이해할 수 있다.

인덕터 LS는 단락 상태가 발생하는 경우 점진적인 전류 증가를 보장하도록 구성된다. 그러나, 다양한 구현에서 버스 DCB1의 인덕턴스가 충분할 수 있고, 따라서, 인덕터(LS)가 선택적일 수 있으며, 이에 따라, 보호 디바이스(12)의 다양한 실시예에서 포함되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

커패시터(Cs)는 AC/DC 컨버터(10)(예를 들어, AFE)의 정류기 출력에 결합된 보호 디바이스(12)의 입력 포트에 걸쳐 결합된다. (예를 들어, 버스 DCB1에서) 단락이 발생하는 경우, 커패시터(Cs)는 보호 디바이스를 트립하는 데 필요한 단락 전류를 제공한다. 이와 같이, AC/DC 컨버터(10)는 단락 전류의 영향을 받지 않고 단락 전류에 기여하지도 않는다. 다이오드(D2)는 보호 디바이스(12)의 출력 포트에 걸쳐 결합되고, 예를 들어, 트랜지스터(NM1)가 개방 상태로 스위칭된 경우에 계속 유동(예를 들어, 버스의 인덕턴스 및/또는 인덕턴스(LS)와 연관됨)할 수 있는 유도성 전류를 전달하기 위해 프리휠링 다이오드로서 작용하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 결함 또는 과부하 상태에 응답하여 트랜지스터(NM1)가 개방 상태로 스위칭되는 경우 AC/DC 컨버터(10)와 버스(DCB1) 사이에 추가적인 격리를 제공하기 위해 스위칭 디바이스(SD)가 포함될 수 있다. 더 구체적으로, 스위칭 디바이스(SD)는 정상상태에서 폐쇄되고, 트랜지스터(NM1)가 개방되고 다이오드(D2)를 통한 프리휠링 전류가 공칭 레벨 미만(예를 들어, 무시할 수 있는 크기 이하로 감소됨)으로 감소된(또는 감소될 기회를 갖게된) 이후에 개방 상태로 스위칭될 수 있다. 더 구체적으로, 다양한 대안 실시예에서, NM1이 개방된 후 스위칭 디바이스(SD)가 개방되는 시간은 프리휠링 전류 측정(예를 들어, 추가 감지 저항을 사용함)에 기초하여 및/또는 프리휠링 전류의 변화를 측정함으로써(예를 들어, 인덕터(LS)에 걸친 전압을 측정함으로써) 및/또는 NM1이 개방된 후 최소 시간 지연에 기초하여 결정될 수 있다. 스위칭 디바이스(SD)는, 예를 들어, 전기 기계 스위치(예를 들어, 전기 기계 릴레이)로 구현될 수 있다.

보호 회로(44)는 예를 들어 마이크로컨트롤러 또는 다른 프로그램 가능한 프로세서(또는 다른 디지털 회로부)로서 구현될 수 있고, 일부 실시예에서, 또한, (예를 들어, RS485를 통한 모드버스(Modbus) 프로토콜을 사용하여 및/또는 전력선 통신(PLC)을 사용하여) 버스를 통해 호스트 디바이스(도시되지 않음)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 보호 제어 회로(44)는 감지 입력 V+ 및 V-에서 과도전류 또는 급격한 변화(예를 들어, 일부 임계값 초과)에 대한 임피던스(예를 들어, 저항)(Rs)에 걸친 전압을 감지(예를 들어, 모니터링)함으로써 결함 또는 과부하 상태를 검출할 수 있다. 이러한 과도 또는 급속 변화 검출은 다양한 방식으로, 예컨대, 전압의 변화를 디지털 방식으로 계산함으로써 및/또는 시간 도메인에서 높은 변화율(예를 들어, di/dt) 및/또는 주파수 도메인에서 고주파수 성분(예를 들어, FFT, DCT, 또는 다른 변환 성분에 기초함)을 식별하는 것에 대응하는 다른 디지털 필터링 및/또는 변환 기술에 의해 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시예에서, 이러한 과도 또는 급속 변화 검출은 V+ 및 V- 입력에 걸쳐(즉, 저항기 (RS) 에 걸쳐) 감지된 전압을 임계/기준 전압 레벨과 비교하는 아날로그 비교기 같은 아날로그 회로부에 (예를 들어, 적어도 부분적으로) 기초할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 단락 보호는 V+ 및 V- 입력에 걸쳐 감지된 전압에 응답하는 아날로그 비교기 회로를 기초로 할 수 있고, 반면에, 과부하 보호는 V+ 및 V- 입력에 걸쳐 감지(예를 들어, 샘플링)된 전압(들)의 디지털 처리를 기초로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 임피던스 Rs(및/또는 다른 임피던스)는 측정된 전압이 di/dt에 직접 대응하도록 인덕턴스로서 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 보호 제어 회로(44)는 하나 이상의 임계 레벨(예를 들어, 과부하 과전류 상태에 대응하는 제1 임계값; 단락 과전류 상태에 대응하는 제2 임계값)을 초과하는 저항기(Rs)에 걸쳐 감지된 전압(그리고, 따라서 저항기(Rs)를 통한 대응하는 전류)에 따라 결함 또는 과부하 상태를 검출할 수 있다.

앞서 설명한 설명에 따르면, 감지 입력 V+ 및 V-에서 모니터링된(예를 들어, 감지 또는 샘플링된) 신호에 기초하여, 보호 제어 회로(44)는 (i) 트랜지스터(NM1)의 게이트에 결합된 출력 Tx를 통해 트랜지스터(NM1)의 상태를 및 (ii) 출력 Td를 통해 스위칭 디바이스 SD의 상태를 선택적으로 제어한다. 예를 들어, 설명된 바와 같이, 단락 상태를 검출하면(예를 들어, 아날로그 비교기에 기초하여), 보호 제어 회로(44)는 트랜지스터(NM1)를 신속하게 턴 오프한 다음 최소 시간 지연(측정된 단락 전류 크기의 함수일 수 있음) 후에 및/또는 프리휠링 전류가 임계 레벨 아래로 감소했음을 나타내는 측정 후에 스위칭 디바이스 SD를 턴 오프한다. 또한, 예를 들어, 과부하 상태를 검출하면, 보호 제어 회로(44)는 과부하 전류의 크기의 함수일 수 있는 시간 지연 후에 트랜지스터(NM1)를 턴오프하여 그 열화 또는 장애를 야기할 수 있는 트랜지스터(NM1)의 과열을 방지할 수 있다. 더 구체적으로, 다양한 실시예에서, 과부하 전류의 적어도 하나의 샘플-- 그리고, 예를 들어, 가능하게는 다수의 주기적 샘플 --이 보호 제어 회로(44)에 의해 디지털 방식으로 샘플링될 수 있고, 트랜지스터 NM1이 턴 오프되는 시간은 트랜지스터 NM1에 대응하는 트랜지스터의 전력 및/또는 에너지 의존적(예를 들어, 전류 크기 및/또는 지속기간 의존적) 가열 및 열화 특성의 사전 특성화를 고려하여 과부하 전류 샘플(들)의 크기(들)에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서, 보호 회로(44)는 이러한 사전 특성화에 기초하고 감지된 과부하 전류 샘플(들)에 기초하여 참조될 수 있는 참조표를 통합하여 트랜지스터(NM1)가 과부하 전류 상태 하에서 개방될 시간을 결정할 수 있다.

도 2b는 일부 실시예에 따른 보호 디바이스(12)의 대안적인 예시적인 실시예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 2a 및 도 2b의 예시적인 실시예는 다이오드 D2의 위치 및 도 2b에서 퓨즈(FS)의 표현 묘사를 제외하고는 본질적으로 동일하다. 도 2a의 실시예와 비교하여, 도 2b의 예시적인 실시예에서 다이오드 D2의 위치는 개선된 보호를 제공할 수 있으며, 또한 V+ 및 V- 입력에 걸친(즉, 저항기 (RS) 에 걸친) 전압을 감지함으로써 다이오드 D2를 통한(즉, NM1 개방 이후의) 프리휠링 전류의 감지하도록 보호 회로(44)를 제공하며, 따라서 (예를 들어, 감지된 프리휠링 전류가 공칭 임계값 아래로 감소한 이후의) 스위치 SD의 개방에 대한 제어를 용이하게 한다. 퓨즈 FS는 공급원 결함(예를 들어, DC/DC 컨버터의 단락)에 대한 보호를 제공한다. 이러한 퓨즈(FS)는 전형적으로 AC/DC 컨버터(10)(예를 들어, 도 2a의 실시예에서와 같이)에 통합될 수 있거나, 또는 일부 실시예에서 보호 디바이스(12)에 통합될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 2a 및 도 2b의 예시적인 실시예에서 각각의 보호 디바이스(12)가 각각의 보호 제어 회로(44)를 갖는 별개의 모듈로서 구현될 수 있지만, 일부 실시예에서 공통 제어기가 주어진 AC/DC 컨버터(10)에 대응하는 각각의 보호 디바이스(12)의 동작(예를 들어, 감지 및 스위칭)을 제어하도록 구성될 수 있다. 도 2a 및 도 2b의 예시적인 보호 디바이스가 단방향 보호를 제공하도록 구성되어 DC 버스 상의 결함으로부터 AC/DC 컨버터(10)를 보호하는 반면, 다양한 대안 실시예는 양방향 보호 디바이스(예를 들어, 도 2a 또는 도 2b의 단방향 보호 디바이스와 유사하고 보호 회로(44)의 제어 하에 추가 소스측 고상 스위칭 디바이스를 포함함)를 사용할 수 있으며, 이는 또한 임의의 소스측 결함(예를 들어, AC/DC 컨버터(10)의 단락)을 신속하게 검출하고, 제거하여, 이러한 결함이 DC 버스로 전파되는 것을 방지한다는 것을 또한 이해할 것이다. 그러나, 다양한 실시예에서, 도 2a 또는 2b의 예시적인 단방향 보호 디바이스(12)는 (i) 입력 V+ 및 V-에 걸쳐(즉, 저항기 (RS) 에 걸쳐) 감지된 전압에 따라 소스측 결함(예를 들어, 단락)을 검출하고, (ii) 이러한 결함이 검출되는 경우 스위치 SD를 개방하도록 보호 회로(44)를 구성함으로써 양방향 보호를 제공하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, AD/DC 컨버터(10)의 단락 결함은 임계값을 초과하는 크기를 갖는 V+에서 V-로의 음의 전압 강하(V-에서 V+로의 양의 강하)를 감지하는 아날로그 비교기에 기초하여 검출될 수 있다. 빠른 스위칭을 제공하기 위해, 스위치 SD는 고상 디바이스(예를 들어, 그 본체 다이오드가 트랜지스터 NM1의 것에 대향하도록 구성된 MOSFET와 같은 반도체 트랜지스터)로서 구현될 수 있지만, 일부 실시예에서 스위치 SD는 전기 기계 릴레이로서 구현될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 이 예시적인 실시예는 4개의 DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)를 구현하지만, 대안 실시예는 각각의 보호 디바이스를 통해 각각의 DC 공급원에 결합된 각각의 버스로 유사하게 구성된 임의의 수의 2개 이상의 DC 버스를 구현할 수 있다. 설명된 바와 같이, 부하 전류는 DC 버스 사이에 공유된다. 이와 같이, 버스를 통한 DC 배전은 예를 들어 단일 DC 버스를 따라 전력을 분배하는 것과 비교하여 버스와 연관된 더 낮은 I²R 손실로 제공될 수 있다. 그리고, 각각의 버스는 각각의 보호 디바이스에 의해 각각의 DC 공급원에 결합되기 때문에, 부하 전력을 공유하는 복수의 버스들의 이러한 구성은 또한 적어도, 임의의 주어진 버스의 결함이 해당 주어진 버스가 DC 공급원으로부터 격리되게 하는 한 추가적인 선택성 및 리던던시를 제공하고, 이는 결함이 발생하지 않은 다른 버스를 통해 필요한 부하 전력을 계속 공급하게 할 것이다.

또한 (예를 들어, 도 2a 또는 도 2b의 관점에서), 도 1은 본질적으로 단일 라인 도면에 따른 배전 아키텍처를 도시하지만, 이 예시적인 실시예에서 각각의 DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)는 실제로 2개의 전도체, 소위 양의 전도체(L+) 및 소위 음(또는 복귀) 전도체(L-)를 포함하며, 이들은 각각 대응하는 보호 디바이스(12 및 18)에 결합된다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예에서, DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)는 전도성 케이블 및/또는 버스 바아(예를 들어, 부하 컴바이너(20)로의 드롭과 함께 데이터 센터(시설)(100) 전체에 분산된 오버헤드 버스 바아)로서 구현될 수 있다. 도 1에 명시적으로 도시되어 있지는 않지만, 도 1의 예시적인 DC 배전 네트워크는 접지 시스템(예를 들어, TN-S 배열)을 포함한다는 것이 또한 이해할 것이다. 그리고, 본 출원에 도시된 예시적인 2선식 DC 버스 실시예의 음의 전도체(L-)가 접지될 수 있는 접지 구성에서, L- 전도체는 소위 "M" 전도체로 표시될 수 있지만(예를 들어, IEC(International Electrotechnical Commission) 표시에 따라), 본 출원 도면에서 이들은 "M" 전도체로 표시되지는 않는다. 본 개시의 관점에서, DC 배전 아키텍처의 대안 실시예는 예를 들어 3선식 접지된 바이폴라 회로(예를 들어, 양(L+), 중간 와이어(M) 및 음(L-) 전도체를 포함함)로서 구현된 DC 버스를 포함할 수 있다는 것도 이해할 것이다.

위에서 나타낸 바와 같이, 정규 동작에서, 전력은 각각의 보호 디바이스(12) 및 각각의 DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)를 통해 각각의 DC 공급원(10)로부터 각각의 부하 컴바이너(20)에 병렬로 공급된다. 각각의 부하 컴바이너(20)는 보호 디바이스를 포함하고 버스 전압 레벨(예를 들어, 700V)을 부하(30 및 32)에 적절한 전압 레벨(예를 들어, 48V)로 강압하는 하나 이상의 강압 컨버터를 통해 각각의 버스로부터 부하(30 및 32)에 공급되는 전력을 제공한다. 본 기술 분야의 숙련자가 이해할 수 있는 바와 같이, 부하(30 및 32)는 또한 이 강압 전압(예를 들어, 48V)을 하나 이상의 더 낮은 전압으로 추가로 감소시키기 위한 하나 이상의 강압 컨버터(본 출원에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

도 3은 (i) 다이오드(22) 및 부하 보호 디바이스(24)를 포함하는 부하 컴바이너(20), 및 (ii) 예를 들어 적어도 하나의 DC/DC 컨버터(34) 및 서버(36)를 포함하는 랙 또는 캐비닛을 포함하는 부하(30)의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 더 구체적으로, 도시된 바와 같이, 각각의 다이오드(22)는 각각의 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)에 결합되고 각각의 보호 디바이스(24)와 직렬로 결합되며, 이들 각각은 정상 동작 조건 하에서(예를 들어, 결함 또는 과부하가 검출되지 않음) 폐쇄 상태에 있는 스위칭 디바이스를 포함한다. 직렬 연결된 다이오드(22) 및 부하 보호 디바이스(24)의 4개의 브랜치는 OR 연결되어 DC/DC 컨버터(34)에 출력을 제공한다.

따라서, 부하 보호 디바이스(24) 각각의 스위치가 폐쇄 상태의 정상 동작에서, 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)를 통해 병렬로 각각의 공급원(10)에 의해 공급되는 전력은 DC/DC 컨버터(34)의 입력에서 조합되어, 버스 전압 레벨(예를 들어, 공칭적으로 700 V)을 부하 장비(예를 들어, 서버(36))에 의해 사용 가능한 매우 낮은 레벨(예를 들어, 48 V로)로 강압시키며, 부하 장비는 언급된 바와 같이 전압을 추가로 강압하기 위해 추가적인 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 직렬 연결된 다이오드(22) 및 부하 보호 디바이스(24)의 주어진 브랜치에서 결함(예를 들어, 단락) 상태가 검출되는 경우, 대응하는 스위치는 소위 하류 구역(예를 들어, 부하를 향해)에서 결함을 격리하고, 결함이 버스를 통해 공급원을 향해 부하 컴바이너(20)에서 소위 상류 방향으로 전파되는 것을 방지하기 위해 신속하게 개방되며, 여기서, 이는 대응하는 버스에 결합된 각각의 보호 디바이스(12)가 개방 상태로 스위칭되게 하고, 따라서, 대응하는 버스를 통한 배전을 비활성화할 수 있다. 유사하게, 직렬 연결된 다이오드(22) 및 부하 보호 디바이스(24)의 주어진 브랜치에서 과부하 상태가 검출되는 경우, 과열로 인해 야기할 수 있는 손상 및/또는 장애(예를 들어, 보호 디바이스(24) 내의 고상 디바이스 및/또는 대응하는 다이오드(22)에 대한 손상)에 대한 보호를 제공하기 위해 대응 스위치는 예를 들어 과부하 전류 크기에 기초한 시간 간격 후에 개방될 수 있다.

이와 관련하여, 공급원 보호 디바이스(12 및 18)와 유사하게 구성될 수 있는 각각의 부하 보호 디바이스(24)는 부하측의 결함(예를 들어, 단락)을 신속하게 검출하고 이에 응답하여 신속하게 개방 상태로 스위칭하여, 선택성을 제공한다. 예로서, 각각의 보호 디바이스(24)는 이런 결함 이벤트가 시작된 후 수 밀리초 이내, 바람직하게는 수십 마이크로초 이내, 더욱 바람직하게는 10 마이크로초 미만(예를 들어, 수 마이크로초) 내에 결함(예를 들어, 단락)을 검출하고 제거할 수 있다. 마찬가지로, 비제한적인 예로서, 각각의 보호 디바이스(24)는 이러한 과부하 상태가 시작된 후 10 마이크로초 미만(예를 들어, 수 마이크로초 이하) 이내에 과부하 상태를 검출할 수 있고, 과열로 인해 발생할 수 있는 손상 및/또는 장애에 대한 보호를 제공하기 위해 과부하 전류 크기의 함수인 이러한 검출 이후의 시간에 개방 상태로 스위칭할 수 있다. 주어진 부하 컴바이너(20)에 대응하는 부하와 연관된 결함(예를 들어, 단락) 또는 과부하 상태는 전형적으로 주어진 부하 컴바이너(20)의 보호 디바이스(24) 각각이 개방 상태로 스위칭하게 하지만, 정상 동작 조건 하의 전류와 같이 과전류(예를 들어, 단락 또는 과부하 전류)가 부하 컴바이너(20)의 브랜치 사이에 균등하게 공유되지 않을 수 있으므로 반드시 동시에 그렇게 되는 것은 아님을 또한 이해할 것이다.

도 4 내지 도 7은 부하 장비(예를 들어, 랙 또는 캐비닛)(30 또는 32)와 관련하여 구현될 수 있는 부하 컴바이너(20) 및 DC/DC 컨버터(34)의 다양한 예시적인 대안 실시예를 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 도 4에서, 부하 컴바이너(20)의 조합된 출력은 서버(36)에 강압된 전압 공급 출력을 제공하는 복수(이 경우에는 3개)의 DC/DC 컨버터(34)에 제공된다. 일부 구현에서, 이러한 구성은 DC/DC 컨버터(34)의 리던던시를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

도 5에서, 직렬 연결된 다이오드 및 보호 디바이스(24)를 포함하는 병렬 브랜치를 구현하는 대신, 부하 컴바이너(20)는 다이오드(22)의 다이오드-OR-ed 출력에 결합된 단일 보호 디바이스(24)를 포함한다. 그러나, 도 5에 따른 다양한 실시예에서, 스위칭 요소는 개별 스위치 디바이스(예를 들어, MOSFET 또는 IGBT)로서 또는 공통 제어 하의 복수의 병렬 연결된 스위칭 디바이스들(예를 들어, 게이트가 함께 연결된 병렬 MOSFET)로서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 그리고 도 6에서, 부하 컴바이너(20)의 각각의 브랜치의 출력을 조합(예를 들어, OR 처리)하기 보다는, 이러한 각각의 브랜치는 각각의 DC/DC 컨버터(34)에 연결되고, 그리고 이들 컨버터(34)의 각각의 출력은 서버(36)에 전력을 공급하기 위해(예를 들어, 드룹 제어에 따라) 조합되며, 따라서, 일부 구현에서 DC/DC 컨버터(34)의 리던던시를 제공한다. 도 7은 도 3과 등가의 토폴로지를 개략적으로 도시하며, 여기서 직렬 연결된 다이오드(22) 및 보호 디바이스(24)의 각각의 브랜치의 순서는 버스 및 DC/DC 컨버터 노드에 대해 반대이다.

참조의 편의와 설명의 명확성을 위해, 도 3 내지 도 7의 예시적인 부하 컴바이너(20)는 블록도로서 도시되고 실제로 포함될 수 있는 모든 회로 요소를 도시하지는 않는다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 기술 분야의 숙련자는 다양한 대안 실시예에서, 부하 컴바이너(20)가 부하(30)의 일부로서 구성되는 DC/DC 컨버터가 아니라 DC/DC 컨버터(34및 32)(예를 들어, 랙 또는 캐비닛)을 또한 포함하도록 구성될 수 있음을 이해할 것이다.

도 8a는 일부 실시예에 따른 도 3의 부하 컴바이너(20)의 구성에 대응하는 예시적인 부하 컴바이너(20)의 추가적인 회로부 세부사항을 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 부하 컴바이너(20)의 각각의 병렬 브랜치는 버스 DCB1, DCB2, DCB3, DCB4에 각각 대응하는 양의 버스 전도체 DCB1/L+, DCB2/L+, DCB3/L+, DCB4/L+ 중 각각의 버스 전도체에 결합된 각각의 다이오드(22)와 결합된 유사하게 구성된 보호 디바이스(24)를 포함한다. 보호 디바이스(24)의 각각의 출력은 인덕터(LL) 및 커패시터(C0)를 포함하는 필터 네트워크를 통해 DC/DC 컨버터(34)의 입력에 결합되는 공통 노드로서 함께 결합된다. 예를 들어, 인덕터 LL은 점진적인 전류 증가를 보장하도록 구성되며, 반면에, 커패시터 C0은 부하측에서 과전류(예를 들어, 단락 또는 과부하) 또는 기타 결함 상태가 발생하는 경우 전압 변동을 평활화하기 위해 션트로 구성된다(일부 구현에서는 과전압 보호도 제공함). 또한, 도시된 바와 같이, 퓨즈(F0)는 필터 네트워크 출력과 DC/DC 컨버터 입력 사이에 결합될 수 있다. 다양한 실시예에서, 퓨즈(F0)는 DC/DC 컨버터 자체에, 또는 부하 컴바이너(20)의 컴포넌트로서 포함될 수 있다. 퓨즈 F0의 정격 전류는 DC/DC 컨버터(34)에 의해 전도되는 공칭 전류에 따라 선택될 수 있으며, 반면에, 퓨즈 F0의 i-제곱-t 정격은 퓨즈 F0이 부하 컴바이너(20)의 임의의 주어진 브랜치 내에서 정의된 바와 같은(예를 들어, 보호 제어 회로(54)에 따라) 과전류(예를 들어, 단락 또는 과부하) 상태 하에서 보호 디바이스(24)의 MOSFET NML 이전에 트립되지 않도록 선택될 수 있다.

더 구체적으로, 각각의 예시적인 보호 디바이스(24)는 커패시터(CL), 트랜지스터(NML)(MOSFET 또는 절연 게이트 FET로 도시됨), 감지 임피던스(RL)(예를 들어, 저항기), 및 보호 제어 회로(54)를 포함하고, 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 중 각각의 버스로부터 출력 DC/DC 컨버터(34)에 결합된 부하(도시되지 않음)로 DC 전력을 선택적으로 결합하도록 구성되며, 이에 의해, 공칭 버스 전압(예를 들어, 공칭적으로 700V)에서 부하 전류의 일부를 전도하는 반면 DC/DC 컨버터(34) 및/또는 DC/DC 컨버터(34)의 출력에 결합된 부하(도시되지 않음)에서 발생할 수 있는 단락, 과부하 또는 다른 결함에 대한 보호를 제공한다.

보호 회로(54)는 보호 회로(44)와 유사하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 보호 회로(54)는 예를 들어 마이크로컨트롤러 또는 다른 프로그램 가능한 프로세서(또는 다른 디지털 회로부)로서 구현될 수 있고, 일부 실시예에서, 또한, (예를 들어, RS485를 통한 모드버스(Modbus) 프로토콜을 사용하여 및/또는 전력선 통신(PLC)을 사용하여) 버스를 통해 호스트 디바이스(도시되지 않음)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 보호 제어 회로(54)는 감지 입력 V+ 및 V-에서 과도전류 또는 급격한 변화(예를 들어, 일부 임계값 초과)에 대한 임피던스(예를 들어, 저항)(RL)에 걸친 전압을 감지(예를 들어, 모니터링)함으로써 결함 또는 과부하 상태를 검출할 수 있다. 이러한 과도 또는 급속 변화 검출은 다양한 방식으로, 예컨대, 전압의 변화를 디지털 방식으로 계산함으로써 및/또는 시간 도메인에서 높은 변화율(예를 들어, di/dt) 및/또는 주파수 도메인에서 고주파수 성분(예를 들어, FFT, DCT, 또는 다른 변환 성분에 기초함)을 식별하는 것에 대응하는 다른 디지털 필터링 및/또는 변환 기술에 의해 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시예에서, 이러한 과도 또는 급속 변화 검출은 V+ 및 V- 입력에 걸쳐(즉, 저항기(RS)에 걸쳐) 감지된 전압을 임계/기준 전압 레벨과 비교하는 아날로그 비교기 같은 아날로그 회로부에 (예를 들어, 적어도 부분적으로) 기초할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 단락 보호는 V+ 및 V- 입력에 걸쳐 감지된 전압에 응답하는 아날로그 비교기 회로를 기초로 할 수 있고, 반면에, 과부하 보호는 V+ 및 V- 입력에 걸쳐 감지(예를 들어, 샘플링)된 전압(들)의 디지털 처리를 기초로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 임피던스 RL(및/또는 다른 임피던스)은 측정된 전압이 di/dt에 직접 대응하도록 인덕턴스로서 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 보호 제어 회로(54)는 하나 이상의 임계 레벨(예를 들어, 과부하 과전류 상태에 대응하는 제1 임계값; 단락 과전류 상태에 대응하는 제2 임계값)을 초과하는 저항기(RL)에 걸쳐 감지된 전압(그리고, 따라서 저항기(RL)를 통한 대응하는 전류)에 따라 결함 또는 과부하 상태를 검출할 수 있다.

앞서 설명한 설명에 따르면, 감지 입력 V+ 및 V-에서 모니터링된(예를 들어, 감지 또는 샘플링된) 신호에 기초하여, 보호 제어 회로(54)는 트랜지스터(NML)의 게이트에 결합된 출력 TL을 통해 트랜지스터(NML)의 상태를 선택적으로 제어한다. 예를 들어, 단락 상태를 검출하면(예를 들어, 아날로그 비교기에 기초하여), 보호 제어 회로(54)는 트랜지스터(NML)를 신속하게 턴 오프한다. 그리고, 과부하 상태를 검출하면, 보호 제어 회로(54)는 과부하 전류의 크기의 함수일 수 있는 시간 지연 후에 트랜지스터(NML)를 턴오프하여 그 열화 또는 장애를 야기할 수 있는 트랜지스터(NML)의 과열을 방지할 수 있다. 더 구체적으로, 다양한 실시예에서, 과부하 전류의 적어도 하나의 샘플-- 그리고, 예를 들어, 가능하게는 다수의 주기적 샘플 --이 보호 제어 회로(54)에 의해 디지털 방식으로 샘플링될 수 있고, 트랜지스터 NML이 턴 오프되는 시간은 트랜지스터 NML에 대응하는 트랜지스터의 전력 및/또는 에너지 의존적(예를 들어, 전류 크기 및/또는 지속기간 의존적) 가열 및 열화 특성의 사전 특성화를 고려하여 과부하 전류 샘플(들)의 크기(들)에 기초할 수 있다. 비제한적인 예로서, 일부 구현에서 단락 상태는 정상 동작 조건 하에서 부하 전력을 공급하기 위해 컨버터(34)에 공급되는 공칭 전류의 공칭적으로 2배로 지정될 수 있다.

커패시터 CL은 보호 회로(24)의 입력 포트에 걸쳐 결합되고; 특히, CL은 다이오드(22)의 캐소드와 음의 버스 전도체 L- 사이에 결합되고, 이는 각각의 DC 버스 DCB1, DCB2, DCB3, DCB4의 음의 버스 전도체에 전도성으로 결합된다(도시되지 않음). 부하측에서(예를 들어, DC/DC 컨버터(34)에 결합된 부하에서) 단락이 발생하는 경우, 커패시터 CL은 보호 디바이스(24)를 트립하는 데 필요한 단락 전류를 제공한다. 이와 같이, 단락 상태는 다이오드(22)를 통해 DC 버스를 통해 공급원(10)과 연관된 보호 디바이스(12)로 전파되지 않는다. 따라서, 부하측 결함(예를 들어, 단락)은 소스측 보호 디바이스의 트립을 야기하지 않는다(DC 버스 또는 다른 상류 컴포넌트의 손상도 야기하지 않음). 다시 말해서, 각각의 보호 디바이스(24)는 부하측 단락 결함을 부하측에 격리하고, 이에 의해, 완전한 선택성을 제공한다.

다이오드 DL은 보호 회로(24)의 공통 출력 노드와 음의 버스 전도체 L-사이에 결합되고, 예를 들어, 트랜지스터(NML) 중 하나 이상이 개방 스위칭되는 경우에 계속 유동할 수 있는 (예를 들어, 인덕턴스(LL)와 연관됨) 유도성 전류를 전달하기 위해 프리휠링 다이오드로서 작용하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 각각의 보호 회로(24)는 트랜지스터(NML)가 결함 또는 과부하 상태에 응답하여 개방 상태로 스위칭되는 경우에 부하측 컴포넌트(예를 들어, DC/DC 컨버터(34) 및/또는 그에 결합된 부하)로부터 DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)(및 소스측 보호 디바이스(12))의 추가적인 격리를 제공하도록 도 2a 및 도 2b의 보호 디바이스(12)의 스위칭 디바이스(SD)와 유사한 추가적인 스위칭 디바이스를 포함할 수 있다.

도 8b는 일부 실시예에 따른 보호 디바이스(24)의 대안적인 예시적인 실시예를 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 8a 및 도 8b의 예시적인 실시예는 도 8a에서 프리휠링 다이오드 DL이 4개의 브랜치에 대해 공통 다이오드 요소로서 구현되는 반면, 도 8b에서 4개의 브랜치 각각은 트랜지스터(NML)에 인접하게 배치된 각각의 프리휠링 다이오드(DL)를 포함하는 것을 제외하고는 본질적으로 동일하다. 도 8a의 실시예와 비교하여, 도 8b의 예시적인 실시예에서 다이오드 DL의 위치는 개선된 보호를 제공할 수 있고, 또한 V+ 및 V- 입력에 걸친(즉, 저항기(RL)에 걸친) 전압을 감지함으로써 다이오드 DL을 통해(즉, NML을 개방한 후) 프리휠링 전류를 감지하도록 보호 회로(54)를 제공한다.

도 8a 및 도 8b의 예시적인 실시예에서 각각의 보호 디바이스(24)가 각각의 보호 제어 회로(54)를 갖는 별개의 모듈로서 구현될 수 있지만, 일부 실시예에서 공통 제어기(예를 들어, 각각의 보호 제어 회로(54)의 기능성을 포괄함)가 부하 컴바이너(20)의 주어진 브랜치에 대응하는 각각의 보호 디바이스(24)의 동작(예를 들어, 감지 및 스위칭)을 제어하도록 구성될 수 있다.

앞서 설명한 개시의 관점에서, 도 1의 예시적인 실시예와 관련하여 정상 동작에서 부하(30 및 32)는 각각 병렬 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 및 부하 컴바이너(20)를 통해 병렬로 모든 4개의 DC 공급원(10)에 의해 능동적으로 공급된다는 것을 이해할 것이다. 그리고 DC 공급원(10) 중 어느 하나에 장애가 발생하는 경우, 연관 보호 디바이스(12)가 개방 상태로 스위칭되고 나머지 DC 공급원(10)은 각각의 DC 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)를 통해 부하(30 및 32)에 필요한 전력을 병렬로 계속 공급한다.

AC/DC 컨버터(10)의 수 및 그 각각의 전력 용량(다양한 실시예에서 동일할 수 있거나 하나 이상이 상이할 수 있음)은 부하 전력 요건에 기초하여 원하는 공급원 리던던시에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 예시를 위해, 도 1의 예시적인 실시예가 도시된 4개의 AC/DC 컨버터만을 포함하고, 부하(30 및 32)에 의한 부하 요건이 전력 PL이라고 가정하면, 이때, N+1 리던던시(이 예에서 3+1)는 각각의 AC/DC 컨버터(10)에 적어도 PL/3 및 PL/2 미만의 전력 용량을 제공함으로써 제공될 수 있다. 정상 동작에서, 4개의 모든 DC 공급원은 부하 전력 PL을 공유하며, 따라서, 각각의 DC 공급원이 PL/4의 공칭 전력을 공급한다. 4개의 DC 공급원 중 임의의 것이 분리되면(예를 들어, 장애로 인해), 이때, 나머지 3개의 DC 공급원이 부하 전력 PL을 공급하고 3개의 DC 공급원 각각은 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)에 걸쳐 공칭적으로 PL/3의 전력을 제공한다.

대안적으로, 도 1의 동일한 예시적인 구성에 기초하여, N+2 리던던시(즉, 4개의 AC/DC 컨버터의 특정 예에서 2+2)는 적어도 PL/2 및 PL 미만의 전력 용량으로 각각의 AC/DC 컨버터(10)를 구성함으로써 제공될 수 있다. 4개의 DC 공급원 중 임의의 2개가 분리되면(예를 들어, 장애로 인해), 이때, 나머지 2개의 DC 공급원이 부하 전력 PL을 공급하고 2개의 DC 공급원 각각은 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)에 걸쳐 공칭적으로 PL/2의 전력을 제공한다.

그리고, 또한, 도 1의 동일한 예시적인 구성에 기초한 대안적인 구현에서, N+3 리던던시(즉, 4개의 AC/DC 컨버터의 특정 예에서 1+3)는 적어도 PL의 전력 용량으로 각각의 AC/DC 컨버터(10)를 구성함으로써 제공될 수 있다. 4개의 DC 공급원 중 임의의 3개가 분리되면(예를 들어, 장애로 인해), 이때, 나머지 DC 공급원은 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)를 통해 부하 전력 PL을 공급한다.

도 1의 예시적인 실시예와 관련하여 앞서 설명한 개시를 고려하여, 이러한 능동 병렬 공급원 리던던시를 제공하는 것 외에도, 공급원(10), 보호 디바이스(12), 및 병렬 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)를 포함하는 예시적인 구성은 또한 적어도 하나의 DC 버스에서의 결함(예를 들어, 단락) 상태의 경우, 부하(30 및 32)에 최대 부하 전력이 계속 공급될 수 있도록 버스 리던던시를 제공한다는 것을 또한 이해할 것이다.

예를 들어, 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 중 어느 하나에 결함 상태(예를 들어, 단락)가 있는 경우, 결함 DC 버스에 결합된 각각의 공급원(10)의 대응 보호 디바이스(12)는 개방 상태로 신속하게 스위칭될 것이고, 부하 컴바이너(20)의 대응하는 다이오드(22)(결함 버스에 결합됨)는 단락 전류를 전도하지 않을 것이며, 따라서 결함 버스는 공급원(10) 및 부하(30 및 32)로부터 격리된다. 그러나, 공급원(10)은 나머지 3개의 버스를 통해, 그리고, 부하 컴바이너(30 및 32)의 대응 브랜치를 통해 부하(30 및 32)에 총 부하 전력 PL을 계속 제공할 것이며, 각각의 공급원(10)은 공칭적으로 PL/4를 계속 제공하고, 3개의 버스 각각은 PL/3의 공칭 전력을 제공한다.

유사하게, 일부 실시예에서, 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 중 임의의 2개에 결함 상태(예를 들어, 단락)가 있는 경우, 결함 DC 버스에 결합된 각각의 공급원(10)의 대응 보호 디바이스(12)는 개방 상태로 신속하게 스위칭될 것이고, 부하 컴바이너(20)의 대응하는 다이오드(22)(결함 버스에 결합됨)는 단락 전류를 전도하지 않을 것이며, 따라서 결함 버스는 공급원(10) 및 부하(30 및 32)로부터 격리된다. 그러나, 공급원(10)은 나머지 2개의 버스를 통해, 그리고, 부하 컴바이너(30 및 32)의 대응 브랜치를 통해 부하(30 및 32)에 총 부하 전력 PL을 계속 제공할 것이며, 각각의 공급원(10)은 공칭적으로 PL/4를 계속 제공하고, 2개의 버스 각각은 PL/2의 공칭 전력을 제공한다.

그리고, 마찬가지로, 일부 실시예에서, 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 중 임의의 3개에 결함 상태(예를 들어, 단락)가 있는 경우, 결함 DC 버스에 결합된 각각의 공급원(10)의 대응 보호 디바이스(12)는 개방 상태로 신속하게 스위칭될 것이고, 부하 컴바이너(20)의 대응하는 다이오드(22)(결함 버스에 결합됨)는 단락 전류를 전도하지 않을 것이며, 따라서 결함 버스는 공급원(10) 및 부하(30 및 32)로부터 격리된다. 그러나, 공급원(10)은 나머지 단일 버스를 통해, 그리고, 부하 컴바이너(30 및 32)의 대응 브랜치를 통해 부하(30 및 32)에 총 부하 전력 PL을 계속 제공할 것이며, 각각의 공급원(10)은 공칭적으로 PL/4를 계속 제공하고, 단일 버스가 PL의 공칭 전력을 제공한다.

DC 공급원(예를 들어, 공급원(10))으로부터 부하 컴바이너(예를 들어, 부하 컴바이너(20))를 통해 부하(예를 들어, 부하(30 및 32))에 전력을 결합하는 정수(K)개의 DC 버스를 포함하는 DC 배전 네트워크의 다양한 실시예에서, 분배 네트워크는 K 버스 중 하나 이상에 결함이 발생한 경우, 부하에 (부하 컴바이너를 통해) 최대 전력 PL을 제공할 수 있는 버스의 최소 수(M)를 제한하도록 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예에서, 이러한 버스의 최소 수(M)는 하나보다 더 클 수 있으며, 예를 들어 개별 버스의 전류 전달 용량에 의존할 수 있다.

예를 들어, 일부 구현에서 비용, 버스 수 및 버스 결함 확률과 같은 요소를 고려하여, 각각의 버스는 최대 공칭 부하 전류(최대 공칭 부하 전력(PL)에 대응함)보다 더 작은 최대 전류 용량을 갖도록 선택되거나 지정될 수 있다. 예로서, 도 1의 예시적인 실시예에서, 각각의 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)는 적어도 약 PL/2이지만 PL보다 더 작은 전력에 대응하는 최대 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 버스에 결함 상태가 발생한 경우, 최대 공칭 부하 전력(PL)은 2개 이상의 버스 상에 제공될 수 있다. 따라서, 이러한 예시적인 경우에 대응하는 일부 실시예에서, 공급원(10) 및/또는 보호 디바이스(12)의 제어는 버스 중 3개에 결함이 발생한 경우 공급원의 전력을 차단하고/거나 모든 버스로부터 공급원의 연결을 분리하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 예시적인 경우에 대응하는 일부 실시예에서 부하 셰딩(load shedding)은 버스 중 3개에 결함이 발생한 경우에, 부하에 의해 요구되는 전력이 나머지 버스의 최대 전류 전달 용량 이하에 대응하고, 따라서, 이러한 나머지 버스가 이러한 부하에 전력을 공급하기 위해 활성 상태로 유지될 수 있도록 선택적으로 수행될 수 있다.

앞서 설명한 개시의 관점에서 또한 이해할 수 있는 바와 같이, 공급원과 연관된 보호 디바이스(12) 및 부하와 연관된 부하 컴바이너 보호 디바이스(24)에 의해 제공되는 보호 및 선택성을 고려하여, 어떠한 추가 보호 디바이스(예를 들어, 차단기, 퓨즈) 또는 연관 컴포넌트(예를 들어, 분배 패널)도 공급원과 부하 컴바이너 사이에 필요하지 않을 수 있다. 이와 같이, 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4)는 버스 바아로서 쉽게 제공될 수 있으며, 이는 비용 감소뿐만 아니라 컴포넌트(예를 들어, 부하 컴바이너, 보호 디바이스(12))에 대한 분산 및 연결/결합의 용이성을 제공할 수 있다.

도 9는 본 개시에 따른 일부 실시예에 따른 DC 배전 메시 아키텍처를 포함하는 데이터 센터의 예시적인 부분 평면도를 개략적으로 도시한다. 더 구체적으로, 도 9에 도시된 예시적인 부분 평면도는 도 1 내지 도 7의 예시적인 실시예와 관련하여 앞서 설명된 배전 아키텍처의 양태를 통합한다. 도시된 바와 같이, 부하(30)(예를 들어, 서버 랙 또는 캐비닛) 및 연관 부하 컴바이너(20)는 복수(P)(예를 들어, 비제한적인 예로서, P는 12와 동일할 수 있음)의 서브어레이(35, 45)의 로 배열될 수 있으며, 각각의 서브어레이는 2개의 행의 부하(30) 및 연관된 부하 컴바이너(20)를 포함하고, 각각의 행은 정수(Q)개의(예를 들어, 비제한적인 예로서, Q는 24와 동일할 수 있음) 부하 및 연관된 부하 컴바이너를 포함한다. 서버 랙은 열기 통로 또는 냉기 통로 봉쇄를 위해 구성될 수 있다. 양의 전도체(DCB1/L+, DCB2/L+, DCB3/L+, DCB4/L+) 및 대응하는 음의 전도체(DCB1/L-, DCB2/L-, DCB3/L-, DCB4/L-)를 포함하는 DC 버스는 부하 컴바이너(20)로의 드롭과 함께 데이터 센터(시설)(100) 전체에 분산된 오버헤드 버스 바아로 구현될 수 있다. 바람직하게는 부하 컴바이너 근방의, 분배 네트워크의 하나 이상의 위치(47)에서, 음의 전도체(DCB1/L-, DCB2/L-, DCB3/L-, DCB4/L-)는 복귀 전류가 버스 사이에 공유되기 때문에 서로 전도성으로 연결("스트랩핑(strapped)")될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이(그리고, 도 8a 및 도 8b에 예시된 바와 같이), 전도체 DCB1/L-, DCB2/L-, DCB3/L-, DCB4/L- 중 각각의 전도체로부터의 드롭에 대응하는 개별 L-전도체는 양의 전도체 DCB1/L+, DCB2/L+, DCB3/L+, DCB4/L+ 각각으로부터의 각각의 드롭을 포함하는 각각의 부하 컴바이너(20)에 결합될 수 있다. TN-S 접지 구성을 구현하기 위한 접지 전도체 PE는 마찬가지로 장비 드롭을 갖는 오버헤드 버스 바아로서 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, AC 버스(11 및 13) 각각은 복수(R개)의 AC/DC 컨버터들(예를 들어, 비제한적인 예로서, R은 6과 동일할 수 있음)의 각각에 결합되고, 이들 각각은 버스(DCB1, DCB2, DCB3, DCB4) 및 부하 컴바이너(20)를 통해 부하(30)에 전력을 병렬로 능동적으로 공급한다. 이 예시적인 실시예에서, 각각의 AC/DC 컨버터는 배터리(도시되지 않음) 또는 DC 전력의 다른 대안 공급원에 결합될 수 있는 연관된 백업 DC/DC 컨버터를 갖는다.

본 개시의 다양한 대안 실시예에 따른 DC 배전 메시 아키텍처를 통합하는 많은 대안적인 데이터 센터 평면도 구성이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 비제한적인 예로서, 추가적인 수직 AC 버스(예를 들어, 단지 2개의 버스(11 및 13) 대신에 3개의 수직 AC 버스)가 데이터 센터 및/또는 메시 리던던시 구성의 범위를 확장하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 앞서 설명된 실시예에서 제공되지는 않았지만, 다양한 대안 실시예는 정상상태에서는 동작하지 않고 대신에 백업 또는 교체 공급원으로 예약된 DC 공급원을 포함할 수 있다.

본 개시를 고려하여 본 기술 분야의 숙련자가 이해할 수 있는 바와 같이, 병렬, 능동 리던던시를 제공하고 시설 부하에 의해 요구되는 전력을 복수의 버스들에 걸쳐 분배하는 것 외에도, 일부 실시예에 따른 분산 아키텍처는 또한 필요한 용량(예를 들어, 전력, 전류 등) 또는 정류기(예를 들어, 능동 프론트엔드(AFE)), 회로 차단기, 버스 전도체 등과 같은 개별 컴포넌트의 기타 사양을 감소시키며, 따라서, 비용 감소를 제공하고 및/또는 어쩌면 더 높은 전력에서는 사용 가능하지 않을 수 있는 디바이스(예를 들어, 고상 스위치)를 사용한 구현을 가능하게 할 수 있다.

앞서 설명한 개시를 고려하여, 일부 실시예에 따른 DC 배전 네트워크는 (예를 들어, 제어 및 예를 들어 유도성 요소의 선택적 사용을 통해) 유리하게 구현되어 부하로의 DC 배전의 정상 동작 동안, 그리고, 바람직하게는 또한, 시동(예를 들어, 블랙 스타트) 및 분배 네트워크(예를 들어, 버스)의 충전 동안 고주파수 신호 성분(예를 들어, 급격한 전류 변화율)을 완화, 제한 및/또는 배제할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 고주파수 전류 성분이 정상 동작 조건 하에서 버스에 존재하는 것을 제한 및/또는 배제하는 이러한 구현은 적어도, 주파수 도메인에서든 시간 도메인(예를 들어, di/dt)에서든 고주파수 신호(예를 들어, 전류) 성분의 보호 제어 회로(44, 54)에 의한 검출이 결함을 명확하게 나타내는 것으로 고려되는 한, 고속 검출 및 결함(예를 들어, 단락)의 제거를 용이하게 할 것이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 결함의 고속 검출 및 제거는 개선된 선택성 및 신뢰성을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 대한 상기 설명 및 그 다양한 예시적인 변형 및 특징이 많은 특이성을 제공하지만, 이러한 구현을 위한 세부사항은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명이 이러한 범위를 벗어나지 않고 그 수반되는 이점을 감소시키지 않으면서 많은 수정, 적응, 변형, 생략, 추가 및 등가 구현이 쉽게 이루어질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 컴포넌트의 구조 및/또는 기능은 단일 컴포넌트로 조합되거나 2개 이상의 컴포넌트로 분할될 수 있다. 또한, 개별적으로 또는 실시예의 일부로서 설명된 특정 특징이 다른 개별적으로 설명된 특징 또는 다른 실시예의 일부와 조합될 수 있다는 것이 구체적으로 고려된다. 또한, 용어 및 표현은 제한의 용어가 아닌 설명의 용어로 사용되었다는 점에 유의해야 한다. 도시 및 설명된 특징 또는 그 일부의 임의의 등가물을 배제하기 위해 용어 또는 표현을 사용하려는 의도는 없다. 추가적으로, 본 발명은 본 출원에 설명되거나 본 개시의 관점에서 달리 이해되거나 및/또는 본 개시의 일부 실시예에서 실현될 수 있는 이점 중 하나 이상을 반드시 제공하지는 않고서 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않으며, 본 개시에 기초하는 청구범위에 따라 정의되어야 하는 것으로 의도하며, 그 이유는 이러한 청구범위가 본 출원 및/또는 우선권을 주장하거나, 본 개시의 기초가 되거나 및/또는 본 개시에 대응하는 임의의 특허 출원으로부터 제시될 수 있기 때문이다.

Claims

DC 배전 시스템으로서,
- 복수(M개)의 DC 버스들로서, M은 1보다 더 큰 정수이고, M =(N + 1)이고, 상기 M 개의 DC 버스들의 각각은 복수의 버스 전도체들을 포함하는, 상기 복수의 DC 버스들;
- 복수(K개)의 DC 전원들로서, K는 1보다 더 큰 정수이고, K =(J + 1)이고, 상기 DC 전원들은 공칭적으로 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압을 갖도록 구성되고, 상기 K개의 DC 전원들의 각각은,
(i) 개별적인 DC 버스 상의 결함 또는 과부하 상태의 경우에, 상기 DC 전원과 상기 개별적인 DC 버스 사이에 선택적으로 개회로를 야기하도록 구성된 개별적인 제1 보호 디바이스를 통해 상기 M 개의 DC 버스들의 각각에 병렬로 결합되고,
(ii) 동작시 상기 DC 전원의 상기 개별적인 제1 보호 디바이스가 폐회로 상태에 있는 상기 M개의 DC 버스들의 각각에 공칭적으로 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압에서 병렬로 전류를 공급하도록 구성되는, 상기 복수(K개)의 DC 전원들;
- 적어도 하나의 부하 컴바이너로서, 각각의 부하 컴바이너는 상기 DC 배전 시스템에 의해 공급되는 각각의 부하 디바이스가 상기 부하 컴바이너들 중 하나를 통해 전력을 공급받도록 적어도 하나의 부하 디바이스에 또는 적어도 하나의 부하 디바이스 내에 위치되고, 상기 부하 컴바이너는 상기 복수의 DC 버스들의 각각에 결합되고, 상기 적어도 하나의 부하 디바이스에 결합된 적어도 하나의 DC-DC 강압 (step-down) 컨버터에 출력을 제공하도록 구성되고, 상기 부하 컴바이너는 상기 적어도 하나의 부하 디바이스 중 하나 이상에서의 결함 또는 과부하 상태의 경우에, 상기 복수의 DC 버스들과 상기 출력 사이에서 선택적으로 개회로를 야기하도록 구성된 적어도 하나의 제2 보호 디바이스를 포함하는, 상기 적어도 하나의 부하 컴바이너
를 포함하고,
상기 DC 전원들의 각각은 동작 동안 상기 DC 전원들이 전도성으로 연결되는 상기 DC 버스들에 의해 공급되는 부하 전류의 대략적으로 동일한 몫을 공급하고;
상기 DC 배전 시스템은 총 최대 부하에 기초하여 적어도(J + 1) 리던던시를 제공하도록 구성되고;
상기 DC 버스들, 상기 부하 컴바이너들 및 상기 DC 전원들은 상기 M개의 버스들 중 어느 하나가 동작하지 않는 경우 M개 미만의 상기 DC 버스들을 통해 상기 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성되는, DC 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 DC 버스들, 상기 부하 컴바이너들 및 상기 DC 전원들은 상기 M개의 버스들 중 어느 하나가 동작하지 않는 경우에 임의의 N개의 DC 버스들을 통해 상기 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성되는, DC 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 DC 버스들, 상기 부하 컴바이너들 및 상기 DC 전원들은 상기 M개의 버스들 중 2개를 제외한 전체가 동작하지 않는 경우에 상기 DC 버스들 중 임의의 2개 이상을 통해 상기 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성되는, DC 배전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 DC 버스들, 상기 부하 컴바이너들 및 상기 DC 전원들은 상기 M개의 버스들 중 하나를 제외한 전체가 동작하지 않는 경우에 상기 DC 버스들 중 임의의 하나를 통해 상기 총 최대 부하 전류가 공급될 수 있도록 각각 구성되는, DC 배전 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DC 전원들의 각각은 실질적으로 동일한 전력 용량을 갖는, DC 배전 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버스 전도체들의 각각은 DC 전원들의 각각에 및 적어도 하나의 부하 컴바이너에 연결된 버스 바아를 포함하는, DC 배전 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버스 전도체들의 각각은 상기 DC 전원 각각에 연결된 제1 버스 바아 및 상기 제1 버스 바아 및 적어도 하나의 부하 컴바이너에 연결된 제2 버스 바아를 포함하고, 상기 제1 버스 바아는 상기 제2 버스 바아보다 단위 길이당 전도도가 더 큰, DC 배전 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부하 컴바이너는 M개의 브랜치들을 포함할 수 있고, 각각의 브랜치는 상기 DC 버스들의 개별적인 DC 버스에 연결되고 OR 연결을 형성하여 상기 출력을 제공하고, 각각의 브랜치는 트랜지스터 스위치와 직렬로 결합된 다이오드를 포함하고, 각각의 트랜지스터 스위치는 상기 부하 컴바이너를 통해 전력이 공급되는 상기 적어도 하나의 부하 디바이스 중 하나 이상에서의 결함 또는 과부하 상태의 경우에 개회로 상태로 스위칭하도록 제어되는, DC 배전 시스템.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 DC 에너지 저장 시스템을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 DC 에너지 저장 시스템 각각은,
(i) 공칭 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압을 갖도록 구성되고,
(ii) 상기 개별적인 DC 버스에 결함 또는 과부하 상태가 발생한 경우, 상기 DC 에너지 저장 시스템과 상기 개별적인 DC 버스 사이에 선택적으로 개회로를 야기하도록 구성된 개별적인 제3 보호 디바이스를 통해 상기 M개의 DC 버스들의 각각에 결합되고,
(iii) 동작시에, 상기 DC 에너지 저장 시스템의 상기 개별적인 제3 보호 디바이스가 폐회로 상태에 있는 상기 M개의 DC 버스들의 각각에 병렬로 전류를 공급하도록 구성되고, 상기 DC 에너지 저장 시스템 각각은 공칭적으로 및/또는 실질적으로 동일한 출력 전압에서 개별적인 전류를 공급하도록 구성되는, DC 배전 시스템.