用于共享混合式转换开关的系统和方法与流程

用于共享混合式转换开关的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年5月5日提交的美国专利申请第16/867,306号的优先权，并且还要求于2019年5月6日提交的美国临时申请第62/843,884号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
3.本公开内容涉及在数据中心和其他设施中使用的、用于将供应给一个或更多个负载的电力从一个电源转换到不同的电源的转换开关，并且更特别地，涉及共享混合式转换开关系统，该系统使得能够在将负载从第一电源转换到第二电源时显著减少切换时间。


背景技术：

4.本部分提供与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。
5.在各种类型的设施中，并且特别是在现代数据中心中，转换开关用于可靠地促进下游配电基础设施在两个独立电源(例如，公用设施和备用电力)之间的切换，使得维持所连接的设备(例如，服务器、路由器等)的不间断操作。当在有源源上检测到次优电力质量条件时，转换可以自动发生。当需要对有源电源进行维护时，还可以由设施处的工人手动地启动转换。
6.转换开关以各种物理形式、性能能力和用于单相和三相配电的载流量范围制造。在数据中心应用中，转换开关优选地位于设备机架内(即，在机架“空间”内)。转换开关经由其自己的插座直接向it设备提供输入或向其他机架配电设备(例如，电源板)提供输入。
7.转换开关的电切换使用以串联和并联组合方式电互连的机电继电器的触点。在转换期间，这些继电器被精确控制以断开先前有源源与负载之间的电路，并且为新有源源快速闭合新电路，同时确保两个源保持彼此电隔离。顺序可以是“先断后通”，其中在新触点闭合之前断开有源触点(也称为“断开转换”)，或者顺序可以是“先通后断”，其中在先前触点断开之前闭合新触点(也称为“闭合转换”)。新电源和负载的电压相位对于断开转换可能不同步，或者在闭合转换的情况下必须同步。
8.信息技术工业理事会(“itic”)计算机和商业设备制造商协会(“cbema”)曲线描述了it负载在功能不中断的情况下可以承受的ac输入电压包络。转换开关性能应至少符合该曲线的最大限制，即，在70％电压下快于20ms。为了更大的市场竞争力，转换应当在半个线路周期内完成，即，在60hz的线路频率下小于或等于8ms。然而，典型的机电继电器触点在释放和闭合时间操作，这不能实现闭合转换的这样的性能。此外，电力质量条件的可靠检测和防止源的交叉传导或部件故障的转换管理通常引起额外的增量延迟，这使得难以或不可能满足半个线路周期的转换时间段。
9.为了实现更快的转换时间，可以通过使用诸如triac(双向型/双向三极晶闸管)、反并联scr(可控硅整流器)对或igbt(绝缘栅双极晶体管)的固态切换装置来提高继电器触点的切换性能。固态继电器先前已经与机电继电器组合用于混合切换配置中。在这些混合
解决方案中，固态开关的端子永久地与继电器触点并联电连接，使得第一电源和第二电源都需要专用固态开关。然而，固态开关需要更多的部件以及昂贵的隔离驱动电路。因此，减少固态开关数目的电路设计将降低成本并且简化转换电路。
10.还已知的是，由于电容器被放电并且具有低输入电容性电抗，因此一些it设备的内部电力供应在冷启动期间(即，在电力循环期间)会造成大的涌入电流流过转换电路。涌入电流的大小可以比继电器触点的额定值超出数量级，并且如果没有适当减小涌入电流的大小，则可能损坏或破坏继电器触点并且可能造成能量危险。因此，启用“软启动”的电路设计特征在保护转换电路的电子部件方面将极具价值，当从一个电源切换到另一个电源时，所述“软启动”瞬时减小或限制通过转换切换电路的涌入电流。


技术实现要素：

11.本部分提供本公开内容的一般概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
12.在一个方面，本公开内容涉及一种共享混合式转换开关，用于将由负载接收的电力从优选ac电源转换到替选ac电源，或者将由负载接收的电力从替选ac电源转换到优选ac电源。共享混合式开关可以包括：第一多个继电器触点和第二多个继电器触点，第一多个继电器触点与优选ac电源和负载连通，第二多个继电器触点与替选ac电源和负载连通。第一多个继电器触点和第二多个继电器触点中的第一选择继电器触点在第一公共连接点处彼此连接，并且当任一第一选择继电器触点闭合时形成到负载的电流路径。包括固态开关，其被配置成接收来自控制器的控制信号。固态开关与负载串联耦接，在第一侧上与第一公共连接点耦接，并且在第二侧上在第二公共连接点处耦接，并且使得能够与优选ac电源或替选ac电源连通，并且还能够与第一多个继电器触点和第二多个继电器触点中的选择继电器触点至少瞬时地并联耦接。固态开关被控制成使得固态开关被接通以与第一多个继电器触点和第二多个继电器触点中的选择继电器触点中的一个或另一个连通，并且还与负载连通，以提供用于从被转换到的优选ac电源或替选ac电源中的一个到负载的电流流动路径，同时第一多个继电器和第二多个继电器中的第二选择继电器瞬时地断开，从而使得能够进行从优选ac电源或替选ac电源中的一个到另一个的切换转换。
13.在另一方面，本公开内容涉及一种形成共享混合式转换开关的方法，用于将由负载接收的电力从优选ac电源转换到替选ac电源，或者将由负载接收的电力从替选ac电源转换到优选ac电源。该方法可以包括：提供第一多个继电器触点，第一多个继电器触点与优选ac电源和负载连通；以及提供第二多个继电器触点，第二多个继电器触点与替选ac电源和负载连通。该方法可以包括：配置第一多个继电器触点和第二多个继电器触点中的第一选择继电器触点，使得第一选择继电器触点的公共侧在第一公共连接点处连接，并且当任一个第一选择继电器触点闭合时还与负载连通。该方法还可以包括：配置第一多个继电器触点和第二多个继电器触点中的第二选择继电器触点，使得第二选择继电器触点的公共侧在第二公共连接点处连接。该方法可以包括：控制固态开关，该固态开关被配置成接收来自控制器的控制信号，并且在第一侧与第一连接点通信地耦接，以及在第二侧与第二连接点通信地耦接，并且所述固态开关还能够与负载以及与优选ac电源和替选ac电源中的任一个耦接。通过选择性地使用第一多个继电器触点和第二多个继电器触点中之一，可以控制固态
开关执行从优选ac电源或替选ac电源中的一个到另一个的切换转换。
14.根据本文提供的描述，其他的应用领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例旨在仅用于说明的目的并且不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
15.本文中描述的附图仅用于对所选择的实施方式而非所有可能的实现方式进行说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。在附图中：
16.图1是耦接至主电源和次要电源的共享混合式转换开关系统的一个实施方式的图。切换拓扑在负载的两侧对称，为了不会使图混乱，因此仅示出一侧；
17.图2示出了图1的系统，其中，各个继电器触点处于当系统处于从第一电源接收电力的稳定操作状态时它们假定的位置；
18.图3示出了在将负载从第一电源切换到第二电源以进行断开转换的切换序列的第一中间步骤期间如何控制特定继电器，以对到负载的电力进行瞬时中断，在该断开转换中，与优选电源相关联的继电器触点之一最初是断开的；
19.图4示出了在第二中间步骤期间如何进一步控制系统的特定继电器，在第二中间步骤中，反并联scr电路被接通以提供从替选电源到负载的替选电流路径；
20.图5示出了在另一中间步骤期间如何进一步控制系统的特定继电器，在另一中间步骤中，与替选电源相关联的继电器触点中的一个闭合，其中反并联scr电路形成到负载的替选电流路径；
21.图6示出了当在已经变换到使用第二电源之后并且在已经断开反并联scr电路之后系统以稳定状态操作时系统的各种继电器的触点的位置。
22.图7是示出当从优选电源切换到替选电源时发生的转换的定时的图；
23.图8示出了被配置成处理单相ac电源的系统的实施方式；
24.图9示出了被配置成处理三相三角形ac电源的系统的实施方式；并且
25.图10示出了被配置成处理三相y形配置的ac电源的系统的实施方式。
26.遍及附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。
具体实施方式
27.现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。
28.在以下讨论的各种实施方式中，本公开内容实现了明显更快的转换时间，这对于当前机电继电器通常是可能的。在各种实施方式中，通过使用诸如双向型/双向三极晶闸管(triac)、反并联可控硅整流器(scr)对或绝缘栅双极型晶体管(igbt)的固态切换装置来提高继电器的切换性能。所选择的固态切换装置与继电器的触点连接，并且可以比仅使用常规机电继电器可以实现的快两个或三个数量级地闭合电路。此外，固态切换装置在两个电源的电路的继电器触点的对应极的任一个之间进行可配置连接，使得固态切换装置在两个电源的电路之间共享。因此，相同的固态开关电路可以配置在有源电源侧以在上电(冷启动)期间提供软启动，或者配置在无源电源侧以促进快速转换。在以下讨论的各种实施方式中，固态装置保持激活直到继电器触点已经稳定到闭合状态。在有源源的稳态操作期间，固态开关可以切换成与无源源电路的继电器触点连接，以减少接通时间转换。重要的是，各种
实施方式都提供了软启动特征，当从一个电源切换到另一个电源时，该软启动特征有助于限制通过系统的部件的涌入电流。
29.参照图1，示出了根据本公开内容的一个实施方式的共享混合式切换系统10。在该实施方式中，系统10包括控制器12，该控制器12用于控制多个继电器14a和14b、16、18、20、22和反并联scr对24的切换，以控制从“优选”或主ac电源26和“替选”或次要ac电源28中的一个或另一个到负载的电力的切换。应当理解，切换拓扑在负载的两侧是对称的，为了避免使图混乱，因此在图1中仅示出了一侧。继电器触点14a的公共侧在第一公共连接点14c处彼此耦接，并且反并联scr对24的一侧也耦接至第一连接点14c。反并联scr对24的相对侧与主继电器16和18的公共侧一起耦接至第二公共连接点17。负载还与第二连接点17连通。
30.热敏电阻30(在本示例中是ntc热敏电阻)耦接在scr对24的一侧与第一公共连接点14c之间，并且形成限流器以在转换操作期间接通反并联scr对24时减轻触点电流过载。负载可以是需要ac电力来操作的一个或更多个装置或子系统，例如一个或更多个服务器、网络交换机、配电单元(pdu)或实际上任何其他需要ac电力来操作的部件。系统10可以位于合适的壳体(未示出)内并且安装在数据中心设备机架中，并且可以结合一个或更多个ac插座(未示出)以用于将ac电力直接供应至他装置和部件。
31.继电器14a可以是第一形式a双极常开(dpno)继电器组件的一部分，该继电器组件具有另一类似的继电器(该类似的继电器是图1中所示的系统10的镜像部分的一部分)。类似地，继电器14b可以是在系统10的镜像部分中使用的第二形式a dpno继电器组件的一部分。可选地，继电器14a和14b可以包括形式c单刀双掷(spdt)双稳态继电器。虽然认为将继电器14a和14b配置成单独的形式a dpno继电器的部分将是更优选的实现方式，但这两种实现方式都是可以的。
32.主继电器16和18可以是形式a单极常开(spno)继电器触点(未示出常规缓冲电路)。继电器20和22可以包括形式a dpno继电器触点，以提供用于可预测启动状态和诊断模式下的操作的源隔离(未示出常规缓冲电路)。通过诊断模式，意指当电路在相对侧闭合时，继电器20或继电器22可以断开，使得主继电器16或18和反并联scr可以按顺序瞬时闭合，而不会引起源之间的交叉传导。通过感测主继电器16或18的触点两端的电压变化，控制器12可以确定继电器16或继电器18是否可以闭合或断开。反并联scr对24包括scr 24a和scr 24b，两个scr的栅极24a1和24b1与控制器12连通。同样，反并联scr对24优选地包括缓冲电路和串联故障安全熔丝，为了避免使图混乱，未示出缓冲电路和串联故障安全熔丝。
33.将参照图2至图5描述系统10的操作。图2示出了由优选电源26供电的处于稳定操作状态的系统10。继电器触点14a断开，继电器触点14b闭合，反并联scr对24的scr都断开，继电器16闭合，并且继电器18断开。电流根据虚线箭头从优选电源26通过继电器触点20和16流至负载。
34.图3示出了从替选电源28切换电力的第一操作。同样，在该示例中，系统10被配置为“先断后通”系统，尽管可以控制系统10使得其作为“先通后断”切换系统来操作。然而，期望“先断后通”控制方案将是更优选的控制配置。
35.利用“先断后通”切换控制方法，继电器16最初是断开的。继电器触点14a和14b、继电器触点18和继电器触点22保持在如图2所示的相同位置。
36.图4示出了随后控制器12触发scr对24的scr 24a或scr 24b的下一个操作。应当理
解，当被控制器12触发时，scr对24中的两个scr不同时导通。scr中的一个在正弦曲线的正象限期间导通，而scr中的另一个在正弦曲线的负象限期间导通。因此，随着正弦曲线正负交替，scr 24a和24b交替导通。所有继电器触点14a、14b、16、18、20和22保持如图3所示的相同状态。在scr 24a或scr 24b被触发的情况下，电流现在从替选电源28通过继电器触点14b并且通过scr 24a或scr24b流至负载。为方便起见，下文中将scr 24a和24b的交替操作描述为“反并联scr对24”的操作。
37.图5示出了下一个操作，其中，当控制器12将反并联scr对24保持在“接通”状态时，控制器闭合继电器触点18。这使得反并联scr对24与继电器触点18并联。因此，电流能够通过继电器触点18和22以及通过继电器触点14b和反并联scr对24的组合流至负载。应当理解，在图5中，反并联scr对24基本上使得能够提供电力，直到继电器触点18闭合，从而克服在等待继电器触点18响应和完全闭合时所经历的延迟时间。
38.图6示出了下一个操作，其中，反并联scr对24不再由控制器12触发并且自然地被迫整流关闭，继电器触点14b断开并且继电器触点14a闭合。在优选电源26被重新选择作为用于系统10的电源的情况下，图6中所示的继电器14a和14b的该最终配置为系统10准备下一个转换。
39.图7示出了说明从优选电源26到替选电源28的上述转换的定时的多个曲线图。应当理解，图7描绘了理想化的(模拟的)波形；如这里所示，在实际电路中，当触点被命令断开时，它们不能瞬间断开。曲线100表示当优选电源被激活时通过继电器触点20和16以及负载的电流；曲线102表示负载两端的电压；线104表示当替选电源被激活时通过继电器触点22和18以及负载的电流；曲线106表示继电器触点20之前的优选电源电压；曲线108表示继电器触点22之前的替选电源电压。在位于曲线图上的19.0ms点处的点110处发生故障。到负载的电流下降至零，并且控制器12命令继电器触点16断开。在曲线图时间线上23ms(即，故障发生之后的4ms)的点112处，继电器触点16最终在其固有延迟之后断开。在曲线图时间线上24ms(即，故障发生之后5ms)的点114处，反并联scr对24被触发并且控制器12命令继电器触点18闭合。该动作仅在检测到故障之后5ms发生。在曲线图时间线上31ms的点116处，继电器触点18最终在其固有延迟之后断开。在曲线图上50ms点的点118处，反并联scr对24不再由控制器触发并且自然地被迫整流关闭。箭头120表示在反并联scr对24的scr中的一个导通并且向负载供应电流期间的总时间持续，而箭头122指示在反并联scr对24的scr中的一个与继电器触点18并联连接期间的总交叠时间。在该示例中，负载经历不供电的总时间为仅5ms，这正好在如由信息技术工业理事会开发的itic曲线所指定的60hz线路频率下的8ms或8ms以下的期望时间段内。
40.图8示出了根据本公开内容的被配置成实现单相拓扑的系统200。在该实施方式中，基本上结合了系统10的两次迭代，其中每对继电器14a、14b、20和22分别被控制在一起。
41.图9示出了根据本公开内容的被配置成实现三相三角形(delta)拓扑的系统300。系统10的一个实例用于控制从优选电源的x相、y相和z相26x/26y/26z中的每一个到替选电源的x相、y相和z相28x/28y/28z的转换。
42.图10示出了根据本公开内容的被配置成实现三相y形拓扑的系统400。在该实现方式中，使用系统10的四个实例来控制从优选电源相x、y和z(标记为26x、26y、26z)中的每一个和中性线的转换，以及从替选电源相x、y和z(标记为28x、28y和28z)中的每一个和中性线
的转换。在该实现方式中，与x相和y相相关联的系统10的两个实例的继电器触点20一起切换，并且与y相和中性线相关联的系统10的两个实例的继电器触点20一起切换。以相同的方式处理继电器触点14a、14b和22。
43.也可以以“先通后断”(“闭合转换”)配置来实现本文中呈现的系统10的各种实施方式。源电压定相可以是不同步或同步的，其中对于“闭合转换”配置需要同步的条件。
44.虽然本文中描述的各种实施方式示出了反并联scr对24作为固态切换部件，但是应当理解，在几乎不需要对系统10进行修改的情况下，其他固态部件例如但不限于绝缘栅双极型晶体管(igbt)或triac)可以用作固态切换装置。
45.本系统10的另一优点在于，由于反并联scr对24仅需要在短暂的时间间隔内承载电流直到继电器触点16和18在转换操作期间稳定下来，因此反并联scr对24的scr的负载额定可以比处理来自优选电源26或替选电源28的电流所需的负载额定低。
46.系统10还提供显著的“软启动”益处，因为在启动时，反并联scr对24以更大的导通角被逐渐触发，直到被完全接通。这会使电压斜线上升，使得流入负载的电流也有效地斜线上升。当电力最初施加至处于完全放电状态的无功负载时，该软启动益处还减轻在冷启动期间的涌入电流。
47.当然，使用与触点并联的固态反并联scr对24有助于快速转换，而且scr的分流作用意指继电器触点可以自然地弹跳至最终闭合位置，而不引起继电器中的每一个的触点表面的电弧放电、磨损和侵蚀，这在从一个电源突然切换至另一电源时对于常规电力转换电路经常发生。触点弹跳的显著减少和/或消除可以延长继电器触点的寿命，并且减少由大涌入电流引起的对系统10的其他各种部件的应力。
48.出于说明和描述的目的提供了实施方式的前述描述。所述描述并非旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常并不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下，也能够相互交换并且能够用于所选的实施方式，即使未具体地示出或描述。特定实施方式的各个元件或特征还可以以许多方式进行变型。这样的变型并不被认为偏离本公开内容，并且所有这样的修改旨在包括在本公开内容的范围内。
49.提供示例实施方式，使得本公开内容将是透彻的，并且将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域的技术人员而言明显的是，不需要采用具体细节，示例实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且具体细节和示例实施方式都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，并未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
50.本文所使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而不旨在进行限制。除非上下文另外明确指出，否则如本文中所使用的，单数形式的“一(a)”、“一(an)”和“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有”是包含性的，并且因此指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。除非特别标识为执行的顺序，否则本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可以采用附加或替选步骤。
51.当元件或层被称为在另一元件或层“上”、被“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，所述元件或层可以直接在另一元件或层上、可以直接接合至、直接连接至或直接耦接至另一元件或层，或者可以存在介于中间的元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在”另一元件或层上、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可能不存在介于中间的元件或层。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或更多个项的任何组合和所有组合。
52.尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。除非上下文明确指出，否则本文使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语不暗示顺序或次序。因此，下文中所论述的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离示例性实施方式的教示。
53.在本文中，为了便于描述可以使用诸如“内”、“外”、“下方”、“下面”、“低于”、“上面”、“上方”等的空间相对术语来描述如图所示的一个元件或特征与另外(一个或更多个)元件或(一个或更多个)特征的关系。空间相对术语可以旨在涵盖除附图中所描绘的取向之外装置在使用或操作时的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将被定向为在其他元件或特征“上面”。因此，示例术语“下”可以涵盖上的取向和下的取向两者。可以以其他方式定向装置(旋转90度或者以其他定向)，并相应地解释本文中使用的空间相对描述语。