不断电系统及其操作方法
【专利摘要】本发明公开了一种不断电系统及其操作方法，该不断电系统包含一电力分配装置与一电力备援装置。该电力分配装置包含多个电源供应单元，该多个电源供应单元接收一外部交流电源，并转换该外部交流电源为一第一直流输出电源，对一直流负载供电。该电力备援装置含多个电力转换模块，该多个电力转换模块接收一外部直流电源，并转换该外部直流电源为一第二直流输出电源，对该直流负载供电。当该外部交流电源供电时，该直流负载通过该第一直流输出电源供电；当该外部交流电源中断供电时，该直流负载通过该第二直流输出电源供电。
【专利说明】不断电系统及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明有关一种不断电系统及其操作方法，尤指一种根据外部交流电源供电状况，对直流负载提供直流输出电源供电切换的不断电系统及其操作方法。
【背景技术】
[0002]不断电系统(或称UPS,即Uninterruptible Power Supply)是在电网异常的情况下不间断的为电器负载设备提供备用电源，以维持电器正常运作的设备。不断电系统常被使用于维持伺服器或交换机等关键性商用设备或精密仪器的不间断运行，防止计算数据遗失、电话通信网络中断或仪器失去控制。此外，不断电系统除了可应付电力中断外，并可在电力线持续过压或持续欠压时提供电压调整。再者，对于抑制其输入电力线的暂态及谐波扰动亦有良好的效果。
[0003]在当今信息化网络快速发展的年代,互联网数据中心(internet data center,IDC)机房内配备了大量的伺服器电源设备，用来满足日益增长的信息通讯网络服务。这些设备数量多，功率消耗大，且供电品质要求高，因此需要高品质的不断电系统来保证其可靠运行。
[0004]请参见图1，为现有技术具有单电源输入的不断电系统的电路示意图。如图1所示，该具有单电源输入的交流不断电装置IOA为一交流不断电系统(AC uninterruptiblepower supply, AC UPS),并且直接电性连接一外部交流电源Vsac,例如一交流市电(ACutility)。该电力分配装置(power distribution unit,PDU) 20A电性连接该交流不断电装置10A。该电力分配装置20A包含多个电力供应单元(power supply unit，PSU) 202_1A?202_NA，并且，每一该电力供应单元202_1A?202_NA通过一对应的插槽(未图示)装设于该电力分配装置20A内。当该外部交流电源Vsac正常供电时，该具有单电源输入的交流不断电装置10A接收该外部交流电源Vsac，并且通过该电力分配装置20A将该交流电源Vsac转换为一直流输出电源Vdc，以供应一直流负载30A所需的直流电源。值得一提，设置于该电力分配装置20A内的该多个电力供应单元202_1A?202_NA可将该交流电源Vsac对应转换为该直流输出电源Vdc输出，以提供该直流负载30A所需的供电电压及功率大小。此夕卜，一旦当该外部交流电源Vsac中断供电时，该交流不断电装置10A就扮演起供电的责任，将交流电力提供给该电力分配装置20A，再由该多个电力供应单元202_1A?202_NA所接收到的交流电力对应转换为该直流负载30A所需的该直流输出电源Vdc输出，以对该直流负载30A供电。
[0005]惟，图1所示该交流不断电装置10A与该电力分配装置20A的供电架构，虽然可通过改变该交流不断电装置10A的供电功率，以提供该直流负载30A更具弹性的需求功率，但却具有以下的缺点:一、该交流不断电装置10A与该电力分配装置20A分开设置，因为所需占用机柜空间大；二、需要额外锁附配线，将增加材料与人工成本且降低组装效率；三、若该交流不断电装置10A失效，则需回收整台不断电机组，并且整个供电系统需要在该交流不断电装置10A更换过程停机；四、由于每一级转换的过程都会有损失，因此在此两级供电架构下的供电效率将大大地降低。
[0006]请参见图2，为现有技术另一具有单电源输入的不断电系统的电路示意图。如图2所示，该电力分配装置22A直接电性连接一外部交流电源Vsac，例如一交流市电(ACutility)。值得一提，该电力分配装置22A包含多个具有不断电功能的电力供应单元(PSUwith UPS function) 222_1A?222_NA，也就是说，相较于图1的供电架构，图2所揭示的供电架构主要将图1所揭示的该交流不断电装置IOA与该电力分配装置20A整合为一体，使得每一该具有不断电功能的电力供应单元222_1A?222_NA可通过一对应的插槽(未图示)装设于该电力分配装置22A内。因此，当该外部交流电源Vsac正常供电时，该电力分配装置22A接收该外部交流电源Vsac，并且通过该多个具有不断电功能的电力供应单元222_1A?222_NA将该交流电源Vsac对应转换为该直流输出电源Vdc输出，以提供该直流负载30A所需的供电电压及功率大小。此外,一旦该外部交流电源Vsac中断供电时，该电力分配装置22A就扮演起供电的责任，通过该多个具有不断电功能的电力供应单元222_1A?222_NA将所接收到的交流电力对应转换为该直流输出电源Vdc输出，以提供该直流负载30A所需的供电电压及功率大小。
[0007]惟，图2所示该整合式供电架构，虽然可减少所需占用机柜空间，并且由于不需额外锁附配线，能将减少材料与人工成本且提高组装效率，再者，一级供电架构的供电效率相较于图1的两级供电架构来得较高，但仍具有以下缺点:一、由于不断电系统整合于每一该电力供应单元222_1A?222_NA内所导致输出功率受限，使得整体系统将无法提高；二、不断电系统供电功率无法弹性变更；三、若该多个电力供应单元222_1A?222_NA或其整合的不断电功能失效时，则必须回收整组具有不断电功能的电力供应单元222_1A?222_NA。
[0008]请参见图3，为现有技术具有双电源输入的不断电系统的电路示意图。如图3所示，该电力分配装置24A分别直接电性连接一外部交流电源Vsac，例如一交流市电(ACutility)与一外部直流电源Vsdc,例如一电池单元。该电力分配装置24A包含多个电力供应单元242_1A?242_NA，并且，每一该电力供应单元242_1A?242_NA通过一对应的插槽(未图示)装设于该电力分配装置24A内。由于每一该电力供应单元242_1A?242_NA都具有双电源输入，因此，当该外部交流电源Vsac正常供电时，该电力分配装置24A系接收该外部交流电源Vsac，并且通过该多个电力供应单元242_1A?242_NA将该交流电源Vsac对应转换为该直流输出电源Vdc输出，以提供该直流负载30A所需的供电电压及功率大小。此外，一旦该外部交流电源Vsac中断供电时，该电力分配装置24A接收该外部直流电源Vsdc，亦即由外部储能装置供电，通过该多个电力供应单元242_1A?242_NA将该直流电源Vsdc对应转换为该直流负载30A所需的该直流电源Vdc输出，以对该直流负载30A供电。
[0009]惟，图3所示该双输入供电架构，虽然可减少所需占用机柜空间，并且可通过改变该外部直流电源Vsdc的供电功率，以提供该直流负载30A更具弹性的需求功率，但却具有以下的缺点:一、由于该电力分配装置24A具有交、直流的双电源输入，因此，其电气设计复杂；二、在不需要备用电源的应用场合下，由于装设该外部直流电源Vsdc，因此，会导致设备成本提闻。
[0010]因此，如何设计出一种不断电系统及其操作方法，根据外部交流电源供电状况，对直流负载提供直流输出电源供电切换，以维持该直流负载的不断电操作，乃为本案创作人所欲行克服并加以解决的一大课题。
【发明内容】
[0011]本发明的一目的在于提供一种不断电系统，以克服现有技术的问题。
[0012]因此本发明的不断电系统，包含一电力分配装置与一电力备援装置。该电力分配装置电性连接一外部交流电源；该电力分配装置包含多个电源供应单元，接收该外部交流电源，并转换该外部交流电源为一第一直流输出电源，对一直流负载供电。该电力备援装置电性连接一外部直流电源；该电力备援装置包含多个电力转换模块，接收该外部直流电源，并转换该外部直流电源为一第二直流输出电源，对该直流负载供电。其中，当该外部交流电源供电时，通过该第一直流输出电源供电该直流负载；当该外部交流电源中断供电时，通过该第二直流输出电源供电该直流负载，使该外部交流电源与该外部直流电源分别对该直流负载提供独立供电。
[0013]本发明的另一目的在于提供一种不断电系统的操作方法，以克服现有技术的问题。
[0014]因此本发明不断电系统操作方法的步骤包含:(a)提供一电力分配装置，该电力分配装置包含多个电源供应单元，并且接收一外部交流电源；(b)提供一电力备援装置，该电力备援装置包含多个电力转换模块，并且接收一外部直流电源；(C)当该外部交流电源正常供电时，该多个电源供应单兀转换该外部交流电源为一第一直流输出电源，对一直流负载供电；及(d)当该外部交流电源中断供电时，该多个电力转换模块转换该外部直流电源为一第二直流输出电源，对该直流负载供电。
[0015]为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为现有技术具有单电源输入的不断电系统的电路示意图；
[0017]图2为现有技术另一具有单电源输入的不断电系统的电路示意图；
[0018]图3为现有技术具有双电源输入的不断电系统的电路不意图；
[0019]图4为本发明一不断电系统的电路方块示意图；
[0020]图5A为本发明该不断电系统操作于外部交流电源正常供电时的电路方块示意图；
[0021]图5B为本发明该不断电系统操作于外部交流电源中断供电时的电路方块示意图；及
[0022]图6为本发明不断电系统的操作方法的流程图。
[0023]其中，附图标记说明如下:
[0024]〔现有技术〕
[0025]IOA交流不断电装置；
[0026]20A电力分配装置；
[0027]202_1A?202_ΝΑ电力供应单元；
[0028]30A直流负载；[0029]22A电力分配装置；
[0030]222_1A?222_NA电力供应单元；
[0031]24A电力分配装置；
[0032]242_1A?242_NA电力供应单元；
[0033]Vsac外部交流电源；
[0034]Vsdc外部直流电源；
[0035]Vdc直流输出电源；
[0036]〔本发明〕
[0037]10电力分配装置；
[0038]20电力备援装置；
[0039]30直流负载；
[0040]102_1?102_N电源供应单元；
[0041]202_1?202_N电力转换模块；
[0042]Vsac外部交流电源；
[0043]Vsdc外部直流电源；
[0044]Vdcl第一直流输出电源；
[0045]Vdc2第二直流输出电源。
【具体实施方式】
[0046]兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下:
[0047]请参见图4,为本发明一不断电系统的电路方块示意图。如图4所示,该不断电系统包含一电力分配装置10与一电力备援装置20。该电力分配装置10电性连接一外部交流电源Vsac，并包含多个电源供应单元102_1?102_N。该电力备援装置20电性连接一外部直流电源Vsdc，并包含多个电力转换模块202_1?202_N。该多个电源供应单元102_1?102_N接收该外部交流电源Vsac，并转换该外部交流电源Vsac为一第一直流输出电源Vdcl，对一直流负载30供电。该多个电力转换模块202_1?202_N，接收该外部直流电源Vsdc，并转换该外部直流电源Vsdc为一第二直流输出电源Vdc2，对该直流负载30供电。其中，该多个电力转换模块202_1?202_N*别通过所对应的插槽(未图示)，以热插拔(hot swap)更换操作方式，插接于该电力备援装置20内。
[0048]值得一提，该电力分配装置10与该电力备援装置20分开设置供电，使该外部交流电源Vsac与该外部直流电源Vsdc分别对该直流负载30提供独立供电。当该外部交流电源Vsac正常供电时，该直流负载30通过该第一直流输出电源Vdcl供电；当该外部交流电源中断供电时，该直流负载30通过该第二直流输出电源Vdc2供电。配合参见图5A，为本发明该不断电系统操作于外部交流电源正常供电时的电路方块示意图。承上所述，该电力分配装置10电性连接该外部交流电源Vsac，并包含该多个电源供应单元102_1?102_N。在本实施例中，该多个电源供应单元102_1?102_NS演交流转直流的角色，亦即，该多个电源供应单元102_1?102_N接收该外部交流电源Vsac,并转换该外部交流电源Vsac为该第一直流输出电源Vdcl，例如该多个电源供应单元102_1?102_N接收一 110伏特的外部交流市电，通过该多个电源供应单元102_1?102_N将该110伏特的交流电压转换为一 12伏特的电压，以提供该直流负载30所需的供电电压及功率大小。其中，该多个电源供应单元102 j?102_NS并联电性连接，且为模块化架构。
[0049]此外，配合参见图5B，为本发明该不断电系统操作于外部交流电源中断供电时的电路方块示意图。承上所述，该电力备援装置20电性连接该外部直流电源Vsdc，并包含该多个电力转换模块202_1?202_N。值得一提，每一该电力转换模块202_1?202_N为电力转换器(power converter),并且彼此并联电性连接,亦即，该多个电力转换模块202_1?202_N接收该外部直流电源Vsdc，并转换该外部直流电源Vsdc为该第二直流输出电源Vdc2，例如该多个电力转换模块202_1?202_N接收一 48伏特的外部直流电源，通过该多个电力转换模块202_1?202_N将该48伏特的直流电压转换为一 12伏特的电压，以提供该直流负载30所需的供电电压及功率大小。其中，该外部直流电源Vsdc由一外部直流供电装置(未图示)产生，并且，该外部直流供电装置为一充电电池(rechargeable battery)、一燃料电池(fuel cell)或一再生能源发电装置(renewable energy generationapparatus)。其中，该再生能源发电装置为一太阳能光伏发电装置(solar photovoltaicgeneration apparatus),但不以此为限。其中，若该外部直流供电装置为该充电电池时,该充电电池通过一外部充电装置(未图示)进行充电，以产生该外部直流电源。亦即，在该不断电系统中，并不需要额外安装该外部充电装置，而是通过将该充电电池充电完成后，再接上该电力备援装置20即可并入使用。此外，该外部直流供电装置与所配合的该电力备援装置20为可选择的安装，亦即，在仪器设备精密度不高或数据重要性不高的低备用电源需求操作环境下，该外部直流供电装置与所配合的该电力备援装置20可选择不提供并入供电该直流负载30的操作。
[0050]至于该电力分配装置10与该电力备援装置20间的协调(coordination)操作如下说明:当该外部交流电源Vsac正常供电时，该直流负载30通过该第一直流输出电源Vdcl供电。然而，一旦当该电力分配装置10检测到该外部交流电源Vsac中断供电时,该电力分配装置10产生一切换控制信号，以通知该电力备援装置20将进行供电切换，亦即，该直流负载30的供电责任，切换为该电力备援装置20执行，以维持该直流负载30的正常且不间断运作。反之，当该电力分配装置10检测到该外部交流电源Vsac恢复正常供电时，该电力分配装置10产生一复归控制信号，以通知该电力备援装置20将进行供电切换，亦即，该直流负载30的供电责任，复归为该电力分配装置10执行，以维持该直流负载30的正常且不间断运作。值得一提，该电力备援装置20的每一该电力转换模块202_1?202_N为可热插拔(hot swap)更换操作，例如，若该多个电力转换模块202_1?202_N其中有一者损坏时，可在该电力备援装置20供电过程中热插拔取出，直接插设其他正常的电力转换模块继续运作。
[0051]请参见图6，为本发明不断电系统的操作方法的流程图。该不断电系统操作方法的步骤包含:提供一电力分配装置，该电力分配装置包含多个电源供应单元，并且接收一外部交流电源(S100)。其中，该多个电源供应单元为并联电性连接，且为模块化架构。此外，该外部交流电源为一 110伏特的外部交流市电，并且，通过该多个电源供应单元将该110伏特的交流电压转换为一 12伏特的电压，以提供该直流负载所需的供电电压及功率大小。
[0052]提供一电力备援装置，该电力备援装置包含多个电力转换模块，并且接收一外部直流电源(S200)。其中，每一该电力转换模块为电力转换器(power converter),并且彼此并联电性连接。再者，该多个电力转换模块分别通过所对应的插槽(未图示)，以热插拔(hot swap)更换操作方式，插接于该电力备援装置内。此外，该外部直流电源为一 48伏特的外部直流电源，并且，通过该多个电力转换模块将该48伏特的直流电压转换为一 12伏特的电压，以提供该直流负载所需的供电电压及功率大小。此外，该外部直流电源由一外部直流供电装置(未图示)产生，并且，该外部直流供电装置为一充电电池(rechargeable battery)、一燃料电池(fuel cell)或一再生能源发电装置(renewableenergy generation apparatus)。其中，该再生能源发电装置为一太阳能光伏发电装置(solar photovoltaic generation apparatus),但不以此为限。其中，若该外部直流供电装置为该充电电池时，该充电电池通过一外部充电装置(未图示)进行充电，以产生该外部直流电源。亦即，在该不断电系统中，并不需要额外安装该外部充电装置，而是通过将该充电电池充电完成后，再接上该电力备援装置即可并入使用。再者，该外部直流供电装置与所配合的该电力备援装置为可选择的安装，亦即，在仪器设备精密度不高或数据重要性不高的低备用电源需求操作环境下，该外部直流供电装置与所配合的该电力备援装置可选择不提供并入供电该直流负载的操作。
[0053]值提一提，该电力分配装置与该电力备援装置分开设置供电。当该外部交流电源正常供电时，该多个电源供应单兀转换该外部交流电源为一第一直流输出电源，对一直流负载供电(S300)。当该外部交流电源正常供电时，该直流负载通过该第一直流输出电源供电。然而，一旦当该电力分配装置检测到该外部交流电源中断供电时，该电力分配装置产生一切换控制信号，以通知该电力备援装置将进行供电切换，亦即，该直流负载的供电责任，切换为该电力备援装置执行，以维持该直流负载的正常且不间断运作。
[0054]当该外部交流电源中断供电时，该多个电力转换模块转换该外部直流电源为一第二直流输出电源，对该直流负载供电(S400)。当该电力分配装置检测到该外部交流电源恢复正常供电时，该电力分配装置产生一复归控制信号，以通知该电力备援装置将进行供电切换，亦即，该直流负载的供电责任，复归为该电力分配装置执行，以维持该直流负载的正常且不间断运作。值得一提，该电力备援装置的每一该电力转换模块为可热插拔(hotswap)更换操作，例如，若该多个电力转换模块其中有一者损坏时，可在该电力备援装置供电过程中热插拔取出，直接插设其他正常的电力转换模块继续运作。
[0055]综上所述，本发明具有以下的优点:
[0056]1、该电力分配装置10与该电力备援装置20分别直接电性连接该外部交流电源Vsac与该外部直流电源Vsdc，以形成单级架构的不断电系统，因此，可提高转换效率；
[0057]2、该电力分配装置10的该多个电源供应单元102_1?102_NR需要接收单电源输入(亦即该外部交流电源Vsac)，同样地，该电力备援装置20的该多个电力转换模块202_1?202_N也只需要接收单电源输入(亦即该外部直流电源Vsdc)，因此，可简化整个交、直流供电系统的复杂性；
[0058]3、在低备用电源需求操作环境下，可选择性地移除该电力备援装置20，以节省设备成本;及
[0059]4、该多个电力转换模块202_1?202_N为可热插拔(hot swap)更换操作,若该多个电力转换模块202_1?202_N其中有一者损坏时，可在该电力备援装置20供电过程中热插拔取出，直接插设其他正常的电力转换模块继续运作，以提高供电操作的可靠度。[0060]惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以所述的申请专利权利要求范围为准，凡合于本发明申请专利权利要求范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本案的权利要求范围。
【权利要求】
1.一种不断电系统，包含: 一电力分配装置，电性连接一外部交流电源；该电力分配装置包含: 多个电源供应单元，接收该外部交流电源，并转换该外部交流电源为一第一直流输出电源，对一直流负载供电；及 一电力备援装置，电性连接一外部直流电源；该电力备援装置包含: 多个电力转换模块，接收该外部直流电源，并转换该外部直流电源为一第二直流输出电源，对该直流负载供电； 其中，当该外部交流电源供电时，通过该第一直流输出电源供电该直流负载；当该外部交流电源中断供电时，通过该第二直流输出电源供电该直流负载，使该外部交流电源与该外部直流电源分别对该直流负载提供独立供电。
2.如权利要求1所述的不断电系统，其中当该电力分配装置检测到该外部交流电源中断供电时，该电力分配装置产生一切换控制信号，传送至该电力备援装置，以切换为该电力备援装置对该直流负载进行供电。
3.如权利要求2所述的不断电系统，其中当该电力分配装置检测到该外部交流电源恢复正常供电时，该电力分配装置产生一复归控制信号，传送至该电力备援装置，以复归为该电力分配装置对该直流负载进行供电。
4.如权利要求1所述的不断电系统，其中该外部直流电源由一直流供电装置产生；该直流供电装置为一充电电池、一燃料电池或一再生能源发电装置。
5.如权利要求4所述的不断电系统，其中该充电电池通过一外部充电装置进行充电，以产生该外部直流电源。
6.如权利要求1项所述的不断电系统，其中该多个电力转换模块的每一电力转换模块为电力转换器，并且彼此以并联方式电性连接。
7.如权利要求1所述的不断电系统，其中该多个电力转换模块分别通过所对应的插槽，以热插拔更换操作方式，插接于该电力备援装置内。
8.—种不断电系统的操作方法；该操作方法的步骤包含: (a)提供一电力分配装置，该电力分配装置包含多个电源供应单元，并且接收一外部交流电源； (b)提供一电力备援装置，该电力备援装置包含多个电力转换模块，并且接收一外部直流电源； (C)当该外部交流电源供电时，该多个电源供应单元转换该外部交流电源为一第一直流输出电源，对一直流负载供电 '及 (d)当该外部交流电源中断供电时，该多个电力转换模块转换该外部直流电源为一第二直流输出电源，对该直流负载供电。
9.如权利要求8所述的不断电系统操作方法，其中该电力分配装置与该电力备援装置分开设置供电，使该外部交流电源与该外部直流电源分别对该直流负载提供独立供电。
10.如权利要求8所述的不断电系统操作方法，其中当该电力分配装置检测到该外部交流电源中断供电时，该电力分配装置产生一切换控制信号，传送至该电力备援装置，以切换为该电力备援装置对该直流负载进行供电。
11.如权利要求10所述的不断电系统操作方法，其中当该电力分配装置检测到该外部交流电源恢复正常供电时，该电力分配装置产生一复归控制信号，传送至该电力备援装置，以复归为该电力分配装置对该直流负载进行供电。
12.如权利要求8所述的不断电系统操作方法，其中该外部直流电源由一外部直流供电装置产生；该外部直流供电装置为一充电电池、一燃料电池或一再生能源发电装置。
13. 如权利要求12所述的不断电系统操作方法，其中该充电电池通过一外部充电装置进行充电，以产生该外部直流电源。
14.如权利要求8所述的不断电系统操作方法，其中该电力转换模块的每一电力转换模块为电力转换器，并且彼此以并联方式电性连接。
15.如权利要求8所述的不断电系统操作方法，其中该多个电力转换模块分别通过所对应的插槽，以热插拔更换操作方式，插接于该电力备援装置内。
【文档编号】H02J9/04GK103580270SQ201210275365
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年8月3日
【发明者】李嘉祥, 王伟俊, 金德昌 申请人:台达电子工业股份有限公司