专利名称：用于数据中心的混合电源设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于数据中心的电源技术，并更具体地，涉及这样的用于数据中心的 混合电源设备，其适于在维持与交流(AC)数据中心的电力设备的兼容性的同时在机架级 或节点级供应直流(DC)电。
背景技术：
当前，大量数据中心正由全世界的因特网门户业务提供商等操作。所以，已从各种 角度出发研究用于有效管理每一数据中心的电力的技术。这样的数据中心(具体地，交流(AC)数据中心)需要在集中无间断电源(UPS)架 构的能量效率和归因于多步骤能量变换的能量损耗两方面考虑。因此，为了改善数据中心 的能量效率，已进行从AC数据中心到DC数据中心的切换。然而，由于DC数据中心与现有AC数据中心的电力设备不兼容，所以当进行从AC 数据中心到DC数据中心的切换时，要达到的几个目的(S卩，不仅电力设备的添加，而且高DC 电压的安全性的保证和DC分布标准的定义)仍保留。所以，需要能够在利用DC数据中心的特有优点的同时维持与现有AC数据中心的 兼容性的电力系统的环境。
发明内容
所以，本发明提供了一种将集中无间断电源(UPS)改变为机架级或节点级(例如， 计算机、服务器等)分布架构的电源技术，由此降低安装成本并增加能量效率。根据本发明的一个方面，提供了一种用于数据中心的混合电源设备，包括一个或 多个电源；无间断机架级电源单元，被供应有来自所述一个或多个电源的交流(AC)电，并 被配置为向机架供应直流(DC)电，当停止来自所述一个或多个电源的供电时，该电源单元 无间断地向该机架供应DC电；和节点，被提供在该机架中并被供应有来自该无间断机架级 电源单元的DC电。根据本发明的另一方面，提供了一种用于数据中心的混合电源设备，包括一个或 多个电源；机架级电源单元，被供应有来自所述一个或多个电源的电力，并被配置为向机架 供应直流(DC)电；和节点，被提供在该机架中并被供应有来自该机架级电源单元的DC电， 当停止来自所述一个或多个电源的DC电的供应时，该节点无间断地向该机架供应DC电。
根据结合附图给出的优选实施例的以下描述，本发明的以上和其他目的和特征将变得明显，其中图1是示出了根据本发明实施例的用于数据中心的混合电源设备的配置的框图；图2是示出了根据本发明另一实施例的用于数据中心的混合电源设备的配置的 框图；图3是示出了图2中的无间断节点级电源单元的详细配置的框图；和图4是示出了电压监视单元的电力控制信号的时序图。
具体实施例方式其后，将参考形成其一部分的附图来详细描述本发明的实施例。图1是示出了根据本发明实施例的用于数据中心的混合电源设备(即，用于数据 中心的机架级混合电源设备)的配置的框图。该混合电源设备包括第一电源10、第二电源 12、第三电源14、AC电力线16和机架1000。如图1中所示，第一电源10 (即AC电源)用于通过AC电力线16向数据中心供应 来自电站(未示出)的AC电(公共电网)。将供应的AC电从中电压变换为低电压，并将低 电压供应到数据中心。变换为低电压的AC电被施加到AC开关(未示出)，并被用作用于计 算机装置或冷却装置的电力。第二电源12( S卩，柴油发电机等)用于当暂停来自AC电源(即，第一电源10)的 供电时、向数据中心供应AC电。第三电源14(S卩，太阳光、燃料电池等)起到AC电源(即，第一电源10)的附加电 源(DC发电机)的作用。配电单元(PDU)(未示出)将已通过AC开关的电力供应到相应计算机的机架，以 用作机架的冷却电力。即，通过在传统AC数据中心的传统电力结构中、从电力经由UPS (无 间断电源)到达PDU和机架的电力传输路径中去除UPS，而作出该电力结构。通过AC电力线16向机架1000供应来自第一电源10、第二电源12和第三电源14 的电力，并且机架1000包括无间断机架级电源单元(uRPSU) 100和相应计算机装置200。在该情况下，uRPSU 100用于向机架1000供应来自电源10、12或14的电力，并且 uRPSU 100包括机架级整流器102-1到102-N、无间断电源单元104和DC电力线106。机架级整流器102-1到102-N起到将通过AC电力线16输入的AC电整流为DC电 的作用。由于提供至少两个或更多机架级整流器102-1到102-N来形成电力结构，所以即 使在一个整流器(例如，第一整流器102/1)中发生故障，它们也可没有间断地供应DC电。无间断电源单元104监视由机架级整流器102-1到102-N整流的DC电，并基于监 视结果而供应临时电。详细来说，无间断电源单元104包括控制器151和电池152，控制器151用于确定 是否已在输入DC电中发生电压降压或停电，并取决于确定结果而控制与充电和放电有关 的操作，电池152用于在控制器151对于与充电和放电有关的操作的控制下，向负载供电。DC电力线106向所述计算机装置200中的每一个提供由机架级整流器102_1到 102-N或无间断电源单元104所供应的DC电。计算机装置200是例如节点中包括的服务器，并包括DC/DC变换单元202和稳压 器模块(VRM) 204。
DC/DC变换单元202起到将输入DC电变换为可由计算机装置200使用的电压的作 用，并且例如PDB (配电板)可用作DC/DC变换单元202。一般来说，由于计算机装置使用ATX(高级技术扩展)电力标准，所以PDB将输入 DC电变换为12V、5V、3. 3V、5Vsb或-12V的电压。然而，由于PDB不能应用在机架中，所以在 机架中存在不能使用DC电的装置。这些装置的代表可以是网络设备或大容量存储器。这些装置需要被供应来自AC开关的电力。然而，由于这些装置还需要通过UPS的 电力的稳定化，所以安装适于计算机装置的AC设备的容量的ACUPS，并且其后这些装置使 用已通过AC UPS的AC电。接下来，将参考图1来描述根据本实施例的用于数据中心的混合供电方法(S卩，在 停电或异常电力模块的条件下的用于数据中心的混合电源设备的工作处理)。首先，当在AC电源(即第一电源10)中发生停电时，在柴油发电机(即第二电源 12)可操作之前需要大约几秒到几分钟。在该情况下(第二电源12操作之前)，中断向没有与AC关键路径(例如AC电力 线16)相连的冷却装置或其他AC负载的供电。相反，因为激活AC UPS，所以可保证与AC关 键路径相连的装置连续工作。此外，在机架1000中提供的uRPSU 100的情况下，在输入AC电中发生故障，并由 此停止整流器的工作并减小输出DC电。在该情况下，每一机架1000中提供的无间断电源 单元104操作，由此使得DC电能够可靠地供应到被供应有来自机架1000的DC电的所有计
算机装置。此外，当第二电源12操作时，与所有AC开关相连的设备将它们的模式切换到正常 操作模式。然后，当恢复AC电源10时，柴油发电机(即第二电源12)也停止其操作。如果在uRPSU 100的机架级整流器102_1到102-N中发生故障，则可由机架级无 间断电源单元104来安全操作该电源设备。图2是示出了根据本发明另一实施例的用于数据中心的混合电源设备(即，用于 数据中心的节点级混合电源设备)的配置的框图。该电源设备包括第一电源10、第二电源 12、第三电源14、AC电力线16和机架1000。详细来说，图2图示了与图1的机架级的电源结构相比降低一级的无间断节点 (计算机或服务器)级的设备的电源结构。将省略与图1的组件相同或相似的组件的详细 描述。混合电源设备包括机架1000，机架1000中具有机架级电源单元IOOa和在每一计 算机装置200a中提供的无间断节点级电源单元202a。首先，在机架级电源单元IOOa中包括机架级整流器101-2到102-N，用于将输入到 机架1000的AC电变换为DC电压，由此将该DC电压输出到每一计算机装置。每一计算机装置包括无间断节点级电源单元202a，其中集成有PDB(配电板)、电 池161和电池控制器162。无间断节点级电源单元202a包括DC/DC变换单元22，用于将从机架级电源单元 IOOa输入的DC电变换为该计算机装置200a使用的电压，并包括无间断电源单元20，具有 电池161和电池控制器162。在图2的实施例中，当发生故障时，与机架级电源单元IOOa相连的计算机装置200a可由每一节点中提供的无间断电源单元20操作。因此，甚至在已发生故障之后操作柴 油发电机(即第二电源12)之前，实现无间断节点级电源环境，并由此可将DC电可靠地供 应到计算机装置200a。图3是示出了图2中示出的无间断节点级电源单元202a的详细配置的图。如图3中所示，将无间断节点级电源单元202a划分为无间断电源单元20和DC/DC 变换单元22。无间断电源单元20包括电池(未示出)、用于控制该电池的电池控制器162、用于 将输入DC电压变换为与当对电池进行充电时的电池电压相同的电压的第一电压变换单元 2-1、和用于将输入DC电压变换为与当对电池进行放电时的电池电压相同的电压的第二电 压变换单元2-2。无间断电源单元20还包括二极管Dl和D2、进入(incoming)开关SW1、以 及输入/输出开关SW2。这里，进入开关SWl以及输入/输出开关SW2可以是例如场效应晶 体管(FET)开关等。DC/DC变换单元22包括用于将输入电力直接连接到输出电力的直接连接单元6、 用于将输入DC电压变换为计算机装置200a使用的输出DC电压的电压变换单元8_1和8_2、 用于监督电压状态并向负载通知电压异常的电压监督器10、二极管D3和FET开关SW3。下面将描述无间断节点级电源单元202a的详细操作。首先，当向无间断节点级电源单元202a施加输入DC电时，将施加的DC电传递到 无间断电源单元20。无间断电源单元20的二极管Dl和进入开关SWl阻止反向电流(即，二极管的功 能)，并通过控制FET的栅极电极而执行正向电流的通/断控制。例如，当进入开关SWl的 栅极电极接通时，进入开关SWl成为接通，反之，当进入开关SWl的栅极电极关断时，进入开 关SWl成为关断。这里，当正常施加输入DC电时，无间断电源单元20的进入开关SWl接通，由此向 DC/DC变换单元22供应DC电。这时，当电池没有被完全充电时，与电力供应同时执行电池的充电。由于电池的电 压一般与输入电压不同，所以输入DC电经由第一电压变换单元2-1对电池充电。当电池放 电时，将输入DC电经由第二电压变换单元2-2传递到DC/DC变换单元22。此外，电池控制器162控制输入/输出开关SW2的栅极。例如，当在输入电压中发 生异常时，电池控制器162通过接通输入/输出开关SW2将正常电池输出电压供应到负载。在该情况下，电池控制器162可附加包括计算机接口。这样的计算机接口可使用 例如RS232、I2C、和以太网的各种通信协议来连接，并将该节点的电池的信息传送到计算 机。在计算机中，安装能够接收电池信息的代理，并可由该代理监视节点电池的状态。将输入到DC/DC变换单元22的DC电的电压变换分类为三种类型。第一类型是使用直接连接单元6的输出方法。S卩，将输入DC电压直接用作输出电 压。例如，当输入电压是12V时，将12V电压用作输出电压，而不变换DC电压。第二类型是使用电压降压变换单元8-1的输出方法。S卩，将输入DC电压变换为较 低，并将较低的DC电压用作输出电压。例如，当输入DC电压是12V时，将其变换为5V或 3. 3V的输出电压。第三类型是使用电压增压变换单元8-2的输出方法。即，将输入电压变换为较高，并将较高的电压用作输出电压。例如，当输入DC电压是12V时，将其变换为24V的输出电压。此外，要在变换单元8-1和8-2中变换的输入DC电压由电压监督器10监督。艮口， 电压监督器10生成例如满足ATX电力标准的信号PS_0N或PWR_0K的控制信号，并当电压异 常时，向负载通知异常性。满足ATX电力标准的控制信号PS_0N或PWR_0K在图4中示出。 电压监督器10生成电力控制信号的操作可通过参考图4中示出的ATX电力标准的时序图 而容易地理解。如上所述，本发明提供了用于将集中UPS改变为机架级或节点级分布结构的电源 技术，由此降低安装成本并增加能量效率，并还提供了能够同时解决AC数据中心和DC数据 中心的问题的混合数据中心电力结构。根据以上实施例，本发明的有利之处在于，由于在没有改变传统AC数据中心的电 力结构的情况下在机架级供应DC电，并且UPS在机架级或节点级供应临时电，所以可改善 电力效率和UPS效率(大约10% )，并可在机架级提供N+1电力冗余。因此，本发明的有利 之处在于，与现有AC数据中心相比，电力效率的改善被预测为大约20%或更多，并且不需 要大规模UPS系统的安装，并存在其他相关成本的降低。尽管已针对优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是， 可进行各种改变和修改，而不脱离以下权利要求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
一种用于数据中心的混合电源设备，包括一个或多个电源；无间断机架级电源单元，被供应有来自所述一个或多个电源的交流(AC)电，并被配置为向机架供应直流(DC)电，当停止来自所述一个或多个电源的供电时，该电源单元无间断地向该机架供应DC电；和节点，被提供在该机架中并被供应有来自该无间断机架级电源单元的DC电。
2.根据权利要求1的设备，其中该无间断机架级电源单元包括两个或多个机架级整流器，用于将来自所述一个或多个电源的交流(AC)电整流为DC电；无间断电源单元，用于监视该机架级整流器所整流的DC电，以基于监视的DC电来供应 临时DC电；禾口DC电力线，用于将该机架级整流器所整流的DC电或该无间断电源单元所供应的临时 DC电提供到该节点。
3.根据权利要求2的用于数据中心的混合电源设备，其中该无间断电源单元包括 控制器，用于取决于该机架级整流器所整流的DC电的监视结果，来控制充电和放电操作；和电池，用于在该控制器对于充电和放电操作的控制下，向该节点供电。
4.根据权利要求3的用于数据中心的混合电源设备，其中该控制器确定是否在该机架 级整流器所整流的DC电上发生电压降压或停电，并且取决于电压降压或停电的确定结果， 来控制充电和放电操作。
5.根据权利要求1的用于数据中心的混合电源设备，其中该节点包括DC/DC变换单元， 用于将该DC电变换为该节点要使用的电压。
6.根据权利要求1的用于数据中心的混合电源设备，其中该节点包括服务器。
7.根据权利要求5的用于数据中心的混合电源设备，其中该DC/DC变换单元包括配电 板(PDB)。
8.一种用于数据中心的混合电源设备，包括 一个或多个电源；机架级电源单元，被供应有来自所述一个或多个电源的电力，并被配置为向机架供应 直流(DC)电；和节点，被提供在该机架中并被供应有来自该机架级电源单元的DC电，当停止来自所述 一个或多个电源的DC电的供应时，该节点无间断地向该机架供应DC电。
9.根据权利要求8的用于数据中心的混合电源设备，其中该节点包括无间断节点级电 源单元，被配置为使得当在所述一个或多个电源之中的一个电源中发生故障时，在所述一 个或多个电源之中的另一电源操作之前供应该DC电。
10.根据权利要求9的用于数据中心的混合电源设备，其中该无间断节点级电源单元 包括无间断电源单元，用于当从所述一个或多个电源之中的所述一个电源输入正常DC电 或异常DC电时，没有间断地向该节点供应该DC电；和DC/DC变换单元，用于将来自该机架级电源单元的DC电变换为要由该节点使用的输出DC电。
11.根据权利要求10的用于数据中心的混合电源设备，其中该无间断电源单元包括 电池；电池控制器，用于控制该电池的充电或放电；第一电压变换单元，用于将输入DC电压变换为与当该电池控制器控制该电池的充电 时的电池电压相同的电压；和第二电压变换单元，用于将输入DC电压变换为与当该电池控制器控制该电池的放电 时的电池电压相同的电压。
12.根据权利要求11的用于数据中心的混合电源设备，其中该电池控制器通过接口与 用于监视该电池的状态的计算机相连。
13.根据权利要求12的用于数据中心的混合电源设备，其中该接口通过通信协议将该 电池控制器与该计算机相连。
14.根据权利要求11的用于数据中心的混合电源设备，其中该无间断电源单元包括 进入开关，被接通，并被配置为当该电池被完全充电时，将该DC电供应到该DC/DC变换单元；和输入/输出开关，被接通，并被配置为当该电池没有被完全充电时，将该第二电压变换 单元所变换的DC电供应到该DC/DC变换单元。
15.根据权利要求14的用于数据中心的混合电源设备，其中该进入开关是场效应晶体 管(FET)，该FET包括栅极电极，当正常供应该DC电时，该栅极电极由电池控制器接通，以接 通该FET。
16.根据权利要求14的用于数据中心的混合电源设备，其中该输入/输出开关是FET， 该FET包括栅极电极，当异常供应该DC电时，该栅极电极由电池控制器接通，以接通该FET。
17.根据权利要求10的用于数据中心的混合电源设备，其中该DC/DC变换单元包括 直接连接单元，用于将来自该无间断电源单元的DC电直接连接到输出电压；电压变换单元，用于将该DC电变换为要由该节点使用的输出DC电压；和 电压监督器，用于监督该DC电的状态。
18.根据权利要求17的用于数据中心的混合电源设备，其中该电压变换单元包括 电压降压变换单元，用于将该DC电的电平降压到第一预置电平；和电压升压变换单元，用于将该DC电的电平升压到第二预置电平。
19.根据权利要求17的用于数据中心的混合电源设备，其中该电压监督器生成满足高 级技术扩展(ATX)电力标准的电力控制信号，并将该电力控制信号传送到该节点。
20.根据权利要求8的用于数据中心的混合电源设备，其中该节点包括服务器。
全文摘要
一种用于数据中心的混合电源设备，包括一个或多个电源；和无间断机架级电源单元，被供应有来自所述一个或多个电源的交流(AC)电，并被配置为向机架供应直流(DC)电，当停止来自所述一个或多个电源的供电时，该电源单元没有间断地向该机架供应DC电。该设备还包括节点，被提供在该机架中，并被供应有来自该无间断机架级电源单元的DC电。
文档编号H02J9/06GK101951015SQ20091026189
公开日2011年1月19日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年7月10日
发明者权元玉, 金成云 申请人:韩国电子通信研究院