DC链路电压控制的制作方法

1.发明领域

本发明大体上涉及用于控制不间断电源(UPS)的系统及方法。

2.相关技术讨论

已知利用电力设备(如，不间断电源(UPS))来提供用于敏感负载和/或临界负载(如，计算机系统和其他数据处理系统)的调节的不间断电源。已知的不间断电源包括在线UPS、离线UPS、线路交互UPS以及其他。在线UPS提供经调节的AC功率以及在AC功率的主源中断时提供备用AC功率。离线UPS通常不提供输入AC功率的调节，但在主AC电源中断时提供备用AC功率。线路交互UPS与离线UPS类似之处在于当断电发生时它们切换到电池供电。

发明概述

本发明的至少一个方面针对不间断电源(UPS)系统，该UPS系统包括：输入端，其被配置为接收具有输入电压电平的输入功率；输出端，其被配置为向负载提供输出AC功率；转换器，其被耦合到输入端并且被配置为将输入功率转换成具有DC电压电平的DC功率；DC总线，其被耦合到转换器并且被配置为接收DC功率；逆变器，其被耦合到DC总线并且被配置为将来自DC总线的DC功率转换成输出AC功率以及将输出AC功率提供到输出端；以及控制器，其被配置为监控输入电压电平，监控输出AC功率的电平，以及操作转换器以基于输入电压电平和输出AC功率电平来调节DC电压电平。

根据一个实施例，控制器还被配置为基于输入电压电平和输出AC功率电平调整DC电压电平。在另一实施例中，控制器还被配置为确定输入电压电平是否低于输入电压阈值电平。在一个实施例中，响应于确定输入电压高于输入电压阈值电平，控制器还被配置为将DC电压电平调节到最大DC电压电平。

根据另一实施例，控制器还被配置为确定输出AC功率电平是否低于输出功率阈值电平。在一个实施例中，响应于确定输入电压电平低于输入电压阈值电平以及输出AC功率电平低于输出功率阈值电平，控制器还被配置为减小DC电压电平。在另一实施例中，响应于确定输出AC功率电平低于输出功率阈值电平第一量值，控制器还被配置为将DC电压电平减小到第一降低电平。在另一实施例中，响应于确定输出AC功率电平低于输出功率阈值电平大于第一量值的第二量值，控制器还被配置为将DC电压电平减小到第二降低电平。

根据一个实施例，响应于确定输出AC功率电平高于输出功率阈值电平，控制器还被配置将DC电压电平调节至最大DC电压电平。在一个实施例中，输入端还被配置为接收输入AC功率，并且转换器还被配置为将输入AC功率转换成DC功率。在另一实施例中，在监控输入电压电平中，控制器还被配置为确定输入功率的RMS电压。

本发明的另一方面针对用于操作UPS系统的方法，该方法包括：在UPS系统的输入端处接收具有输入电压电平的输入功率；将输入功率转换成具有DC电压电平的DC功率；向DC总线提供DC功率；将DC功率转换成输出AC功率；向UPS系统的输出端提供输出AC功率；并基于输入电压电平和输出AC功率的电平调节DC电压电平。

根据一个实施例，调节包括监控输入电压电平，监控输出AC功率电平，以及基于输入电压电平和输出AC功率电平调整DC电压电平。在一个实施例中，监控输入电压电平包括确定输入电压电平是否低于输入电压阈值电平。在另一实施例中，调整DC电压电平包括：响应于确定输入电压高于输入电压阈值电平，将DC电压电平调节到最大DC电压电平。

根据另一实施例，监控输出AC功率电平包括：确定输出AC功率电平是否低于输出功率阈值电平。在一个实施例中，调整DC电压电平包括：响应于确定输入电压电平低于输入电压阈值电平以及输出AC功率电平低于输出功率阈值电平，减小DC电压电平。在另一实施例中，减小DC电压电平包括：响应于确定输出AC功率电平低于输出功率阈值电平第一量值，将DC电压电平减小到第一降低电平，以及响应于确定输出AC功率电平低于输出功率阈值电平大于第一量值的第二量值，将DC电压电平减小到第二降低电平。

根据一个实施例，调整DC电压电平包括：响应于确定输出AC功率电平高于输出功率阈值电平，将DC电压电平调节到最大DC电压电平。

本发明的一个方面针对不间断电源(UPS)系统，该UPS系统包括：输入端，其被配置为接收具有输入电压电平的输入功率；输出端，其被配置为向负载提供输出AC功率；转换器，其被耦合到输入端并且被配置为将输入功率转换成具有DC电压电平的DC功率；DC总线，其被耦合到转换器并且被配置为接收DC功率；逆变器，其被耦合到DC总线并且被配置为将来自DC总线的DC功率转换成输出AC功率以及将输出AC功率提供到输出端；以及用于基于输入电压电平和输出AC功率的电平来调节DC电压电平以提高UPS系统的效率的装置。

附图简述

附图不旨在按比例绘制。在附图中，用相似的数字来表示在各图中示出的各个相同的或几乎相同的组件。为了清楚起见，并不是每一个组件都可以被标记在每个附图中。在附图中：

图1是根据本发明的方面的UPS系统的框图；

图2是示出根据本发明的一方面用于操作UPS系统的过程的流程图；以及

图3是可以根据其实现本发明的各种实施例的系统的框图。

详细描述

本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的组件的结构和布置的细节。该方法和系统能够在其他实施方式中实现或以各种方式被实践或执行。本文提供的具体实施的示例仅用于说明性目的且并不旨在限制。特别地，结合任何一个或者多个示例论述的动作、组件、元素以及特征并不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。

另外，本文所用的措辞和术语也是出于描述的目的，并且不应被视为具有限制性。对本文中以单数形式提到的系统和方法的示例、实施例、组件、元素或者动作的任何引用也可以涵盖包括复数的实施例，以及本文中以复数形式对任何实施例、组件、元素或者动作的任何引用也可以涵盖只包括单数的实施例。以单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制目前公开的系统或者方法、它们的组件、动作或者元素。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型是指包括其后列举的项目及其等价物以及额外的项目。“或”的引用可被解释为包含性的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。此外，在本文档和通过引用合并到本文中的文档之间的术语的使用不一致的情况下，在被合并的参考资料中的术语用法是对本文档的术语用法的补充；对于不可调和的不一致性，以本文档中的术语用法为准。

如上所述，诸如不间断电源(UPS)的电力设备通常用于为敏感负载和/或临界负载提供调节的、不间断的电力。

在线UPS通常包括前端AC/DC PFC转换器、DC/AC逆变器及耦合在转换器和逆变器之间的DC总线。前端AC/DC PFC转换器从电源接收输入AC功率，将输入AC功率转换成DC功率，并向DC总线提供DC功率。DC总线向DC/AC逆变器提供DC电力，DC/AC逆变器将DC功率转换成调节的AC功率，并且该调节的AC功率被提供给耦合到UPS的输出端的负载。

不管负载当前正由UPS供电，DC总线的电压通常由AC/DC PFC转换器调节到固定的值(例如，380V或更高)。

AC/DC转换器通常需要DC总线的电压电平比AC/DC转换器的最大输入峰值更高。正因如此，DC总线的电压电平通常被调节到高于或等于AC/DC转换器的最大输入峰值的固定电平。

无论负载当前正由UPS供电，维持DC总线的电压电平在固定电平处可导致UPS具有不必要的低效率电平。例如，AC/DC转换器和DC/AC逆变器的切换损耗与DC总线电压成比例。DC总线电压越高，UPS的总效率越低。如果降低UPS向负载提供的功率，而DC总线的电压电平维持在固定电平(其超出向负载提供的降低的功率所需的电平)处，则尽管负载功率降低，UPS的效率将不必要地维持在或低于与固定的DC总线电压有关的低电平。

因此，提供一种监控UPS的输入电压和负载且基于UPS的输入电压和负载调节DC总线电压电平的系统和方法。在一些实施例中，如果输入电压和负载低于预定的阈值，则DC总线电压被调节到较低值。当输入电压和负载低于预定的阈值时，通过降低DC总线电压电平，UPS的效率可被提供同时向负载提供所需的降低的功率。

图1是根据本发明的一个方面的在线UPS 100的框图。UPS 100包括输入端102、转换器104、DC总线106、逆变器108、输出端110、电池112以及控制器114。输入端102被耦合到转换器104。DC总线106被耦合在转换器104和逆变器108之间。输出端110被耦合到逆变器108。控制器114被耦合到输入端102、输出端110、转换器104、DC总线106和逆变器108。电池被耦合到转换器104。

输入端102被配置为耦合到AC主电源并接收具有输入电压电平的输入AC功率。UPS 100被配置为基于提供到输入端102的AC功率的状态以不同的操作模式来操作。当提供到输入端102的AC功率是可接受的(例如，高于输入功率阈值)时，UPS 100以正常的操作模式操作。在正常操作模式中，来自输入端102的AC功率被提供给转换器104。根据一个实施例，转换器104是功率因数校正转换器104；然而，在其他实施例中，其他类型的转换器104可被利用。转换器104将AC功率转换成DC功率并且向DC总线106提供DC功率。在一个实施例中，DC功率还从转换器104被提供到电池以为电池112充电。在正常的操作模式中，逆变器108从DC总线106接收DC功率，将DC功率转换成调节的AC功率并且向耦合到输出端110的负载提供调节的AC功率。

当提供到输入端102的AC功率是不可接受的(例如，低于输入功率阈值)时，UPS 100以备用的操作模式操作。在备用操作模式中，来自电池112的DC功率由转换器104调节并且被提供给DC总线106。逆变器108从DC总线106接收DC功率，将DC功率转换成调节的AC功率并且向输出端110提供所调节的AC功率。

在正常操作模式中，控制器114监控在输入端102处的输入电压电平，并经由输出端110向负载提供输出功率。基于输入电压和输出功率，控制器114操作转换器104以调节DC总线106的电压电平。如果控制器114确定输入电压和输出功率低于预定的阈值，则控制器114操作转换器104以降低DC总线106的电压电平，从而提高UPS 100的效率，同时仍向负载提供所需的电力。

在至少一个实施例中，控制器114监控输入AC电压以保证UPS 100的峰值输入电压不超过DC总线106的DC电压电平。如果峰值输入电压超过DC总线106的DC电压电平，转换器104可被绕过，导致给UPS 100带来不期望的输入浪涌电流。控制器114还监控经由输出端110向负载提供的输出功率以确定在降低DC总线106的电压电平的同时还提供所需的输出功率是否是可接受的。下面更详细地讨论控制器114的操作。

图2是示出根据本发明的一个方面的用于操作UPS系统100的过程200的流程图。在块202处，转换器104经由输入端102接收来自AC源的AC输入功率(包括输入AC电压)。转换器104将AC功率转换成DC功率并且向DC总线106提供DC功率。DC功率被提供给逆变器108，并且逆变器108将DC功率转换成AC输出功率。AC输出功率被提供给耦合到输出端110的负载。

在块204处，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到最大DC总线电压电平。在一个实施例中，最大DC总线电压电平是380V；但是，在其他实施例中，最大DC总线电压电平可有不同的定义。

在块206处，控制器114监控输入AC电压并测量在输入端102处的输入RMS(均方根)电压。控制器114确定输入RMS电压是否低于预定的输入电压阈值电平。在一个实施例中，输入电压阈值电平是240VAC；但是，在其他实施例中，输入电压阈值电平可有不同的定义。响应于确定输入RMS电压高于预定的输入电压阈值电平(例如，240VAC)，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到最大DC总线电压电平(例如，380V)。

在块208处，响应于确定输入RMS电压低于预定的输入电压阈值电平(例如，240VAC)，控制器114监控向耦合到输出端110的负载提供的输出功率，并确定输出功率是否在最大输出功率电平的75％到100％之间的电平处。在块218处，响应于确定输出功率是在最大输出功率电平的75％到100％之间的电平处，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到最大DC总线电压电平(例如，380V)。

在块210处，响应于确定输出功率不是在最大输出功率电平的75％到100％之间的电平处，控制器114确定向耦合到输出端110的负载提供的输出功率是否在最大输出功率电平的50％到75％之间的电平处。在块220处，响应于确定输出功率在最大输出功率电平的50％到75％之间的电平处，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到第一降低的DC总线电压电平。在一个实施例中，第一降低的DC总线电压电平是370V；但是，在其他实施例中，第一降低的DC总线电压电平可有不同的定义。

在块212处，响应于确定输出功率不是在最大输出功率电平的50％到75％之间的电平处，控制器114确定向耦合到输出端110的负载提供的输出功率是否在最大输出功率电平的30％到50％之间的电平处。在块222处，响应于确定输出功率在最大输出功率电平的30％到50％之间的电平处，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到第二降低的DC总线电压电平。在一个实施例中，第二降低的DC总线电压电平是360V；但是，在其他实施例中，第二降低的DC总线电压电平可有不同的定义。

在块214处，响应于确定输出功率不是在最大输出功率电平的30％到50％之间的电平处，控制器114确定向耦合到输出端110的负载提供的输出功率是否在最大输出功率电平的10％到30％之间的电平处。在块224处，响应于确定输出功率在最大输出功率电平的10％到30％之间的电平处，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到第三降低的DC总线电压电平。在一个实施例中，第三降低的DC总线电压电平是350V；但是，在其他实施例中，第三降低的DC总线电压电平可有不同的定义。

在块216处，响应于确定输出功率不是在最大输出功率电平的10％到30％之间的电平处，控制器114确定向耦合到输出端110的负载提供的输出功率是否低于或等于最大输出功率电平的10％的电平。在块226处，响应于确定输出功率低于或等于最大输出功率电平的10％的电平，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到第四降低的DC总线电压电平。在一个实施例中，第四降低的DC总线电压电平是340V；但是，在其他实施例中，第四降低的DC总线电压电平可有不同的定义。

在块204处，响应于确定输出功率不在低于或等于最大输出功率的10％的电平处，控制器114操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到最大DC总线电压电平(例如，380V)。

在块228处，在DC总线106的DC电压电平已基于UPS 100的输出功率被调节到所期望的电平(例如，在块218-226处)之后，控制器确定UPS 100的输出功率是否已经改变。响应于确定UPS 100的输出功率已经改变，控制器再次确定输出功率已经改变了多少(例如，在块208-216处)

并且相应地调整(即，增加或减小)DC总线106的DC电压电平(例如，

在块218-226)。在块230处，响应于确定UPS 100的输出功率还未改变，控制器114继续操作转换器104以将DC总线106的DC电压电平调节到所需的电平。

根据一个实施例，控制器114还确定耦合到UPS的负载是否太不稳定以至于无法调整DC总线电压电平。例如，在一个实施例中，控制器114监控由UPS 100向负载提供的输出功率在设定的时间段中改变的次数。如果控制器114确定UPS 100的输出功率已经改变超过阈值次数，则控制器114阻止DC总线电压电平的调整直到UPS 100的输出功率稳定。

通过基于输入RMS电压和UPS 100的输出功率调整DC总线106的DC电压电平，可提高UPS 100的效率。例如，如果输入RMS电压和UPS 100的输出功率都低于预定的阈值电平，则DC总线106的DC电压电平可被降低到足以提供所需的降低的输出功率但在其处还提高了UPS 100的效率的电平。

图3示出形成系统300的计算组件的示例框图，其可被配置为实现本文公开的一个或多个方面。例如，系统300可被通信地耦合到UPS 100或被包括在UPS 100内。

系统300可包括例如通用计算平台，如基于英特尔奔腾类型的处理器、摩托罗拉的PowerPC、Sun UltraSPARC、德州仪器DSP、惠普PA-RISC处理器或任何其它类型的处理器的那些计算平台。系统300可包括例如专用集成电路(ASIC)的专门编程的专用硬件。本公开内容的各个方面可被实施为在如图3所示的系统300上执行的专业软件。

系统300可以包括连接至如磁盘驱动器、存储器、闪存存储器或用于存储数据的其它设备的一个或多个存储器装置310的处理器/ASIC 306。存储器310可以在系统300的操作期间用于存储程序和数据。计算机系统300的组件可以由互连机构308耦合，该互连机构308可包括一个或多个总线(例如，集成于同一机器内的组件之间)和/或网络(例如，存在于分立机器上的组件之间)。互连机构308使通信(例如，数据、指令)能够在系统300的组件之间进行交换。

系统300也包括一个或多个输入设备304，其可包括例如键盘或触摸屏。系统300包括一个或多个输出设备302，其可包括例如显示器。此外，计算机系统300可包含可将计算机系统300连接至通信网络(额外地或作为互连机构308的替代)的一个或多个接口(未示出)。

系统300可包括储存系统312，其可包括计算机可读和/或可写的非易失性介质，其中信号可被存储以提供由处理器执行的程序或提供在介质上或在介质中存储的由程序处理的信息。介质可例如是磁盘或闪存存储器，并且在一些实施例中可包括RAM或其他非易失性存储器，如EEPROM。在一些实施例中，处理器可使数据从非易失性介质被读取到另一个存储器310中，这允许与介质相比处理器/ASIC更快地访问信息。这个存储器310可以是易失性的随机存取存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)。它可位于储存系统312中或存储器系统310中。处理器306可操纵集成电路存储器310内的数据并且接着在完成处理之后将数据复制到储存器312。已知用于管理储存器312和集成电路存储器元件310之间的数据移动的各种机构，并且本公开内容不限于此。本公开内容不限于特定的存储器系统310或储存系统312。

系统300可以包括可使用高级计算机编程语言编程的通用计算机平台。系统300也可使用专业编程的专用硬件(例如，ASIC)来实现。系统300可包括处理器306，其可以是市场上可买到的处理器，例如从英特尔公司可购得的公知的奔腾类处理器。许多其他处理器是可用的。处理器306可执行操作系统，其可以是例如从微软公司可购买的Windows操作系统、从苹果电脑公司可购买的MAC OS系统X、从Sun Microsystems可购买的Solaris操作系统或者从各种来源可获得的UNIX和/或LINUX。可使用许多其他操作系统。

处理器和操作系统可共同形成计算机平台，对于该计算机平台可以用高级编程语言编写应用程序。应当理解，本公开不限于特定的计算机系统平台、处理器、操作系统或网络。此外，对本领域的技术人员应当明显的是，本公开不限于特定的编程设计语言或计算机系统。此外应该认识到，还可使用其他适合的编程语言和其他适合的计算机系统。

如上所述，UPS 100在输入端102处接收来自AC源的AC功率；但是，在其他实施例中，UPS 100可接收来自DC源的DC输入功率，并且控制器114可操作转换器104以基于DC输入功率和UPS 100的输出功率将DC输入功率调节到所需的DC电压电平。

还如上所述，控制器114监控UPS 100的输入AC电压，并且如果输入AC电压低于输入电压阈值电平，则不允许调整DC总线106的DC电压电平。但是，在其他实施例中，控制器114可仅监控UPS 100的输出功率，并基于输出功率调整DC总线106的DC电压电平。

如上所述，DC总线电压电平在UPS 100的在线操作模式中被调整；但是，在其他实施例中，DC总线电压电平还基于在电池操作模式中的UPS100的输入电压和输出功率被调整。在电池操作模式中，控制器114可基于由电池112提供的备用DC功率和UPS 100的输出功率来操作转换器104以将备用DC功率(来自电池112)调节到所需的DC总线电压电平。

如上所述，UPS 100是在线UPS；但是，在其他实施例中，UPS 100是不同类型的UPS(例如，离线UPS或线路交互UPS)。

如上所述，DC总线电压电平在340V和380V之间被调节；但是，在其他实施例中，DC总线电压电平的范围可有不同的配置。还如上所述，控制器确定UPS的输出功率是否落在五个不同的范围的任何一个范围内；但是，在其他实施例中，控制器可确定UPS的输出功率是否落在任何数目的不同范围(范围在任何适合的配置中定义)内。

本文描述的至少一些实施例提供一种用于监控UPS的输入电压和负载以及基于UPS的输入电压和负载调节DC总线电压电平的系统和方法。在一些实施例中，如果输入电压和负载低于预定的阈值，则DC总线电压被调节到优选最小值。当输入电压和负载低于预定的参考值时，通过降低DC总线电压电平到优选最小值，UPS的效率可被提高同时向负载提供降低的功率。例如，在一些实施例中，UPS的效率可根据负载提高2-4％。

在这样描述了本发明的至少一个实施例的几个方面后，应认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种变更、修改和改善。这种变更、修改和改善旨在是本公开的一部分，且旨在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。