專利名稱：用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于數(shù)據(jù)中心的電源技術(shù)，并更具體地，涉及這樣的用于數(shù)據(jù)中心的 混合電源設(shè)備，其適于在維持與交流(AC)數(shù)據(jù)中心的電力設(shè)備的兼容性的同時在機架級 或節(jié)點級供應(yīng)直流(DC)電。
背景技術(shù)：
當前，大量數(shù)據(jù)中心正由全世界的因特網(wǎng)門戶業(yè)務(wù)提供商等操作。所以，已從各種 角度出發(fā)研究用于有效管理每一數(shù)據(jù)中心的電力的技術(shù)。這樣的數(shù)據(jù)中心(具體地，交流(AC)數(shù)據(jù)中心)需要在集中無間斷電源(UPS)架 構(gòu)的能量效率和歸因于多步驟能量變換的能量損耗兩方面考慮。因此，為了改善數(shù)據(jù)中心 的能量效率，已進行從AC數(shù)據(jù)中心到DC數(shù)據(jù)中心的切換。然而，由于DC數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)有AC數(shù)據(jù)中心的電力設(shè)備不兼容，所以當進行從AC 數(shù)據(jù)中心到DC數(shù)據(jù)中心的切換時，要達到的幾個目的(S卩，不僅電力設(shè)備的添加，而且高DC 電壓的安全性的保證和DC分布標準的定義)仍保留。所以，需要能夠在利用DC數(shù)據(jù)中心的特有優(yōu)點的同時維持與現(xiàn)有AC數(shù)據(jù)中心的 兼容性的電力系統(tǒng)的環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明提供了一種將集中無間斷電源(UPS)改變?yōu)闄C架級或節(jié)點級(例如， 計算機、服務(wù)器等)分布架構(gòu)的電源技術(shù)，由此降低安裝成本并增加能量效率。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，包括一個或 多個電源；無間斷機架級電源單元，被供應(yīng)有來自所述一個或多個電源的交流(AC)電，并 被配置為向機架供應(yīng)直流(DC)電，當停止來自所述一個或多個電源的供電時，該電源單元 無間斷地向該機架供應(yīng)DC電；和節(jié)點，被提供在該機架中并被供應(yīng)有來自該無間斷機架級 電源單元的DC電。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，包括一個或 多個電源；機架級電源單元，被供應(yīng)有來自所述一個或多個電源的電力，并被配置為向機架 供應(yīng)直流(DC)電；和節(jié)點，被提供在該機架中并被供應(yīng)有來自該機架級電源單元的DC電， 當停止來自所述一個或多個電源的DC電的供應(yīng)時，該節(jié)點無間斷地向該機架供應(yīng)DC電。


根據(jù)結(jié)合附圖給出的優(yōu)選實施例的以下描述，本發(fā)明的以上和其他目的和特征將變得明顯，其中圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備的配置的框圖；圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備的配置的 框圖；圖3是示出了圖2中的無間斷節(jié)點級電源單元的詳細配置的框圖；和圖4是示出了電壓監(jiān)視單元的電力控制信號的時序圖。
具體實施例方式其后，將參考形成其一部分的附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備(即，用于數(shù)據(jù) 中心的機架級混合電源設(shè)備)的配置的框圖。該混合電源設(shè)備包括第一電源10、第二電源 12、第三電源14、AC電力線16和機架1000。如圖1中所示，第一電源10 (即AC電源)用于通過AC電力線16向數(shù)據(jù)中心供應(yīng) 來自電站(未示出)的AC電(公共電網(wǎng))。將供應(yīng)的AC電從中電壓變換為低電壓，并將低 電壓供應(yīng)到數(shù)據(jù)中心。變換為低電壓的AC電被施加到AC開關(guān)(未示出)，并被用作用于計 算機裝置或冷卻裝置的電力。第二電源12( S卩，柴油發(fā)電機等)用于當暫停來自AC電源(即，第一電源10)的 供電時、向數(shù)據(jù)中心供應(yīng)AC電。第三電源14(S卩，太陽光、燃料電池等)起到AC電源(即，第一電源10)的附加電 源(DC發(fā)電機)的作用。配電單元(PDU)(未示出)將已通過AC開關(guān)的電力供應(yīng)到相應(yīng)計算機的機架，以 用作機架的冷卻電力。即，通過在傳統(tǒng)AC數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)電力結(jié)構(gòu)中、從電力經(jīng)由UPS (無 間斷電源)到達PDU和機架的電力傳輸路徑中去除UPS，而作出該電力結(jié)構(gòu)。通過AC電力線16向機架1000供應(yīng)來自第一電源10、第二電源12和第三電源14 的電力，并且機架1000包括無間斷機架級電源單元(uRPSU) 100和相應(yīng)計算機裝置200。在該情況下，uRPSU 100用于向機架1000供應(yīng)來自電源10、12或14的電力，并且 uRPSU 100包括機架級整流器102-1到102-N、無間斷電源單元104和DC電力線106。機架級整流器102-1到102-N起到將通過AC電力線16輸入的AC電整流為DC電 的作用。由于提供至少兩個或更多機架級整流器102-1到102-N來形成電力結(jié)構(gòu)，所以即 使在一個整流器(例如，第一整流器102/1)中發(fā)生故障，它們也可沒有間斷地供應(yīng)DC電。無間斷電源單元104監(jiān)視由機架級整流器102-1到102-N整流的DC電，并基于監(jiān) 視結(jié)果而供應(yīng)臨時電。詳細來說，無間斷電源單元104包括控制器151和電池152，控制器151用于確定 是否已在輸入DC電中發(fā)生電壓降壓或停電，并取決于確定結(jié)果而控制與充電和放電有關(guān) 的操作，電池152用于在控制器151對于與充電和放電有關(guān)的操作的控制下，向負載供電。DC電力線106向所述計算機裝置200中的每一個提供由機架級整流器102_1到 102-N或無間斷電源單元104所供應(yīng)的DC電。計算機裝置200是例如節(jié)點中包括的服務(wù)器，并包括DC/DC變換單元202和穩(wěn)壓 器模塊(VRM) 204。
DC/DC變換單元202起到將輸入DC電變換為可由計算機裝置200使用的電壓的作 用，并且例如PDB (配電板)可用作DC/DC變換單元202。一般來說，由于計算機裝置使用ATX(高級技術(shù)擴展)電力標準，所以PDB將輸入 DC電變換為12V、5V、3. 3V、5Vsb或-12V的電壓。然而，由于PDB不能應(yīng)用在機架中，所以在 機架中存在不能使用DC電的裝置。這些裝置的代表可以是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或大容量存儲器。這些裝置需要被供應(yīng)來自AC開關(guān)的電力。然而，由于這些裝置還需要通過UPS的 電力的穩(wěn)定化，所以安裝適于計算機裝置的AC設(shè)備的容量的ACUPS，并且其后這些裝置使 用已通過AC UPS的AC電。接下來，將參考圖1來描述根據(jù)本實施例的用于數(shù)據(jù)中心的混合供電方法(S卩，在 停電或異常電力模塊的條件下的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備的工作處理)。首先，當在AC電源(即第一電源10)中發(fā)生停電時，在柴油發(fā)電機(即第二電源 12)可操作之前需要大約幾秒到幾分鐘。在該情況下(第二電源12操作之前)，中斷向沒有與AC關(guān)鍵路徑(例如AC電力 線16)相連的冷卻裝置或其他AC負載的供電。相反，因為激活A(yù)C UPS，所以可保證與AC關(guān) 鍵路徑相連的裝置連續(xù)工作。此外，在機架1000中提供的uRPSU 100的情況下，在輸入AC電中發(fā)生故障，并由 此停止整流器的工作并減小輸出DC電。在該情況下，每一機架1000中提供的無間斷電源 單元104操作，由此使得DC電能夠可靠地供應(yīng)到被供應(yīng)有來自機架1000的DC電的所有計
算機裝置。此外，當?shù)诙娫?2操作時，與所有AC開關(guān)相連的設(shè)備將它們的模式切換到正常 操作模式。然后，當恢復(fù)AC電源10時，柴油發(fā)電機(即第二電源12)也停止其操作。如果在uRPSU 100的機架級整流器102_1到102-N中發(fā)生故障，則可由機架級無 間斷電源單元104來安全操作該電源設(shè)備。圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備(即，用于 數(shù)據(jù)中心的節(jié)點級混合電源設(shè)備)的配置的框圖。該電源設(shè)備包括第一電源10、第二電源 12、第三電源14、AC電力線16和機架1000。詳細來說，圖2圖示了與圖1的機架級的電源結(jié)構(gòu)相比降低一級的無間斷節(jié)點 (計算機或服務(wù)器)級的設(shè)備的電源結(jié)構(gòu)。將省略與圖1的組件相同或相似的組件的詳細 描述?；旌想娫丛O(shè)備包括機架1000，機架1000中具有機架級電源單元IOOa和在每一計 算機裝置200a中提供的無間斷節(jié)點級電源單元202a。首先，在機架級電源單元IOOa中包括機架級整流器101-2到102-N，用于將輸入到 機架1000的AC電變換為DC電壓，由此將該DC電壓輸出到每一計算機裝置。每一計算機裝置包括無間斷節(jié)點級電源單元202a，其中集成有PDB(配電板)、電 池161和電池控制器162。無間斷節(jié)點級電源單元202a包括DC/DC變換單元22，用于將從機架級電源單元 IOOa輸入的DC電變換為該計算機裝置200a使用的電壓，并包括無間斷電源單元20，具有 電池161和電池控制器162。在圖2的實施例中，當發(fā)生故障時，與機架級電源單元IOOa相連的計算機裝置200a可由每一節(jié)點中提供的無間斷電源單元20操作。因此，甚至在已發(fā)生故障之后操作柴 油發(fā)電機(即第二電源12)之前，實現(xiàn)無間斷節(jié)點級電源環(huán)境，并由此可將DC電可靠地供 應(yīng)到計算機裝置200a。圖3是示出了圖2中示出的無間斷節(jié)點級電源單元202a的詳細配置的圖。如圖3中所示，將無間斷節(jié)點級電源單元202a劃分為無間斷電源單元20和DC/DC 變換單元22。無間斷電源單元20包括電池(未示出)、用于控制該電池的電池控制器162、用于 將輸入DC電壓變換為與當對電池進行充電時的電池電壓相同的電壓的第一電壓變換單元 2-1、和用于將輸入DC電壓變換為與當對電池進行放電時的電池電壓相同的電壓的第二電 壓變換單元2-2。無間斷電源單元20還包括二極管Dl和D2、進入(incoming)開關(guān)SW1、以 及輸入/輸出開關(guān)SW2。這里，進入開關(guān)SWl以及輸入/輸出開關(guān)SW2可以是例如場效應(yīng)晶 體管(FET)開關(guān)等。DC/DC變換單元22包括用于將輸入電力直接連接到輸出電力的直接連接單元6、 用于將輸入DC電壓變換為計算機裝置200a使用的輸出DC電壓的電壓變換單元8_1和8_2、 用于監(jiān)督電壓狀態(tài)并向負載通知電壓異常的電壓監(jiān)督器10、二極管D3和FET開關(guān)SW3。下面將描述無間斷節(jié)點級電源單元202a的詳細操作。首先，當向無間斷節(jié)點級電源單元202a施加輸入DC電時，將施加的DC電傳遞到 無間斷電源單元20。無間斷電源單元20的二極管Dl和進入開關(guān)SWl阻止反向電流(即，二極管的功 能)，并通過控制FET的柵極電極而執(zhí)行正向電流的通/斷控制。例如，當進入開關(guān)SWl的 柵極電極接通時，進入開關(guān)SWl成為接通，反之，當進入開關(guān)SWl的柵極電極關(guān)斷時，進入開 關(guān)SWl成為關(guān)斷。這里，當正常施加輸入DC電時，無間斷電源單元20的進入開關(guān)SWl接通，由此向 DC/DC變換單元22供應(yīng)DC電。這時，當電池沒有被完全充電時，與電力供應(yīng)同時執(zhí)行電池的充電。由于電池的電 壓一般與輸入電壓不同，所以輸入DC電經(jīng)由第一電壓變換單元2-1對電池充電。當電池放 電時，將輸入DC電經(jīng)由第二電壓變換單元2-2傳遞到DC/DC變換單元22。此外，電池控制器162控制輸入/輸出開關(guān)SW2的柵極。例如，當在輸入電壓中發(fā) 生異常時，電池控制器162通過接通輸入/輸出開關(guān)SW2將正常電池輸出電壓供應(yīng)到負載。在該情況下，電池控制器162可附加包括計算機接口。這樣的計算機接口可使用 例如RS232、I2C、和以太網(wǎng)的各種通信協(xié)議來連接，并將該節(jié)點的電池的信息傳送到計算 機。在計算機中，安裝能夠接收電池信息的代理，并可由該代理監(jiān)視節(jié)點電池的狀態(tài)。將輸入到DC/DC變換單元22的DC電的電壓變換分類為三種類型。第一類型是使用直接連接單元6的輸出方法。S卩，將輸入DC電壓直接用作輸出電 壓。例如，當輸入電壓是12V時，將12V電壓用作輸出電壓，而不變換DC電壓。第二類型是使用電壓降壓變換單元8-1的輸出方法。S卩，將輸入DC電壓變換為較 低，并將較低的DC電壓用作輸出電壓。例如，當輸入DC電壓是12V時，將其變換為5V或 3. 3V的輸出電壓。第三類型是使用電壓增壓變換單元8-2的輸出方法。即，將輸入電壓變換為較高，并將較高的電壓用作輸出電壓。例如，當輸入DC電壓是12V時，將其變換為24V的輸出電壓。此外，要在變換單元8-1和8-2中變換的輸入DC電壓由電壓監(jiān)督器10監(jiān)督。艮口， 電壓監(jiān)督器10生成例如滿足ATX電力標準的信號PS_0N或PWR_0K的控制信號，并當電壓異 常時，向負載通知異常性。滿足ATX電力標準的控制信號PS_0N或PWR_0K在圖4中示出。 電壓監(jiān)督器10生成電力控制信號的操作可通過參考圖4中示出的ATX電力標準的時序圖 而容易地理解。如上所述，本發(fā)明提供了用于將集中UPS改變?yōu)闄C架級或節(jié)點級分布結(jié)構(gòu)的電源 技術(shù)，由此降低安裝成本并增加能量效率，并還提供了能夠同時解決AC數(shù)據(jù)中心和DC數(shù)據(jù) 中心的問題的混合數(shù)據(jù)中心電力結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上實施例，本發(fā)明的有利之處在于，由于在沒有改變傳統(tǒng)AC數(shù)據(jù)中心的電 力結(jié)構(gòu)的情況下在機架級供應(yīng)DC電，并且UPS在機架級或節(jié)點級供應(yīng)臨時電，所以可改善 電力效率和UPS效率(大約10% )，并可在機架級提供N+1電力冗余。因此，本發(fā)明的有利 之處在于，與現(xiàn)有AC數(shù)據(jù)中心相比，電力效率的改善被預(yù)測為大約20%或更多，并且不需 要大規(guī)模UPS系統(tǒng)的安裝，并存在其他相關(guān)成本的降低。盡管已針對優(yōu)選實施例示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是， 可進行各種改變和修改，而不脫離以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，包括一個或多個電源；無間斷機架級電源單元，被供應(yīng)有來自所述一個或多個電源的交流(AC)電，并被配置為向機架供應(yīng)直流(DC)電，當停止來自所述一個或多個電源的供電時，該電源單元無間斷地向該機架供應(yīng)DC電；和節(jié)點，被提供在該機架中并被供應(yīng)有來自該無間斷機架級電源單元的DC電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該無間斷機架級電源單元包括兩個或多個機架級整流器，用于將來自所述一個或多個電源的交流(AC)電整流為DC電；無間斷電源單元，用于監(jiān)視該機架級整流器所整流的DC電，以基于監(jiān)視的DC電來供應(yīng) 臨時DC電；禾口DC電力線，用于將該機架級整流器所整流的DC電或該無間斷電源單元所供應(yīng)的臨時 DC電提供到該節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該無間斷電源單元包括 控制器，用于取決于該機架級整流器所整流的DC電的監(jiān)視結(jié)果，來控制充電和放電操作；和電池，用于在該控制器對于充電和放電操作的控制下，向該節(jié)點供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該控制器確定是否在該機架 級整流器所整流的DC電上發(fā)生電壓降壓或停電，并且取決于電壓降壓或停電的確定結(jié)果， 來控制充電和放電操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該節(jié)點包括DC/DC變換單元， 用于將該DC電變換為該節(jié)點要使用的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該節(jié)點包括服務(wù)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該DC/DC變換單元包括配電 板(PDB)。
8.一種用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，包括 一個或多個電源；機架級電源單元，被供應(yīng)有來自所述一個或多個電源的電力，并被配置為向機架供應(yīng) 直流(DC)電；和節(jié)點，被提供在該機架中并被供應(yīng)有來自該機架級電源單元的DC電，當停止來自所述 一個或多個電源的DC電的供應(yīng)時，該節(jié)點無間斷地向該機架供應(yīng)DC電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該節(jié)點包括無間斷節(jié)點級電 源單元，被配置為使得當在所述一個或多個電源之中的一個電源中發(fā)生故障時，在所述一 個或多個電源之中的另一電源操作之前供應(yīng)該DC電。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該無間斷節(jié)點級電源單元 包括無間斷電源單元，用于當從所述一個或多個電源之中的所述一個電源輸入正常DC電 或異常DC電時，沒有間斷地向該節(jié)點供應(yīng)該DC電；和DC/DC變換單元，用于將來自該機架級電源單元的DC電變換為要由該節(jié)點使用的輸出DC電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該無間斷電源單元包括 電池；電池控制器，用于控制該電池的充電或放電；第一電壓變換單元，用于將輸入DC電壓變換為與當該電池控制器控制該電池的充電 時的電池電壓相同的電壓；和第二電壓變換單元，用于將輸入DC電壓變換為與當該電池控制器控制該電池的放電 時的電池電壓相同的電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該電池控制器通過接口與 用于監(jiān)視該電池的狀態(tài)的計算機相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該接口通過通信協(xié)議將該 電池控制器與該計算機相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該無間斷電源單元包括 進入開關(guān)，被接通，并被配置為當該電池被完全充電時，將該DC電供應(yīng)到該DC/DC變換單元；和輸入/輸出開關(guān)，被接通，并被配置為當該電池沒有被完全充電時，將該第二電壓變換 單元所變換的DC電供應(yīng)到該DC/DC變換單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該進入開關(guān)是場效應(yīng)晶體 管(FET)，該FET包括柵極電極，當正常供應(yīng)該DC電時，該柵極電極由電池控制器接通，以接 通該FET。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該輸入/輸出開關(guān)是FET， 該FET包括柵極電極，當異常供應(yīng)該DC電時，該柵極電極由電池控制器接通，以接通該FET。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該DC/DC變換單元包括 直接連接單元，用于將來自該無間斷電源單元的DC電直接連接到輸出電壓；電壓變換單元，用于將該DC電變換為要由該節(jié)點使用的輸出DC電壓；和 電壓監(jiān)督器，用于監(jiān)督該DC電的狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該電壓變換單元包括 電壓降壓變換單元，用于將該DC電的電平降壓到第一預(yù)置電平；和電壓升壓變換單元，用于將該DC電的電平升壓到第二預(yù)置電平。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該電壓監(jiān)督器生成滿足高 級技術(shù)擴展(ATX)電力標準的電力控制信號，并將該電力控制信號傳送到該節(jié)點。
20.根據(jù)權(quán)利要求8的用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，其中該節(jié)點包括服務(wù)器。
全文摘要
一種用于數(shù)據(jù)中心的混合電源設(shè)備，包括一個或多個電源；和無間斷機架級電源單元，被供應(yīng)有來自所述一個或多個電源的交流(AC)電，并被配置為向機架供應(yīng)直流(DC)電，當停止來自所述一個或多個電源的供電時，該電源單元沒有間斷地向該機架供應(yīng)DC電。該設(shè)備還包括節(jié)點，被提供在該機架中，并被供應(yīng)有來自該無間斷機架級電源單元的DC電。
文檔編號H02J9/06GK101951015SQ20091026189
公開日2011年1月19日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者權(quán)元玉, 金成云 申請人:韓國電子通信研究院