用于持久DC电力板转换的装置和方法与流程

用于持久dc电力板转换的装置和方法
技术领域
1.本发明涉及dc(direct current)电力板，并且更特别地，涉及用于利用持久(persistent)电力开关将ac(alternating current)电力板转换成持久dc电力板的装置和方法。


背景技术：

2.在大多数物理基础设施(例如，办公室、住宅或公共设施)中，ac电力占主导地位。ac电力通过安装在ac电力板(power panel)中的ac断路器分配到建筑物中的配电电路，以便装备或设备接入ac电力。
3.使用ac电力方面存在很多缺点。ac比dc更危险。当几乎所有的电子设备含以dc电力进行操作的集成电路。因此，用户经常需要携带电源适配器将ac电力转换成dc，以便设备进行操作。电源适配器不方便携带。旧的电源适配器经常变成电子垃圾，从而破坏绿色环境。在物理基础设施中能方便地获得dc电力的技术是有用的。
4.使用dc电力具有附加优势。可以选择较薄的绝缘用于dc电力递送。dc电力不施加杂散的电容耦接。由于没有涡流效应，在dc中在相同的铜线上可以传送更高的电流密度。由于ac电流中的电抗，ac电力在电力递送中遭受更多的能量损失。显然，相比于使用ac，直接可用于物理基础设施中的dc电力具有更多的优势。
5.太阳能电池板在屋顶顶部或建筑物房屋周围越来越流行。然而，再生的dc能量经常被转换成ac，以并入附近的ac电网。然后，进入公用电网的ac电力将重新进入建筑物，并通过电力板将重新进入的ac分配到配电电路，在配电电路中，使用电源适配器或电源将ac电力转换回dc以供家用电子设备(例如，计算机、电视(tv)或各种手持设备)使用。再生dc能量的反转和转换在电力使用方面是低效的。在转换过程中，相当大比例的可用能量作为热量被浪费。
6.如果再生能量直接进入建筑物中的电力板使用而没有经过反转和转换过程，则可更有效地使用再生能量。最终，高能效环境不应以ac为中心。高能效环境一定是广泛存在的dc，同时设备和电子设备全部以dc电力在物理基础设施中操作。
7.使用dc方面存在普遍的问题。再生dc能量并不总是可用的。例如，在晚上不生成太阳能，在风力发电机停止旋转时不产生风能。储能设备(例如，电池)大规模安装太昂贵而不能作为可行的dc备用解决方案。在建筑物中使用dc电力时，dc电力必须连续地且始终可用，也就是说，它必须是持久dc电力才能在物理基础设施中成为替代ac的主导电力。能够有效利用再生能量并以有成本效益的方式持久地提供dc电力而不需要对建筑物中的配电系统进行实质性改造的技术是有用的，并且将在下文中对其进行描述。


技术实现要素：

8.为了在对现有ac电力系统的最小改变的情况下在建筑物中提供dc电力，一种方法是将现有的ac电力板转换成持久dc电力板，并将现有的ac配电电路用于dc电力分配。
9.dc电力板的一个重要要求是，dc电力板必须能够有效利用再生的dc能源。再生能源将是到持久dc电力板的主要能量。当再生能源不可用时，备用解决方案必须可用于连续地持久提供dc电力。最经济、最可靠的备用解决方案仍然是使用ac电力。因此，ac电力也将作为辅助能量被输入到持久dc电力板。
10.在dc广泛存在的环境中，dc电力分配将是用于整个建筑的主要技术。一种无需对现有配电系统进行实质性改造但能够将建筑物中的整个电力系统从ac转换为dc并还能够提供持久dc电力的技术是利用持久dc电力开关替换ac电力板中的ac主开关。
11.ac主开关具有从ac电力输入到两相线的连接。ac主开关还具有到电力板中的电力轨(power rail)的两个输出连接，其与安装在ac电力板中的断路器对接。除了从ac电力到外部dc电力、接地和零线的附加输入连接，持久电力开关将保持相同的连接和结构。持久电力开关保留了电力板中相同的ac主开关，并在开关中并入了新的持久dc电力模块，以促进dc电力的生成和重定向以方便从电力板输出。到持久电力开关的附加输入连接实际上是到持久dc电力模块的输入。
12.持久dc电力模块可以是可拆卸的，并且可以利用不同的dc电力范围中的不同的一个来替换。持久dc电力模块的输出也可以是可调的，以输出不同的dc电压。持久dc电力模块可以包括在持久电力开关中，以将电力板转换成持久dc电力板。或者，可以将其从持久电力开关中移除，以将其转换回ac电力板。持久dc电力模块可以是嵌入持久电力开关中的集成单元，或者其可以是可插拔的扩展单元，或者可以利用电力线缆连接而耦接到ac电力开关。
13.持久dc电力模块可以是集成电路(ic)，或多芯片模块(mcp，multi-chip module)，或与衬底或印刷电路板上的一组分立设备组装在一起。持久dc电力模块包括监控外部dc电力输入的可用性的控制器，并基于dc外部电源的可用性，通过嵌入式ac到dc转换器(adc)控制ac电力输入能被转换成dc电力。持久dc电力模块还包括基于外部dc电源的可用性而选择来自外部dc电源的经调节的dc电力或从adc生成的经转换dc电力以便进行输出的控制器。
14.持久电力开关非常灵活，以在具有持久电力开关方面的简单的连接更改的情况下向整个建筑物提供ac电力或dc电力。持久电力开关可以利用现有的ac电力板提供多达两个持久dc电力。如果dc电力板中的内部电力轨的数量增加，它可提供更持久的dc电力以供使用。dc电力板也可以利用一种新的接地连接方法进行构造，以简化用于dc配电电路的接地输出方面的布线。持久电力开关的配置和电力板的构造方面的变化将在下文中描述。
附图说明
15.图1示出了ac电力板的示例性配置。
16.图2示出了ac电力板的示例性物理配置。
17.图3示出了经转换的持久dc电力的示例性配置。
18.图4示出了持久多dc电力模块的示例性配置。
19.图5示出了具有ac电力板的配置的最小变化的经转换的持久dc电力板的示例性物理配置。
20.图6示出了ac板转换的持久双dc电力板的另一物理配置。
21.图7示出了持久双dc电力板的新的示例性物理配置。
22.图8示出了持久三dc电力板的示例性物理配置。
23.图9示出了可配置电力板的示例性框架结构。
具体实施方式
24.在dc广泛存在的环境中，在整个建筑中具有占据主导地位的持久dc能量并且能够有效地利用再生的dc能量将是常态。包括固态电子产品的大多数家用电子产品(例如，电视(tv)、娱乐设备、微波炉、通讯设备、计算机、笔记本电脑、照明设备和手持设备等)最终将被设计和制造成使用dc电力作为输入。消除大多数便携式电源适配器和家用电子产品内部的ac-dc电力供应可以减少能源浪费，并且使电力转换产品中使用的大量电子部件最小化。
25.通过修改物理基础设施中的现有ac电力板并充分利用现有的ac配电电路进行dc电力递送，可以轻松实现dc广泛存在的环境。了解ac电力板的配置有助于了解持久电力开关的实施方式以及用于电力板转换的技术。
26.图1示出了示例性ac电力板100的配置。输入到ac主开关105的ac电力101直接连接到断路器接口135，以向用于它们各自的ac配电电路151、152、
……
、159的多个ac断路器141、142、
……
、149供电。ac断路器主要是安装在ac电力板100中的单刀单掷(spst)开关。spst断路器接通/断开从ac电力101输入的相线中的一条。ac电力101中的相线和零线为三线ac配电电路151、152、
……
、或158提供120v的ac电力。当需要更高的电力时，两个spst ac断路器可以组合在一起，例如，成对的spst断路器149，其各自的输入连接到不同的相线以向四线ac配电电路159提供240v的ac电力输出。
27.图2示出了对应于图1中示出的电力板的ac电力板的物理配置。电力板200采用ac电力输入201，ac电力输入201包括连接到电力板200周围的零线杆(neutral bar)206的零线输入202和输入到双刀单掷(dpst)ac主开关205的两条ac相线202，其中ac主开关205的输出连接到嵌入在电力板200中的两条电力轨207、208。每个断路器241、
……
、249耦接到电力轨207、208中的一个，用于输出到ac配电电路251、
……
、259。
28.对于120v的ac电力分配，它包括三个电力互连件，例如，ac配电电路251，ac配电电路251包括连接到spst断路器输出端的相线、连接到零线杆206的零线和连接到接地杆260的接地线，其中接地杆260系接到大地地面，并且也连接到零线杆206。
29.对于240v的ac电力分配，例如，ac配电电路253或259，存在四个电源互连件，该四个电源互连件包括连接到spst断路器的输出的相线输出、连接到零线杆206的零线输出、连接到成对spst断路器249的另一输出的第二相线输出、以及连接到接地杆260的接地线输出。
30.图3示出了经转换的持久dc电力板300的示例性配置，其中ac电力板中的ac主开关被重新配置成为持久电力板310，其有效地将ac电力板转换成持久dc电力板。除了到ac电力板中的ac主开关的初始连接之外，持久电力开关310只需要到外部dc电力302和接地的附加连接，这使电力板转换更加简单且直接。
31.持久电力开关310主要包括两个部件，即ac主开关305和持久dc电力模块330。持久双dc电力模块330是优选的安装件，因为持久双dc电力模块330的两个输出可以无缝地连接到ac电力板中的两个嵌入式电力轨。持久双dc电力模块330的两个输出可以包括高dc电压和低dc电压以驱动dc配电电路，使得用户可以在相同配电电路上提取高dc电压或低dc电压，用于要求高dc电压或低dc电压的应用。
32.这两个部件可以集成到单一的单元中，用于安装到电力板的ac主开关插槽中。由集成的持久电力开关替换ac主开关自动断开ac电力输入到电力板中的电力轨的连接。相反，ac电力输入被配置为到持久电力开关310的输入，并且持久电力开关310的输出被配置为耦接到电力板300中的电力轨。
33.然而，在持久dc模块330具有故障或需要升级的情况下，有用的是，支持持久电力开关310中的持久dc电力模块330的替换，而无需从电力板移除整个集成的持久电力开关310。
34.在一个实施方式中，支持这种功能的解决方案是将持久电力开关分成两个单元，即固定的基本单元308和可移除的单元309。固定的基本单元308包括安装在ac电力板中的ac主开关，另外包括ac开关基本单元308中的数个附加连接器，即sn、a1、a2、sg、b1和b2，其中sn是与零线输入接触的连接点、可拔插连接器、或可拧入的连接器，a1和a2是到ac主开关305的输出的连接器，b1和b2是断路器接口335处用于连接到ac电力板中的嵌入式电力轨的连接器，以及sg是到零线的连接器，其在ac电力板中具有零线连接的作用并且在dc电力板中具有接地连接的作用。
35.在dc电力板中，dc配电电路不再需要零线。然而，其到大地地面的连接变成到持久dc电力模块330的接地连接。持久dc电力模块替代性地在下文中也称为“dc电力模块”或“dc模块”。
36.可拆卸单元(即，持久电力扩展单元309)主要包括持久dc电力模块330。一些辅助设备(例如，用于生成输入到持久双dc电力模块330的多dc电压的dc-dc转换器320)以及用于控制外部dc输入的dc主开关315可以包括在持久电力扩展单元309中或不包括在持久电力扩展单元309中，这是因为在某些情况下，由于隔室空间限制和/或散热问题，这些辅助设备更适合安装在其他方便的位置。
37.接收外部dc电力302的持久电力扩展单元309可以插到ac开关基本单元308上，或者使用线缆连接使持久电力扩展单元309上的电力接口与ac开关基本单元308的连接器牢固接触，其中sn、a1、a2是持久dc电力模块330的ac电力输入，b2、b2连接到持久双dc电源模块330的两个输出，并且sg提供到持久dc电力模块330的接地连接。当将持久电力扩展单元309连接到ac开关基本单元308时，ac电力板中的sn和sg之间、a1和b1之间以及a2和b2之间的三组电线连接将被断开。
38.通过连接ac开关基本单元中的三组布线，电力板被配置为ac电力板。在持久电力扩展单元309被安装以耦接到ac开关基本单元308的情况下，电力板被配置为dc电力板。ac电力板和dc电力板之间的互换简单且直接。在电力板转换期间，可以关闭ac主开关305以断开ac电力，而没有触电问题。
39.持久电力扩展单元309的便携性使得该单元能够被实施为放置在电力板外部的独立单元，并且使用电力线缆将扩展单元309连接到ac开关基本单元308处的连接器，以获得持久电力开关310的全部功能。
40.在持久电力扩展单元309中可以本地生成由dc电力模块330中的控制电路使用的设备操作电压vcc。
41.图4示出了持久多dc电力模块400的示例性配置，其中持久多dc电力模块400包括一个或多个单dc电力模块410、411、
……
、419。持久单dc电力模块可以利用组装在衬底或印
刷电路板(printed circuit board，pcb)上的一组分立设备来实施。持久单dc电力模块也可以在多芯片封装(multi-chip package，mcp)中实施，或者被制造为一个或多个集成电路，以最小化设备占地面积并提高可靠性。持久多dc电力模块可以通过将多个单dc模块、组件或集成电路组合在一起而形成。
42.在图4中示出的单dc电力模块410中，单dc电力模块410包括dc电压调节器420，该dc电压调节器420将dc输入dv1调节到由dc配电电路所需的经调节的电压。在输入到两个检测设备之前，dc输入dv1被衰减到与设备操作电压vcc兼容的电压，以监控dc电力强度，其中一个是ac开关控制电压比较器425(即ac切换控制比较器)以及另一个是输出开关控制电压比较器435(即输出控制比较器)。到ac切换控制比较器425的衰减输入将与ac开关控制基准电压vrefa进行比较，以控制嵌入式ac开关426的开关。输出控制比较器435的衰减的输入将与输出控制基准电压vrefo进行比较，以选择经调节的dc电压以便输出。
43.当到比较器425的衰减的dc输入高于vrefa时，常开(no)嵌入式ac开关426将保持断开。但是在dc电力输入变低并且dv1的衰减的输入下降到vrefa以下时，ac切换控制比较器425的反相输出将变高，以使常开嵌入式ac开关426闭合，以便ac电力输入401向嵌入式ac-dc转换器(adc)430上电。
44.vrefa高于vrefo，使得在输出控制比较器435改变状态以选择到dc输出端口450的经调节的adc输出430的电压之前，嵌入式ac开关426可以被提前接通以向嵌入式adc 430上电。adc输出电压430被调节为与dc调节器420输出电压相同，以确保不管由电力多路复用器(power mux)440输出哪个经调节的电压，从dc电力模块410都输出恒定的dc电压。
45.输出控制电压比较器435控制来自dc调节器420的经调节的电压或来自adc 430的经调节的电压的选择，用以输出。默认是选择来自dc调节器420的经调节的输出电压。当dv1的衰减的电压下降到vrefo以下时，输出控制比较器435将改变状态，以使电力多路复用器440选择到输出端口450的adc 430经调节的电压。但是当衰减的电压上升到vrefo以上时，输出控制比较器435的输出将再次改变其输出状态，并且电力多路复用器440将改变其输出以选择从dc调节器420到输出端口450的经调节的电压。如果衰减的dc输入继续上升高于vrefa，则ac控制比较器425的反相输出将反转以打开嵌入式交流开关426，从而切断ac电力输入。
46.ac电力401中的三条输入线中的任意两条可以被选择为到adc430的ac输入。在图4中，零线和ac相线1向adc 430提供120v的ac输入，其中ac线1可由嵌入式ac开关426开关。当需要更强的240v的ac电力时，ac线1和ac线2两者可以输入到adc 430。两条ac线路将在ac切换控制比较器425的控制下开关。图3中示出的dc-dc转换器320可以通过采用外部dc电力输入来生成多个dc电力dv1、dv2、
……
、dv9而被包括在持久多dc电力模块中。
47.图5示出了经转换的持久双dc电力板的示例性物理配置，其与ac电力板相比具有最小的配置变化。图2的ac电力板200中的ac主开关205保持不变。持久电力扩展单元509在六个连接点或连接器(即如图5所示的sg、sn、a1、a2、b1和b2)处耦接到经转换的持久dc电力板500中的ac开关基本单元508。
48.来自ac电力输入501的零线没有连接到零线杆504，而是连接到连接器sn，用于耦接到持久电力扩展单元509中的持久dc电力模块530。在dc环境中，ac电力仅具有辅助电力供应(power supply)的作用。接地连接也在连接器sg处连接到电力扩展单元509。一些spst
断路器可用于ac电力和dc电力两者的分配，然后ac电力板不需要更多的变化，以及完成板转换，其中经转换的电力板中的每个spst断路器变为连接到两个电力轨中的一个上的dc电压，例如，dc1或dc2。
49.将持久电力扩展单元509插入到电力板500需要断开零线从ac电力输入501到零线杆504的连接。零线杆504由于其接地大地地面系接而成为接地连接。因此，由于在并入扩展单元509之后初始零线承受接地连接，经转换的dc配电电路551、
……
、559将具有两条接地线，例如，dc配电电路551示出。由于配电电路中相线和零线使用不同的颜色，用户将能够区分哪种电力在dc配电电路中的哪条线上。更多的接地连接有助于最小化dc电路中的电压变化。
50.图6示出了经转换的持久双dc电力板600的另一示例性物理配置。本示例中唯一的区别是，两个stsp断路器的输出被组合在一起，对dc配电电路提供双dc电压。例如，来自两个相邻的spst断路器641、642的输出dc1、dc2连接到初始ac配电电路中的两条火线，以向dc配电电路651提供双dc电力。这个示例需要重新布线以将相邻的spst断路器输出连接到双dc配电电路651的零线。这种转换在用于双dc电力递送的示例性ac电力板中重新使用了stsp断路器，例如，dc配电电路651。
51.图7示出了经转换的持久双dc电力板的新的示例性物理配置。选择双刀单掷(dpst)断路器来代替图6中示出的一对spst断路器，用于双dc电压递送。例如，dpst断路器741断开从两个电力轨到dc配电电路751的两个dc电力dc1、dc2。
52.每个dpst断路器可占用类似于spst断路器的断路器插槽。根据断路器的配置，dpst断路器的两个极可以独立地切换，或者同时切换。
53.在dc电力板700中，零线杆704和接地杆760系接在一起，同时接地杆也系接到大地地面，与ac电力板一样。在一个实施方式中，dc配电电路中的接地线连接到dc电力板中的初始ac电力板的零线杆。这大大简化了连接到电力板700的dc配电电路的接地线连接。存在从dc电力板到dc配电电路的较短的直接接地线连接。
54.无论stsp或dpst断路器安装在dc电力板中，对于电力板转换，例如，图6中的dc配电电路651、或者图7中的dc配电电路751，dc配电电路中的初始接地线可以重新连接到零线杆，而零线可以从不同的spst断路器或dpst断路器的其他输出重新连接到不同的dc输出。
55.零线杆704和接地杆760可以连接并构造成围绕dc电力板的边缘的单一导电杆。但是，处于这种配置的dc电力板无法转换为ac电力板，因为没有用于ac配电电路的零线连接。
56.图8示出了dc电力板通过使用持久三dc电力板800的示例来分配更多dc电力的可扩展性，其中集成的持久电力开关810或耦接到ac开关基本单元808的可移除持久电力扩展单元809被并入持久电力板800中。从持久电力开关810中的持久三dc电力模块830输出三个dc电力。来自持久电力开关810的三个dc输出连接到嵌入在dc电力板800中的三个电力轨。dpst断路器841、
……
、或849具有的选择是从用于配电电路(例如，dc配电电路851)的持久电力开关810连接到三个dc输出中的任何两个。在该示例中，dc2被任意选择作为公用dc电压，用于分配到连接到电力板800的所有dc配电电路。
57.在一个实施方式中，图9示出了可配置电力板900的示例性框架结构。可配置的电力板包括ac开关基本单元908，其容纳ac主开关905以在其两相线处连接到ac电力901。ac开关基本单元980可以被设计为插座，以允许插入或连接电源线或附加电力单元。ac开关基本
单元908可以预先安装在可配置的电力板900上。
58.在可配置的电力板900中有数个嵌入式连接器或端子，其包括从ac电力901连接到零线的sn连接器、用于连接到ac主开关905的输出的a1和a2连接器、用于连接到电力板中的电力轨的断路器接口935处的b1和b2连接器以及接地连接器sg。断路器接口935处的连接器的数量是可变的，这取决于从可配置的电源面板900输出的dc电压的数量。该数量可以少到只有一个，或者可以扩展到应用所需的数量。连接器sg具有双重功能。它在ac电力板中具有零线连接的作用，并且在dc电力板中具有接地连接的作用。
59.可配置的电力板900可以通过在sn和sg端子之间、a1和b1端子之间以及a2和b2端子之间的连接线而被配置为ac电力板。在说明书中，端子替代性地用作连接器。在这种情况下，持久电力开关是持久ac开关。
60.通过将持久电力扩展单元耦接或连接到ac开关基本单元908，可配置的电力板900可以被配置为持久dc电力板。持久电力扩展单元可以被组装或制造为外部独立设备，用于通过使用电力线缆将两个单元连接到持久dc电力开关中来耦接到ac开关基本单元908。
61.可移除的电力扩展单元能够选择合适的dc电压以便输出到dc配电电路。来自可配置的电力板的输出电压也可以通过调节持久电力开关中包括的单dc电力模块中的调节器基准电压来调节。