供电系统、不断电系统与供电方法与流程

本发明公开内容涉及一种供电系统，且特别涉及一种具有不调节型电源变换器的供电系统、不断电系统与供电方法。

背景技术：

供电系统的应用常见于数据中心、通信机房等。供电系统常使用多级供电的方式传输电源，以让不同负载方便连接。

在目前常见的供电系统中，每一级皆采用调节型电源变换器对输出电压进行调节，以使在任何节点上的输出电压可保持在预设值。

此种方式，会使得每一级调节型电源变换器的参数受到限制，而无法以具有最低传输损耗的方式进行设计，造成供电系统的转换效率降低。

此外，由于调节型电源变换器的架构较复杂，所占用的体积较多。多级的调节型电源变换器将造成供电系统的空间太大，而使得电力布线上的复杂度增加。

因此，本发明公开内容提供一种供电系统，可提高转换效率，并改善供电系统的空间利用率。

技术实现要素：

本发明公开内容的一实施方式是提供一种供电系统。供电系统包含第一变换级、第二变换级以及第三变换级。第一变换级用以根据第一输入电压产生第一电压。第二变换级串联耦接至第一变换级，并包含第一不调节型电源变换器以及第二不调节型电源变换器。第一不调节型电源变换器用以根据第一电压产生第二电压。第二不调节型电源变换器用以根据第二电压产生第三电压，其中第二电压高于第三电压，且第二电压的变动范围大于第三电压的变动范围。第三变换级串联耦接至第二变换级，并用以根据第三电压产生第一输出电压。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一不调节型电源变换器与第一变换级之间具有第一距离，第一不调节型电源变换器与第三变换级之间具有第二距离，第二不调节型电源变换器与第一变换级之间具有第三距离，且第二不调节型电源变换器与第三变换级之间具有第四距离，其中第一距离小于第二距离，且第四距离小于第三距离。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一变换级与第三变换级分别包含调节型电源变换器。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一变换级包含多个调节型电源变换器。多个调节型电源变换器彼此并联连接，并用以根据第一输入电压产生第一电压。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一变换级包含第一调节型电源变换器以及第二调节型电源变换器。第一调节型电源变换器用以根据第一输入电压产生第一电压。第二调节型电源变换器用以根据第二输入电压产生第一电压。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第二变换级还包含第三不调节型电源变换器以及第四不调节型电源变换器。第四不调节型电源变换器串联耦接至第三不调节型电源变换器，其中串联耦接的第三不调节型电源变换器与第四不调节型电源变换器更与串联耦接的第一不调节型电源变换器与第二不调节型电源变换器并联耦接。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第三变换级包含多个调节型电源变换器。多个调节型电源变换器彼此并联连接，并用以根据第三电压产生第一输出电压。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第三变换级包含第三调节型电源变换器以及第四调节型电源变换器。第三调节型电源变换器用以根据第三电压产生第一输出电压，第四调节型电源变换器用以根据第三电压产生第二输出电压。

在本发明公开内容的一实施例中，其中供电系统还包含不断电单元。不断电单元耦接于第一变换级与第二变换级之间、第一不调节型电源变换器与第二不调节型电源变换器之间，或第二变换级与第三变换级之间。

在本发明公开内容的一实施例中，其中不断电单元包含电池以及双向电源变换器。双向电源变换器用以根据第一电压、第二电压或第三电压控制电池进行充电或放电。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一输出电压用以驱动负载，且第二不调节型电源变换器与第三变换级设置于负载的主板上。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一不调节型电源变换器或第二不调节型电源变换器为谐振型电路，且谐振型电路包含第一开关、第二开关、第一电感、第二电感、电容、变压器、第一二极管与第二二极管。第二开关串联耦接第一开关。第一电感耦接于第一开关与第二开关之间的一节点。第二电感耦接第一电感。电容耦接第二电感，其中第一电感、第二电感与电容串联耦接，以形成谐振槽，且所述谐振槽并联耦接至第二开关。变压器耦接至第二电感。第一二极管耦接至变压器。第二二极管耦接至变压器与第一二极管。

本发明公开内容的另一实施方式是提供一种不断电系统。不断电系统包含第一变换级、第二变换级、第三变换级以及不断电单元。第一变换级用以接收输入电压。第二变换级包含第一不调节型电源变换器以及第二不调节型电源变换器。第一不调节型电源变换器串联耦接至第一变换级，且第二非调节型电源器串联耦接至第一不调节型电源变换器。第三变换级串联耦接至第二不调节型电源变换器，并产生输出电压以驱动负载。不断电单元用以选择性地设置于第一变换级与第一不调节型电源变换器之间的节点、第一不调节型电源变换器与第二不调节型电源变换器之间的节点，或第二不调节型电源变换器与第三变换级之间的节点。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一不调节型电源变换器所输出的电压高于第二不调节型电源变换器所输出的电压，且第一不调节型电源变换器所输出的电压的变动范围大于第二不调节型电源变换器所输出的电压的变动范围。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第一不调节型电源变换器与第一变换级之间具有第一距离，第一不调节型电源变换器与第三变换级之间具有第二距离，第二不调节型电源变换器与第一变换级之间具有第三距离，且第二不调节型电源变换器与第三变换级之间具有第四距离，其中第一距离小于第二距离，且第四距离小于第三距离。

在本发明公开内容的一实施例中，不断电单元包含电池以及双向电源变换器，双向电源变换器用以根据第一变换级输出的电压、第一不调节型电源变换器输出的电压或第二不调节型电源变换器输出的电压对电池进行充电或放电。

在本发明公开内容的一实施例中，其中第二不调节型电源变换器与第三变换级设置于负载的主板上。

本发明公开内容的又一实施方式是提供一种供电方法。供电方法包含下列步骤：经由第一调节型电源变换器根据输入电压产生第一电压；经由第一不调节型电源变换器根据所述一电压产生第二电压；经由第二不调节型电源变换器根据第二电压产生第三电压，其中第二电压设置以高于第三电压，且第二电压的变动范围设置以大于所述第三电压的变动范围；以及经由第二调节型电源变换器根据第三电压产生输出电压。

在本发明公开内容的一实施例中，该供电方法还包含：经由一双向电源变换器根据第一电压、第二电压或第三电压对一电池进行充电或放电。

综上所述，本发明公开内容所公开的供电系统、不断电系统以及供电方法利用不调节型电源变换器，可具有较好布线的设置方式以及改善整体转换效率的技术效果。

附图说明

为让本发明公开内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图说明书附图的说明如下：

图1为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图；

图2为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图；

图3为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图；

图4为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图；

图5为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图；

图6为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不断电系统的示意图；

图7为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不断电系统的示意图；

图8为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不断电系统的示意图；

图9A为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不调节型电源变换器的示意图；

图9B为根据本发明公开内容的一实施例示出的图9A的不调节型电源变换器的电压增益曲线图；

图10为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电方法的示意图。

为让本发明公开内容能更明显易懂，所附符号的说明如下：

100、200、300、400、500：供电系统

120a、120b、120n、160a、160b、160n：调节型电源变换器

600、700、800：不断电系统

620a：电池

1000：方法

VO1、VO2、VOn：输出电压

V1、V2、V3：电压

LR、LM：电感

S1、S2：开关

CR：电容

H：电感比值

120、140、160：变换级

140a、140b、900、900：不调节型电源变换器

100a：负载

220a：调节型功率因数校正器

620：不断电单元

620b：双向电源变换器

S1020、S1040、S1060、S1080：步骤

VIN1、VIN2、VINn：输入电压

d1、d2、d3、d4：距离

NP、NS1、NS2：绕组

T：变压器

D1、D2：二极管

具体实施方式

下文是举实施例配合说明书附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。

本文中所使用的“第一”、“第二”…等描述，并非特别指次序或顺位，也非用以限定本发明，其仅仅是为区别以相同技术用语描述的元件或操作。

本文中所使用的“一个电源变换器”、“一级变换级”、“第一电源变换器”、“第二电源变换器”…等描述，均可指由可实现相同或类似功能的元件组合、器件组合及组件组合，其中“一个”与“另一个”、“一级”与“另一级”之间的区别可不限定于装配、封装的不同或元件、器件及组件的数量。例如，本文中的“一个电源变换器”实质上也可为由多个电源变换器所组成。

另外，关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是指相互间接作实体或电性接触，也可指二或多个元件相互操作或动作。

请参照图1，图1为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图。如图1所示，供电系统100包含变换级120、变换级140以及变换级160。

变换级120可耦接至市电或发电厂，以接收输入电压VIN1。变换级120包含调节型电源变换器120a，以根据输入电压VIN1产生电压V1。

如图1所示，在各个实施例中，变换级140串联耦接至变换级120，并至少包含不调节型电源变换器140a以及不调节型电源变换器140b。

不调节型电源变换器140a根据电压V1产生电压V2。不调节型电源变换器140b串联耦接至不调节型电源变换器140b，以根据电压V2产生电压V3。

变换级160包含调节型电源变换器160a。调节型电源变换器160a可串联耦接变换级140中的不调节型电源变换器140b，以根据电压V3产生输出电压VO1来驱动负载100a。在一些实施例中，供电系统100可应用于数据中心，且负载100a可为服务器。

在一些实施例中，上述的调节型电源变换器120a或调节型电源变换器160a可利用闭环控制的方式来调节电压V1与输出电压VO1，也就是电压V1与输出电压VO1可通过不同的参考信号来做调整，以维持在一预设值。而上述的不调节型电源变换器140a以及不调节型电源变换器140b，在一些实施例中，则可利用开环控制的方式来调节电压V2与电压V3，也就是电压V2与电压V3的值可以仅随着对应的输入电压(电压V1或电压V2)变化。

此外，在一些实施例中，上述的电压V2设置以高于电压V3，且电压V2的变动范围也可设置为大于电压V3的变动范围。换句话说，不调节型电源变换器140a可被设置为处理电压位准较高且范围较广的电压范围，而不调节型电源变换器140b可被设置以处理相对电压V2而言较低且范围较窄的电压范围。

在一些实施例中，若在变换级140内仅使用一个电源变换器，此单一级的电源变换器为了满足一般的安全规范要求(例如UL60950、GB4943等等)，其设置位置通常需要靠近于变换级120。相对的，此单一级的变换器的位置将离负载100a较远，在传输上所产生的能量损耗较多，造成整体供电系统的转换效率降低，但本发明公开内容并不以此为限。

因此，在一些实施例中，通过至少两个或至少两级不调节型电源变换器的设置方式构成一个变换级，可让不调节型电源变换器140a的位置靠近于变换级120，以符合安全规范要求。而由于电压V3较低，不调节型电源变换器140b的安全规范要求较低，其设置位置可靠近于变换级160，以减少传递的电流损耗。

换句话说，如图1所示，在布线长度或空间位置上，不调节型电源变换器140a与变换级120之间具有一距离d1，且不调节型电源变换器140a与变换级160之间具有一距离d2，其中距离d1小于距离d2。同理，在布线长度或空间位置上，不调节型电源变换器140b与变换级120之间具有一距离d3，且不调节型电源变换器140b与变换级160之间具有一距离d4，其中距离d4小于距离d3。

另外，由于不调节型电源变换器140a所输出的电压V2较高，不调节型电源变换器140a所输出的电流在相同传输功率下较低，故所产生的电流损耗可因此下降。如此，供电系统100的传输损耗得以改善。此外，由于不调节型电源变换器140a产生的电流较低，在系统布线上也可使用口径较小的电力线，方便相关人员进行施工，使得供电系统100的空间利用率得以增加。

请参照图2，图2为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图。在一些实施例中，当输入电压VIN1为交流电时，供电系统200中的变换级120可包含调节型功率因数校正器(Power Factor Corrector,PFC)220a，以提高电力利用率并降低高次谐波噪声的影响。

举例来说，在一些实施例中，输入电压VIN1为约220伏特的两相交流电或380伏特的三相交流电，调节型功率因数校正器220a可将输入电压VIN1转换为400伏特的直流电(也就是电压V1)。不调节型电源变换器140a将电压V1转换为变动范围为18～72伏特的直流电(也就是电压V2)，再经由不调节型电源变换器140b将电压V2转换为变动范围为6～15伏特的直流电(也就是电压V3)。如此，变换级160的输入电压与输出电压之间的电压差可明显降低，从而提高变换级160的转换效率。

或者，在另一些实施例中，输入电压VIN1为约10千伏特(kV)的交流电，调节型功率因数校正器220a可将输入电压VIN1转换为高压直流电的电压V1，再经由变换级140将电压V1转换为变动范围为6～15伏特的直流电(也就是电压V3)，以提供给变换级160驱动负载100a。

上述各电压的变动范围仅为举例性的示意，并非用以限制本发明，本领域技术人员可视实际需求相应设置各变换级的工作电压范围。

请参照图3、图4与图5，图3为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图，图4为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图，且图5为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电系统的示意图。

上述的供电系统100或供电系统200仅为例示，本发明并不以此为限。在不同的实施例中，变换级120、变换级140以及变换级160可具有不同的设置方式。

举例来说，如图3所示，在供电系统300中，变换级120包含多个调节型电源变换器120a，变换级140包含多个不调节型电源变换器140a与多个不调节型电源变换器140b，且变换级160包含多个调节型电源变换器160a。

在一些实施例中，多个调节型电源变换器120a彼此可互相并联连接，以根据输入电压VIN1产生电压V1。每一不调节型电源变换器140a可分别与一个不调节型电源变换器140b串联耦接，每一不调节型电源变换器的串联组合包含的不调节型电源变换器的数量不限于两个，且各个串联组合的间也可互相彼此并联，并根据电压V1产生电压V2。同样地，多个调节型电源变换器160a可彼此互相并联连接，并根据电压V3产生多个电压VO1，以驱动一个或多个负载。

或者，如图4所示，在供电系统400中，变换级120包含多个调节型电源变换器120a～120n，其中每一调节型电源变换器120a～120n根据不同的输入电源产生电压V1。例如，调节型电源变换器120a根据输入电压VIN1产生电压V1，调节型电源变换器120b根据输入电压VIN2产生电压V1，且调节型电源变换器120n根据输入电压VINn产生电压V1。

同理，如图5所示，在供电系统500中，变换级160包含多个调节型电源变换器160a～160n，其中每一个调节型电源变换器160a～160n可根据电压V3产生不同的输出电压VO1～VOn，以驱动不同的负载。例如，调节型电源变换器160a根据电压V3产生输出电压VO1，调节型电源变换器160b根据电压V3产生输出电压VO2，且调节型电源变换器120n根据输入电压VINn产生输出电压VOn。

上述多个并联的电源变换器的设置方式可作为供电系统100的冗余设计。举例而言，当其中变换级中的任一电源变换器出现故障时，供电系统100仍可通过其他的电源变换器持续供电。如此，可提高供电系统100的可靠度与维修方便性。

请参照图6，图6为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不断电系统的示意图。相较于图1所示的供电系统100，不断电系统600还包含不断电单元620。

在此例中，不断电单元620设置以耦接于不调节型电源变换器140a与不调节型电源变换器140b之间的一节点。不断电单元620包含电池620a以及双向电源变换器620b。电池620a耦接至双向电源变换器620b。双向电源变换器620b可用以根据电压V2控制电池620a充电或放电。例如，在此例中，双向电源变换器620b可根据电压V2对电池620a进行充电。如此，当输入电压VIN1因故障或异常情况停止供电时，电池620a可经由双向电源变换器620b进行放电，双向电源变换器620b可据此继续供电给后方的电路进行运作，而使变换器160可继续稳定地输出输出电压VO1至后方的负载100a。

请参照图7，图7为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不断电系统的示意图。相较于图6所示的不断电系统600，不断电系统700的不断电单元620设置以耦接于变换级120与变换级140之间的一节点。在此例中，双向电源变换器620b可根据电压V1控制电池620a充电或放电，其他操作可仍与先前相同，故不再赘述。

请参照图8，图8为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不断电系统的示意图。相较于图6所示的不断电系统600，不断电系统800的不断电单元620设置耦接于变换级140与变换级160之间。在此例中，双向电源变换器620b可根据电压V3控制电池620a充电或放电，其他操作仍与先前相同，故不再赘述。

简而言之，根据不同的应用环境，不断电单元620可选择性地设置耦接于变换级120与不调节型电源变换器140a之间的节点、不调节型电源变换器140a与不调节型电源变换器140b之间的节点，或不调节型电源变换器140b与变换级160之间的节点，但本发明并不以此为限，也可连接或位于其他位置，能实现所述不断电单元的功能即可。如此，供电系统100的可靠度可进一步地改善。

此外，在一些实施例中，由于不调节型电源变换器的架构简单，其体积相对较小。因此，在另一些实施例中，如图8所示，不调节型电源变换器140b与变换级160可设置在负载100a的主板100b上，而使得不断电系统800的系统布线更加简便。

须说明的是，在上述各个实施例中，若当负载所需的电压较高，本领域技术人员可通过设置额外的调节型功率变换器耦接至电压V1、电压V2或电压V3上，以进行电源转换的操作，从而产生较高的电压来驱动相关的负载。

请参照图9A，图9A为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种不调节型电源变换器的示意图。在上述各实施例中，不调节型电源变换器140a或不调节型电源变换器140b可以由脉冲宽度调变电路与各种谐振型电路实现，或根据实际需求以隔离电路进行实现等，电路结构和设置方式有多个技术方案，本发明公开内容并不以此为限。在一些实施例中，由于变换级140不必具有很高的调节能力，故变换级140可以选用具有零电压切换(zero voltage switching,ZVS)或零电流切换(zero current switching,ZCS)的谐振型电路等，本发明并不以此为限。

举例而言，如图9A所示，不调节型电源变换器900为串联谐振型LLC电路，其包含开关S1、开关S2、电感LR、电感LM、电容CR、变压器T、二极管D1以及二极管D2。

开关S1串联耦接至开关S2，并用以接收电压V1(或电压V2)。电感LR耦接于开关S1与开关S2之间的节点，且电感LR、电感LM与电容CR串联耦接而形成谐振槽，其中此谐振槽与开关S2互相并联。具体而言，变压器T具有绕组NP、绕组NS1以及绕组NS2，其中绕组NP并联耦接至电感LM，二极管D1的第一端耦接至绕组NS1，二极管D1的第二端耦接至绕组NS1与绕组NS2之间，且二极管D2耦接于绕组NS2与二极管D1的第二端之间。

在此例中，开关S1与开关SW2可实现零电压切换，以具有较低的关断电流。而二极管D1与二极管D2可实现零电流切换，以具有较低的反向恢复电流，从而提高不调节型电源变换器900的转换效率。

请参照图9B，图9B为根据本发明公开内容的一实施例绘示图9A的不调节型电源变换器的电压增益曲线图。其中，在图9B中H的定义为电感LM与电感LR的比值，也就是电感比值H＝LM/LR，纵轴为不调节型电源变换器900的增益，而横轴则为标准化的工作频率。

如图9B所示，当电感比值H较小(即电感LM较小)时，增益随着频率变化的幅度较大，即此时不调节型电源变换器900对输出电压的调节能力较高。在相同的电源转换功率下，此时流经开关S1、开关S2、电感LR、电容CR与变压器T的电流会提高，造成电源转换产生的损耗提高。反之，当电感比值H较大(即电感LM较大)时，增益随着频率变化的幅度较小，即不调节型电源变换器900此时对输出电压的调节能力较低。在相同的电源转换功率下，此时流经开关S1、开关S2、电感LR、电容CR与变压器T的电流会较低，造成电源转换的损耗较少。因此，可选择电感比值H较大的谐振型电路来实现变换级140，以使供电系统100的转换效率进一步地提升。

本发明公开内容的另一实施方式是提供一种供电方法。请参照图10，图10为根据本发明公开内容的一实施例示出的一种供电方法的示意图。

请一并参照图1与图10，供电系统100的整体操作将与供电方法1000一并进行说明。如图10所示，供电方法1000包含步骤S1020、步骤S1040、步骤S1060以及步骤S1080。

在步骤S1020中，经由调节型电源变换器120a根据输入电压VIN1产生电压V1。在步骤S1040中，经由不调节型电源变换器140a根据电压V1产生电压V2。在步骤S1060中，经由不调节型电源变换器140b根据电压V2产生电压V3，其中电压V2设置以高于电压V3，且电压V2的变动范围设置以大于电压V3的变动范围。在步骤S1080中，经由调节型电源变换器160a根据电压V3产生输出电压VO1。

举例而言，如图2所示，当输入电压VIN1为约220伏特的两相交流电或380伏特的三相交流电时，调节型电源变换器120a可为调节型功率因数校正器220a。调节型功率因数校正器220a可将输入电压VIN1转换为400伏特的直流电(也就是电压V1)。不调节型电源变换器140a将电压V1转换为变动范围为18～72伏特的直流电(即电压V2)，再经由不调节型电源变换器140b将电压V2转换为变动范围为6～15伏特的直流电(即电压V3)。如此，不调节型电源变换器140a可设置于较靠近于变换器120，以符合安全规范要求。而不调节型电源变换器140b可设置于较靠近于变换级160，以降低传输损耗。

此外，供电方法1000更可加入不断电机制。举例而言，如图6至图8所示，经由双向电源变换器620b根据电压V1、电压V2或电压V3等电压位准对电池620a进行充电，但本发明公开内容并不以上述示例性的电压位准为限。当输入电压VIN1停止供电时，电池620a可经由双向电源变换器620b进行放电。如此，可进一步地增加供电的可靠度。

综上所述，本发明公开内容所公开的供电系统、不断电系统以及供电方法利用至少两级的不调节型电源变换器，可具有较好布线的设置方式以及改善整体转换效率的技术效果。

虽然本发明公开内容可通过上述实施方式进行公开，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本公开内容的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明公开内容的保护范围当以权利要求所界定为准。