CN105429280A - 不断电***及其供应方法 - Google Patents

Abstract

一种不断电***及其供应方法，该不断电***与一交流电源相接，并包含一电力控制器、一电池串、一电池开关，及一电源供应器。该不断电***供应方法令该电池串被该交流电源经由一电池充电器充电。该电池开关与该交流电源及该电池串连接。该电源供应器与该电池开关连接，以依据该交流电源的能力，接受来自该交流电源或来自该电池串的电力，且该电源供应器提供相对应的电力给一负载。当该交流电源可用时，该电力控制器控制该电池开关将来自该交流电源的电力转换至该电源供应器，反之，当该交流电源不可用时，该电力控制器控制该电池开关将来自该电池串的电力转换至该电源供应器，借此，提供一种用于大型计算机数据中心且易于操作的不断电***。

Description

不断电***及其供应方法

技术领域

本发明涉及一种不断电***及其供应方法，特别是涉及一种适用于大型计算数据中心的不断电***及其供应方法。

背景技术

近年来，由于大量的语音、数据和影片等应用需求，互联网(Internet)的流量呈倍数增长。为了处理这些大量密集数据的传输及储存，因此出现如云端计算和大型数据中心等新颖的概念。这些概念能确保使用者分担基础设施的费用且降低个人用户的花费。另，其他新概念如”电表运算(MeterComputing)”及”随收随付(PayAsYouGo)”的实现，还让用户使用计算资源，而不需要支付闲置的计算资源。

由于共享服务、应用及平台等信息科技的发展，而增加对IT基础设施“大型或巨型数据中心”的共享需求。目前大型/巨型数据中心为了支持“云端计算”的应用，都面临且致力于解决成本、灵活性、可扩充性、效率、使用率、闲置率和管理等问题。而在因应对于大型数据中心需求增加的前提下。同时，业界已开始发展模块化/货柜型的数据中心架构。模块化/货柜型数据中心的基础的发展是一个分布式概念，包括通过工厂模块化制造且用以处理及提供数据储存的基础组件。这些模块化的解决方案皆是以优化方式进行设计，而达到可靠、有效率、可重复和运营优化等目的。模块化/货柜型的数据中心可以提供标准化、降低成本、可扩充性、灵活性及快速应用于构成/扩充一个大型数据中心的方法。而一个典型的模块化/货柜型的数据中心包含一个不断电***(UPSUninterruptablePowerSystem)，机架，冷却***和IT设备等。

不断电***是一种电气设备，被用以提供紧急电源给关键负载(例:数据中心)于数据中心的输入电源(一般为市电)失效时进行作动。又，不断电***不同于紧急电力***(例如飞轮、燃料电池及发电机等)或是备用发电机，主要借由例如储存于电池或飞轮的能量提供”输入电力源中断”的瞬间保护。另，由于备份时间通常比较短(仅几分钟到十分钟)，但足以启动备用电源，或进行正常关机保护负载和储存其关键数据。一个不断电***通常用于数据中心、计算机和/或电信设备，以于发生不预期的电力中断时作动，以避免严重的商业及数据损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大型计算数据中心的不断电***及其供应方法。

本发明不断电***是与一交流电源相接，该不断电***包含一电力控制器、一电池串、一电池开关，及一电源供应器。该交流电源经由一电池充电器对该电池串充电。该电池开关与该交流电源及该电池串连接。该电源供应器与该电池开关连接，以依据该交流电源的能力，接受来自该交流电源或来自该电池串的电力，且该电源供应器提供相对应的电力给一负载。当该交流电源可用时，该电力控制器控制该电池开关将来自该交流电源的电力转换至该电源供应器，反之，当该交流电源不可用时，该电力控制器控制该电池开关将来自该电池串的电力转换至该电源供应器。

在一些实施例中，该电源供应器提供一直流电力给该负载。

在一些实施例中，该电源供应器包括一与该电池开关连接的升压转换器，其中，该升压转换器提供一电力给一直流-直流转换器。

在一些实施例中，还包含一与该电力控制器及该电源供应器连接的电源选择器，其中，该电力控制器控制该电源选择器从至少一交流电源线和一备用电源中选择该交流电源。

在一些实施例中，该备用电源是一发电机。

在一些实施例中，还包含一选择性地连接在该交流电源与该电源供应器之间，以分路该电池开关、该电池串及该电池充电器的旁路开关。

在一些实施例中，还包含一横跨该电池开关的一缓冲电路，其抑制该电池开关切换时产生的一电弧。

在一些实施例中，还包含一提供能量给该电池串以提供电力给该负载的能源。

在一些实施例中，该能源选自由太阳能板、燃料电池、飞轮及替代来源构成的一群组。

另外，本发明一种不断电***供应方法，运用在一不断电***，该方法包含由一电力控制器监控一交流电源的一状态，当该交流电源可用时，驱动一电池开关将该交流电源连接至一电源供应器，当该交流电源不可用时，驱动该电池开关将一电池串连接至该电源供应器，以该交流电源经由一电池充电器对该电池串充电，及经由该电源供应器提供一直流电源给一负载。

在一些实施例中，还包含由该电源供应器将来自该交流电源的一电力从交流转换成直流。

在一些实施例中，使该交流电源与该电源供应器连接的该驱动步骤包括由一被该电力控制器控制的电源选择器从至少一交流电源线和一备用电源选择该交流电源。

在一些实施例中，使该交流电源与该电源供应器连接的该驱动步骤包括经由一分路开关分路该电池开关、该电池串及该电池充电器。

在一些实施例中，还包含经由一能源提供能量给该电池串。

在一些实施例中，该能源选自由太阳能板、燃料电池、飞轮及替代来源构成的一群组。

本发明的有益的效果在于：由于大型/巨型数据中心需要具有较低成本、高效率、高扩充性、低组件数、易于优化的电池存储容量、低维护成本，以及易于操作的不断电***。本发明借由实现一种应用于数据中心关键负载备援的不断电***来解决前述问题，并保存所有双转换不断电***的特性。最重要的是，本发明兼容于现有的模块化/货柜型的数据中心云端计算的架构。本发明揭露通过交流+直流电源供应器取代现有技术中的直流-交流转换器，并提供板载稳压器半稳压直流电源来实现设备保护。本架构简化正常待机与备援间功率切换作业，并减少了许多与现有技术相关的硬件开销，还增进其效率。

附图说明

图1是一示意图，说明先前技术的计算机和商业制造商协会(ComputerBusinessEquipmentManufacturersAssociation；CBEMA)的性能曲线。

图2是一示意图，说明先前技术的一实施例。

图3是一示意图，说明本发明的一实施例。

图4是一流程图，说明该实施例的方法流程。

图5是一示意图，说明本发明另一实施例。

图6是一流程图，说明该实施例的方法流程。

图7是一示意图，说明本发明另一实施例。

图8是一流程图，说明该实施例的方法流程。

图9是一架构图，说明本发明模块化/货柜型的数据中心的实施例。

图10是一架构图，说明本发明模块化/货柜型的数据中心的实施例。

图11是一架构图，说明本发明模块化/货柜型的数据中心的实施例。

图12是一示意图，说明本发明另一实施例。

图13是一示意图，说明本发明另一实施例。

图14是一示意图，说明本发明另一实施例。

图15是一原理图，说明一升压转换器的实施例。

图16是一示意图，说明在备份直流电池模式升压转换器的电流路径Ib。

图17是一示意图，说明本发明一示范性功率因子校正升压变换器的较佳实施例。

图18是一示意图，说明本发明一示范性无桥式升压转换器的较佳实施例。

图19是一示意图，说明本发明一示范性单相PFC升压转换器的较佳实施例。

图20是一示意图，说明本发明一示范性多态维也纳(Vienna)PFC升压转换器的较佳实施例。

图21是一示意图，说明本发明一示范***错无桥式PFC升压转换器的较佳实施例。

图22是一示意图，说明本发明一示范性多态无桥式PFC升压转换器的较佳实施例。

图23是为一示意图，说明本发明一示范性反相降压-升压转换器的较佳实施例，根据在电池串使用的电池的电压，此拓扑可有效且高效率地配合电池串对于直流-直流转换器和交流+直流电源供应器的要求。

图24是一示意图，说明本发明一示范性非反相降压-升压转换器的较佳实施例，这种转换器拓扑利用不同的相位控制(P1/P2)，进一步确定转换器的转换特性。

图25是一示意图，说明集成替代能源混合动力***。

图26是一示意图，说明集成替代能源混合动力***。

图27是一示意图，说明一与一机架0940中1+1的备援***配置。

图28是一示意图，说明一与一机架0940中1+1的备援***配置。

图29是一示意图，说明一1+1备援***。

图30是一示意图，说明一1+1备援***。

图31是一示意图，说明“1+1集中式电池备援服务器”结构的操作模式。

图32是一示意图，说明“1+1集中式电池备援服务器”结构的操作模式。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了如下所述三个主要功能。

电力调节

交流-直流电源被设计成防止“电源线干扰”(如在图1步骤(0100)中所描述符合CBEMA曲线要求)和“交流波形失真”(电力线路谐波/电压波动/交流电源频率变化)。电磁干扰(EMIElectroMagnetic Interference)/防闪电电路提供防闪电/线路浪涌保护及噪音抑制功能。

由于电源线干扰影响IT负载正常运行，因此近年来，IT厂商在针对短暂电源线干扰的状况下，一般使用符合诸如EN61000-3-2和IEC62040-3电力中断需求的交流-直流电源供应器来提供动力。同样地，最初由计算机和商业制造商协会订定，且通常被业界称为计算机和商业制造商协会(ComputerBusinessEquipmentManufacturersAssociation；CBEMA)曲线(图1(0100))的一个应用批注，说明了在单相IT设备电源供应器中电力干扰的一最小容忍效能曲线。

不断电***

电池组、电池开关、隔离的电池充电器和控制器提供“不间断”供电功能。在交流电源失效时，电池开关将根据控制器命令连接到直流电池串以提供持续电力给IT负载。

集中式电池

该***集中电池贮存量于备援或多***应用。一中央电池架构可以提供和一分布式电池***相同的能量存储需求，同时显著地降低电池数量。

虽然本发明可以多种不同形式实现，在图式中以及在此将被描述的本发明的详细较佳实施例中将理解现在的揭露应被视为本发明的原理的范例而不是用以将本发明广泛的观点限制到实施例所描述的。

虽然本发明有多种不同形式的实施例显示在附图中，并且将在本文中详细的描述本发明较佳的实施例，本公开应被视为本发明的原理的范例且当不能以此限定本发明实施的范围。

本申请案的许多创新教示将以特别参照目前的较佳实施例来描述，其中这些创新教示被有益地应用于一不断电***供应***及方法的特定问题。然而，应该理解的是本实施例只是这些创新教示其中的许多有利的用途的一个例子。在一般情况下，在本申请案的说明书中的陈述并不需限制任何各种请求保护的发明。而且，一些陈述可能适用于某些发明特征，但不适用于其他的发明特征。

不限定切换方法

本发明将讨论各种升压转换器的拓扑结构，其中一些根据应用的脉络是优选的。这些转换器的拓扑结构将显示包含MOSFET电气开关，但本发明使用设备范围并不在此限，并且可以包括任何形式的电气开关，例如(但不限于)双极晶体管、MOSFET及IGBT等。

不限定控制***

当实现本文描述的电力控制器时，本发明可以利用各种结构。许多较佳的发明实施例可利用一计算器化的控制机制，其中计算机***执行从一实体的、非瞬时的、计算机可读取的媒体读取的机器指令。

***概述0300

本发明的一个较佳的示范性***实施例被描述于图3(0300)，在此应用上下文中，被UPS***服务的被保护设备0390包含一直流-直流转换器0391的组合，其提供电力给一计算机服务器/负载0392或一些其他负载。不断电***包括一个电力控制器0310，其可包含一个计算装置0311(例如一微处理器、微控制器、数字逻辑，或其他形式的数字计算机)，其执行从一计算机可读取媒体0312读取的机器指令。此电力控制器0310用以协调一电池开关0320、一电池充电器0330、一电池串0340，及一交流+直流电源供应器0350的运作如同由一交流电源0360供应。

在正常操作中，电力控制器0310感测的交流电源0360(通常为一交流电公营事业供应者)的状态，并将电池开关0320配置为提供交流电源给交流+直流(AC+DC)电源供应器0350。交流+直流电源供应器0350被配置为接受交流输入或直流高电压输入(100V-240V)并以一升压转换器0351处理这个输入以提供直流电给一直流-直流转换器0352，使提供一较低的直流电压输入(10V-24V)给该被保护设备0390。然后，在被保护设备0390内的直流-直流转换器0391将此一较低的直流输入电压转换成计算机服务器/负载0392中所需的直流电压。

在稳定的交流电源0360输入的正常状态下，电池充电器0330确保电池串0340被适当地维持在一充饱电的状态。这个电池串0340被配置为提供一相当于交流电源0360的直流电压，并因此允许经由一包含于电池充电器0330的一电池充电控制器0339进行高效率地充电。

当交流电源0360因故失效时，电力控制器0310检测此一电压故障，并使电池开关0320从交流电源0360切换到电池串0340，并在这电源失效的情况下，提供直流电给交流+直流电源供应器0350。需特别说明的是，在此情况下，被侦测到在交流电源0360中的电力失效，实际上可能是轻微的，例如侦测当下的一瞬间或是部分停电，亦或是一些其他的异常，其中交流电源0360仍提供不在质量标准可接受的电力。而这些情况下，无论来自交流电源0360的电力是否有效，电池充电器0330仍被设定为能对电池串0340充电。但供给交流+直流电源供应器的电力主要是从电池串0340取得，而不是交流电源0360。

此结构取消了与现有技术电池备援方案中关于直流电到交流电转换的需求，因而简化了电池充电器0330、电池串0340，及交流+直流电源供应器0350的实施例。

还进一步地，由于电池串0340相较于电池组0240(图2(0240))具有较高电压，因此电池串0340在充电作业上是比传统技术还有效率。换句话说，对一串联的电池串0340进行充电将比对一并联电池组构造(图2(0240))需要更少的电流(在一较高的电压的情况下)，因此可减少实现此功能的硬件组件。此外，在电源失效移转(failover)情况下，使用在AC+DC电源供应器0350中的升压转换器0351允许瞬间从交流电源0360切换到电池串0340。再者，与使用在传统技术中的具有较高电流的直流到交流转换器相比，较高的电池串0340电压也让交流+直流电源供应器0350有更高的效率。

方法概述0400

参阅图3(0300)及图4(0400)，本发明不断电***使用方法是与一个总体方法相关联，并包含以下步骤：

(1)以一电力控制器监控来自一交流电源的线路电压的状态0401；

(2)判断交流电源电压是否在预定的范围和质量内，若是，进行步骤(3),若否，则进行步骤(5)0402；

(3)连接交流电源到一交流+直流电源供应器0403；

(4)整流交流电源电力和充电电池串，并回到步骤(1)以继续监控交流电源的线路电压的状态0404；

(5)将交流+直流电源供应器从交流电源断开0405；及

(6)将电池串连接到交流+直流电源供应器，并进行步骤(1)0406。

熟悉本领域技艺者将了解这些方法步骤可以被增加或重新建构而不限于本发明的教示。此通用方法可借由在此描述的各式组件而增加，以产生包含这个整体设计描述的多种发明实施例

备用***概述–交流电源0500

图5(0500)描述本发明另一较佳的示范***实施例，一些较佳***实施例中可以包含一交流电源0560，其包含数个电源例如交流公用电线电力0561及一备用交流电源例如一发电机0562或是其他电力来源。使用一交流电源选择器0570允许依据一根据侦测到的电源输入情况的电力控制器0510启动的一交流输入选择控制线，在这些不同的交流电源0560选项0561，0562之间切换。

备用方法概述0600

图3(0300)、5(0500)及图6(0600)描述本发明不断电***另一相关联的实施例方法，并包含以下步骤：

(1)以一电力控制器监控来自一交流电源的线路电压的状态0601；

(2)判断交流电源电压是否在预定的范围和质量内，若是，进行步骤(3),若否，则进行步骤(6)0602；

(3)将备用发电机从交流+直流电源供应器断开0603；

(4)将交流电源连接到一交流+直流电源供应器0604；

(5)整流交流电源电力和充电电池串，并回到步骤(1)0605；

(6)将交流电源从交流+直流电源供应器断开0606；

(7)判断备用发电机电压是否在预定的范围和质量内，若是，进行步骤(8),若否，则进行步骤(10)0607；

(8)将电池串从交流+直流电源供应器断开0608；

(9)将备用发电机连接到交流+直流电源供应器，并进行步骤(12)0609；

(10)将备用发电机从交流+直流电源供应器断开0610；

(11)将电池串连接到一交流+直流电源供应器0611；及

(12)将备用发电机连接到电池串充电器，并进行步骤(1)0612。

熟悉本领域技艺者将了解这些方法步骤可以不受限于本发明的教示而被增加或重新建构。此通用方法可借由在此描述的各式组件而增加，以产生包含这个整体设计描述的多种发明实施例。

备用***概述–旁路0700

图7(0700)描述本发明另一较佳的示范***实施例，部分较佳的***实施例中可以包含一旁路开关0780，其允许在电池开关0720、电池充电器0730，及/或电池串0740执行维持功能。在关闭旁路开关0780作动下这些构件被分路且可以被移除、测试，或被代替而不须中断交流+直流电源供应器0750及被保护设备0790的整体运作。

备用方法概述0800

图3(0300)、图5(0500)及图7(0700)描述的***可与图8描述的另一方法有关，并包含以下步骤：

(1)以一电力控制器监控来自一交流电源的线路电压的状态0801；

(2)判断交流电源电压是否在预定的范围和质量内，若否，则进行步骤(6)0802；

(3)将备用发电机从交流+直流电源供应器断开0803；

(4)将交流电源连接到一交流+直流电源供应器0804；

(5)整流交流电源电力和充电电池串，并进行步骤(1)0805；

(6)将交流电源从交流+直流电源供应器断开0806；

(7)将电池串连接到一交流+直流电源供应器0807；

(8)启动备用发电机0808；

(9)监控备用发电机的状态0809；

(10)判断备用发电机电压是否在预定的范围和质量内，若否，则进行步骤(8)0810；

(11)将电池串从交流+直流电源供应器断开0811；

(12)将备用发电机连接到一交流+直流电源供应器0812；及

(13)将备用发电机连接到电池串充电器，并进行步骤(1)0813。

熟悉本领域技艺者将了解这些方法步骤可以被增加或重新建构而不限于本发明的教示。此通用方法可借由在此描述的各式组件而增加，以产生包含这个整体设计描述的多种发明实施例。

此方法与图6(0600)中描述相似，当在电力失效而备用发电机可能未启动的情况下，其提供启动备用发电机的方法。此外，在停电期间它提供了使用备用发电机将电池串充电的方法。

一般***说明0900-1100

图9(0900)至图11(1100)描述的方块图说明大型/巨型数据中心0901的示范性的操作及结构。这个数据中心是由数个模块化/货柜型的数据中心0910，0920，0930组成。在每一模块化/货柜型的数据中心中，数个模块化机架也称为服务器机架0940，0950，0960可以堆栈大量的服务器1205(见图12)。再参阅图12(1200)在模块化/货柜型的数据中心中的电池串1240和电池充电器1230与电池开关0970被与服务器安装在同一个机架，或被安装在一单独的机架中。交流电源0902是一个三相星形(WYE)结构。一相电压和中性线被分配给每一机架0940，0950，0960以形成一个平衡负载。类似的配置可以被使用于模块化/货柜型的数据中心0910，0920，0930的安装上。在每一机架0940，0950，0960中有数个用以维持机架0940，0950，0960之间的一平衡负载的服务器1205。

分布式不断电***/电源调节器1200

图12(1200)说明在一模块化/货柜型的数据中心0910(图9(0900)至图11(1100))中的一服务器机架0940(图9(0900)至图11(1100))的一具有集中式电池1201备用能量储存构造的分布式不断电***/电源调节器。在本实施例中，模块化的数据中心0910包含多个服务器机架0940，0950，0960，每一服务器机架包括多个服务器1205。每一服务器1205包含一交流-直流电源供应器1250及一服务器/计算机主板1209。交流-直流电源供应器1250用以接受交流输入(85VAC-240VAC，40-75赫兹)或直流输入并且经由两个串联且包括一升压转换器1251和一直流-直流转换器1252的电力转换级在内部处理这个输入，以将这个电力输入转换成一直流总线1259(直流稳压10-14V或半稳压直流总线10-14VDC±10％)，并将转换结果馈入一服务器/计算机主板1209。服务器/计算机主板包含直流-直流转换器1291，1292，1293。直流-直流转换器1291，1292，1293将输入电压从10-14VDC转换到一较低的稳压直流准位，例如1.2V(伏特)，3.3V，5V、±12VDC给IT负载(微处理器1294，内存1295，模拟电路1296等等)

正常操作

电池充电器预设的介于之间的一电压准位。在正常操作条件下，服务器交流输入1258从公用电网交流源1261接收电力，然后传送电力至交流-直流电源供应器1250。在此条件下，交流-直流电源供应器工作在交流输入模式，并将交流输入1258转换成直流总线1259(直流总线电压10-14VDC)电压，然后供电给服务器/计算机主板1209。在此期间，电池串1240经由电池充电器1230充电至被电池充电器预设的介于之间的一电压准位。

电力失效操作

在一公用电网交流电源1261失效的情况下，控制器1210感测到公用电网交流电源1261下降至超出其正常范围(在任一半周期间针对一120V额定交流输入电压下降至低于一第一阀值90V，或是如果在预先指定的时间和可能包括但不限于限电、停电、电压骤降、浪涌，不稳定性等情况下，RMS电压低于100V的一第二周期)。控制器1210将使电池开关1220切换到电池备用模式，使电池串1240连接到交流-直流电源供应器1250。因此，控制器1210使发电机转换开关1270连接到备用发电机1262，并与公用电网交流电源1261断开。在电池备用期间，交流-直流电源供应器1250工作在直流输入模式，其从预充电的电池串1240(电压范围)撷取直流电压，并转换成一较低的直流总线电压1259(10-14VDC)，然后供电给服务器/计算机主板1209。

在电池备用模式中，当公用电网交流电源1261下降至超出其指定范围时，控制器1210会控制电池开关1220在半交流周期(小于8毫秒)期间切换至电池备用模式。发电机转换开关1270需要花几分钟从公用电网交流电源1261分离并连接到备用发电机1262。发电机转换开关1270的切换时序将使得它必须在电池串1240耗尽供应服务器/计算机主板1209的能量之前连接到备用发电机1262。

参阅图12(1200)，在备用发电机模式下，电池开关1220与电池串1240保持相连，交流-直流电源供应器1250工作在直流输入模式而服务器电力从备用发电机1262传输到电池充电器1230再到电池串1240，再与交流-直流电源供应器1250相连，而服务器1205将工作在直流输入模式下。可替代地，在这个备用发电机的情况下，电池开关1220可以与电池串1240断开并切回到与公用电网交流电源连接，并使交流-直流电源供应器1250操作在交流输入模式。在这种情况下，服务器的电力从备用发电机1262传输到电池开关1220，发电机转换开关1270，再连接到交流-直流电源供应器1250。综上所述，在备用发电机模式下，电池开关1220可以处在交流或直流模式并供电给服务器1205。

当公用电网交流电源1261回到正常的状态，控制器1210会将电池开关1220，发电机转换开关1270同时切换回公用电网连接模式，且服务器1205将回到与公用电网交流电源1261连接，以操作于被公用电网交流电源1261供电的交流输入模式。

交流-直流电源供应器1250内部包含两个功率级：升压转换器1251和直流-直流转换器1252。升压转换器1251提供主动的功率因子校正以产生一理论上超过95％的功率因子。主动功率因子也明显地减少总谐波和自动更正交流输入电压。升压转换器1251可在交流输入或直流输入工作。直流-直流转换器1252转换其输入直流电压为一较低的直流总线电压1259(直流稳压10-14V或半稳压10-14VDC±10％)，再馈入服务器/计算机主板1209。

服务器1205由交流-直流电源供应器1250和主板1209组成。主板具有两部分：直流-直流转换器1291，1292，1293和IT负载微处理器1294、内存1295、模拟电路1296等等。主板经由直流-直流转换器1291，1292，1293取得直流总线电压1259(10-14VDC)并转换成一较低电压(0.9VDC-5.0VDC或其他指定的直流电压)以供电给IT负载微处理器1294、内存1295、模拟电路1296等等。主板1209IT负载可以依照上下文的应用需求为一单一设备或数个设备。

旁路操作

旁路开关1280与电池开关1220并联连接，且提供两个功能：

(i)维护：在本申请案中，当电池串1240和电池开关1220需要进行定期维护或电池试验时，旁路开关1280分路(bypass)电池开关1220与电池串1240。

(ii)备援传输：旁路开关1280可以替电池开关1220作为一个备援转换开关，以防止单点故障，并增加***的可靠性。

位于跨越电池开关1220两端的缓冲电路1221可作为一能量吸收器，以抑制从直流模式切换到交流模式时电池开关1220产生的电弧。

电磁干扰/防闪电电路1207提供照明/线路浪涌保护以供抑制噪音功能。它包含电磁干扰滤波器，能量吸收器和抑制器。

特性/功能

图12(1200)描绘的不断电***/电力调节器集中式电池能量储存分布式构造具有三个不同功能：

电力调节器

交流-直流电源供应器1250被设计成符合“电源线干扰”(符合CBEMA曲线要求)和“交流波形失真”(电力线谐波/电压波动/交流电源频率变化)需求。电磁干扰/防闪电电路1207做为闪电/电线浪涌保护以及噪声抑制功能。

不间断电力

不间断电力供应器功能由电池串1240、电池开关1220、电池充电器1230和控制器1210提供。当交流电源失效时，电池开关1220会从公用电网电源断开并根据控制器1210命令连接到电池串1240以提供连续电力给IT负载。

集中式电池

如图12(1200))描述，***集中电池存储1240以提供备用电力给备援或者多***应用。这种集中式电池结构可以提供与一个分布式电池***相同的能量储存需求，同时显著地减少电池数量。

交流输入参考

除非另有说明，所述交流电网电源输入电压是一由一频率在45赫兹到500赫兹间且一RMS(roommeansquare)值在85伏特到480伏特间的正弦波组成的单相或三相***。交流电网电源被配置为一星形(WYE)连接或一三角形连接。如图9(0900)至图11(1100)所示的***，交流电源0902是一个星形构造，具有一单相或一三相电压且中性线分配给每一机架0940，0950，0960以形成一个平衡负载。模块化/货柜型的数据中心0910，0920，0930可以使用一类似的分布。每一机架0940，0950，0960内具有多个服务器0941，0942，其被配置成机架0940，0950，0960之间的一平衡负载，以维持一平衡的三相交流***。同样的，交流电源0902可以被配置成一三角形***(图未示)；电力线电压480VAC(相对相)可以被分配给模块化/货柜型的数据中心0910，0920，0930，对于每一个模块化/货柜型的数据中心0910，0920，0930，各相电压240VAC(相对中性点)可以被传送到机架0940，0950，0960。该负载平衡技术是与在星形配置中的相同。

稳态电力路径1300

图13(1300)描述在服务器1205被交流电源供应的稳态正常操作情况下，电力流经路径。交流电源提供两条电流路径。IS路径是主要电流路径，其经由发电机转换开关1270及电池开关1220提供输入电力给交流-直流电源供应器1250。IC路径是经过发电机转换开关1270及电池充电器1230充电电池串1240的路径。

停电电力路径1400

图14(1400)说明在停电期间不间断(直流电池备份)电力状态的电力路径。当公用电源失效时，电池开关1220与电池串1240连接，且发电机转换开关1270连接到备用发电机1262。服务器1205借由电流路径Ib经由电池开关1220到交流-直流电源供应器1250，接受来自直流电池串1240的电力。在此模式之下，备用发电机1262经由电池充电器1230提供电力使电池串1240充电，并且经由电流路径Ig提供电力给交流-直流电源供应器1250。

基本的升压转换器架构1500

图15(1500)是一升压转换器的基本概要图。一典型交流-直流电源供应器具有设计在内部的一升压转换器以防止交流波形失真(谐波/电压波动/交流电源频率变化)和电力线的干扰(图1(0100)CBEMA曲线)。升压转换器还可以提供主动功率因子校正，典型地产生一超过95％理论上的功率因子，且显著减少由电源供应器及其负载产生的总谐波。

在电池备份模式下的基本升压转换器1600

图16(1600)描述在直流电池备份模式下的升压转换器电流路径Ib：

在任何时间中，升压转换器成为一以二极管D1及D4导通电流，而二极管D2及D3被反馈偏压而无任何电流通过的直流-直流升压转换器。在此操作之下，无论是在交流或直流操作模式，二极管D1和D2必须被适当地排列以处理功率消耗。新颖之处在于，在直流电池备份模式中，电池串1240可以利用现有的交流-直流电源供应器1250升压转换器1251作为一直流-直流升压转换器，并转换其输出电压到IT负载所需的电压，这排除另一个外部升压转换器。这种安排可以节省成本，空间和提高***的整体效率。

升压转换器拓扑1700-2400

图17(1700)至图24(2400)描述可以如同升压转换器1251用于此发明中的各式不同的升压转换器拓扑结构。这些不同的升压转换器拓扑结构可以被设计成符合“电源线干扰”(符合CBEMA曲线)和交流波形失真(谐波/电压波动/交流电源线的变化)的需求。所描绘的各种升压转换器拓扑包括：

图17(1700)为一示意图，说明可使用在一些较佳发明实施例中的一示范性功率因子校正(PFCPowerFactorCorrection)升压转换器。在图17至24中描绘的升压转换器在输入级可提供功率因子校正(PFC)，具有非常低的线路谐波，并提供接近一致的功率因子。几乎所有用于IT设备的交流-直流电源供应器使用具有主动功率因子校正的升压转换器拓扑结构；

图18(1800)为一示意图，说明可使用在一些较佳的发明实施例中的一示范性无桥式升压转换器；

图19(1900)为一示意图，说明可使用在一些较佳的发明实施例中的一示范性单相PFC升压转换器；

图20(2000)为一示意图，说明可使用在一些较佳发明实施例中的一示范性多态维也纳(Vienna)PFC升压转换器；

图21(2100)为一示意图，说明可使用在一些较佳的发明实施例中的一示范***错无桥式PFC升压转换器；

图22(2200)为一示意图，说明可使用在一些较佳的发明实施例中的一示范性多态无桥式PFC升压转换器；

图23(2300)为一示意图，说明可使用在一些较佳的发明实施例中的一示范性反相降压-升压转换器，根据在电池串使用的电池电压，此拓扑使电池串有效地符合在交流+直流电源供应器中的直流-直流转换器的要求；及

图24(2400)为一示意图，说明可使用在一些较佳的发明实施例中的一示范性非反相降压-升压转换器，这种转换器拓扑利用不同的相位控制(P1/P2)以判断转换器的转换特性。

本领域技艺者将理解在本发明可以使用其他的升压转换器拓扑结构，并且这些示范性的电路拓扑结构并不限于所要求保护的发明范围。

图17(1700)至图24(2400)描述的各种升压及降压-升压转换器可以与交流-直流电源供应器的直流-直流转换器部分组合及/或整合在其中，以形成一整合的转换方法，进而取消了由先前技术UPS***规定的传统的直流-交流转换。这个组件的整合提高整体***效率同时减少整体***架构的组件数量。

具有集成替代能源的混合***2500-2600

图25(2500)及图26(2600)描述具有集成替代能源的一混合***。如图25(2500)中所示，具有集中式电池1201的“分布式”不断电***/电力调节器可以如图26所示，与太阳能板2611和太阳能板直流-直流转换器2612、燃料电池2621、燃料电池直流-直流转换器2622，和飞轮2631整合在一起。所有的替代能源太阳能板2611、燃料电池2621，和飞轮2631可以经由太阳能板直流-直流转换器2612以及燃料电池直流-直流转换器2622储存能量在电池串1240。在交流电源故障/直流电池备份状态，太阳能板2611、燃料电池2621，和飞轮2631将提供电力给服务器1205及充电电池串1240。另一方面，当服务器1205工作在直流输入模式，且电池开关1220在电池模式连接电池串1240至服务器1205的输入端时，电池串1240可作为主要输入电源。在此操作模式下，发电机转换开关1270处在公用模式，经由充电器1230对电池串1240充电，且公用电网交流电源作为备用电源。当电池串1240电压低于其指定的电压时，电池开关1220将切换到公用交流电源而服务器1205将由公用电网交流电源1261供电。

备援配置1+1备援2700-2800

参阅图9(0900)至图11(1100)，机架0940可能包含多个服务器来提供不同计算机处理的需求。图27及图28(2800)描述一在机架0940中的一1+1备援***配置。在此配置中，“具有电池备份能量储存的分布式UPS(不断电)/电力调节器”1202及服务器1205***是与由“具有电池备份能量储存的分布式UPS/电力调节器”1203及服务器1206构成的一完全相同的***并联。当公用电网交流电源1261跌出其正常工作范围(当一120V交流额定输入电压在任一半周期降至低于90V的一第一阀值，或者如果RMS电压针对一预先指定的时间和可能包含但不限于限电、停电、电压骤降、浪涌及不稳定性等情况下低于100V的一第二周期)，包含N个电池串的电池串1240提供备份电力给服务器1205。同样地，当公用电网交流电源1261跌出其正常操作范围，电池串1241包含N个电池串且提供备份能量给服务器1206。图27及图28的配置包含2N个电池串以提供1+1备援服务器备用电源。每一“具有电池备份能量储存的分布式UPS/电力调节器”执行与图12相同的操作模式。

1+1备援的集中式备援2900-3000

图29(2900)及图30(3000)描述一执行与图27(2700)及图28(2800)的1+1备援***相同功能的1+1备援***，但具有一集中式电池***。其电池串数量是1N而非图27(2700)及图28(2800)中的2N。这个***提供了与图27(2700)及图28(2800)的***相同的备援功能，但是少用了1N个电池，少了一个备用交流发电机和少一个控制器。电池串1240在稳态条件下通过电池充电器1230，1231得到来自交流电源1261，1263两者的充电。

1+1备援的集中式备援操作3100-3200

图31(3100)及图32(3200)描述图29(2900)及图30(3000)的“具有集中式电池的1+1备援服务器”结构的操作模式。假设交流电源1261失去电力。当发生这种情况时，图29(2900)及图30(3000)的控制器1210感测到服务器1205输入电压低于其指定范围，并随即发送一个指令到电池开关1220，使操作于直流电池模式并与公用电网交流电源1261断开。因此，电池串1240经由电流路径Ib供应电力给服务器1205。同时，控制器1210指示发电机转换开关1270与失效的交流电源1261断开并连接到备用发电机1262。

电池串1240是被电池充电器1230(来自发电机1262且经由电流路径Ig)充电。同时，他们也被电池充电器1231(源自交流电源1263的B相)经由电流路径Ic充电。在这种情况下，电池串1240提供电力给服务器1205，且从两个备份交流电源被充电：备用发电机1262和交流电源B相1263。

图29(2900)及图30(3000)的控制器在图31(3100)及32(3200)中为了简洁和清楚的显示电流路径而被故意省略。

较佳***实施例摘要

本发明较佳示范性***实施例揭露结构的基本主题的多种变化，但一个广义的不断电***供应器***包括：

(a)电力控制器；

(b)电池开关；

(c)电池充电器；

(d)电池串；及

(e)交流+直流电源供应器；

其中

电力控制器还包括一感应输入及一控制输出；

电池开关还包含一控制输入、一共同输出、第一开关输入，及第二开关输入；

交流+直流电源供应器还包括一电力输入和一负载输出连接；

交流+直流电源供应器的电力输入电连接到电池开关的共享输出；

电池开关的第一开关输入电连接到该电池串；

电池开关的第二开关输入电连接到一公用电网交流电源；

电力控制器的感应输入电连接到公用电网交流电源；

电力控制器的控制输出电连接到电池开关的控制输入；

当来自公用电网交流电源的电力可使用时，该电力控制器的控制输出被配置成启动该电池开关，使公用电网交流电源电连接到交流+直流电源供应器的电力输入，并在来自公用电网交流电源的电力不可使用时，使电池串电连接到交流+直流电源供应器的电力输入；

电池充电器还包括一公用电网交流电源输入、一发电机输入，和一电隔离的负载输出；

电池充电器的电力输入电连接到公用电网交流电源；

电池充电器的发电机输入电连接到一替代电源；

电池充电器的负载输出电连接到电池串；和

电池充电器对电池串充电以响应从公用电网交流电源或替代电源接收到的电力。

此一般***概要可以通过本文中所描述各式组件而增加以产生各种包含整体设计描述的发明实施例。

较佳实施例方法摘要

本发明较佳的示范性方法实施例揭露实现基本主题的各种变化，但可以被广义化为一不断电***供应器方法，该方法与一不断电***供应器***一同工作，并包括：

(a)电力控制器；

(b)电池开关；

(c)电池充电器；

(d)电池串；及

(e)交流+直流电源供应器；

其中

电力控制器还包括一感应输入及一控制输出；

电池开关还包含一控制输入、一共同输出、第一开关输入，及第二开关输入；

交流+直流电源供应器还包括一电力输入和一负载输出连接；

交流+直流电源供应器的电力输入是电连接到电池开关的共享输出；

电池开关的第一开关输入电连接到该电池串；

电池开关的第二开关输入电连接到公用电网交流电源；

电力控制器的感应输入电连接到公用电网交流电源；

电力控制器的控制输出电连接到电池开关的控制输入；

当来自公用电网交流电源的电力可使用时，该电力控制器的控制输出被配置成启动该电池开关，使公用电网交流电源电连接到交流+直流电源供应器，并在来自公用电网交流电源的电力不可使用时，使电池串电连接到交流+直流电源供应器；

电池充电器还包括一公用电网交流电源输入、一发电机输入，和一电隔离的负载输出；

电池充电器的电力输入是电连接到公用电网交流电源；

电池充电器的发电机输入是电连接到一替代电源；

电池充电器的负载输出是电连接到电池串；和

电池充电器对电池串充电以响应从公用电网交流电源或替代电源接收到的电力。

其中该方法步骤包含：

(1)用电力控制器监控公用电网交流电源；

(2)若公用电网交流电源目前正在提供电力，则致动电池开关使公用电网交流电源连接到交流+直流电源供应器；

(3)若公用电网交流电源目前没有提供电力，则致动电池开关使电池串连接到交流+直流电源供应器；及

(4)电池充电器以取自公用电网交流电源或替代电源的电力对电池串充电。

熟悉本领域技艺者将理解这些方法步骤可以被增加或重新建构而不限于本发明的教示。本文中所描述的通用方法可增加各式组件，以产生包含此整体设计描述的多种发明实施例。

在本实施例中所描绘的方法步骤都来自于图4(0400)。然而，这些步骤可以使用如图6(0600)和图8(0800)所示的替代方法而增加，且不失去本发明的教示。

替代的较佳实施例***摘要

本发明可以被以多种较佳的替代形式实施，其中一些可包含以下结构：

●一具有针对数据中心的集中式电池***的分布式不断电/电力调节器，包含以下组件：

■交流-直流电源供应器。一交流-直流电源供应器可以相同的输入连接器在交流或直流输入模式下运作。在交流模式的运作状态下，交流输入电压的范围是85Vrms-265Vrms，40-75Hz，或者是从直流输入范围。在直流模式的运作状态下，电源供应器可以设计为能满足任何直流输入电压范围，只要它能运作在85Vrms-265Vrms，40-75Hz的一交流输入电压范围。该电源供应器具有两个内部的功率转换级：(1)第一级是一能提供主动功率因素校正的升压转换器，及(2)第二级是一直流-直流转换器，其可将该升压输出转换为一较低的已整流或半整流(其额定电压的±10％)的10-14VDC的直流电压汇流排，并供给该IT负载。该电源供应器被设计为能满足CBEMA曲线及交流波型失真要求(谐波、电压波动及交流电源频率变化)，以供运用于电力调节。

■电池开关。一电池开关可连接公用电网交流电源或直流电池电源至前述的电源供应器。在一般的运作状态下，该电池开关连接公用电网交流电源至电源供应器的输入；当该电网交流电源失效时，该电池开关连接该直流电池至电源供应器并自该电网交流电源断开。该电池开关是受控于下述的控制器发出的指令。

■控制器。该控制器监控公用输入电力的质量。在公用电网交流电源中断期间，于自失效的公用电网交流电源断开时，控制器命令电池开关连接至备用电池。此外，控制器也命令备用发电机转换开关连接至发电机，以提供备用电源功能予数据中心。当公用电网交流电源恢复正常，控制器会命令电池开关连接至公用模式。

■隔离式电池充电器。电池充电器设置于公用电网交流电源与电池串之间，并在正常的交流运作状态下对电池串充电。当交流电源失效时，电池充电器会持续从备用发电机对电池串充电。该针对电池充电器的隔离要求是出自于安全考虑，当电池充电器失效时其可提供公用电网交流电源与电池串之间的隔离作用。

■电池串。在正常的交流公用状态下，电池串会被充电。电池串会放电并提供电力予前述的数据中心的电源供应器，以确保当公用电网交流电源失效时，不断电***仍供应予IT负载。

■浪涌保护。EMI/闪电电路提供闪电/线路浪涌保护及噪音抑制功能/电源调节特征。

●前述***的架构中：在一1+1、N+1、N+2…至N+N的备援***中，电池串被集中以减少电池数量并同时保持***备援目标。

●前述***的架构中，该架构适用于一包含微处理器、储存装置、硬盘、内存或其他任意组合的IT负载。

●前述***的架构中，跨接电池开关的缓冲电路用做一能量吸收器。当电池开关从直流模式中断而回到公用模式，该缓冲电路可抑制横跨电池转换电路的电压电弧。

●前述***的架构中，一旁路开关是跨接于电池开关。该静态开关可以是一机械或电子装置。该静态开关提供两种功能：(1)当电池开关及电池进行维护或测试时，其能旁路电池开关；及(2)当电池开关故障时，其可用作为另一电池开关，以增进***的可靠度。

●前述***的架构中，该交流输入电压是以星形(WYE)构造形式连接。

●前述***的架构中，该交流输入电压为三角形结构。

●前述***的架构中，该交流输入电压是一单相线路对由一三相电力***配置的相位电压。

●前述***的架构中，该前述以外的交流输入电压可以从85Vrms到480Vrms。该直流电池电压可以是任何不超过的电压。

●前述***的架构中，该前述以外的交流输入电压是一具有频率介于45Hz到500Hz之间的正弦波。

●前述***的架构中，该***可以与替代能源：太阳能板、燃料电池、飞轮及其他替代能源整合在一起。

●前述***的架构中，电池串可以选自于一化学群组，其选自于：铅酸蓄电池、锂铁、镍镉、钠硫、钒氧化还原、镍镉、碱性电池。

●前述***的架构中，该交流-直流电源供应器可在***处于直流电池备用模式时，作为一直流-直流电源供应器。

●前述***的架构中，该交流-直流电源供应器可在交流模式或直流模式下运作，且任一模式会在连接自交流-直流电源供应器的同一输入下运作。

●前述***的架构中，电池串可以被设计成被所有分布式***共享的一集中式***，或者电池串可以被设计成与每一个电源供应器整合的分布式***。

●前述***的架构中，该电池充电器对在正常运作状态下可被多个交流电源充电的集中电池串充电。而在电力失效事件中，电池串可被其连接的其他交流电源(如备用发电机)进行充电，该交流电源用以提供电池串及负载一额外且不断电的电源。

***/方法的变化态样

本发明揭露基本架构的多种变化。但要特别说明的是，前述实施例并未呈现出所有可能的应用范围，而是仅在几乎无限的可能中揭露部分实施例。

该基本***及方法可由多种辅助实施例扩增，包括但不限于：

●在一实施例中，该公用电源包含一个三相三角形电源。

●在一实施例中，该公用电源包含一个三相星型电源。

●在一实施例中，该负载输出是电连接于一运算装置。

●在一实施例中，该负载输出是电连接于一连网的运算服务器。

●在一实施例中，该电池开关还包括一配置为一能量吸收器的缓冲电路。

●在一实施例中，该电池开关还包括一旁路开关。

●在一实施例中，输入电压对交流+直流电源供应器是一单相电线对一三相电源***配置的相位电压。

●在一实施例中，该***还包含一能量源，该能量源选自由太阳能板、燃料电池、飞轮及替代能源所组成的一群组。

●在一实施例中，该电池串选自由铅酸、铁锂、镍镉、钠硫、钒氧化还原、镍镉电池及碱性电池组成的一化学群组。

熟悉本领域技艺者将可根据前述发明内容教示的组件的组合而理解可能还有其它的实施例。

一般性的计算机可读取媒体

在众多替代的实施例中，本发明可被实现为一计算机程序产品，以运用于一计算机化的计算***。熟悉本领域技艺者能够轻易理解的是，定义由本发明界定功能的程序可被以任何适当的程序语言写成，并能以多种形式传输至计算机，其形式包含但不限于以下内容：(a)永久储存于不可复写的储存媒体(如只读存储器或光盘片等只读记忆装置)的信息；(b)可修改地储存于可复写的储存媒体(如软盘及硬盘)的信息；及/或(c)借由诸如局域网络、电话网络或公共网络(如互联网)等通讯媒介传输至计算机的信息。当运载实施本发明的方法的计算机可读指令时，该计算机可读媒体可呈现出多种本发明的替代实施例。

Claims (15)

1.一种不断电***，与一交流电源相接；其特征在于：

该不断电***包含：

一电力控制器；

一电池串，被该交流电源经由一电池充电器充电；

一电池开关，与该交流电源及该电池串连接；及

一电源供应器，与该电池开关连接，以依据该交流电源的能力，接受来自该交流电源或来自该电池串的电力，且该电源供应器提供相对应的电力给一负载，

其中，当该交流电源可用时，该电力控制器控制该电池开关将来自该交流电源的电力转换至该电源供应器，反之，当该交流电源不可用时，该电力控制器控制该电池开关将来自该电池串的电力转换至该电源供应器。

2.根据权利要求1所述的不断电***，其特征在于：该电源供应器提供一直流电力给该负载。

3.根据权利要求2所述的不断电***，其特征在于：该电源供应器包括一与该电池开关连接的升压转换器，其中，该升压转换器提供一电力给一直流-直流转换器。

4.根据权利要求1所述的不断电***，其特征在于：该不断电***还包含一与该电力控制器及该电源供应器连接的电源选择器，其中，该电力控制器控制该电源选择器从至少一交流电源线和一备用电源中选择该交流电源。

5.根据权利要求4所述的不断电***，其特征在于：该备用电源是一发电机。

6.根据权利要求1所述的不断电***，其特征在于：该不断电***还包含一旁路开关，其选择性地连接在该交流电源与该电源供应器之间，以分路该电池开关、该电池串及该电池充电器。

7.根据权利要求1所述的不断电***，其特征在于：该不断电***还包含一横跨该电池开关的一缓冲电路，其抑制该电池开关切换时产生的一电弧。

8.根据权利要求1所述的不断电***，其特征在于：该不断电***还包含一提供能量给该电池串以提供电力给该负载的能源。

9.根据权利要求8所述的不断电***，其特征在于：该能源选自由太阳能板、燃料电池、飞轮及替代来源构成的一群组。

10.一种不断电***供应方法，运用在一不断电***，其特征在于：该方法包含：

由一电力控制器监控一交流电源的一状态；

当该交流电源可用时，驱动一电池开关将该交流电源连接至一电源供应器；

当该交流电源不可用时，驱动该电池开关将一电池串连接至该电源供应器；

以该交流电源经由一电池充电器对该电池串充电；及

经由该电源供应器提供一直流电源给一负载。

11.根据权利要求10所述的不断电***供应方法，其特征在于：该方法还包含由该电源供应器将来自该交流电源的一电力从交流转换成直流。

12.根据权利要求10所述的不断电***供应方法，其特征在于：使该交流电源与该电源供应器连接的驱动步骤包括：

由一被该电力控制器控制的电源选择器从至少一交流电源线和一备用电源选择该交流电源。

13.根据权利要求10所述的不断电***供应方法，其特征在于：使该交流电源与该电源供应器连接的驱动步骤包括：

经由一旁路开关分路该电池开关、该电池串及该电池充电器。

14.根据权利要求10所述的不断电***供应方法，其特征在于：该方法还包含：经由一能源提供能量给该电池串。

15.根据权利要求14所述的不断电***供应方法，其特征在于：该能源选自由太阳能板、燃料电池、飞轮及替代来源构成的一群组。