电气多模功率转换器模块和电力系统的制作方法

本发明大体上涉及供电技术，更具体而言，涉及电气多模电力转换器模块和包括此类电气多模电力转换器模块的供电系统。

背景技术：

供电系统被用于几个应用中，以供应受控和可靠电力至负载。

电池供电的直流不间断电源被广泛用于提供可靠、不间断电力至电信和服务器设备。交流不间断电源也被广泛用于提供不间断电力至数据中心、医疗设备和许多类型的工业关键服务设备。交流和直流不间断电源为极其不同的类型的设备，并且通常由不同的制造商提供，具有不同的部件、不同的外形拟合因素和成本结构。

现有技术供电系统可包括在机架或机柜内的几个电力转换器模块，其中，转换器模块将输入交流电力转换成或受控交流输出电力，或受控直流输出电力。一些转换器模块将直流输入电力(例如，来自电池)转换成受控交流输出电力，或受控直流输出电力。

一种现有技术转换器模块为Flatpack2转换器模块，由Eltek ASA销售和营销。这个转换器模块可将输入交流电力(通常干线)转换成受控直流输出电力(通常直流电力至通信设备、数据中心设备、电池的电力储存装置或其他交流负载)。此类转换器模块常常指代为整流器。

另一现有技术转换器模块为Theia转换器模块，也由Eltek ASA销售和营销。这个转换器模块可将输入直流电力(通常太阳能电力)转换成受控输出交流电力(通常交流设备、干线等)。此类转换器模块常常指代为逆变器。

另一现有技术转换器模块为所述Flatpack2直流-直流转换器模块，也由Eltek ASA销售和营销。这个模块可将输入直流电力(通常太阳能电力、电池电力)转换成受控输出直流电力(通常直流电力至通信设备、数据中心设备或其他交流负载)。

该转换器模块可由控制模块控制。一种现有技术控制模块为SmartPack2控制模块，由Eltek ASA销售和营销。此类现有技术转换器模块可提供于现有技术供电系统中的机架设备内。在此类系统中，恰当类型的转换器模块被放置入电力系统内的恰当架子内它的恰当位置处很重要。

此类现有技术电力系统具有某些劣势。分开的整流器模块和逆变器模块(适入于架子)必须设计有插槽和连接器，用于这些具体模块。用户最终拥有不同的架子，架子上含具有不同功能的模块；因而库存内有不同的模块和架子。

US 2011/0278933描述一种不间断电源(UPS)系统，该系统包括：AC输入，被配置为耦合至AC电源；AC输出，被配置为耦合至负载；电力转换电路，包括：第一转换器电路，被配置为接收来自各种可用电源的电力；第二转换器电路，耦合至AC输出；DC环节，耦合第一和第二转换器电路；以及开关电路，例如旁路电路，被配置为选择性耦合和解耦AC输入和AC输出。

UPS系统包括：第一和第二电力转换模块，具有通用架构，包括由DC总线连接的第一和第二转换器单元；电池接口单元，用于将电池耦接至DC总线；以及模块控制单元。该模块控制单元可与系统控制电路操作性关联，该系统控制电路，例如，限定在如下文描述的各种操作模式中，电力转换模块的互操作。模块可具有相同或不同的外形因素和/或容量。例如，模块可具有通用外形因素和/或外部连接配置，并且可设计为可互换安装于系统底架内。

第一转换器电路可作为AC-DC转换器或作为DC-DC转换器模块而操作。这由模块控制单元控制。

这个出版物中所描述的模块并非十分灵活，并且主要对AC负载供电可用。

US 2010/0026098描述了一种电源组件，该电源组件包括多个供电模块，该供电模块可平行操作，并且插入或可插入通用机架。每个电源模块具有逆变器分支，用于持续供应电力至负载分支的输出处的负载。电源组件还具有旁路组件，当通过逆变器分支的电源失效或不足时，该旁路组件确保电源。如果每个电源模块具有连接至负载分支(平行于逆变器分支)的旁路，电源的可靠性得到加强。当逆变器路径适当工作时，所述旁路从负载分支分离，并且在逆变器分支失效的情况下，为了维持电源，所述旁路可由控制电路自动连接至负载分支。

优选地，这些模块由位于它们的壳体内部的控制电路所控制。控制电路可与其他模块的控制电路通信。并且，此处负载为AC负载，以及旁路为电源组件的功能。

并且此处，在这个出版物中所描述的模块并非十分灵活，而且主要对向AC负载供电有用。

US 2010/0026093公开了一种双向AC/DC/AC转换器，该转换器具有AC输入、AC输出和双向DC端口。

本发明的目的是提供便于配置或重新配置的电力转换器模块和供电系统，特别是，当期望改变电力转换器模块或供电系统的所需操作模式时。

另一目的是，在不改变控制软件和不需要电工时，本发明应易于配置和重新配置。

另一目的是提供一种供电系统，其中以更有效的方式，在第一和第二交流端子之间存在电偶绝缘。

另一目的是，本发明应当可用于许多类型的应用中，包括可周期性产生可再生能源的应用。

技术实现要素：

已在权利要求中阐明该发明。

附图说明

现在将参考所附图示，详细描述该发明的实施方式，其中：

图1为示出提供于机柜内的供电系统的示意性透视图；

图2为示出电气多模电力转换器模块的示意性框图；

图3为示出电气多模电力转换器模块的后侧和它的模块连接器的示意图；

图4为示出两电气多模电力转换器模块和它们至第一和第二印刷电路板的连接的示意图；

图5至图9示出在不同状态和不同条件下，经过模块的电力流动。

具体实施方式

图1示出了一种供电系统1，设置于机柜(cabinet)2内。在机柜2的上部，设置有机架(shelfe)20。在这个实例中，存在六个机架，一个在另一个之上。例如，每个机架可具有19英寸的标准化宽度和1U(架构单元)的高度。

供电系统1包括很多转换器模块10。在所示出的实例中，每个机架20包括四个隔间，每个转换器模块10一个隔间。并且，在机柜2的上部内设置控制模块5。

此处，“模块”为一台或一组设备，该设备可插入上述隔间或从上述隔间取出。该模块包括连接至印刷电路板的电气和电子部件，该印刷电路板被纳入底架内，通常它的所有连接接口在它的后侧可用。此外，为消除所述部件所带来的热，该模块常常包括用于吹动空气通过底架的风扇。

在机柜2的下部6，提供电池。

转换器模块的所有连接接口位于转换器模块10的后侧，而且，用于将转换器模块10连接至输入交流电力、输出直流电力、控制模块5等的连接器位于机架的后侧。因而，通过将转换器模块推入机架的恰当位置，可将转换器模块10连接至机架。

在相关现有技术的供电系统中，要求机柜2被恰当地配置。一些现有技术供电系统具有两个或更多不同类型的转换器模块。随后重要的是，恰当类型的转换器模块被置入恰当机架内它的恰当位置。

在本发明的一个方面中，供电系统1包括此处所公开类型的若干电气多模电力转换器10模块。

图2为示出根据该发明的电气多模电力转换器模块10的示意性框图。

电气多模电力转换器模块10包括：AC/DC转换器30，该AC/DC转换器包括第一AC端口32。电气多模电力转换器模块10进一步包括DC/AC转换器40，该DC/AC转换器包括第二AC端口42。并且，电气多模电力转换器模块10包括DC/DC转换器50，该DC/DC转换器包括DC端口52。

AC/DC转换器30、DC/AC转换器40和DC/DC转换器50中的每个可为任何适当类型，这可由技术人员选择。每个转换器可通过诸如通信总线70的外部控制通信装置控制。

电气多模电力转换器模块10进一步包括控制器60和通信总线70，该通信总线70将AC/DC转换器30、DC/AC转换器40、DC/DC转换器50和控制器60相互连接。因此，通信总线70的目的为在该控制器和各个控制器30、40、50之间提供通信。

电气多模电力转换器模块10进一步包括内部DC总线72，该DC总线72用于在AC/DC转换器30、DC/AC转换器40和DC/DC转换器50之间传输电力。在图2中，这个内部DC总线72由双向箭头所指示。

在WO 2014/114481,WO 2012/055869和WO 2012/055862中详细描述AC/DC转换器30、DC/AC转换器40和DC/DC转换器50的电气和电子部件，以及这些电路的控制。应该注意的是，用以控制它们的其他拓扑和方法也可用于此处描述的模块和供电系统中。

控制器可包括微控制器或微处理器，以及用于保存处理指令的存储器，该处理指令导致控制器依照预定操作状态执行某些控制/配置任务，将在下文中进一步解释。可替换地，控制器可包括其他类型的逻辑电路，例如可编程逻辑电路等，该逻辑电路确保本文中公开的它的功能。

控制器60还包括硬件配置端口62。控制器60被配置为从硬件配置端口62读取值。

控制器60被配置为将电力转换器模块10设置在一个操作状态下，该操作状态是在一组预定状态中选择的。预定组状态的选择由控制器60依照从硬件配置端口62读取的值进行。该预定组状态包括以下：

-第一状态，其中，电力转换器模块10在第一AC端口32和DC端口52之间传输电力，而且其中，第二AC端口42被禁用，

-第二状态，其中，电力转换器模块10在DC端口52和第二AC端口42之间传输电力，而且第一AC端口32被禁用，以及，

-第三状态，其中，电力转换器模块10在第一AC端口32、第二AC端口42和DC端口52之间传输电力。

在第一状态中，电力转换器模块10可在第一AC端口32和DC端口52之间双向传输电力。在第二状态中，电力转换器模块10可在DC端口52和第二AC端口42之间双向传输电力。在第三状态中，电力转换器模块10可在任意第一AC端口32、第二AC端口42和DC端口52之间双向传输电力。

转换器的电力端口的禁用应理解为，通过使用控制器60命令转换器的电力电路中的开关，以保持高阻条件并且因而断开负载或能量源，防止任何方向的电力流动。

由电力转换器模块双向传输电力可包括电力转换器模块的转换器具有在任一方向传导电流的内置能力的电力阶段。双向DC电力端口的实例为，设计为允许对电池充电或放电的DC端口。当充电时，电池从能量源接收能量。当放电时，电池为能量源。双向电力端口的另一实例为，连接至公用AC干线的AC端口，通过该公用AC干线，能量可从AC干线消耗或供应至公用AC干线。

例如，从硬件配置端口读取的值可为两位值，导致四种可能的组合。在该情况下，可利用组合中的三种，与上文所提第一、第二和第三状态相对应。

在电气多模电力转换器模块10的实施方式中，硬件配置端口62包括模块连接器SSM。

在更加具体的实施方式中，模块连接器SSM可连接至开关连接器SSC。

更加具体而言，开关连接器SSC在一实施方式中可连接至状态开关SS。

在电气多模电力转换器模块10的上述实施方式的任一个中，电气多模电力转换器模块10可进一步包括通信连接器64，该通信连接器64通信连接至通信总线70。通信连接器64可为控制器60的一部分，或通信连接至控制器60。

在此类实施方式中，控制器60可被配置为在通信连接器64处，提供指示电力转换器模块10的当前所选状态的数据。

在该发明的一个方面中，电气多模电力转换器模块可形成供电系统1的部分，如图1所示出的电力系统1，其中包括上文所公开的电气多模电力转换器模块10。

此类供电系统包括机架设备20，机架设备20包括至少一个隔间。上文所提实施方式的任一个所公开的电气多模电力转换器模块10插入至少一个隔间。

在此类供电系统1的实施方式中，对于插入隔间内的每个电气多模电力转换器模块，硬件配置端口包括模块连接器SSM。此类模块连接器SSM可连接至开关连接器SSC，该开关连接器SSC进一步连接至状态开关SS。

更具体而言，在供电系统1的此类实施方式中，开关连接器SSC和模块连接器SSM可互相连接。

更具体而言，开关连接器SSC可布置于机架设备20内的至少一个隔间的后部。此外，模块连接器SSM可布置于插入隔间内的电气多模电力转换器模块10的后部。

在上文所公开的供电系统1的任一实施方式中，状态开关SS可包括DIP开关，该DIP开关布置于机架设备20的后部。可替换地，在供电系统1的任何此类实施方式中，状态开关SS可包括布置于机架设备20的后部的跳线连接器。

图3为示出电气多模电力转换器模块1的后部和它的模块连接器的示意图。

电气多模电力转换器模块10以可插入机架设备20的至少一个隔间内的方式调整。更具体而言，当电力转换器模块插入隔间内时，电力转换器模块的模块连接器与设置于机架设备20的隔间内的相对应的连接器相互连接。

设置于电力转换器模块后侧的电气多模电力转换器模块的硬件配置端口62包括模块连接器SSM。模块连接器SSM可为上文参考图2所解释的硬件配置端口62的实现方式。

进一步，在图3中，连接器ACMout可与设置在电力转换器模块10内的AC/DC转换器30的第一AC端口32相对应。

同样地，连接器ACMin可与设置在电力转换器模块10内的DC/AC转换器40的第二AC端口42相对应。

连接器DCM可与设置在电力转换器模块10内的AC/DC转换器50的DC端口52相对应。

连接器COMM可与通信连接至通信总线70的通信连接器64相对应。

图4为示出两个电气多模电力转换器模块和它们至第一和第二印刷电路板的连接的示意图。

每个电气多模电力转换器模块10a、10b以可插入机架设备20的各个隔间内的方式调整。如已参考上文图3所解释的相同的方式，当各个电力转换器模块插入隔间内时，每个电力转换器模块10a、10b的模块连接器与设置在机架设备20的隔间内的相对应连接器互相连接。

连接器SSM、ACMout、ACMin和COMM与它们的同样指示的对等部分(参考上文图3所描述)相对应。如参考上文图3所描述的，连接器DCPM DCNM与连接器DCM相对应(DC端口52)。

PCB1和PCB2分别指示设置在机架设备20内的第一和第二印刷电路板。在使用期间，电气多模电力转换器模块10插入至少一个隔间内。

在这个插入期间，电力转换器模块10a的模块连接器SSM连接至第一印刷电路板PCB1内的开关连接器SSC。该开关连接器SSC进一步连接至设置在第一印刷电路板内的状态开关SS。具备优势地，该状态开关SS可包括布置于机架设备20的后部的DIP开关。

开关连接器SSC布置于机架设备20的至少一个隔间的后部。模块连接器SSM布置于插入隔间内的电气多模电力转换器模块10a的后部。

以对应方式，当电力转换器模块10a插入隔间内时，连接器ASMout连接至设置在第一印刷电路板PCB1的连接器ACSin。

并且，当电力转换器模块10a插入隔间内时，连接器ACMin连接至设置在第二印刷电路板PCB2的连接器ACSin。进一步，连接器DCPM DCNN连接至设置在第二印刷电路板PCB2的连接器DCS，而且，连接器COMS连接至设置在第二印刷电路板PCB2的连接器COMM。

如图4中非标记箭头已示意性指示，进行第二电力转换器模块10b(当其插入机架设备20的第二隔间内时)的后侧上的连接器之间的相对应的连接。

包括多模电力转换器模块10的所得电力系统1可用作AC不间断电源，或DC不间断电源或同时用作二者。该系统由转换器模块10构建，转换器模块10中的每个可配置为起DC不间断电源中的整流器的作用，或起AC不间断电源中的逆变器的作用。每个转换器模块10由外部HW开关(硬件配置端口62)编程，以提供两功能中任一个，或同时二者。

在当前所公开的电力转换器模块和供电系统的一些方面中，电力转换器模块的配置独立于模块本身。相反，所述配置取决于硬件开关的状态，硬件开关设置在结合到电力机架内的插槽内。当所述模块插入电力机架内它的位置时，该模块连接至HW开关。模块后方的一个连接器随后连接至电力机架内的匹配连接器。以这种方式，确定电力转换器模块是否编程为整流器、逆变器或二者。

本发明提供了一种电力转换器模块和供电系统，如果所需操作模式需要改变，该电力转换器模块和供电系统可以以简单方式重新配置。改变所需操作模式的此类需要的实例为，数据中心服务的提供商是否想要改变从48V伺服服务器至230VAC伺服服务器的服务器设备。

需要灵活性的另一实例为，数据中心主机可能甚至无法提前知道潜在客户更喜欢何种设备。因此，服务提供商需要为两种类型的供电选项DC或AC做好准备。本发明的优势为，电力转换器模块和供电系统可以在AC或DC电力是否应当被实际使用的决定之前购买和安装，AC或DC电力是否应当被实际使用的决定可以在稍后的时间点进行。

实例1：

在第一实例中，包括几个模块10的供电系统1被用于从AC干线同时供应电力至DC负载和AC负载。第一AC端口32连接至AC干线，第二AC端口42连接至AC负载，而且DC端口52连接至电池和模块10之外的DC负载(即，电池与电池并联连接)。此处，各个模块10通过它们各自的硬件配置端口被设置为处于它们的第三状态。

只要AC干线供应电力，AC/DC转换器将向DC/DC转换器和DC/AC转换器两者供应电力至。DC/DC转换器将供应电力至电池和DC负载，而DC/AC转换器将供应电力至AC负载。图5中指示在这种情况下的电力流动。

在AC干线不供应电力的情况下(AC干线故障)，DC/DC转换将从电池供应电力至DC/AC转换器，以及进一步至AC负载。电池将直接供应电力至DC负载。图6中指示在这种情况下的电力流动。

实例1为标准AC不间断电源功能。

实例2：

在第二实例中，包括几个模块10的供电系统1被用于从十分弱或有故障的AC干线向AC负载和DC负载两者供应电力。用此类AC干线，则存在增加的风险，即电压和/或电流峰值可能损坏转换器或甚至是负载(尤其是AC负载，因为电偶绝缘仅仅存在于DC/DC转换器中)。

此处，模块10的一半通过它们各自的软件配置端口设置处于第一状态，而且剩余模块10通过它们各自的硬件配置端口设置处于它们的第二状态。因此，当AC网供应电力时，AC/DC转换器通过第一半模块的方式，供应电力至电池和直流负载。图7指示第一状态下的电力流动。

第二半模块将使用DC/DC转换器从电池供应电力至DC/AC转换器，以及进一步至AC负载。图8指示第二状态下的电力流动。因而，实现AC干线和AC负载之间的电偶绝缘。

在AC干线不供应电力的情况下(AC干线故障)，第一半模块将不发挥任何功能，而第二半模块将通过使用电池电力，如之前一样继续。电池将直接供应电力至DC负载。

实例3：

在第三实例中，包括几个模块10的供电系统1被用于建筑物内，其中，该建筑物连接至AC干线，但其中建筑物也配备有太阳能电池系统(未示出)。该太阳能电池系统包括逆变器(未示出)，该逆变器用于将由阳能电池产生的DC电压转换成用于建筑物内的AC电压。

建筑物内的负载主要为AC负载，但DC负载也可存在。

此处，第一AC端口32连接至建筑物外的AC干线。第二AC端口42连接至建筑物内部的AC网络(即，同时至AC负载，以及至太阳能电池AC供应)。DC端口52连接至电池和DC负载(即，电池与电池并联连接)。此处，各个模块10通过它们各自的硬件配置端口被设置处于它们的第三状态。

在夜间，无来自太阳能电池系统的AC电力的供应。此处，供电系统1根据上文实例1，即，如图5或图6所指示，依照AC干线的存在，发挥功能。

在具有许多太阳光的日间，太阳能电池系统可产生比建筑物内部AC网络的AC负载所消耗的AC电力更多的AC电力。此处，供电系统(由于它的双向功能)从DC/AC转换器40供应电力至AC/DC转换器30，以及进一步至AC干线和DC-DC转换器50(为对电池充电)。图9指示在这个情境中的电力流动。

应当注意，在上述图5、图7和图9中，如果电池被充满，并且不存在DC负载，则没有电力流经DC/DC转换器50。此处已通过非限制性实例解释该发明。该发明的范围由所附权利要求决定。