專利名稱：更加緊湊并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從高電壓DC電源將低電壓DC功率輸送給 計(jì)算機(jī)負(fù)載的緊湊的并更加可靠的電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在電信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器等的典型設(shè)施 中，功率幾乎總是通過具有足夠容量的大容量可充電蓄電池系統(tǒng)供應(yīng) 以便使該系統(tǒng)渡過任何功率停止或中斷。電池系統(tǒng)完全被鉗位在單個(gè) 電池單元電壓之和上，并且任何主要的功率中斷都完全被橋接。因此， 來自外部源的任何電源線頻率波動都被完全吸收。電池系統(tǒng)可以給設(shè) 備供應(yīng)DC電壓，并可以使與其連接的任何設(shè)備與公用電源停電、波 動以及外部電源的其它問題完全隔離。通過從外部高壓AC源比如公 用電力干線或不間斷電源(UPS)連續(xù)提供的充電電流可以將電池漏 電保持較小。通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，該系統(tǒng)可以在公用電源和UPS之間 選擇。然后將從靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出的高電壓AC輸入到輸送所需的充 電電流的變壓器/整流器器件。然而，常規(guī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和變壓器/ 整流器器件通常不提供冗余能力。因此，這些器件中的一個(gè)部件失效 就要求切斷該器件以更換所損壞的部件。因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)不再被充電， 因此它僅可維持系統(tǒng)有限的小時(shí)數(shù)，此后供電的電池將會失效。
常規(guī)的電池系統(tǒng)通常以接近最終應(yīng)用電壓的電壓分配DC功率。
5因?yàn)閾p耗與電流的平方乘以電阻(I2R)成比例，因此保持I2R損耗下 降要求常規(guī)的電池系統(tǒng)利用昂貴、笨重且不易重新裝配的母線電流分 配系統(tǒng)以在靠近使用點(diǎn)傳輸高電流、低電壓的DC功率。
過去，基于常規(guī)電池的系統(tǒng)已經(jīng)足夠。然而，近來對數(shù)據(jù)通信和 計(jì)算機(jī)服務(wù)的需求的急劇增加使得這種基于電池系統(tǒng)的缺陷非常明 顯。在先的基于電池的系統(tǒng)昂貴、笨重、不靈活且占用太的空間。此 外，在電池制造過程中產(chǎn)生了與有毒廢物相關(guān)的環(huán)境危害，處理越來 越難以忍受。
目前，高壓DC功率分配已經(jīng)是不切實(shí)際的，因?yàn)槿狈?jīng)濟(jì)的且 可量測的DC-DC電壓降頻轉(zhuǎn)換器。非常大的超HVDC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)使 用了許多年，但它們都要求巨大的設(shè)備，并且它們完全不適合于縮小 以用于在電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中所需的普通分配電壓下分配DC 功率的目的。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于計(jì)算負(fù)載的更加緊湊并 具有更高可靠性的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種提供低壓DC但不需要大且昂 貴的中央電池系統(tǒng)的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種不需要龐大、笨重、不靈活且昂 貴的母線電流分配系統(tǒng)的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種在靠近預(yù)期使用點(diǎn)可以傳送低 壓DC的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種具有冗余能力以提高可靠性的 電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種這樣的電源系統(tǒng)，其中在該系統(tǒng) 運(yùn)行的同時(shí)該系統(tǒng)的主要部件可以被取下、更換或添加到該系統(tǒng)中。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種主要部件是可熱抽換的(hot swappable )電源系統(tǒng)。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種提高了分配電壓與最終應(yīng)用電
壓的比率的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種更加低廉的電源系統(tǒng)。 本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種利用更小的空間的電源系統(tǒng)。 本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種在物理上或電氣上容易重新裝
配的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種消除了與利用基于電池的系統(tǒng) 相關(guān)的有毒環(huán)境問題的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種用于給計(jì)算負(fù)栽提供低壓DC電壓的更加緊湊 并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)，這種電源系統(tǒng)通過連接到多個(gè)DC源 的高壓DC總線、連接到計(jì)算負(fù)載的低壓DC總線和電源的獨(dú)特組合 實(shí)現(xiàn)，每個(gè)DC源通過開關(guān)連接到該高壓DC總線，該開關(guān)將具有最 高電壓的DC源輸送給該高壓DC總線，該電源包括在高壓DC總線 和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器和調(diào)制每個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上 輸出的低壓的控制器。
然而，在其它實(shí)施例中，主題發(fā)明不需要實(shí)現(xiàn)所有這些目的，其 權(quán)利要求不應(yīng)當(dāng)被限制到能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的結(jié)構(gòu)或方法中。
本發(fā)明的特征在于用于計(jì)算負(fù)栽的更加緊湊并具有更高可靠性 的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到多個(gè)DC源的高壓DC總線、連接到 計(jì)算負(fù)載的低壓DC總線和電源，每個(gè)DC源通過開關(guān)連接到該高壓 DC總線，該開關(guān)將具有最高DC電壓的DC源輸送給該高壓DC總 線，該電源包括在高壓DC總線和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器和被構(gòu)造成調(diào)制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總 線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上輸出的低壓的控制器。
在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)可以是二極管。電源可以包括多個(gè)電源模 塊，每個(gè)電源模塊包括控制器和多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn) 換器可以被構(gòu)造為帶有通過控制器觸發(fā)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān) 的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器(buck converter)。每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器可以包括反相器、變壓器和整流器，其中反相器通過控制器循環(huán)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn) 換器?？刂破骺梢员粯?gòu)造成使用調(diào)制來調(diào)制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器?？?制器可以被構(gòu)造成使每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)定時(shí)交錯(cuò)以降低在低 壓DC總線上的波動?？刂破骺梢皂憫?yīng)故障信號輸入并被編程為響應(yīng) 該故障信號打開每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)。控制器可以被構(gòu)造成使 每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的反相器的定時(shí)交錯(cuò)以降低在低壓DC總線上的 波動。控制器可以響應(yīng)故障信號輸入并被編程為響應(yīng)該故障信號打開 每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的反相器。每個(gè)電源模塊可以包括在多個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器和低壓DC總線之間并被設(shè)計(jì)成在大于電源模塊的額定電流輸 出的電流電平下熔斷的保險(xiǎn)絲。控制器可以被構(gòu)造成基于通過電源模 塊輸出的電流確定所需的輸出電壓?？刂破骺梢园ū粯?gòu)造成將所需 的系統(tǒng)輸出電壓與通過電源模塊輸出的電壓電平進(jìn)行比較并調(diào)節(jié)每 個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓輸出以使電源模塊的輸出大致等于所需的系 統(tǒng)輸出電壓的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器可以利用調(diào)制調(diào)節(jié)每 個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。多個(gè)電源模塊中的每個(gè)的控制器可以 利用偽阻抗以提供多個(gè)電源模塊的獨(dú)立負(fù)載共享。在低壓D C總線上 輸出的低電壓可以大約在6V DC至100V DC的范圍中。在低壓DC 總線上輸出的低電壓可以大約是48V DC?？刂破骺梢赃M(jìn)一步被構(gòu)造 成響應(yīng)故障信號而輸出錯(cuò)誤信號?？刂破骺梢赃M(jìn)一步包括產(chǎn)生故障信 號的故障確定電路。多個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源模塊可以包括冷卻系 統(tǒng)。在電源模塊超過預(yù)定的溫度時(shí)故障檢測電路可以產(chǎn)生故障信號。 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器可以包括輸入電容器、輸出電容器、電感器和開關(guān)。在高 壓DC總線上的高壓與在低壓DC總線上的低壓的比率可以是在1.1:1 至大約1000:1的范圍內(nèi)。在高壓DC總線上的高壓與在低壓DC總線 上的低壓的比率可以是大約10:1。在高壓DC總線上的高壓與在低壓 DC總線上的低壓的比率可以是大約2:1。電源可以容納在箱室中。多 個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源模塊可以被構(gòu)造為可取下的抽屜。可取下的 抽屜可以被置于該箱室中。每個(gè)可取下的抽屜可以包括多個(gè)不同長度 的連接器，該連接器在不同的時(shí)間將電源模塊的多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器電連接到高壓DC總線以減少放電。每個(gè)連接器可以包括在將電源模 塊連接到高壓DC總線時(shí)減少放電的電阻性材料。每個(gè)可取下的抽屜 可以包括通過各自的輔助電阻器或者火花抑制阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的輔助 觸點(diǎn)以進(jìn)一步減少放電。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可取下的抽屜可以被取下、更 換或添加。每個(gè)抽屜可以包括多個(gè)冷卻風(fēng)扇和排氣口以冷卻電源模 塊。多個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源模塊的部件可以被設(shè)置成使冷卻效率 最大。計(jì)算負(fù)載可以從如下組中選擇電信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。電源可以包括多余數(shù)量的電源模塊。


通過下文對優(yōu)選實(shí)施例的描述以及附圖，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將 會理解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
附圖l所示為將低壓DC傳送給計(jì)算負(fù)載的典型常規(guī)電池系統(tǒng)的 示意性方塊附圖2所示為本發(fā)明的更緊湊且具有更高可靠性的電源系統(tǒng)的 一個(gè)實(shí)施例的示意性方塊附圖3所示為在附圖2中所示的電源的一個(gè)實(shí)施例的部件的示意 性方塊附圖4所示為詳細(xì)地顯示在附圖3中所示的電源模塊的主要部件 的示意性方塊附圖5所示為可在附圖4中所示的每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的 補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器的電路附圖6所示為可在附圖4中所示的每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的 反相器、變壓器和整流器的電路附圖7所示為在附圖4中所示的控制器的一個(gè)實(shí)施例的電路附圖8所示為在附圖7中所示的控制電路的輸出V-I特性的曲線
附圖9所示為在箱室中構(gòu)造的在附圖3中所示的電源和作為在箱 室中的可取下的抽屜構(gòu)造的在附圖4中所示的電源模塊的一個(gè)實(shí)例的三維示意附圖10所示為與在附圖9中所示的可取下的抽屜的主要部件關(guān) 聯(lián)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的三維示意附圖11所示為可用于將在附圖9中所示的可取下的抽屜連接到 高壓DC總線的連接器的一個(gè)實(shí)例的三維示意圖。
具體實(shí)施例方式
除了下文公開的優(yōu)選實(shí)施例或?qū)嵤├?，本發(fā)明能夠以其它實(shí) 施例實(shí)施或者以不同的方式實(shí)施。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明的應(yīng)用 不限于在下文的描述中闡述的或附圖中示出的部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)置的 細(xì)節(jié)。如果在此只描述了一個(gè)實(shí)施例，則其權(quán)利要求并不限于該實(shí)施 例。此外，其權(quán)利要求不應(yīng)當(dāng)被限制性地理解，除非存在清楚且有說 服力的證據(jù)顯示了特定的排除、限制或放棄。
如上文在背景技術(shù)部分所討論，常規(guī)的電源系統(tǒng)10(附圖l)利 用大電池系統(tǒng)12來給計(jì)算負(fù)載14 (比如數(shù)據(jù)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 等)提供低壓DC (例如48VDC)。系統(tǒng)IO典型地包括靜態(tài)轉(zhuǎn)換開 關(guān)16，該開關(guān)16響應(yīng)通過常規(guī)公用電力線輸送的在線18上的高壓AC 源或即使在電源故障的情況下通過在線20上的UPS或類似器件輸送 的高壓AC源。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)16通過線17從公用電力線或UPS將高 壓AC源輸送給變壓器/整流器器件22。變壓器/整流器器件22提供所 需的充電電流以對在電池系統(tǒng)12中的電池連續(xù)地充電。然而，如上 文所討論，電池系統(tǒng)12及其相關(guān)的大電流、低電壓DC總線13通常 尺寸較大。此外，系統(tǒng)10對于靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)16或變壓器/整流器器件 22的任何部件不能提供冗余量。
相反，根據(jù)本發(fā)明的更緊湊且具有更高可靠性的電源系統(tǒng)30(附 圖2)包括高壓DC總線32,該高壓DC總線32連接到多個(gè)高壓DC 源，比如DC源34 (例如公用源1) 、 DC源36 (例如公用源2 ) 、 DC 源38 (例如發(fā)電機(jī))和DC源40 (例如輔助源)。高壓DC源34-40 通常在大約550V DC。 DC源34-40中每個(gè)通過開關(guān)(例如二極管)
10連接到高壓DC總線32，該開關(guān)被構(gòu)造成從具有最高的DC電壓的DC 源給高壓DC總線32輸送功率。在本實(shí)例中，開關(guān)42、 44、 46和48 將DC源34、 36、 38和40分別連接到高壓DC總線32。在運(yùn)行中， 在DC源34-40中的任何源上的電壓高于在高壓DC總線32上的電壓 時(shí)，與具有最高電壓的DC源關(guān)聯(lián)的開關(guān)(二極管)被正向偏壓，高 壓DC電壓將從該源輸送。其余DC源的開關(guān)通過在來自這些源的電 壓和最高電壓源的電壓之間有意或無意地產(chǎn)生的較小的負(fù)差壓反向 偏壓，因此這些源不輸送功率。然而，如果有效的源故障或者其電壓 下降到其它電源中的任何電源之下，則功率將立即自動地從新的最高 電壓源中輸送。高壓DC總線32通常遍及系統(tǒng)30的全部典型設(shè)施， 并將電源64連接到預(yù)期使用點(diǎn)附近(下文討論)。
系統(tǒng)30也包括連接到計(jì)算負(fù)栽62 (例如電信設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè) 備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器等)或利用低壓DC的任何電子器件或系統(tǒng) 的低壓DC總線60。通常，在低壓DC總線60上的電壓大約在6VDC 至100VDC的范圍中，例如大約48VDC。
電源64包括在高壓DC總線32和低壓DC總線60之間并聯(lián)連 接的多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器(下文討論)和被構(gòu)造成調(diào)制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn) 換器以將在高壓DC總線32上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線60上輸 出的低壓的控制器(也在下文討論)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，電源64(附圖3)包括多個(gè)電源模塊，例如電 源模塊66、 68、 70、 72、 74和76，每個(gè)電源模塊包括多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn) 換器和一個(gè)控制器。例如，每個(gè)電源模塊66-76包括在高壓DC總線 32和低壓DC總線60之間并聯(lián)連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器150、 152、 154、 156、 158和160 (附圖4)。連接器81將在線101上的高壓DC分別 通過線103、 105、 107、 109、 111和113從高壓總線32連接到每個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160?？刂破?0通過線220、 222、 224、 226、 228 和230調(diào)制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160以將在線103-113上的高壓 DC轉(zhuǎn)換為在線96、 98、 100、 102、 104和106上的低壓DC。連接器 117將在線96-106上的DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的輸出連接到線90。結(jié)果是低壓DC被輸送給低壓DC總線60 (附圖2)，而不需要 龐大且笨重的電池系統(tǒng)。每個(gè)電源模塊66-76 (附圖3)的尺寸相對較 小，例如對于典型的30 kW電源模塊，19〃x5〃x24〃，這就使電源64 緊湊。因?yàn)殡娫?4緊湊并且利用了來自可以遍及系統(tǒng)30的整個(gè)設(shè)施 的高壓DC總線32的高壓，因此電源64可以定位在靠近預(yù)期使用點(diǎn)。 因此，不需要大且昂貴的低壓、大電流總線分配系統(tǒng)。這就可以允許 在高壓DC總線32上的DC電壓和在低壓DC總線60上的最終應(yīng)用 電壓的比率更高，即大約1.1:1至1000:1的范圍，例如10:1或2:1。 對于相同的功率，更高的總線電壓通過歐姆定律轉(zhuǎn)化為成比例的低電 流。使用更高的電壓輸入功率總線分配系統(tǒng)(高壓DC總線32)因此 降低了在高壓總線32中的fR損耗，這進(jìn)一步減少了能量使用和成 本。系統(tǒng)30也可以利用上文討論的多個(gè)獨(dú)立的高壓DC源并自動地 使用具有最高DC電壓的DC源，這提高了可靠性。系統(tǒng)30也具有冗 余能力(下文討論)，它提高了不中斷的能力和可靠性。系統(tǒng)30也 可以根據(jù)需要重新定位，并且可以根據(jù)需要與任何數(shù)量的電源系統(tǒng)30 并聯(lián)連接以滿足任何變化的負(fù)載的物理配置或電氣要求。
在一種設(shè)計(jì)中，保險(xiǎn)絲119 (附圖4)通過線121連接在線90 上的電源模塊的輸出電壓和低壓DC總線之間。保險(xiǎn)絲119被設(shè)計(jì)成 在通過電源模塊輸出的電流電平大于電源模塊的額定電流輸出(例如 600安培)時(shí)熔斷。
每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160(附圖4 )通常被構(gòu)造為補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器， 如圖5所示的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器84。補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器84包括輸入電容器210、 二極管212、電感器214、輸出電容器216和開關(guān)86，例如絕緣柵雙 極晶體管(IGBT)。開關(guān)86通過控制器80 (附圖4)被觸發(fā)以調(diào)制 每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器的電壓輸出并將在線 103-113上的高壓DC轉(zhuǎn)換為在線98-106上的低壓DC。例如，控制 器80可以利用固定的時(shí)鐘調(diào)制(例如脈沖寬度調(diào)制)以在線220-230 上產(chǎn)生脈沖寬度信號，即DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的每個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器 的每個(gè)開關(guān)保持打開和關(guān)閉多長的時(shí)間，以便調(diào)節(jié)補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的"接通"時(shí)間和"切斷"時(shí)間的比率以控制輸出電壓，并將在線
103-113上的高壓DC有效地轉(zhuǎn)換為在線96-106上的低壓DC并控制 在線90上的電源模塊的輸出電壓。控制器80可以利用固定的時(shí)鐘調(diào) 制(例如脈沖寬度調(diào)制)、自振蕩調(diào)制(例如脈沖頻率調(diào)制或滯后調(diào) 制)或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的任何類型的調(diào)制以控制在DC/DC 150-160中的開關(guān)轉(zhuǎn)換高壓DC為低壓DC的定時(shí)。
在一種設(shè)計(jì)中，每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160被如附圖6所示地 構(gòu)造。在本實(shí)例中，每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160 (附圖4)包括反相 器250 (附圖6)、變壓器252和整流器254。類似于上文討論的補(bǔ)償 轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)，反相器250通過控制器80(附圖4)被觸發(fā)以調(diào)制每 個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160并將在線103-113上的高壓DC (附圖4) 轉(zhuǎn)換為在線98-106上的低壓DC。
在優(yōu)選實(shí)施例中，控制器80啟動在線220-230上的信號，這些 信號均等地時(shí)間交錯(cuò)，例如對于六個(gè)并行的DC-DC源150-160在相 位上錯(cuò)開60?；蛘邔τ贜個(gè)并行的單元錯(cuò)開360。/N,以使上文描述的 每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160中的開關(guān)或反相器的定時(shí)錯(cuò)開以減小在 線90上的{氐壓DC的波動。
控制器80也可以基于通過反饋線93由電源模塊輸出的電流確定 由線90上的電源模塊要輸出的所需輸出電壓。控制器80包括比較通 過反饋線95在低壓DC總線60上的所需系統(tǒng)輸出電壓和由線90上 的電源模塊輸出的實(shí)際電壓的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92。通過使用固定的時(shí) 鐘調(diào)制(例如脈沖寬度調(diào)制)、自振蕩調(diào)制(例如脈沖頻率調(diào)制或滯 后調(diào)制)或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的任何調(diào)制技術(shù)并通過改變 DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的調(diào)制，開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92然后將電源模塊 的電壓輸出調(diào)節(jié)到所需的系統(tǒng)電壓輸出。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制器80也響應(yīng)反饋線93上的故障信號，并 且在線93上的故障信號指示電源模塊正產(chǎn)生過壓或者過流時(shí)被編程 為打開每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的開關(guān)(例如開關(guān)86，附圖5)或 者反相器(例如反相器250，附圖6)(下文詳細(xì)討論)。這將從電源64的電源模塊66-76 (附圖3)的并行結(jié)構(gòu)中消除故障電源模塊，因 此防止了受損壞的電源模塊影響電源64的操作。響應(yīng)來自在電源模 塊內(nèi)的各種子系統(tǒng)的線112上的故障信號，控制器80也產(chǎn)生啟動外 部控制器(比如PLC)的線108上的錯(cuò)誤信號。例如，故障確定電路 IIO可以響應(yīng)冷卻系統(tǒng)113，該冷卻系統(tǒng)113檢測在電源模塊中的過熱 狀態(tài)，并因此啟動故障確定電路IIO以在線112上產(chǎn)生故障信號，該 故障信號使控制器80在線108上產(chǎn)生錯(cuò)誤信號以啟動外部控制器。 附加的輔助系統(tǒng)114也在線116上產(chǎn)生錯(cuò)誤信號，該錯(cuò)誤信號使故障 確定電路110在線112上產(chǎn)生故障信號并使控制器80產(chǎn)生錯(cuò)誤信號 以啟動外部控制器。
在附圖7中同樣的部件給予同樣的標(biāo)號，附圖7所示為利用脈沖 寬度調(diào)制調(diào)節(jié)每個(gè)電源模塊66-76(附圖3)的低壓DC輸出的本發(fā)明 的控制器80的一個(gè)實(shí)施例。在本實(shí)例中，比較器119(附圖7)比較 以120指示的參考系統(tǒng)輸出電壓Vset (例如上文討論的低壓DC總線 上的電壓)和以122指示的電源模塊的所測量的輸出電壓V咖as并在 線124上產(chǎn)生錯(cuò)誤信號?？刂破?0也包括比較器139，該比較器139 測量以126指示的電源模塊的輸出電流Im柳。在線140上的所測量的
電流Imeas使用通過較大的電阻143 (例如大約150kl2 )的 一條路徑，
并與線124上的錯(cuò)誤信號組合以在線130上提供經(jīng)修整并調(diào)節(jié)的錯(cuò)誤 信號，該錯(cuò)誤信號在電源模塊的電壓輸出中僅產(chǎn)生輕微的變化。這種 調(diào)節(jié)使電源模塊的輸出電壓移動較窄的范圍值并用于改變電源模塊 的輸出電壓以產(chǎn)生較小的正內(nèi)阻抗的效果。線130上的經(jīng)修整并調(diào)節(jié) 的信號建立了綜合V-I特性，如附圖8中的曲線169所示。經(jīng)修整并 調(diào)節(jié)的信號給電源模塊提供了對應(yīng)于較小但是正值的內(nèi)電阻的視在 的、類似電池的源電阻或"偽阻抗，，(以箭頭190表示)，這個(gè)阻抗使 電源模塊(例如附圖3中的電源模塊66)與其它的電源模塊(例如電 源64的電源模塊68-76)均等地共享負(fù)載。
以126指示的所測量的電流I^M (附圖7)也使用線180上的另 一路徑，該路徑包括齊納二極管182和小電阻器184(例如大約)。在操作的過程中，齊納二極管182保持截止。然而，如果高于可允許 的電流開始通過該電源模塊輸出，電流Imeas增加并啟動齊納二極管 182。這時(shí)，小電阻184將該信號電壓強(qiáng)烈地拉下。這造成了線130 上的經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯(cuò)誤信號發(fā)生較大且快速的變化，并在指定的局 部輸出電壓設(shè)定點(diǎn)上發(fā)生根本性的減小。這種結(jié)果是附圖8中的V-I 曲線169的驟然的且陡峭的下降，如箭頭194所示。這個(gè)特征確保了 如果單個(gè)電源模塊的電流開始變得太高，則電源模塊的輸出電壓將快 速地下降并切斷該電源模塊。
開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92 (附圖7 )響應(yīng)線130上的經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯(cuò) 誤信號，并使用調(diào)制(例如固定時(shí)鐘調(diào)制比如脈沖寬度調(diào)制(雖然可以 利用上文討論的任何類型的調(diào)制))調(diào)節(jié)通過每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器 150-160 (附圖4)產(chǎn)生的輸出電壓。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92通常包括壓 控延遲發(fā)生器134、處理器145、開關(guān)162(例如FET)、電容器164、 上拉電阻器166和電壓源168。在運(yùn)行中，壓控延遲發(fā)生器134通過 在電容器164上的電壓保持在禁止?fàn)顟B(tài)。電容器164的放電使壓控延 遲發(fā)生器134能夠處理線130上的經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯(cuò)誤信號以通過線 143啟動處理器145。電容器164的;^丈電通過啟動FET 162以4吏電容 器164通過地端169放電的線163上的復(fù)位信號實(shí)現(xiàn)。正如本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員所公知，電容器的充電通過電壓源168實(shí)現(xiàn)。線143上的 經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯(cuò)誤信號使處理器145能夠在線220-230上產(chǎn)生脈沖 寬度信號(由箭頭170表示)以控制如上文討論的DC/DC轉(zhuǎn)換器 150-160 (附圖4)開關(guān)的定時(shí)?；诰€130上的錯(cuò)誤信號的大小，處 理器145確定線220-230上的信號控制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160(附 圖4)的開關(guān)的定時(shí)所需要的脈沖寬度以將電源模塊的輸出電壓調(diào)節(jié) 到所需的系統(tǒng)輸出電壓。處理器145(附圖7 )也確定線220-230上的 脈沖信號的序列以使DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的開關(guān)或反相器的觸發(fā) 交錯(cuò)以減小波動。例如，處理器145可以啟動箭頭170所示的脈沖序 列，該脈沖序列使六個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160 (附圖4)的開關(guān)或反 相器的觸發(fā)交錯(cuò)以減小波動。通常，如上文所述，對于六個(gè)DC源150-160，線220-230上的交錯(cuò)脈沖信號是相位上相差60。的時(shí)間交錯(cuò)序 列。
上文關(guān)于控制器80 (附圖4、 7和8)所述的"偽"阻抗提供了電 源模塊66-76 (附圖3)的所需的負(fù)載共享。在這個(gè)實(shí)施例中，與其它 的電源模塊相比，如果電源64的電源模塊66-76的單個(gè)電源模塊被輕 微地加載，則該電源沖莫塊將以稍微更高的輸出電壓操作(由于它的正 "偽阻抗"的緣故)。相反，在更大的電流從其流出時(shí)，用于電源模塊 66-76的單個(gè)電源模塊的輸出電壓將稍微降低。輕微地加載的電源模 塊的更高的電壓將導(dǎo)致從它們中拉出更大的電流，這具有減小它們的 輸出電壓的效果。更大地加載的電源模塊將拉出更小的電流，增加它 們的輸出電壓。這樣，所有的模塊將在電壓范圍的中間達(dá)到均衡，其 中功率從每個(gè)模塊中均等地拉出，而不要求在模塊之間傳遞任何明確 的控制信號。連續(xù)的共同負(fù)載調(diào)節(jié)和負(fù)栽共享的這個(gè)過程確保了整個(gè) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并防止任何一個(gè)電源(或電源的集合)"擾亂"負(fù)栽。
在優(yōu)選實(shí)施例中，電源64 (附圖2和3)理想地封閉在箱室中， 比如附圖9的箱室300。電源模塊66-76 (附圖3)通常每個(gè)都封閉在 可取下的抽屜中，比如附圖9的抽屜302?？扇∠碌某閷?02容納上 文參考附圖4所討論的單個(gè)電源模塊66-76的各個(gè)部件。例如，抽屜 302 (附圖10)包括六個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中示出了三個(gè)，另外三個(gè) 層疊在其下(未示)。所示的DC/DC轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器的電感器 以310、 312和314指示。三個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器中每個(gè)轉(zhuǎn)換器的IGBT開 關(guān)以316、 318和320表示。輸入電容器以322、 324和326表示。控 制器(以虛像示出)以326表示。抽屜302通常包括給抽屜302提供 冷卻空氣的冷卻風(fēng)扇330,該冷卻空氣通過位于背板332上的排氣口 (未示)排出。電感器310-314、開關(guān)316-320和輸入電容器322-326 的取向被設(shè)置成使抽屜302的冷卻效率最大。
抽屜302通常包括多個(gè)不同長度的連接器，例如連接器340、342、 344和346 (附圖11)，這些連接器允許DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到高壓DC 總線而不產(chǎn)生放電。在一個(gè)實(shí)例中，每個(gè)連接器340-348可以包括一
16部分電阻性材料(比如在連接器346中的電阻性材料352)以在將抽 屜302連接到高壓DC總線時(shí)防止高壓DC放電。在一些設(shè)計(jì)中，在 將抽屜302連接到高壓DC總線時(shí)，通過各自的輔助電阻或火花抑制 阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的輔助觸點(diǎn)可以被用于進(jìn)一步防止高壓DC放電。因此， 連接器340-348的結(jié)構(gòu)允許在系統(tǒng)30運(yùn)行時(shí)容納電源模塊的各種可取 下的抽屜中的每個(gè)抽屜被添加、取下或更換，即可取下的抽屜是"可 熱抽換的"。
雖然在一些附圖中而沒有在其它中已經(jīng)示出了本發(fā)明的具體特 征，但這僅僅是為了說明的方便，因?yàn)槊總€(gè)特征可以與根據(jù)本發(fā)明的 任何或全部其它特征組合。在此所使用的術(shù)語"包括"、"包含"、"具 有"和"帶有，，應(yīng)當(dāng)被寬泛地、全面地解釋，它們不限于任何物理上的 互連。此外，在本申請中公開的任何實(shí)施例都不應(yīng)當(dāng)看作唯一可能的 實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以做出其 它的實(shí)施例。
此外，在本專利的專利申請的審批過程中提交的任何修改都不是 對在申請時(shí)申請中存在的任何權(quán)利要求要素的放棄合理的是，不能 期望本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠起草這樣的一個(gè)
權(quán)利要求
其在字面上 包含所有可能的等同物，許多等同物在修改時(shí)都是不可預(yù)見的，它們 超出了那些應(yīng)當(dāng)被放棄的合理解釋(如果有什么的話)，修改的基本 原理只不過是與許多等同物相切的關(guān)系，和/或存在不能希望申請人描 述用于被修改的任何權(quán)利要求要素的某些非實(shí)質(zhì)性的替代的許多其 它的原因。
權(quán)利要求
1. 一種用于計(jì)算負(fù)載的更加緊湊并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到多個(gè)DC源的高壓DC總線，每個(gè)DC源通過開關(guān)連接到該高壓DC總線，該開關(guān)被構(gòu)造成將具有最高DC電壓的DC源輸送給該高壓DC總線；連接到計(jì)算負(fù)載的低壓DC總線；和電源，包括在高壓DC總線和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，和被構(gòu)造成調(diào)制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上輸出的低壓的控制器。
2. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述開關(guān)包括二極管。
3. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述電源包括多個(gè)電源模塊， 每個(gè)電源模塊包括控制器和多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。
4. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造為 帶有通過控制器觸發(fā)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器。
5. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器包括反相 器、變壓器和整流器，其中反相器通過控制器循環(huán)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn) 換器。
6. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述控制器被構(gòu)造成調(diào)制每個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器以控制輸出電壓或電流。
7. 權(quán)利要求4的電源系統(tǒng)，其中所述控制器被構(gòu)造成使每個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)定時(shí)交錯(cuò)以降低在低壓DC總線上的波動。
8. 權(quán)利要求4的電源系統(tǒng)，其中控制器響應(yīng)故障信號輸入并被 編程為響應(yīng)該故障信號打開每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)。
9. 權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中控制器被構(gòu)造成使每個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的反相器的定時(shí)交錯(cuò)以減小在低壓DC總線上的波動。
10. 權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中控制器響應(yīng)故障信號輸入并被 編程為響應(yīng)該故障信號打開每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的反相器。
11. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)電源模塊包括在多個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器和低壓DC總線之間并被設(shè)計(jì)成在大于電源模塊的額 定電流輸出的電流電平下熔斷的保險(xiǎn)絲。
12. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中控制器被構(gòu)造成基于通過電源 模塊輸出的電流確定所需的輸出電壓。
13. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中控制器包括被構(gòu)造成將所需的 系統(tǒng)輸出電壓與通過電源模塊輸出的電壓電平進(jìn)行比較并調(diào)節(jié)每個(gè) DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓輸出以使電源模塊的輸出大致等于所需的系統(tǒng) 輸出電壓的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。
14. 權(quán)利要求13的電源系統(tǒng)，其中開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器利用調(diào)制調(diào) 節(jié)每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。
15. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中多個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源模 塊的控制器利用偽阻抗以提供多個(gè)電源模塊的獨(dú)立負(fù)載共享。
16. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中在低壓DC總線上輸出的低電 壓大約在6V DC至100V DC的范圍中。
17. 權(quán)利要求16的電源系統(tǒng)，其中在低壓DC總線上輸出的低 電壓大約是48V DC。
18. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述控制器進(jìn)一步被構(gòu)造成響 應(yīng)故障信號而輸出錯(cuò)誤信號。
19. 權(quán)利要求18的電源系統(tǒng)，其中所述控制器進(jìn)一步包括產(chǎn)生 故障信號的故障確定電路。
20. 權(quán)利要求19的電源系統(tǒng)，其中多個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源 模塊包括冷卻系統(tǒng)。
21. 權(quán)利要求20的電源系統(tǒng)，其中在電源模塊超過預(yù)定的溫度 時(shí)故障檢測電路產(chǎn)生故障信號。
22. 權(quán)利要求4的電源系統(tǒng)，其中補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器包括輸入電容器、 輸出電容器、電感器和開關(guān)。
23. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中在高壓DC總線上的高壓與在 低壓DC總線上的低壓的比率是在1.1:1至大約1000:1的范圍內(nèi)。
24. 權(quán)利要求23的電源系統(tǒng)，其中在高壓DC總線上的高壓與 在低壓DC總線上的低壓的比率大約是10:1。
25. 權(quán)利要求24的電源系統(tǒng)，其中在高壓DC總線上的高壓與 在低壓DC總線上的低壓的比率大約是2:1。
26. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中電源容納在箱室中。
27. 權(quán)利要求26的電源系統(tǒng)，其中多個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源 模塊被構(gòu)造為可取下的抽屜。
28. 權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)，其中可取下的抽屜被置于該箱室中。
29. 權(quán)利要求28的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)可取下的抽屜包括多個(gè) 不同長度的連接器，該連接器在不同的時(shí)間將電源模塊的多個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器電連接到高壓DC總線以減少放電。
30. 權(quán)利要求29的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)連接器包括在將電源模 塊連接到高壓DC總線時(shí)減少放電的電阻性材料。
31. 權(quán)利要求29的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)可取下的抽屜包括通過 各自的輔助電阻器或者火花抑制阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的輔助觸點(diǎn)以進(jìn)一步減少放電o
32. 權(quán)利要求28的電源系統(tǒng)，其中在系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)可取下的 抽屜可以被取下、更換或添加。
33. 權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)，其中每個(gè)抽屜包括多個(gè)冷卻風(fēng)扇 和排氣口以冷卻電源模塊。
34. 權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)，其中多個(gè)電源模塊中的每個(gè)電源 模塊的部件被設(shè)置成使冷卻效率最大。
35. 權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中計(jì)算負(fù)載從如下組中選擇電 信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。
36. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中電源包括多余數(shù)量的電源模塊。
全文摘要
本發(fā)明的特征在于用于計(jì)算負(fù)載的更加緊湊并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到多個(gè)DC源的高壓DC總線(32)、連接到計(jì)算負(fù)載(60)的低壓DC總線(60)和電源，每個(gè)DC源通過開關(guān)連接到該高壓DC總線，該開關(guān)將具有最高DC電壓的DC源輸送給該高壓DC總線，該電源包括在高壓DC總線和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器(150、152、154、156、158、160)和被構(gòu)造成調(diào)制每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上輸出的低壓的控制器(180)。
文檔編號H02J3/00GK101438475SQ200580011630
公開日2009年5月20日 申請日期2005年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者彼得·A·丹德瑞治, 杰弗里·A·凱希, 邁克爾·A·柯普克斯, 馬塞爾·P·J·高德瑞奧 申請人:多樣化技術(shù)公司