DE202008018644U1 - Direkt gekoppelte Rechenlast - Google Patents

Abstract

Ein Stromverteilungssystem für ein Datenzentrum, wobei das System das Folgende umfasst: eine DC-Last, die mindestens einen digitalen Prozessor umfasst, der betriebsfähig ist, um die von einem Netzwerk erhaltenen Daten zu verarbeiten; ein DC-Bus, der konfiguriert ist, um Betriebsstrom an die DC-Last zu liefern, wobei der Strom, der von einer Stromquelle erhalten wird; die über den DC Bus verbunden ist; und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die mit der DC-Last integriert ist, wobei die USV das Folgende umfasst: einen Batterieschalter, der konfiguriert ist, um eine Batterie auf betriebsfähige Art über den DC-Bus während eines Fehlerzustands zu verbinden, in dem ein Eingangswechselspannungssignal außerhalb des normalen Betriebsbereichs fällt, worin das Eingangswechselspannungssignal aus einem rotierenden AC-Generator stammt; ein AC-DC Gleichrichtungsstadium einen AC-zu-DC Wandlungsschalter umfasst, der konfiguriert ist, um eine im Wesentlichen nicht aufbereitete Eingangswechselspannung zu erhalten und das Eingangswechselspannungssignal zu einem einzelnen Ausgangsgleichspannungssignal über den DC-Bus umzuwandeln, wenn das Eingangswechselspannungssignal sich innerhalb des normalen Betriebsbereichs befindet, worin die AC-zu-DC Wandlungsschaltung konfiguriert ist, um das Ausgangsgleichspannungssignal auf eine Spannungsebene zu regulieren, die sich oberhalb und im Wesentlichen in der Nähe einer maximalen nominalen Ladespannung der Batterie befindet; und eine Steuerung, die konfiguriert wird, um die AC-zu-DC Wandlerschaltung selektiv zu aktivieren, um die Versorgung der Gleichstromlast mit Betriebsstrom erneut, als Antwort auf ein Signal aufzunehmen, das angibt, dass das Eingangswechselspannungssignal in den normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die folgende Offenbarung betrifft die elektrische Energieverteilung in Datenzentren, zum Beispiel Techniken und damit in Verbindung stehende Vorrichtungen, um skalierbare und/oder modulare Datenverarbeitungsanlagen auf effiziente Art und Weise mit unterbrechungsfreiem Strom versorgen.
• HINTERGRUND
• Der elektrische Strom ist zu Beginn seiner Erzeugung sehr sauber- ein Kraftwerkgenerator, der sich bei einer konstanten Geschwindigkeit dreht, um ein gleichmäßiges, sinusförmiges Wechselstromsignal mit konstanter Frequenz zu erzeugen. Das Signal startet sein Leben auf dieselbe wunderschöne Art und Weise wie ein Baby, aber beginnt dann schnell zu altern. Blitzeinschläge lassen die gleichmäßige Sinuskurve stark ausschlagen. Motoren in Industrieanlagen leiten Lärm zurück ins elektrische System, und beeinträchtigen die gleichmäßig variierende Spannung des Kraftwerks. Selbst Haushaltsgeräte können derartige Interferenzen verursachen, die anhand einer Stereoanlage gehört werden können.
• Musikliebhaber sind nicht die einzigen, die sich über Geräusche, Stromspitzen und sonstige Probleme hinsichtlich ihrer Stromleitungen Sorgen machen. Betreiber elektronischer Anlagen, wie etwa Computern, wünschen sich auch „sauberen“ Strom, um ihre empfindliche Ausrüstung vor Schäden zu schützen. Dies trifft insbesondere auf Betreiber großer gewerblicher Rechenanlagen zu, wie etwa Rechendatenzentren, wo tausende oder hunderttausende von Computerservern betrieben werden können. Betreiber von Rechenzentren wünschen sich auch konstanten Strom- keine Stromausfälle, keine Störungen und keine plötzlichen Neustarts. Infolgedessen können derartige Betreiber unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) installieren, welche sowohl in der Lage sind, den Strom zu konditionieren (z. B. ihn zurück in seine ursprünglichen, gleichmäßigen, sinusförmigen Zustand bringen) als zu einem bestimmten Grad auch in der Lage sind, eine Notstromversorgung mit Batterien bereitzustellen, entweder um das System während der Dauer des Stromausfalls in Betrieb zu halten, oder um dem System genug Zeit zur Verfügung zu stellen, um auf sichere und saubere Weise ausgeschaltet zu werden. In einem großen Rechendatenzentrum, kann eine derartige USV den Strom beim Eintreffen in das Datenzentrum konditionieren und ist in der Lage viele Megawatts an elektrischem Strom zu konditionieren.
• Große USV Systeme, die für große Datenzentren geeignet sind, sind mit einem kostspieligen Erwerb und Betrieb verbunden. Der Erwerb und die Installation derartiger Systeme belaufen sich auf Millionen von Dollar. Hinzu kommt, dass sie weniger als 100 % effizient sind und daher ein bisschen Leistung von der Spitze nehmen, die in Prozent ausgedrückt zwar klein erscheinen kann, aber in Wirklichkeit für eine Anlage, die jährlich Millionen von Dollar für Elektrizität ausgibt, dennoch einen großen Betrag ausmachen kann.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Wie in diesem Dokument bereits mit Bezugnahme auf bestimmte Implementierungen beschrieben, erfordern die Vorrichtung und das damit in Verbindung stehende Verfahren und die Computerprogrammprodukte eine hocheffiziente unterbrechungsfreie Energieverteilungsarchitektur, um modular aufgebaute Verarbeitungseinheiten zu unterstützen. Als ein veranschaulichendes Beispiel beinhaltet eine modular aufgebaute Verarbeitungseinheit, ein integriertes unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem, innerhalb dessen zwischen dem Wechselspannungsversorgungsnetz und den Verarbeitungsschaltungslasten (z. B. Mikroprozessor) nur eine Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung stattfindet.
• In einer veranschaulichenden Datenzentrumanlage beinhaltet eine Energieverteilungsarchitektur eine modular aufgebaute Anordnung von auf einem Gestell montierbaren Verarbeitungseinheiten, die jeweils über eine Verarbeitungsschaltung verfügen, um netzwerkbezogene Verarbeitungsaufgaben handzuhaben. Mit jeder modular aufgebauten Verarbeitungseinheit steht eine integrierte unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) in Verbindung, um die Verarbeitungsschaltung des Netzwerks mit Betriebsstrom zu versorgen. Jede USV beinhaltet eine Batterie, die selektiv über einen DC-Bus verbunden werden kann, und eine Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung, die eine Eingangswechselspannung mit einer einzelnen Ausgangsspannung am DC-Bus umwandelt. Die regulierte DC-Bus-Spannung verfügt über einen ähnlichen Wert wie die voll aufgeladene Spannung der Batterie. Auf diese Weise kann eine Anlage bereitgestellt werden, die über keine große zentrale USV, aber dafür über viele kleine verteilte USVs verfügt, wie etwa an jeder Ablage des auf einem Gestell montierten Computersystems oder in einer kleinen Gruppe von Ablagen.
• Einige Ausführungsformen können einen oder mehrere Vorteile bereitstellen. Zum Beispiel kann eine einzelne USV-Gleichrichtungsarchitektur die Komplexität und die Anzahl der Teile im Wesentlichen reduzieren und die erwartete mittlere störungsfreie Zeit erhöhen. Darüber hinaus können für ein derartiges System Herstellungsflexibilität und Vorteile hinsichtlich der Anschaffung von Komponenten und/oder der Preise für hohe Volumen erzielt werden.
• In einigen Ausführungsformen kann eine modular verteilte Architektur ermöglichen, dass weniger Materialien und/oder Arbeitskosten für das Installieren, Warten und/oder das Ersetzen der Verarbeitungseinheiten des Datenzentrums aufgewendet werden bzw. entstehen. Außerdem können modular aufgebaute Verarbeitungseinheiten mit integrierten unterbrechungsfreien Stromversorgungen, die kostengünstig, leichtgewichtig und hochvoluminös sind, schnell, je nach Bedarf, in skalierbaren Systemen oder einer breiten Palette von Anlagen eingesetzt oder erneut eingesetzt werden. Einige Ausführungsformen können Hot-Swap-Möglichkeiten bereitstellen.
• Verschiedene Implementierungen können den Stromumwandlungswirkungsgrad im Wesentlichen verbessern, zum Beispiel durch das Bereitstellen einer modular aufgebauten Verarbeitungseinheit mit einem unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem, in dem nur eine einzige Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung zwischen der Hauptversorgungsleitung und den Mikroprozessor stattfindet. Ein verbesserter Stromumwandlungswirkungsgrad kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen, die ferner weitere Vorteile mit sich bringen, wie etwa reduzierte Anforderungen hinsichtlich der Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) und zum Beispiel auch reduzierte thermische Belastungen (z. B. Klimaanlage).
• In einer Implementierung wird ein Stromverteilungssystem für ein Datenzentrum offenbart. Das System umfasst eine Gleichstromlast, die mindestens einen digitalen Prozessor umfasst, der betriebsfähig ist, um Daten zu verarbeiten, die über ein Netzwerk, einen DC-Bus, der konfiguriert ist, um Betriebsstrom zur Gleichstromlast liefern, wobei der Strom von einer Stromquelle erhalten wird, die über den DC-Bus verbunden ist und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die mit der Gleichstromlast integriert wird, empfangen wird. Die USV kann im Gegenzug eine Batterieschaltung umfassen, die konfiguriert ist, um während eines Fehlerzustands auf betriebsfähige Weise mit einer Batterie über den DC-Bus verbunden zu werden, in dem ein Eingangswechselspannungssignal außerhalb des normalen Betriebsbereichs fällt, worin das Eingangswechselspannungssignal an einem sich drehenden AC-Generator entsteht, wobei ein AC zu DC Gleichrichtungsstadium einen AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung umfasst, der konfiguriert ist, um eine im Wesentlichen nicht aufbereitete Eingangswechselspannung zu erhalten und das Eingangswechselspannungssignal zu einem einzelnen Ausgangsgleichspannungssignal über den DC-Bus umzuwandeln, wenn das Eingangswechselspannungssignal sich innerhalb des normalen Betriebsbereichs befindet, worin die AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung konfiguriert ist, um das Ausgangsgleichspannungssignal auf eine Spannungsebene zu regulieren, die sich oberhalb und im Wesentlichen in der Nähe einer maximalen nominalen Ladespannung der Batterie befindet und eine Steuerung wird konfiguriert, um die AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung selektiv zu aktivieren, um die Versorgung der Gleichstromlast mit Betriebsstrom erneut, als Antwort auf ein Signal aufzunehmen, das angibt, dass das Eingangswechselspannungssignal in den normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist.
• Die Steuerung kann ferner einen Schalter steuern, um die Batterie über den DC-Bus selektiv zu verbinden. Die Batterie kann zudem einen oder mehrere Zellen umfassen, die entweder in Serie oder parallel elektrisch miteinander verbunden sind. Ein Eingangswechselspannungssignal kann von einer oder mehreren elektrischen Generatorarten stammen, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus den Folgenden besteht: ein Generator in einer Stromversorgungsanlage; eine Gasturbine, eine Dampfturbine; und ein kraftstoffbetriebener Motor-Generator. Darüber hinaus kann das Eingangswechselspannungssignal ein Phasenspannungssignal und ein neutrales Signal aus einem dreiphasiges Wechselspannungsnetz umfassen. Die Eingangswechselspannung kann über einen Effektivwert von ungefähr 208 Volt bis ungefähr 277 Volt und einen Effektivwert zwischen ungefähr 85 Volt und mindestens ungefähr 480 Volt verfügen. Die Eingangswechselspannung kann im Wesentlichen auch über eine sinusförmige Wellenform bei einer Frequenz von zwischen ungefähr 45 Hz und mindestens ungefähr 500 Hz verfügen. Die Eingangswechselspannung kann auch an eine im Stern geschaltete Spannungsquelle verbunden sein.
• In einigen Aspekten umfasst eine Zelle in der Batterie eine Batteriechemie, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus den Folgenden besteht: Bleisäure, Nickel-Metall-Hydrid, Nickel-Cadmium, einer Base, und Lithiumionen. Das System kann ferner eine Aufladevorrichtung beinhalten, die konfiguriert ist, um die Batterie durch einen Pfad der über den DC-Bus verbunden ist, aufzuladen. Die einzelne DC-Busspannung kann auch weniger als 26 Volt, zwischen ungefähr 10 Volt und ungefähr 15 Volt und ungefähr 13,65 Volt betragen.
• In einigen Aspekten kann die AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung das Ausgangsgleichsspannungssignal auf ungefähr 1 Volt oberhalb der maximalen nominalen Ladespannung der Batterie regulieren. Die DC-Busspannung kann eine ausreichende Spannung für eine lineare Regulierungsvorrichtung bereitstellen, die mit der Batterie über den DC-Bus in Serie verbunden ist, um die Erhaltungsladung der Batterie auf einen vollständig aufgeladenen Zustand gemäß den Batteriespezifikationen zu bringen. Der DC-Bus kann darüber hinaus einen ersten elektrischen Pfad bei einer ersten Spannung umfassen und ferner einen zweiten elektrischen Pfad bei einer zweiten Spannung umfassen. Außerdem kann eine der ersten oder der zweiten Spannung im Wesentlichen bei einem Massenbezugspotenzial sein. Darüber hinaus kann das System über lediglich eine Gleichrichtungsschaltung verfügen, die konfiguriert ist, um eine AC Wellenform in eine DC Wellenform umzuwandeln. Ein erstes Terminal der Batterie kann auch konfiguriert werden, um direkt zu einer ersten Schiene des DC-Busses verbunden zu werden und ein zweites Terminal der Batterie wird selektiv an eine zweite Schiene des DC-Busses verbunden.
• In bestimmten anderen Aspekten umfasst das System ferner einen Datenspeicher, worin der AC-zu-DC-Wandler das Regulieren des Ausgangsgleichspannungssignals erneut nach einer Verzögerungszeit aufnimmt nach der mindestens ein Prozessor ein Signal empfängt, der auf das Entfernen des Fehlers im AC-Spannungseingangssignal hinweist, wobei die besagte Verzögerungszeit einem Verzögerungszeitparameter im Datenspeicher entspricht. Der mindestens ein digitaler Prozessor kann den gespeicherten Verzögerungszeitparameter ermitteln und der gespeicherte Verzögerungszeitparameter kann einen pseudo-zufällig erzeugten Wert umfassen. Im System kann sowohl die Gleichstromlast, als auch der DC Bus und als auch die Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung in einer modularen Basis enthalten sein, die konfiguriert ist, um in einer Vielzahl von Positionen auf einer Gestellmontagestruktur gestützt zu werden, wobei die besagte Grundlage für die Halterung sich in jeder verfügbaren einen aus einer Vielzahl von Positionen im einem Gestell oder Rahmen befinden kann.
• In gewissen Aspekten umfasst die Gleichstromlast mindestens ein Element aus der Gruppe, das aus den Folgenden besteht: eine Zentraleinheit; eine Datenspeichervorrichtung; ein mathematischer Coprozessor; und ein digitaler Signalprozessor. Das System kann ferner mindestens einen DC/DC-Wandler umfassen, der konfiguriert ist, um eine vom DC-Bus an mindestens eine weitere DC-Spannung bereitgestellte Spannung umzuwandeln. Eine oder mehrere der mindestens einen DC-Spannung kann zudem ungefähr der Spannung eines Elements aus der Gruppe entsprechen, das aus den Folgenden besteht: –5; 1; 3; 3,3.; 5; 7,5; 10; ungefähr 18–20; ungefähr 20–26 Volt. Darüber hinaus kann eine oder mehrere des mindestens einen DC/DC-Wandlers konfiguriert sein, um eine verbesserte Ausgangsimpedanz, und/oder um den Lärm der Spannung, die dem DC-Bus bereitgestellt wird, bereitzustellen.
• In wieder anderen Aspekten stammt das Eingangswechselspannungssignal von einer oder mehreren Quellen an elektrischer Energie, die von der Gruppe ausgewählt wird, die aus den Folgenden besteht: mindestens einer Solarzelle; mindestens einer Windturbine und mindestens einem Schwungrad. Darüber hinaus kann die Gleichstromlast ferner ein oder mehrere Informationen enthaltende Signale umfassen, die einer der Gleichstromlast externen Last übermittelt werden. Das System kann auch mindestens 10 Instanziierungen der Gleichstromlast beinhalten, die mit der Eingangswechselspannung parallelgeschaltet ist.
• In einer anderen Implementierung wird eine Gleichstromlast für die Verwendung in einem Datenzentrum offenbart. Die Last umfasst eine Hauptplatine, die mindestens einen digitalen Prozessor umfasst, der betriebsfähig ist, um Daten zu verarbeiten, die über ein Netzwerk empfangen werden, wobei ein DC-Bus konfiguriert ist, um Betriebsstrom zur Gleichstromlast zu liefern, wobei der Strom von einer über den DC-Bus verbundenen Stromquelle und einer unterbrechungsfreien mit der Gleichstromlast integrierten Stromversorgung (USV) empfangen wird. Die USV umfasst eine Batterieschaltung, die konfiguriert ist, um während eines Fehlerzustands, in dem das Eingangswechselspannungssignal außerhalb des normalen Betriebsbereich fällt, auf betriebsfähige Weise mit einer Batterie über den DC-Bus verbunden zu werden, wobei ein Wechselstrom zu Gleichstrom Gleichrichtungszustand eine PFC-Boost AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung umfasst, die konfiguriert ist, um ein im Wesentlichen nicht aufbereitetes Eingangswechselspannungssignal in ein einzelnes Ausgangsgleichspannungssignal über den DC Bus umzuwandeln, wenn das Eingangswechselspannungssignal sich innerhalb des normalen Betriebsbereichs befindet, worin die AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung konfiguriert ist, um das Ausgangsgleichspannungssignal auf einen Spannungspegel oberhalb und im Wesentlichen in der Nähe einer maximalen nominalen Aufladungsspannung der Batterie zu regulieren und eine Steuerung konfiguriert ist, um die AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung selektiv zu aktivieren, um die Versorgung der Gleichstromlast mit Betriebsstrom erneut, als Antwort auf ein Signal aufzunehmen, das angibt, dass das Eingangswechselspannungssignal in den normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist.
• Die Last kann ferner mindestens einen DC/DC-Point-of-Load-Wandler auf der Hauptplatine umfassen, der konfiguriert ist, um eine DC-Spannung vom DC-Bus zu erhalten und einer Betriebsschaltung auf der Hauptplatine eine aufbereitete DC-Spannung bereitzustellen.
• Eine oder mehrere der mindestens einen DC/DC-Point-of-Load-Wandlers kann konfiguriert werden, um eine verbesserte DC-Ausgangsimpendanz bereitzustellen. Darüber hinaus handelt es sich bei der PFC-Boost-AC-zu-DC-Umwandlungsschaltung um einen Typ des kontinuierlichen Stromflusses (CCM – Continuous Conduction Mode) einschließlich einer Mittelwertstromregelung (Average Current Mode Control – ACMC) und es kann sich dabei auch um einen Typ des kritischen Stromflusses (CRM – Critical Conduction Mode) handeln. In bestimmten Aspekten kann die Gleichstromlast in einem Datenzentrum verbunden werden, das ferner 50 oder mehrere der Gleichstromlasten, die mit der Eingangswechselspannung parallelgeschaltet sind, umfassen kann.
• In einer noch weiteren Implementierung wird ein Verfahren für das Bereitstellen eines unterbrechungsfreien Stroms an einer Hauptplatine in einem Datenzentrum offenbart und umfasst das Verbinden eines DC-Busses, um eine einzelne DC-Spannung an mindestens einer Gleichstromlast zu versorgen, wobei jede Gleichstromlast mindestens einen digitalen Prozessor umfasst, der einen PFC-Boost-AC-zu-DC-Wandler betreibt, wenn ein Eingangswechselspannungssignal vom elektrischen Versorgungsnetz sich innerhalb eines normalen Spannungsbereichs befindet. Der Betriebsschritt kann das Umwandeln des Eingangswechselspannungssignals einer DC-Spannung auf dem DC-Bus beinhalten, worin der Wandlungsschritt nur die Wechselstrom zu Gleichstrom Gleichrichtung des elektrischen Stroms umfasst, der vom Versorgungsnetz generiert und an die Gleichstromlast geliefert wird, wobei die umgewandelte DC-Busspannung in eine Sollwertspannung umgewandelt wird, wobei die Sollwertspannung im Wesentlichen ungefähr so hoch wie eine Spannung eines nominalen Spannungsbereichs für eine Notversorgungsbatterie ausfällt, als Antwort auf das Entdecken eines Fehlerzustandes des Eingangswechselspannungssignals, das eine Batterieschaltung direkt über den DC-Bus verbindet, um es der Notversorgungsbatterie in der Batterieschaltung zu ermöglichen, der Gleichstromlast Betriebsstrom bereitzustellen, so dass die Gleichstromlast weiterhin in der Lage ist, eine Zeit lang nachdem der Fehler entdeckt worden ist, betrieben zu werden.
• Das Verfahren kann auch das ununterbrochene Bereitstellen von Betriebsstrom beinhalten, um die Gleichstromlast im Wesentlichen ohne Unterbrechung für die Dauer von mindestens 10 Sekunden zu betreiben. Der Wert der Sollwertspannung kann sich im Wesentlichen auch im Bereich des Werts einer nominal voll aufgeladenen Spannung für die Notversorgungsbatterie bewegen. Das Verfahren kann auch das dynamische Auswählen der Sollwertspannung auf Basis der Betriebsbedingungen der Notversorgungsbatterie beinhalten. Darüber hinaus kann das Verfahren das Entdecken eines Fehlerzustands des Eingangswechselspannungssignals beinhalten.
• In einer anderen Implementierung wird ein Verfahren für das Bereitstellen eines unterbrechungsfreien Stroms an einen wesentlichen Abschnitt der Hauptplatine, die in einem Datenzentrum betrieben wird, offenbart.
• Das Verfahren umfasst das Verbinden einer im Wesentlichen nicht aufbereiteten AC-Versorgungsspannung für mindestens 50 Lasten, wobei jede Last einen PFC-Boost-AC-zu-DC-Wandler umfasst, wobei der Wandler eine umgewandelte DC-Busspannung auf eine Sollwertspannung reguliert, wobei die Sollwertspannung im Wesentlichen ungefähr so hoch wie eine Spannung eines nominalen Spannungsbereichs für eine Notversorgungsbatterie ausfällt, wobei ein Fehlerzustand des AC-Einlassspannungssignals, als Antwort auf das Entdecken eines Fehlerzustandes des Eingangswechselspannungssignals, das eine Batterieschaltung direkt über den DC-Bus verbindet, entdeckt wird, um es der Notversorgungsbatterie in der Batterieschaltung zu ermöglichen, der Gleichstromlast Betriebsstrom bereitzustellen, so dass die Gleichstromlast weiterhin in der Lage ist, eine Zeit lang nachdem der Fehler entdeckt worden ist, betrieben zu werden. Im Verfahren können ein oder mehrere der mindestens 50 Lasten ferner einen DC/DC-Point-of-Load-Wandler umfassen, der einen Prozessor mit gefilterter DC-Spannung versorgt. In einigen Aspekten können ein oder mehrere der mindestens 50 Lasten ferner einen DC/DC-Point-of-Load-Wandler umfassen, der einen Prozessor mit verbesserter Ausgangsimpendanz-DC-Spannung versorgt. Bei der PFC-Boost-AC-zu-DC-Wandlerschaltung kann es sich um eine Schaltung des Typs eines kontinuierlichen Stromflusses (CCM – Continuous Conduction Mode), einschließlich einer Mittelwertstromregelung (Average Current Mode Control-ACMC) und/oder eines kritischen Stromflusses (CRM – Critical Conduction Mode) handeln.
• In einigen Aspekten kann das Verfahren auch das Präsentieren eines kombinierten Leistungsfaktors der mindestens 50 Lasten der AC-Versorgungsspannung beinhaltet, wobei der kombinierte Leistungsfaktor bei mindestens 0,95 oder bei mindestens 0,98 oder bei mindestens 0,98 führend liegt.
• Die Details einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt. Andere Eigenschaften und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen, und aus den Ansprüchen ersichtlich.
• BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1A ist ein Konzeptdiagramm das ein Datenzentrum anzeigt, das über eine Anzahl von am Netz geschalteten Lasten verfügt.
• 1B–1C sind schematische Diagramme, die eine exemplarische Energieverteilungsarchitektur für ein Datenzentrum veranschaulichen, innerhalb der eine Anzahl von modular aufgebauten auf einem Gestell montierten Ablagen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) beinhalten, die innerhalb einer Computer-Hauptplatine integriert ist.
• 2–4 sind Blockdiagramme, die eine exemplarische Energieverteilungsarchitektur für das Liefern von Strom veranschaulichen, um Gleichstromlasten zu betreiben, die über einen Prozessor verfügen.
• 5A–5B sind schematische Diagramme, die Details einer Batterieschaltung in einer exemplarischen Energieverteilungsarchitektur zeigen.
• 6A–6B sind schematische Diagramme, die exemplarische Leistungsfaktorkorrekturschaltungen anzeigen.
• 7–8 sind Flussdiagramme, die exemplarische Verfahren veranschaulichen, die in Ausführungsformen der Energieverteilungsarchitektur ausgeführt werden können. Wie Referenzsymbole in den unterschiedlichen Zeichnungen auf ähnliche Elemente hinweisen.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• 1A ist ein Konzeptdiagramm, das ein Datenzentrum 104 anzeigt, das über eine Anzahl von am Netz geschalteten Lasten verfügt. Im dargestellten System 102 kommt die Elektrizität vom Versorgungsnetz 106 am Datenzentrum 104 an. Eine derartige Elektrizität kann bei 110 kV erhalten werden und kann vom Transformator 108 auf eine Spannung von 22 kV gesenkt werden.
• Andere entsprechende Spannungen können auch erhalten und bereitgestellt werden.
• Im bestimmten allgemeinen Datenzentrumsystemen könnte die Elektrizität dann aufbereitet werden und eine Notversorgung könnte von einer USV 112 bereitgestellt werden. Die USV 112 würde zum Beispiel den Strom durch das Entfernen von Spannungsspitzen oder Spannungsabfällen aufbereiten und dabei Über- oder Unterspannungsbedingungen, unter Entfernung der Leitungsgeräusche anpassen, und dabei Frequenzvariationen glätten und sowohl das Umschalten der Transienten als auch die harmonische Verzerrung entfernen. Im Falle eines etwaigen Stromausfalls könnte die USV 112 das Datenzentrum 104 quasi augenblicklich vom Leitungsstrom auf seinen eigenen Strom (z. B. Batterien) umstellen.
• Wie durch die Kreuzschraffierung in 1A ersichtlich, wird eine zentrale USV 112 nicht verwendet, um Strom aufzubereiten oder um dem Datenzentrum 104 Notversorgungsstrom bereitzustellen. Stattdessen geht der Strom ohne im Wesentlichen aufbereitet zu werden, zu verschiedenen Lasten 118 im Datenzentrum 104, über. Die Lasten können mit der elektrischen Quelle über ein Verteilungsnetz 116 in Verbindung gebracht werden, das eine Anzahl von Stromschienen und sonstigen elektrischen Verteileranlagen beinhaltet.
• Jede der Ladungen 118 kann eine kleine Gruppe von elektronischen Anlagen beinhalten, wie etwa eine Rechnerablage in einem Computerservergestell. Den Ladungen 118 können, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, jeweils eine örtliche USV bereitgestellt werden, um eine verteilte USV Funktionalität bereitstellen zu können.
• 1B ist ein schematisches Diagramm, das eine exemplarische Energieverteilungsarchitektur 100 für ein Datenzentrum 105 veranschaulicht, in dem jede Anzahl von modular aufgebauten auf einem Gestell montierten Halterungen (die auch als Ablagen bezeichnet werden können) 110 eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) 115 beinhaltet, die Leistungskomponenten auf einer Computer-Hauptplatine 120 betreibt. Eine wirkungsvolle Stromversorgung kann durch das Konfigurieren der USV 115 (die Tausende Male im gesamten Datenzentrum 105 an jedem Computer oder an jeder kleinen Gruppe von Computern wiederholt werden könnte) erreicht werden, um die einzige Wechselstrom zu Gleichstrom Gleichrichtung durchzuführen, die zwischen der AC-Netzspannungsversorgung, die vom elektrischen Versorgungsnetz und dem DC-Strom stattfindet, der von der Hauptplatine 120 verbraucht wird. In diesem Beispiel bezeichnet Wechselstromnetz die Wechselstromquelle, die am Ort der Nutzung im Datenzentrum 105 zur Verfügung steht.
• Wenn die AC-Netzspannung am Datenzentrum 105 an der USV 115 erhalten wird, handelt es sich dabei im Wesentlichen um ein sinusförmiges AC-Signal (z. B. 50 Hz, 60 Hz), das vom elektrischen Versorgungsnetz generiert, übermittelt und verteilt wird. Eine derartige AC-Netzspannung kann als „im Wesentlichen nicht aufbereitet“ bezeichnet werden, wobei angegeben wird, dass die AC-Netzspannung über kein traditionelles USV System oder ein sonstiges traditionelles Signalaufbereitungssystem mit Oberwellenfilterung, Lärmfiltern und einem Spannungsabfallschutz verfügt. Im Wesentlichen nicht aufbereitete AC-Leistung kann natürlich durch verschiedene Schaltungen hindurchfließen, die in der Regel von einem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt werden, wie zum Beispiel Transformatoren, Sicherungen, Überspannungsschutzanlagen, wie etwa die in der Regel aus Metalloxiden oder Silikonlücken bestehenden Überspannungsableitern, die von vielen Stromversorgungsanbietern oder großen Generatorsystemen bereitgestellt werden. Die AC-Netzeingangsspannung wird auf einem DC-Bus, der Betriebsstrom zur Hauptplatine 120 liefert, in eine einzelne DC-Spannung umgewandelt. Im Falle eines Fehlers an der AC-Netzspannung wird ein Batterieschalter auf elektrische Weise über den DC-Bus verbunden, um die Hauptplatine 120 mit Betriebsstrom zu versorgen.
• Im abgebildeten Beispiel beinhaltet das Datenzentrum 105 eine Anzahl von Gestellen 125A, 125B, 125C beinhalten, die eine Anzahl von Ablagen 110 umfassen. Die Gestelle 125A–125C können von der dreiphasigen AC-Leistung der das Datenzentrum 105 von einem elektrischen Versorgungsnetz 130 aus mit Strom versorgt werden. Die AC-Leistung, die jedem Gestell 125A–125C geliefert wird, kann aus einem sich drehenden Generator stammen, der von einem elektrischen Versorgungsnetz betrieben wird, und der zum Beispiel von einer Dampf- oder Gasturbine angetrieben wird. Die AC-Spannungssignale, die im Wesentlichen sinusförmig sind, können zum Beispiel einem Verteilungspunkt übermittelt werden, wie etwa einer Umspannstation (nicht dargestellt) im Versorgungsnetz. Die Spannungen der Stromleitung (z. B. 480 V Strangstrom) können von der Umspannstation zum Datenzentrum 105 verteilt werden.
• Im Datenzentrum 105 werden Spannungen zwischen den einzelnen Phasen (z. B. 230 oder 277 V Leiter-Stern-Spannung) zu den individuellen Gestellen 125A–125C geroutet. Geeignete AC-zu-AC Transformatoren (nicht dargestellt) können bei Bedarf eingesetzt werden, um den AC-Leistung bei einer zuvor festgelegten AC-Spannung zu liefern. Zum Beispiel können Abspanntransformatoren hohe Spannungspegel für die Übertragung bei niedrigen Spannungspegeln umwandeln, die im Wesentlichen direkt auf die USV 115 angewendet werden können. In einigen dreiphasigen Konfigurationen können derartige Transformatoren gegebenenfalls zum Beispiel entsprechende Umwandlungen zwischen WYE und DELTA Verbindungen herstellen.
• In einigen Implementierungen kann das vom Datenzentrum 105 erhaltene AC-Leistungssignal im Wesentlichen unaufbereitet sein, und einen niedrigen Leistungsfaktor (z. B. Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung) und Oberwellenanteile enthalten. Zum Beispiel kann das elektrische Versorgungsnetz Oberwellen und Lärm in das AC-Leistungssignal einführen. In einigen Implementierungen erhält die USV 115 das im Wesentlichen nicht aufbereitete AC-Leistungssignal, um die Hauptplatine 120 und/oder die sonstigen Gleichstromlasten in der Ablage 110 zu versorgen.
• Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich Bezugnahmen auf AC-Spannungen, im Wesentlichen auf sinusförmige Spannungen, und Spannungsamplituden beziehen sich auf die Effektivwerte. Das Versorgungsnetz 130 kann im Wesentlichen symmetrische dreiphasige Spannungen liefern, die sich im Wesentlichen für die Stromversorgung von ausgeglichenen drei Phasenlasten eignen.
• Im abgebildeten Beispiel werden eine einphasige Spannung und eine neutrale Leitung an jeden Gestell 125 verteilt. Die Gestelle 125 und Ablagen 110 können konfiguriert werden, um eine im Wesentlichen ausgeglichene Last auszubilden. In anderen Ausführungsformen kann eine ähnliche Verteilung verwendet werden, falls das Datenzentrum 105 zusätzliche (oder weniger) Gestelle 125 beinhaltet. Als ein Beispiel erhält die exemplarische Ablage 110 (im vergrößerten Detail gezeigt) im Gestell 125A eine Phase-A-Spannung und eine neutrale Leitung. Jede der Ablagen 110 im Gestell 125A erhält dasselbe Eingangswechselspannungssignal, nämlich die Phase-A-Nulleiter-Spannung.
• Auf ähnliche Weise erhält jede der Ablagen 110 im Gestell 125B eine Phase-B-Nulleiter-Spannung als das Eingangswechselspannungssignal und jede der Ablagen 110 im Gestell 125C erhält die Phase-C-Nulleiter-Spannung als das Eingangswechselspannungssignal. In anderen Implementierungen können Spannungen unterschiedlicher Phasen unter den Ablagen 110 in einem der Gestelle 125A–125C verteilt werden und/oder bei dem Eingangswechselspannungssignal für jede der Ablagen 110 kann es sich um Strangstromspannungen anstatt um Stern-Leiter Spannungen handeln. In verschiedenen Ausführungsformen kann jede praktische Anzahl von Phasen (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, ... 12 oder mehr) verteilt werden, um Betriebsstrom für die einzelnen Ablagen 110 bereitzustellen.
• Jede der Ablagen 110 im abgebildeten Beispiel ist an eine Netzwerkverbindung 140 gekoppelt. Die Netzwerkverbindung 140 stellt ein Informationskanal für ein Netzwerk 145 bereit, der zum Beispiel ein lokales Netzwerk, ein virtuelles privates Netzwerk, ein Weitverkehrsnetzwerk (z. B. das Internet) oder eine Kombination derartiger Netzwerke beinhaltet, die drahtgebunden, faseroptikdrahtgebunden und/oder drahtlos sein können. Ein entfernter Computer 150 repräsentiert einen oder mehrere mögliche Geräte, die Daten direkt oder indirekt an eine oder mehrere Ablagen kommunizieren können, um unter Verwendung eines Prozesses 160 und eines damit im Zusammenhang stehenden Speichers 165 auf Informationen auf der Hauptplatine 120 zuzugreifen, diese zu speichern, zu verarbeiten und/oder abzurufen. In einigen Implementierungen können zusätzliche Prozessoren (z. B. Server) eine derartige Kommunikation ermöglichen. Zum Beispiel kann ein exemplarisches entferntes Computergerät 150 in einem Server, einem Desktop-Computer, einem Laptop-Computer und/oder einem handgehaltenen prozessorbasierten Gerät enthalten sein. Ein oder mehrere Server können den mit der Kommunikation in Verbindung gebrachten Datenfluss vor- oder nachverarbeiten, überwachen, leiten, und/oder ausgleichen.
• In verschiedenen Ausführungsformen kann die Hauptplatine 120 zwei, drei, vier oder jede andere praktikable Anzahl von Prozessoren 160 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Hauptplatine 120 durch eine Ablage von Datenspeichervorrichtungen (z. B. Festplattenlaufwerke, Flash-Speicher, RAM, oder sonstige dieser oder anderer Speichervorrichtungsarten in Kombination) ersetzt oder verbessert werden. In derartigen Ausführungsformen kann die USV 115 mit der Batterie 185 mit den Datenspeichervorrichtungen integriert werden und auf der Ablage 110 unterstützt werden.
• In verschiedenen Ausführungsformen kann ein digitaler Prozess bei der Kombination von analogen und/oder digitalen Logik-Schaltungen beinhalten, die integriert oder diskrete sein können und können ferner programmierbare und/oder programmierte Geräte beinhalten, die Anweisungen ausführen, die auf einem Speicher gespeichert sind. Der Speicher 165 kann flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher beinhalten, die vom Prozessor 160 gelesen und/oder geschrieben werden können. Die Hauptplatine 120 kann ferner einige oder alle zentralen Recheneinheiten (CPU), Speicher (z. B. Cache, nichtflüchtig, Flash), und/oder Diskettenlaufwerke, zum Beispiel zusammen mit verschiedenen Speichern, Chip-Sets und damit in Verbindung stehenden Unterstützungsschaltkreisen beinhalten.
• In einigen Ausführungsformen kann die Hauptplatine 120 einen oder mehrere DC/DC Wandler bereitstellen, um die DC-Bus-Spannung in eine geeignete Spannung für das Betreiben der Schaltung in der Hauptplatine 120 umzuwandeln. Zum Beispiel können ein oder mehrere DC/DC-Wandler regulierte Ausgabespannungen bereitstellen, die zum Beispiel ein +3,3VDC Leistungssignal, ein +5VDC Leistungssignal, ein –5VDC Leistungssignal, ein +12VDC Leistungssignal, und ein –12VDC Leistungssignal beinhalten können.
• In einer exemplarischen Implementierung können der Prozessor 160 und der Speicher 165 auf der Hauptplatine 120 mindestens einen Teil eines Verarbeitungssystems ausbilden, das konfiguriert ist, um mit Netzoperationen umzugehen. Als ein veranschaulichendes Beispiel kann die Hauptplatine 120 dabei helfen, Internetanfragen zu verarbeiten. Die Hauptplatine kann Informationen entweder alleine oder in Kombination mit anderen Parallelverarbeitungsvorgängen verarbeiten, die auf sonstige prozessorbasierte Geräte betrieben werden, wie etwa einer oder mehreren Ablagen 110 im Datenzentrum 105.
• Ein Eingangswechselspannungssignal wird an jede der Ablagen 110, die von der USV 115 verarbeitet werden soll, geliefert. In einigen Beispielen kann das Eingangswechselspannungssignal von der AC-Netzspannung erhalten werden. Die USV 115 beinhaltet einen AC-zu-DC-Wandler 170, der das Eingangsspannungssignal in eine regulierte DC-Spannung umwandelt. Der Wandler 170 gibt die regulierte DC-Spannung an einen DC-Bus 175 aus. In einigen Ausführungsformen kann der AC-zu-DC Wandler 170 die DC-Spannung auf eine statisch festgelegte Stelle regulieren. In einigen Ausführungsformen kann die festgelegte Stelle auf dynamische Art und Weise ermittelt werden. In einigen statischen und dynamischen Ausführungsformen kann die festgelegte Stelle auf einer Eigenschaft der Batterie basieren. Beispiele einer derartigen Regulierung der festgelegten Stelle werden in zusätzlichen Einzelheiten mit Bezugnahme auf 3 beschrieben.
• In einigen Implementierungen kann der AC-zu-DC Wandler 170 eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) beinhalten. Zum Beispiel kann der AC-zu-DC-Wandler 170 die PSC-Schaltung verwenden, um AC-Strom zu beziehen, der besser mit der Phase zur AC-Spannung übereinstimmt, und somit den Leistungsfaktor der Last verbessert. Der AC-zu-DC Wandler 170 filtert vorzugsweise Lärm vom AC-Signal, und reduziert somit die Lärmleistung und ermöglicht es der DC-Schaltung den Oberwellengehalt und den Lärm in der empfangenen AC-Leistung zu tolerieren.
• In einigen Beispielen kann die USV 115 eine AC-Leistung erhalten, die im Wesentlichen nicht aufbereitet ist. Zum Beispiel kann die empfangene Leistung eine Geräuschverzerrung und hohe harmonische Verzerrung beinhalten und der Leistungsfaktor der erhaltenen AC-Leistung kann im Wesentlichen weniger als Eins betragen. In einigen Implementierungen korrigiert der AC-zu-DC Wandler 170 den Leistungsfaktor der Eingangsleistung, zum Beispiel, größer als 0,97 zurückliegend (z. B. 0,98 führend). In derartigen Fällen stellt der kollektive Effekt der mehreren ähnlichen Wandler 170 eine kollektive Leistungsfaktorverbesserung, die ähnlich ist, bereit.
• Unter Verwendung des PFC-Schalters kann der AC-zu-DC Wandler 170 die elektrische Effizienz des Datenzentrums 105 verbessern. Zum Beispiel reduziert das Verbessern des Leistungsfaktors den Strom, der vom AC-zu-DC Wandler 170 erhalten wird. Durch das Reduzieren des erhaltenen Stroms kann der AC-zu-DC Wandler 170 den Leistungsverlust und die in der Ablage 110 generierte Hitze reduzieren. Aus diesem Grund kann die Leistungseffizienz des Datenzentrums 105 verbessert werden. Einige Beispiele des PFC-Schalters werden mit Bezugnahme auf 6A–6B beschrieben.
• Das System 115 kann auch verhindern, dass Oberwellen, die auf Ausrüstung 110 erstellt werden, in das Versorgungsnetzwerk eindringen. Wie zum Beispiel bereits angemerkt, kann jede verteilte Leistung mit einer Leistungsfaktorberichtigungssteuerung bereitgestellt werden, um eine aktive Leistungsfaktorberichtigung durchzuführen. Eine derartige Berichtigung kann auch den induzierten Klirrfaktor (ITHD) steuern und kann einen komplexen Oberwellenfilter beinhalten. Komponenten für das Durchführen einer derartigen Aktivität können einen UCC3818 BiCMOS Power Factor Preregulator von Texas Instruments (Dallas, TX) beinhalten. Derartige Merkmale können verhindern, dass schädliche Signale oder Oberwellen in das elektrische Verteilungssystem, sowohl in den Innen-, als auch den Außenbereich einer bestimmten Anlage, eindringen.
• Der AC-zu-DC Wandler 170 kann eine Spannungsregulierung am DC-Bus 175 aufrechterhalten, wenn das Eingangswechselspannungssignal sich im normalen Bereich befindet. Ein normaler Bereich für ein typisches sinusförmiges AC-Signal kann auf verschiedene Arten spezifiziert werden. Zum Beispiel kann eine oder mehrere Wellen zwischen ungefähr 80 V und 500 V für Leitungsfrequenzen, zwischen ungefähr 40 Hz und 1000 Hz, sowie auch ungefähr 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 120 Hz, 180 Hz, 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, 500 Hz, ..., und bis zu 1000 Hz oder mehr spezifiziert werden. Als ein veranschaulichendes Beispiel kann für ein 120 V nominales Eingangswechselspannungssignal ein Fehler identifiziert werden, falls die AC-Spitzeneingangsspannung unterhalb eines ersten Schwellenwerts von 90 V innerhalb jedes beliebigen Halbzyklus fällt oder falls der Effektivwert der Spannung unterhalb des zweiten Schwellenwerts von 100 V einer vorgegebenen Zeitdauer fällt.
• Fehlerbedingungen können unter anderem, Stromausfälle, Spannungsverluste, Spannungsabfälle, Erhöhungen, Instabilitäten in Bezug auf den Betrieb des Schaltgeräts, oder eine sonstige elektrische Transiente, die mit der AC-Netzspannung in Verbindung gebracht wird, beinhalten. In einigen Implementierungen kann ein Fehlerzustand einen unsachgemäßen Betrieb einer Bearbeitungseinheit in der Gleichstromlast verursachen oder potenziell verursachen, zum Beispiel falls der AC-zu-DC-Wandler 170 nicht in der Lage ist, eine angemessene Regulierung der Spannung am DC-Bus 175 aufrechtzuerhalten und/oder genügend Strom zu liefern, um die Gleichstromlasten, die vom DC-Bus 175 bedient werden, zu betreiben.
• Falls das Eingangswechselspannungssignal außerhalb eines normalen Bereichs fällt, wie etwa während eines Fehlerzustandes, kann eine Detektionsschaltung (nicht dargestellt) ein Signal, das diesen Zustand angibt, senden. Als Antwort auf das Entdecken des Fehlerzustandes kann eine Batterieschaltung 180 konfiguriert werden, um eine Batterie 185 über den DC-Bus 175 zu verbinden, so dass die Hauptplatine 120 damit fortfahren kann, im Wesentlichen und ohne Unterbrechung weiterbetrieben zu werden. Die Batterie 185 kann weiterhin Betriebsleistung an die Schaltungen der Hauptplatine 115 bereitstellen, bis die Batterie 185 im Wesentlichen entladen wird. Die Batterieschaltung 180 kann eine Schaltung beinhalten, die in der Lage ist, das Aufladen und/oder das Entladen der Batterie über den DC-Bus 175 in verschiedenen Betriebsmodi zu steuern. Eine exemplarische Batterieschaltung wird in weiteren Einzelheiten mit Bezugnahme auf 5A, 5B beschrieben.
• In einigen Implementierungen kann das Datenzentrum 105 mehr als 100 Ablagen beinhalten. Zum Beispiel kann das Datenzentrum 105 mehr als 100 Prozessorkerne beinhalten. In einigen Beispielen kann das Datenzentrum 105 mehr als 1000 Threads gleichzeitig ausführen. In einigen Implementierungen kann das Datenzentrum 105 ein Aggregat von mehr als einen Terabyte als Speicher und einen Petabyte als Datenspeicher beinhalten.
• In einigen Beispielen bezieht das Datenzentrum 105 eine große Menge an Strom vom elektrischen Versorgungsnetz 130. Zum Beispiel kann jedes Serversystem im Datenzentrum 105 100 W–500 W an Strom verbrauchen. Zum Beispiel kann jedes der Gestelle 125A–C 2 kW bis 30 kW an Strom verbrauchen. Ein kleines Datenzentrum kann zum Beispiel 5000 Prozessoren bereitstellen, die jeweils über einen oder mehrere Kerne verfügen. In dem Maße, in dem die Prozessortechnologie sich verbessert, kann jeder Prozessor oder Kern weniger Leistung beziehen, aber die Anzahl der Kerne pro Prozessor ansteigen. Größere Datenzentren können viele weitere Prozessoren, einschließlich 10.000, 20.000, 50.000, oder sogar 100,000 Prozessoren einsetzen. Diese können in Gestellen verteilt werden, zum Beispiel 20, 30, oder 40 Prozessoren pro Gestell.
• In einigen Implementierungen werden AC-zu-DC Wandler 170 von Datenzentrum 105 als in der Lage konfiguriert, im Wesentlichen nicht aufbereitete Leistung vom elektrischen Versorgungsnetz 130 zu erhalten, der bei 115 im Wesentlichen durch das Abschwächen des Geräusch- und Oberwellengehalts aufbereitet werden würde. AC-zu-DC Wandler können verhindern, dass intern generierte Oberwellenströme, wie vorstehend beschrieben, in das Versorgungsnetzwerk 130 eindringen.
• 1C stellt einen exemplarischen Leistungsverteilungsaspekt der Architektur 100 dar. Wie in 1C liefert das elektrische Versorgungsnetz 130 dreiphasige AC-Leistung an das Datenzentrum 105 über ein Übertragungssystem 195. Zum Beispiel kann Übertragungssystem 195 einen oder mehrere Knoten beinhalten, die mit verschiedenen Lasten verbunden sein können, die vom Übertragungssystem 195 unterstützt werden. Zum Beispiel beinhaltet das Übertragungssystem 195 Übertragungsleitungen, welche die Knoten des elektrischen Versorgungsnetzes verbinden.
• Das Datenzentrum 105 wird unter Verwendung einer nicht aufbereiteten Leistung vom Übertragungssystem 195 betrieben und bezieht Strom mit einem im Wesentlichen reduzierten Geräusch- und Oberwellengehalt vom Übertragungssystem 195 und verbessert den Leistungsfaktor.
• Zum Beispiel kann die resultierende bezogene Leistung über einen Leistungsfaktor verfügen, der sich im Wesentlichen auf ungefähr eins beläuft. Einige Versorgungsnetze stellen Anforderungen oder verlangen Gebühren in Bezug zum Leistungsfaktor des Datenzentrums. Zum Beispiel kann es für ein Datenzentrum erforderlich sein, über einen Leistungsfaktor von über 0,9; 0,95; oder 0,97 zurückliegend zu verfügen, um gewisse vorteilhafte Preise in Anspruch nehmen zu können. Verschiedene Ausführungsformen können dabei helfen, derartige Ziele zu erreichen, indem mehrere Schaltungen präsentiert werden, die über fast einheitliche Leistungsfaktoren hinsichtlich der AC-Lieferung verfügen, und dabei einen kollektiven Leistungsfaktor im erwünschten Bereich präsentieren. Ein derartiger kollektiver Effekt kann am Beispiel durch das Betreiben mehrerer parallel geschalteter PFC-Boost-AC-zu-DC-Wandler, wie hierin beschrieben, erzielt werden.
• In einigen Beispielen kann der Leistungsfaktor ein Maß der Wirkleistung in der erzielten Leistung sein. AC-Leistung mit einem höheren Leistungsfaktor (z. B. ein Leistungsfaktor der näher bei Eins liegt), der einen höheren Abschnitt der Wirkleistung beinhalten kann, der vom Datenzentrum 105 verwendet werden kann. In einigen Beispielen können verschiedene Lasten und sonstige Strukturen des Übertragungssystems 195 zu einem Geräusch und Oberwellengehalt einführen, der die Leistungsqualität und den Leistungsfaktor der gelieferten AC-Leistung degradieren kann. Zum Beispiel kann die Impedanz in den Übertragungsleitungen und der nicht linearen/intermittierenden elektrischen Lasten an den Knoten, dazu führen, dass der Leistungsfaktor von Eins abweicht und eine harmonische Verzerrung verursacht.
• Im abgebildeten Beispiel erhält das Datenzentrum 105 eine nicht aufbereitete Dreiphasen-AC-Leistung vom Übertragungssystem 195. Zum Beispiel kann der AC-zu-DC Wandler-170 im Datenzentrum 105 PFC-Schaltungen beinhalten, um den Leistungswirkungsgrad des Datenzentrums 105 zu verbessern, während die nicht aufbereitete AC-Leistung verwendet wird. In einigen Implementierungen kann das Datenzentrum 105 Leistung vom Übertragungssystem 195 mit einem berechtigten Leistungsfaktor beziehen.
• 2–4 sind Blockdiagramme, die eine exemplarische Energieverteilungsarchitektur für das Liefern von Strom veranschaulichen, um Gleichstromlasten zu betreiben, die über mindestens einen Prozessor verfügen. Zum Beispiel kann die Hauptplatine 120 eine DC-Ladung in verschiedenen Ausführungsformen darstellen. In diesen Beispielen stellt der AC-zu-DC Wandler 170 die einzige Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung bereit, die zwischen dem Wechselspannungsversorgungsnetz (z. B. Umspannstation-Transformator, Übertragungsleitung, Generator, und dergleichen) und dem Mikroprozessor 160 in jeglichen der Ablagen 110 stattfindet.
• 2 zeigt eine exemplarische Energieverteilungsarchitektur in einem System 200, die zum Beispiel in einer großen Anlage mit großem Leistungsbedarf implementiert werden kann. Das System 200 beinhaltet einen Versorgungsnetz-AC-Netzspannungsgenerator 205, um AC-Netzspannung von einem Versorgungsnetz, wie etwa dem elektrischen Versorgungsnetz 130, zu liefern. Das exemplarische System 200 beinhaltet auch zwei Notversorgung-AC-Generatoren, einschließlich eines dieselbetriebenen Generators 210 und eines mitangeordneten Generators (z. B. gasbetriebener Generator 215). Der Strom von den Generatoren 205, 210, 215 kann kombiniert werden und/oder vom AC-Schaltgerät 220 ausgewählt werden und dann zur Ablage 110 über einen AC-Bus 225 geliefert werden. Im Falle eines Fehlers an der AC-Netzspannung vom Generator 205 können die Generatoren 210, 215 ein für Notfälle verwendetes Eingangswechselspannungssignal auf dem AC-Bus 225 bereitstellen.
• In einigen Implementierungen kann eine im Wesentlichen asynchrone Energiequelle verwendet werden, um ein im Wesentlichen sinusförmiges AC-Spannungssignal zu generieren. Zum Beispiel können ein Schwungrad-Energiespeicher und ein Rückgewinnungssystem verwendet werden. Energiearten, die mithilfe von Wind oder Sonne generiert wird, wie diejenige, die jeweils von einem Windpark oder einem Solarpark bereitgestellt wird, können als Energiequellen dienen, um eine im Wesentlichen sinusförmige AC-Spannung in einem elektrischen Versorgungsnetz zu generieren. In derartigen Implementierungen wird das generierte im Wesentlichen sinusförmige Signal durch das Versorgungsnetz zu einem Eingang des AC-zu-DC-Wandlers 170 ohne Intervenieren der AC-zu-DC-Gleichrichtung übertragen.
• In Zusammenarbeit mit der Notversorgungsbatterie, die von der Batterie 185 bereitgestellt wird, können die Generatoren 205, 210, 215 einen im Wesentlichen unterbrechungsfreien Strom bereitstellen, um eine Gleichstromlast 230 auf der Ablage 110 für kurze, mittelfristige und/oder lange Zeiträume zu betreiben.
• In einigen Implementierungen wird der AC-zu-DC-Wandler 170 konfiguriert, um Leitungsgeräusche von der Eingangsleistung des AC-Schaltgeräts 220 zu tolerieren. Zum Beispiel kann die Ablage 110 eine nicht aufbereitete AC-Leistung von der Hauptversorgungsleitung 205, dem Generator 210 und/oder dem mitangeordneten Generator 215 erhalten werden. In einigen Implementierungen kann die Ablage 110 und das Datenzentrum 105 unter Verwendung der nicht aufbereiteten AC-Leistung betrieben werden. Diesem Beispiel verwendet die USV 115 die nicht aufbereitete AC-Leistung, um die Gleichstromlast 230 zu liefern. In bestimmten Implementierungen beinhaltet der AC-zu-DC-Wandler 170 eine PFC Schaltung, um den Leistungsfaktor des Leistungssignals, das an die Gleichstromlasten 230 geliefert wird, zu erhöhen. Wie ersichtlich, filtert der AC-zu-DC-Wandler 170 DC-Nebengeräusche von den Rückleistungssignalen zum AC-Schaltgerät 220. Zum Beispiel können zurückgeschickte Oberwellenströme (die vom Datenzentrum 105 zum elektrischen Versorgungsnetz fließen) eine deutlich reduzierte Menge an Geräuschen oder Oberwellen beinhalten. In einigen Beispielen können die Kosten für den Bau des Datenzentrums 105 reduziert werden, indem die Ablage 110 konfiguriert wird, um Leitungsgeräusche von der Eingangs-AC-Leistung zu tolerieren.
• Eine exemplarische Verwendung der Generatoren 210, 215 kann im Falle eines Fehlers (z. B. Spannungsverlust, Stromausfall) oder einer Nichtverfügbarkeit (z. B. Schaltungswartung) der AC-Netzspannung vom Generator 205 veranschaulicht werden. Als Antwort auf das Entdecken des Fehlers auf dem Eingangswechselspannungssignal wird die Batterie 185 verbunden, um im Wesentlichen eine Batteriespannung über den DC-Bus 175 zu liefern. Als solcher wird der kurzfristige Betrieb der Gleichstromlast (z. B. mindestens 10, 20, 30, 40, 50, 60 Sekunden bei voller Last) mittels des von der Batterie 185 gelieferten Stroms aufrechterhalten. Der Dieselgenerator 210 kann gestartet werden, um dem AC-Bus 225 Strom bereitzustellen, vorzugsweise bevor die Batterie 185 vollkommen entladen ist. Für erweiterte AC-Leistungsfehler kann der mitangeordnete Generator 215 online gestellt werden, um einen kosteneffektiveren Betrieb bereitzustellen, oder um es zu vermeiden, die Obergrenzen der staatlichen Bestimmungen hinsichtlich der dieselbetriebenen Generierung zu überschreiten.
• In einigen Implementierungen kann einer oder beide Generatoren 210, 215 eine Fähigkeit, Spitzenlasten abzuwerfen, bereitstellen. Zum Beispiel kann der mitangeordnete Generator 215 während zu erwartenden Tagesspitzen eingesetzt werden. In einigen Fällen kann dies das Aushandeln von Sonderkonditionen für den elektrischen Strom vom elektrischen Versorgungsnetz 130 ermöglichen.
• 3 zeigt ein exemplarisches Schema in zusätzlichem Detail. In verschiedenen Ausführungsformen kann der AC-zu-DC-Wandler 170 die einzelne Ausgabespannung am DC-Bus an einer festgelegten Stelle regulieren. Bei dieser festgelegten Stelle kann es sich in einigen Ausführungsformen um einen statischen Wert handeln oder er kann während des Betriebs auf dynamische Art und Weise ermittelt werden. Zum Beispiel kann die festgelegte Stelle zumindest teilweise auf einer oder mehreren elektrischen Eigenschaften der Batterie basieren.
• Die Eigenschaften, auf die eine festgelegte Stelle beruhen kann, können Batterieeigenschaften, wie etwa die chemische Zusammensetzung der Batterie, das Alter der Batterie, die Lade-/Entladehistorie, die nominale maximale Ladung, die Temperatur, das Ladeprofil (z. B. Batteriespannung, Laderate bei konstanter Strömung), Schätzungen der internen Impedanz der Batterie oder sonstige Parameter in Verbindung mit der elektrischen Leistung der Batterie, umfassen.
• Neben den internen Batterieeigenschaften kann die festgelegte Stelle zumindest teilweise auf Parameter der elektrischen Schaltung des Batterieschaltung 180 und des DC-Busses 175 basieren. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei der festgelegten Stelle gegenüber der, der AC-zu-DC-Wandler 170 die Spannung des DC-Busses 175 reguliert, um eine Funktion einer Batterieauflade-Schaltungstypologie handeln. Falls die Batterieladeschaltung eine Spannungserhöhungsschaltung bereitstellt (z. B. Hochsetzsteller, Ladepumpe, Freilauf) kann die Spannung der festgelegten Stelle im Wesentlichen bei oder unterhalb einer erwünschten maximalen Ladespannung liegen. Falls die Batterieladeschaltung stellt nur eine Fähigkeit die Spannung herabzusetzen (z. B. linearer Regulierer, Abwärtsregler) bereit, kann die festgelegte Stelle auf einen Wert eingestellt werden, der sich in ausreichendem Maße oberhalb der maximalen nominalen Ladespannung befindet, um die erforderliche Ladeleistung oberhalb der relevanten Temperatur erzielen, wobei Kompromisse hinsichtlich des Leistungsverlust und des Ladestroms und der entsprechenden Ladezeit in Betracht gezogen werden müssen. Angesichts derartiger Kompromisse kann die festgelegte Stelle nur so hoch wie nötig sein, um die Ladezeitspezifikationen einzuhalten. Zum Beispiel kann die festgelegte Stelle auf zwischen ungefähr 0,050 und ungefähr 1 V oberhalb der nominalen erwarteten Batteriespannung eingestellt werden.
• In verschiedenen Ausführungsformen kann die Spannung der festgelegten Stelle auf Basis einer spezifizierten Temperatur eingestellt werden, wie etwa 0, 10, 25, 30, 40, 50, ..., 80 Grad Celsius. In einem illustrativen Beispiel kann die festgelegte Stelle auf dynamische Weise auf Basis einer Temperatur in und um die Batterie 185 herum eingestellt werden, wie von mindestens einem Temperatursensor (nicht dargestellt) gemessen werden.
• In eine abgebildeten Ausführungsformen beinhaltet USV 115 eine in Serie geschalteten Lade-/Entlade-Steuerungsschaltung 305 mit der Batterie 185 und beinhaltet ferner die Steuerung 245 in einer betriebsfähigen Verbindung mit einem nicht-flüchtigen Speicher (NVM) 310.
• Die in Serie geschaltete Batterie 185 und Schaltung 305 sind über den DC-Bus 175 verbunden. Bezugnehmend auf ein Signal, der auf einen Fehler am Eingangswechselspannungssignale schließen lässt, kann die Schaltung 305 die Batterie 185 auf betriebsfähige Weise über den DC-Bus 175 verbinden, um es der Batterie zu erlauben, sich durch einen niedrigen Impedanzpfad zum Gleichstromlast 230 zu entladen. Wenn das Eingangswechselspannungssignal auf dem AC-Bus 225 keine Fehler enthält, kann die Schaltung 305 dem Ladestrom auf selektive Weise erlauben, durch vom DC-Bus 175 zu fließen, um die Batterie 185 aufzuladen. Falls mehrere Batterien oder Batteriestränge elektrisch parallelgeschaltet sind, können einzelne Stränge oder Gruppen von Strängen unabhängig voneinander bei verschiedenen Raten gemäß einem definierten Lade-Algorithmus aufgeladen werden.
• In einer abgebildeten Ausführungsformen kann das NVM 310 Informationen zur festgelegten Stelle für das Regulieren des Ausgangs des AC-DC-Wandlers 170 speichern. Die Informationen zur festgelegten Stelle können während der Herstellungszeit und nach dem ersten Verwenden gespeichert werden und/oder auf dynamische Weise während des Betriebs der Ablage 110 aktualisiert werden Die Steuerung 245 und/oder der AC-zu-DC-Wandler 170 können Informationen zur gespeicherten festgelegten Stelle lesen und/oder verwenden, um zu ermitteln, wie der AC-zu-DC Wandler 170 zu steuern ist. Neben den Informationen der festgelegten Stelle können die Informationen über die Schwellenwertbedingungen für das Umschalten zwischen AC-Eingang und Batteriebetrieb zum Beispiel im NVM 310 gespeichert werden.
• Das Zugreifen auf die im NVM 310 gespeicherten Informationen können durch eine in Serie oder parallel geschaltete Schnittstelle (die über eine drahtgebundene und/oder physische Infrarotschicht verfügen kann), zum Beispiel zwischen dem NVM 310 und einem oder mehreren Prozessoren 160 an der Gleichstromlast 230 gespeichert werden Die Prozessoren 160 können verwendet werden, um auf Informationen im NVM 310 über die Netzwerkverbindungen 140 (1B) zu jedem Fach 110 zuzugreifen oder um diese zu aktualisieren.
• Zusätzliche Datenspeichervorrichtungen können auf der Gleichstromlast 230 bereitgestellt werden. Im abgebildeten Beispiel beinhaltet die Gleichstromlast 230 zwei Prozessoren 160 in betriebsfähiger Verbindung mit dem Speicher 165 und der Festplatte (HDD) 315
• 4 veranschaulicht eine exemplarische Energieverteilungsarchitektur 400 auf dem Gestell 125. In der Architektur 400 liefert USV 115 Strom durch den DC-Bus 175 an mehreren Gleichstromlasten 230 in einer Verarbeitungseinheit 405. Jede Gleichstromlast 230 ist über den DC-Bus 175 parallelgeschaltet. Strom, der an die Gleichstromlasten 230 geliefert wird, wird von AC nach DC nur einmal zwischen der Hauptversorgungsleitung 205 und der Gleichstromlast 230 gleichgerichtet In einer Ausführungsform beinhaltet Verarbeitungseinheit 405 eine Anordnung von Laufwerken, eine zusammengeschaltete Karte, und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einer Batterie.
• In verschiedenen Implementierungen kann jede Gleichstromlast 230 über ähnliche Schaltungen oder unterschiedliche Schaltungen verfügen. Verschiedene der Gleichstromlasten können in erster Linie das Speichern von Daten, das Verarbeiten von Daten, das Kommunizieren von Daten und eine Kombination dieser oder sonstiger Funktionen bereitstellen. In einer Ausführungsform sind die Gleichstromlasten 230 auf verschiedenen Ablagen im Gestell 125 positioniert. In einer anderen Ausführungsform befindet sich die gesamte Verarbeitungseinheit 405 auf einer der Ablagen 110. In einigen Ausführungsformen ist die USV 115 auf einer einzigen Ablage 110 mit der Verarbeitungseinheit 110 integriert. In anderen Ausführungsformen kann USV 115 an einem anderen Ort auf dem Gestell 125 positioniert sein. Verarbeitungseinheit 405 kann sich auf eine oder mehrere Ablagen, Gestelle oder sonstige Strukturen beziehen, die eine oder mehrere Gleichstromlasten 230 umfassen, deren Strukturen mindestens eine Bucht, ein Kabinett, ein tragbares oder stationäres Gehäuse, eine gesamte Anlage, wie beispielsweise etwa das Datenzentrum 105 beinhalten können.
• Verschiedene Implementierungen können auch mehrere DC-Spannungen liefern, die auf verschiedene Ladungen voneinander isoliert werden können. Die Spannung kann ähnlich oder unterschiedlich sein. Zum Beispiel können 12V, 5V, 3,3V oder weniger, und –12V DC-Spannungen geliefert werden. Diese Spannungen können von einem AC-zu-DC Wandler 170 konfiguriert werden, um mehrere DC-Spannungen bereitzustellen. Ferner können verschiedene DC-Spannungen zu Lasten durch weitere DC/DC-Wandler geliefert werden, die oft „Point-of-Load“-Wandler genannt werden, und die zwischen AC-zu-DC Wandler 170 und deren jeweilige DC Verbrauchslast positioniert werden.
• Derartige Wandler stellen ferner oft das Filtern von Geräuschen für geräuschempfindliche DC-Schaltungen bereit. Sie können auch eine verbesserte Ausgangsimpedanz für Lasten bereitstellen, die über eine hohe augenblickliche Stromvariation verfügen. Zum Beispiel kann ein Prozessor bei 2,7 V; 3,3 V und anderen Spannungen laufen und kann sehr schnell von einer geringen Stromstärke zu einer hohen Stromstärke umschalten. Ein derart schneller Übergang kann in manchen Designs eines AC-zu-DC-Wandlers 170 zu einer Welligkeit der Ausgangsspannung führen. Point-of-Load-Spannungswandler helfen dabei, eine Spannung niedriger Impendanz bereitzustellen, die sich nicht so stark von der bezogenen Last unterscheidet. Point-of-Load-Wandler können zum Beispiel mit abgebildeten Gleichstromlasten 230 integriert werden, oder können in der Nähe derartiger Lasten auf Hauptplatinen 120 positioniert werden. Point-of-Load-Wandler mit einer niedrigeren Ausgangsimpedanz sind in der Regel teurer als Wandler mit einer höheren Impendanz, weswegen Point-of-Load-Wandler mit einer Ausgangsimpedanz in der Regel bezüglich ihrer Größe den Anforderungen jeder Gleichstromlast entsprechen. Zum Beispiel kann ein Prozessor eine Point-of-Load-Wandler mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz erfordern, während eine Bus-Steuerung oder ein Ventilator mit einem kostengünstigeren Point-of-Load-Wandler mit einer höheren Ausgangsimpedanz konfiguriert werden kann.
• 5A–5B sind schematische Diagramme, die Details einer Batterieschaltung in einer exemplarischen Energieverteilungsarchitektur zeigen.
• 5A zeigt einen exemplarischen Schaltplan 500 für einen Abschnitt der Lade-/Entladesteuerschaltung 305, die mit Bezugnahme auf 3 beschrieben ist. Der Schaltplan 500 beinhaltet eine Komparatorschaltung 505, um ein Signal Vups zu wechseln, wenn die Spannung am DC-Bus 175 unterhalb eines Schwellenwerts Voff fällt. Der Schaltplan 500 beinhaltet eine Komparatorschaltung 510, um ein Signal VBatt zu wechseln, wenn die Spannung am DC-Bus 175 unterhalb eines Schwellenwerts Batt_Low fällt. Die Signale Vups und Vbatt werden in Einzelheiten mit Bezugnahme auf 7–8 beschrieben.
• Das Schema 500 beinhaltet ferner ein Überstromschutzelement 515, das in diesem Beispiel eine Sicherung beinhaltet. Ein Terminal der Sicherung 515 ist mit einem positiven Terminal der Batterie verbunden und das andere Terminal ist mit einer positiven Schiene des DC-Busses 175 verbunden In anderen Beispielen werden zusätzliche Serien und/oder Shunteinrichtungen verwendet, um Überstrom, Überspannung, Rückdrehsicherung, EMI-Mitigation und/oder sonstige Funktionen bereitzustellen.
• In der abgebildeten Ausführungsform ist ein Terminalpaar (+Batterie, –Batterie) in der Lage, mit einer Batterie verbunden zu werden. Das negative Batterieterminal (–Batterie) ist mit zwei parallelen Pfaden verbunden, wobei jede davon durch das Bedienen eines Schalters steuerbar ist. Einer der parallelen Pfade verbindet das negative Batterieterminal mit einer negativen Schiene des DC-Busses 175 durch einen Widerstand 520 und einen Schalter 525. Dieser Pfad erlaubt es einen Ladestrom zu fließen, wenn der Schalter ausgeschaltet ist. Die Amplitude des Ladestroms ist im Wesentlichen vom Wert des Widerstands 520 und dem Unterschied zwischen der Spannung am DC-Bus 175 und der Batterie (nicht dargestellt) beschränkt. Der interne Widerstand der Batterie fällt in der Regel geringer als der Wert des Widerstands 520 aus. In einigen Anwendungen kann der Spannungsabfall entlang des Widerstands 520 verwendet werden, um den Ladestrom zu messen und/oder zu steuern.
• Der andere parallele Pfad verbindet das negative Batterieterminal mit einer negativen Schiene des DC-Busses 175 durch einen Schalter 530. Wenn der Schalter 530 ausgeschaltet ist, ist die Batterie über den DC-Bus 175 operativ verbunden. In diesem Stadium kann sich die Batterie entladen und jede Gleichstromlast (nicht dargestellt), die auch über den DC-Bus 175 verbunden ist, mit Betriebsstrom versorgen.
• Die Schalter 525, 530 können passiv und/oder aktiv gesteuert werden. Eine exemplarische Ausführungsform, die in 5B dargestellt wird, ist für eine Implementierung illustrativ und wird nicht als einschränkend angesehen.
• In 5B wird die Batterie 185 mit einem Serienwiderstand 540 modelliert, der zum Beispiel einen internen und/oder Kontaktwiderstand darstellen kann. Der ideale Schalter 525 (5A) für das Laden der Batterie wird als Diode mit inaktiver Steuereingabe implementiert. In dieser Implementierung kann der AC-zu-DC Wandler 170 (nicht dargestellt) den DC-Bus 175 auf eine Spannung regulieren, die ausreicht um die Diode (Schalter) 525 über die Temperaturen von Interesse vorzuspannen und um einen erwünschten Ladestrom bereitzustellen. Als solche kann sich die festgelegte Stelle zumindest die maximale Ladespannung plus eine Diodenabfallspannung sein.
• Im abgebildeten Beispiel aus 5B wird der Batterieladestrom zumindest teilweise, mittels eines Serienwiderstands und eines unidirektionalen Stromflussmechanismus, wie beispielsweise etwa eine Diode oder ein anderer Halbleiterschalter ermittelt. In anderen Ausführungsformen kann die Batterieladevorrichtung einen Seriendurchgangsregler (z. B. linearer Low-Drop-Out-(LDO)-Regler) oder einen Leistungswandler im Schaltmodus (z. B. Buck, Boost, Buck/Boost, Cepic, Cuk, Flyback, Ladungspumpenschaltung oder Resonanz usw.) entweder allein oder in Kombination beinhalten. Der Ladestrom der Batterie kann durch Stromspiegeltechniken oder unter Verwendung von Strommessfeedbacktechniken gesteuert werden unter Verwendung eines Strommesswiderstands oder zum Beispiel einer induktiven Kopplungsmessung gesteuert werden.
• Der ideale Schalter 530 (5A) für das Entladen der Batterie wird als Back-to-Back-MOSFET-(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)-Schalter implementiert, der konfiguriert ist, um den Strom in beide Richtungen blockieren, wenn er sich in einem nichtleitenden Zustand befindet. Der Schalter 530 öffnet und schließt sich als Antwort auf ein Steuersignal 535, das zum Beispiel mittels der Steuerung 245 (3) generiert werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen können die Schalter 525, 530 Schottky-Dioden, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder sonstige Halbleiter oder elektromechanische Schalter (z. B. Relays) beinhalten.
• 6A–6B zeigen einige Beispiele von PFC-Boost-Schaltungen 900, 950, die in AC-zu-DC-Wandler 170 eingesetzt werden, um eine im Wesentlichen nicht aufbereitete AC-Eingangsleistung zu erhalten. Schalter 900, 950 können zum Beispiel Geräusche und Oberwelleninhalte in einer im Wesentlichen nicht aufgearbeiteten AC-Eingangsleistung herausfiltern. In einem anderen Beispiel können die Schaltungen 900, 950 einen Leistungsfaktor der AC-Eingabeleistung zu einem Leistungsfaktor der näher bei Eins liegt, korrigieren. In bestimmten Implementierungen können die PFC-Boost-Schaltungen 900, 950 die Stabilität und den Wirkungsgrad des Datenzentrums 105 und des Übertragungssystems 195 verbessern. In einigen Beispielen kann der AC-zu-DC Wandler 170 Leitungsgeräusche von der AC-Eingangsleistung tolerieren und Geräusche, die mittels der Gleichstromlast 230 von der Rückflussleistung generiert werden, herausfiltern.
• Während zwei PFC-Boost-Schaltungen gezeigt werden können alle geeigneten PFC-Schaltungen eingesetzt werden. Für Schaltungen mit höherer Leistung (zum Beispiel über 200W) entspricht die traditionelle Topologie der Wahl dem Hochsetzsteller, der im kontinuierlichen Stromfluss (CCM) und mit einer Mittelwertstromregelung (ACMC) betrieben wird. Für Schaltungen mit geringerer Leistung wird in der Regel die Boost-Typologie des kritischen Stromflusses (CRM) eingesetzt. In einigen Implementierungen können andere Arten von schaltenden Wandlerschaltungen, wie etwa Buck-, Buck-Boost-, oder Flyback-Wandlerschaltungen anstatt des Hochsetzstellers verwendet werden, um eine Leistungsfaktorkorrektur durchzuführen. In einigen Implementierungen kann eine passive PFC-Schaltung verwendet werden, um Leistungsfaktorkorrekturen durchzuführen. Zum Beispiel kann ein DC-Filter-Induktor verwendet werden, um die Oberwellenanteile in der AC-Eingangsleistung zu reduzieren und um den Leistungsfaktor zu verbessern. Die Konstruktion dieser verschiedenen Schaltkreise ist in Fachkreisen wohlbekannt.
• Wie in 6A ersichtlich beinhaltet die PFC-Boost-Schaltung 900 ein Berichtigungsstadium 905, eine schaltende Wandlerschaltung 910 und ein Ausgangsstadium 915. Wie ersichtlich erhält das Berichtigungsstadium 905 die nicht aufbereitete AC-Leistung von einer Wechselstromquelle 920. In einem Beispiel kann die Wechselstromquelle das AC-Schaltgerät 220 sein. In einigen Beispielen kann eine Ausgabe des Berichtigungsstadiums 905 ein gleichgerichtetes PC-Leistungssignal sein.
• Die schaltende Wandlerschaltung 910 wird mit der Ausgabe des Berichtigungsstadiums 905 gekoppelt. In einigen Implementierungen wird die schaltende Wandlerschaltung 910 mit einer höheren Schaltfrequenz als die Frequenz der Wechselstromquelle 920 betrieben. In einigen Beispielen kann die schaltende Wandlerschaltung 910 die Rolle einer idealen Widerstandslast für die Ausgabe des Berichtigungsstadiums 905 einnehmen. Zum Beispiel kann die schaltendende Wandlerschaltung 905 Netzstromoberwellen eliminieren.
• Die schaltende Wandlerschaltung 910 beinhaltet eine PFC-Steuerung 925, einen Schalter 930 und einen Induktor 935. Bei der PFC-Steuerung 925 kann es sich um einen Chip der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder um eine Schaltung einschließlich des sowohl diskreten als auch integrierten Komponenten handeln. In einer Implementierung kann die PSC-Steuerung 925 eine gleichgerichtete Ausgabe des Gleichrichtungsstadiums 905 und ein Feedbacksignal aus dem Ausgabestadium 915 empfangen. Unter Verwendung der empfangenen Eingaben, kann die PSC-Steuerung 925 die schaltende Wandlerschaltung 910 steuern, um eine Eingangsstromform aufrechtzuerhalten und den Eingangsstrom, der in der Phase der AC-Eingangsspannung sich befindet, zu steuern.
• In einigen Beispielen kann die PFC-Steuerung 925 eine Multiplizierer-Schaltung und eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (PWM) beinhalten. Die Multiplizierer-Schaltung kann beispielsweise eine gegenwärtige Referenz und die Eingangsspannungsreferenz von gleichgerichteten Ausgang des gleichgerichteten Stadiums 905 erhalten. Unter Verwendung des Feedbacksignals, kann die PFC-Steuerung 925 eine Variation zwischen der Ausgangsspannung und einer Referenz DC-Spannung erfassen. In einigen Implementierungen kann die Referenz DC-Spannung von der Batterie 185 versorgt werden. In einem Beispiel kann die Multiplizierer-Schaltung die erfasste Variation, die Phase des Eingangsstroms und die AC-Eingangsspannung erfassen, um ein Steuersignal zu ermitteln. Die PWM-Schaltung vergleicht das Steuersignal mit dem Eingangsstrom, um ein Umschaltsignal zu generieren, um den Schalter 930 zu steuern. Zum Beispiel kann das Umschaltsignal die gegenwärtige Amplitude, die im Induktor 935 fließt, steuern und eine konstante Ausgangsspannung am Vout aufrechterhalten. Die Ausgangsspannung kann zum Beispiel 280 VDC sein.
• Wie in 6B ersichtlich, führt die PFC-Boost-Schaltung 950 eine Leistungsfaktorkorrektur durch das Übereinstimmen eines durchschnittlichen Eingangsstroms mit dem Referenzstrom. Die PFC-Boost-Schaltung 950 beinhaltet eine Mittelwertstromregelung 955. Die Steuerung 955 reguliert den Mittelwertstrom auf Basis eines Steuersignals Icp. In einer Implementierung kann Icp von einem DC-Schleifenfehlerverstärker niedriger Frequenz generiert werden. Zum Beispiel kann Icp durch das Vergleichen der DC-Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung generiert werden.
• Wie ersichtlich, beinhaltet die Steuerung 955 einen Stromverstärker 960, einen Oszillator 965 und einen PWM Komparator 970. In einigen Implementierungen kann der Stromverstärker 950 ein Integrator der Stromsignale sein. In einigen Beispielen kann die Ausgabe des Stromverstärkers 950 ein Fehlersignal niedriger Frequenz auf Basis des durchschnittlichen Stroms durch den Shunt-Widerstand Rshunt und des Icp Signals sein.
• Im abgebildeten Beispiel wird das Fehlersignal mit einer vom Oszillator 965 generierten Wellenform verglichen. Zum Beispiel kann es sich bei der Wellenform um eine Sägezahnwellenform, eine sinusförmige Wellenform oder sonstige periodische Wellenformen handeln. Auf Basis des Unterschieds zwischen der generierten Wellenform und dem Fehlersignal, kann der PWM-Komparator 970 ein Tastverhältnissignal zum Schalter 930 generieren. Zum Beispiel kann der PWM-Komparator 970 das Tastverhältnissignal verwenden, um die Ausgangsspannung am Ausgang und eine Form des Eingabestroms zu steuern, um die Phase der Eingangsspannung anzupassen.
• In einigen Implementierungen kann eine PFC-Boost-Schaltung zwei kaskadierte Leistungsstufen beinhalten. Zum Beispiel kann ein erstes Stadium der PFC-Boost-Schaltung einen Hochsetzsteller beinhalten, um die Wellenform des Eingangsstroms zu steuern und um den Leistungsfaktor in der Nähe von Eins aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann ein zweites Stadium eine zweite schaltende Wandlerschaltung beinhalten, um die Ausgangsspannung vom ersten Stadium in verschiedene DC-Spannungspegel (z. B. 3,3 V, 5 V, 12 V, usw.) für Gleichstromlasten 230 der Ablage 110 umzuwandeln.
• In einigen Implementierungen kann das zweite Stadium der PFC-Boost-Schaltung auf der Hauptplatine 120 implementiert werden.
• 7–8 sind Flussdiagramme, die exemplarische Verfahren veranschaulichen, die in Ausführungsformen der Energieverteilungsarchitektur ausgeführt werden können.
• Unter Bezugnahme auf 7 veranschaulicht ein Flussdiagramm 600 ein exemplarisches Verfahren, das die USV 115 durchführen könnte, um einen Fehlerzustand auf dem Eingangswechselspannungssignal handzuhaben. In einigen Ausführungsformen kann die USV 115 das Verfahren durchführen, um das Umschalten auf und/oder von der Batterie als vorübergehende Stromquelle zu koordinieren.
• In einigen Fällen kann das Durchführen des Verfahrens Leistungsstörungen (z. B. Datenfehler) infolge des AC-Fehlerzustands im Wesentlichen reduzieren und/oder verhindern. Zum Beispiel kann die Batterie 185 eine ausreichende Menge an Betriebsstrom bereitstellen, um die Operation der Gleichstromlast 230 solange aufrechtzuerhalten bis eine AC-Quelle, wie etwa eine Hauptversorgungsleitung 205 oder Notversorgungsgenerator 210, 215 Online gebracht werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Batterie 185 damit fortfahren Betriebsstrom bereitzustellen, während die Gleichstromlasten 230 Anweisungen ausführen, um ein elegantes Herunterfahren der Operationen zu gewährleisten. Ein derartiges elegantes Herunterfahren der Operationen kann stark variieren, aber versucht im Allgemeinen Leistungsstörungen, die infolge des Fehlerzustands auftreten könnten, so gering wie möglich zu halten. Derartige Störungen manifestieren sich zum Beispiel als veraltete Daten, wenn das Verarbeitungssystem im Anschluss daran neu gestartet wird.
• Im Allgemeinen beinhaltet dieses Verfahren Operationen, die von einer Steuerung (z. B. die Steuerung 245) durchgeführt werden können. Die Operationen können ferner unter der Kontrolle, Aufsicht und/oder der Überwachung eines oder mehrerer Prozessoren 160 im System 100 durchgeführt werden. Die Operationen können von anderen Verarbeitungs- und/oder Steuerelementen, die sich durch eine an die Ablage 110 gekoppelte Netzwerkverbindung 140 in operativer Kommunikation mit der Steuerung befinden können, ergänzt oder verbessert werden. Einige oder alle Operationen können von einem oder mehreren Prozessoren durchgeführt werden, die Anweisungen ausführen, die physisch greifbar in einem Signal verkörpert sind. Das Verarbeiten kann entweder im Einzelnen oder in Zusammenarbeit mit einem oder mehreren Prozessoren implementiert werden, die Anweisungen unter Verwendung analoger und/oder digitaler Hardware oder Verfahren ausführen.
• Das Verfahren beginnt bei Schritt 605, wenn die Steuerung ermittelt, dass es einen Fehler am Eingangswechselspannungssignal gibt. Zum Beispiel kann die Steuerung das Auftreten von AC-Stromausfällen durch das Überwachen des AC-Busses 225, eines Spannungsstatus-Zustandssignals, das mittels einer Spannung/einer Fehlererkennungsschaltung an der Ablage 110 bereitgestellt wird, und/oder einer Ausgangsspannung (z.B., VUPS in 5A). am DC-Bus 175 identifizieren.
• In einigen Ausführungsformen kann die USV 115 einen Analog-/Digitalwandler beinhalten, der VUPS in einen digitalen Wert umwandelt (z. B. ein 10 Bit-Digitalwert). Wenn die Steuerung erfasst, dass eine entscheidende Spannung unterhalb eines Schwellenwerts fällt, kann die Steuerung eine AC-Leistungsfehlerroutine starten. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerung Signale, von einer externen Komponente, wie etwa eines Leistungskombinierers im AC-Schaltgerät 220 empfangen. Derartige Signale können auf einen Fehler am Eingangswechselspannungssignal hinweisen. In anderen Ausführungsformen kann der AC-zu-DC Wandler 170 eine Nachricht an die Steuerung senden, um einen AC-Leistungsfehler anzugeben.
• Falls die Steuerung ermittelt, dass die AC-Leistung nicht fehlerhaft ist, wird Schritt 605 wiederholt. Falls die Steuerung ermittelt, dass die AC-Leistung sich in einem Fehlerzustand befindet, schaltet die Steuerung die USV 115 in Schritt 610 vom AC-Betrieb in den Batteriebetrieb. Die Steuerung kann zum Beispiel Signale senden, um den Schalter 525 zu öffnen und den Schalter 530 zu schließen (5A), um die Batterie 185 auf betriebsfähige Weise über den DC-Bus 175 zu verbinden, so dass die Batterie 185 die Gleichstromlasten 230 unterstützen kann. Als nächstes stellt die Steuerung in Schritt 615 einen Zeitmesser auf eine Notversorgungs-Zeitdauer ein. Bei dem Zeitmesser kann es sich um ein Register in der Steuerung handeln, das zu- oder abnimmt während die Zeit vergeht. In einigen Ausführungsformen kann die Dauer der Notversorgung eine Dauer repräsentieren, während der die Batterieleistung verwendet werden kann bzw. ausschlaggebend sein kann. Zum Beispiel kann die Steuerung die Notversorgungsdauer unter Verwendung eines Schätzwerts der zu erwartenden Lebensdauer der Batterie abzüglich der für die Gleichstromlast 230 erforderlichen Zeit berechnen, um ein elegantes Herunterfahren der Operationen zu gewährleisten. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerung die Dauer der Notversorgung vom NVM 310 laden.
• In Schritt 620 ermittelt die Steuerung, ob die AC-Leistung wiederhergestellt worden ist. Die Steuerung kann zum Beispiel eine Nachricht vom AC-zu-DC-Wandler über den derzeitigen Zustand der AC-Eingangsleistung erhalten. Als weiteres Beispiel kann die Steuerung den AC-zu-DC Wandler abfragen, um zu ermitteln, ob die AC-Leistung wiederhergestellt ist. Falls die Steuerung ermittelt, dass die AC-Leistung wiederhergestellt ist, kann die Steuerung Operationen in Schritt 625 ausführen, um zum Betrieb mittels der AC-Leistung zurückzuschalten und das Verfahren 600 endet dann. Ein exemplarisches Verfahren für das Umschalten vom Batteriestrom auf Netzstrom wurde in weiteren Einzelheiten mit Bezugnahme auf 8 beschrieben.
• Falls bei Schritt 620 die Steuerung ermittelt, dass die AC-Leistung wiederhergestellt wurde, prüft die Steuerung in Schritt 630, ob VUPS weniger als eine minimale Spannung für eine Batterienotversorgung (VOFF) beträgt. Falls die Steuerung ermittelt, dass VUPS weniger als VOSF beträgt, kann die Steuerung den Zeitmesser auf eine Power-Down-Zeit in Schritt 630 einstellen. Die Power-Down-Zeit kann ein Schätzwert der Zeit sein, die für die DC-Lasten erforderlich ist, um Power-Down-Operationen ausführen. In einigen Beispielen können Power-Down-Operationen der DC-Lasten einen Datenverlust verhindern und/oder Schäden aufgrund eines plötzlichen Verlusts an DC-Leistung vermeiden. Wenn die Steuerung in Schritt 630 ermittelt, dass VUPS nicht weniger als VOFF beträgt, in Schritt 640 kann die Steuerung ermitteln, ob eine Ausgangsspannung der Batterie (VBATT) weniger als ein niedriger Schwellenwert (BATT_LOW) der Batterie beträgt. Wenn VBATT in einigen Ausführungsformen geringer als BATT_LOW ausfällt, kann das bedeuten, dass der in der Batterie gespeicherte Strom in geringer Menge vorhanden ist und richtige Power-Down-Operationen ausgeführt werden können, um beispielsweise einen Datenverlust zu verhindern. Falls die Steuerung ermittelt, dass VBATT niedriger als BATT_LOW ist, wird Schritt 635 ausgeführt. Falls die Steuerung ermittelt, dass VBATT nicht niedriger als BATT_LOW ist, kann die Steuerung prüfen, ob die Dauer der Notversorgung abgelaufen ist. Falls die Steuerung ermittelt, dass die Dauer der Notversorgung abgelaufen ist, wird Schritt 635 ausgeführt. Falls die Steuerung ermittelt, dass die Dauer der Notversorgung nicht abgelaufen ist, wird Schritt 620 wiederholt.
• Nachdem die Steuerung den Zeitmesser in Schritt 635 auf die Power-Down-Zeit einstellt, kann die Steuerung prüfen, ob die AC-Leistung in Schritt 650 wiederhergestellt ist. Falls die Steuerung ermittelt, dass die AC-Leistung wiederhergestellt ist, wird Schritt 625 ausgeführt. Falls die Steuerung ermittelt, dass die AC-Leistung nicht wiederhergestellt worden ist, ermittelt die Steuerung, ob die Power-Down-Zeit in Schritt 655 abgelaufen ist. Falls die Steuerung ermittelt, dass die Power-Down-Zeit nicht abgelaufen ist, wird Schritt 650 wiederholt. Falls die Steuerung ermittelt, dass die Power-Down-Zeit abgelaufen ist, kann die Steuerung die USV in Schritt 660 herunterfahren (z. B. den Schalter 530 in 5 öffnen) und das Verfahren endet.
• 8 zeigt ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren 700 der Operationen für das Umschalten vom Notversorgungsstrom der Batterie auf die Wechselstromeingangsleistung veranschaulicht. Eine Steuerung kann beispielsweise von einem Batteriebetrieb zu einem Wechselstrombetrieb umschalten, nachdem die AC-Leistung nach einem AC-Leistungsausfall (z. B. 625 aus 7) wiederhergestellt ist, oder nach einer Wartungsoperation (z. B. Batterie-Testbetrieb).
• In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung die Übertragung vom Batterieleistungsbetrieb auf den AC-Leistungsbetrieb verschieben, um beispielsweise hohe Stromspitzen (z. B. Zustrom) im Datenzentrum 105 abzumildern. Eine kleine feststehende Verzögerung kann ferner bereitgestellt werden, um sicherzustellen, dass die Eingangswechselspannung stabil ist.
• Wie hierin mit Bezugnahme auf Schritt 625 beschrieben (7) kann das Verfahren 700 beginnen, wenn die Steuerung ermittelt, dass Wechselstromeingangsleistung wiederhergestellt ist. Zuerst kann die Steuerung in Schritt 710 einen zufälligen Verzögerungsparameter ermitteln. Zum Beispiel kann ein Verzögerungsparameter im NVM 310 der eine Zeitlänge (z. B. Zeit, Taktzyklen) repräsentiert (z. B. 1 ms, 0,5 ms, 0,025 ms, usw.) gespeichert sein, um vor dem Umschalten auf eine wechselstrombetriebene Operation zu verschieben.
• In einigen Ausführungsformen kann der zufällige Verzögerungsparameter zufällig oder pseudo-zufällig bestimmt werden. Die Steuerung kann unter Verwendung einer Seed (z. B. eine Seriennummer, die in einem Speicherregister der USV 115 und/oder auf der Hauptplatine 120 gespeichert ist, eine Maschinenzeit, wenn die Ablage zum ersten Mal gestartet wird, usw.) zum Beispiel einen pseudo-zufälligen Verzögerungsparameter generieren. Der Verzögerungsparameter kann dann von der Steuerung 245 verwendet werden und/oder im NVM 310 gespeichert werden. In einem anderen Beispiel kann der Verzögerungsparameter eine zufällige Zahl sein (z. B. von einem physischen Prozess, wie etwa einem radioaktiven Zerfall erfasst), die in dem NVM 310 während des Herstellungsprozesses der USV 115 gespeichert wird.
• In einer Ausführungsform stellt die Steuerung einen Zeitmesser auf die zufällige Verzögerung bei Schritt 715 ein. In anderen Ausführungsformen kann die Steuerung die Verzögerung unter Verwendung eines Zählers, einer echten Uhr, einer analogen Rampe, oder einer Zerfallsschaltung mit einem Schwellenwert vergleichenden Komparator, oder andere geeignete Verzögerungsgeräte sein. Dann ermittelt die Steuerung in Schritt 720, ob VBATT weniger als BATT_LOW ist. Wenn VBATT kleiner als BATT_LOW ausfällt, und angibt, dass die Batterie bald entladen ist, kann die Steuerung in Schritt 725 von der Batterieleistung auf die AC-Leistung umschalten und das Verfahren 700 endet. Zum Beispiel kann die Steuerung die von der Batterie ausgehende Stromversorgung durch das Öffnen des Schalters 530 im Schalter 500 (5A) ausschalten. Im exemplarischen Datenzentrum 105 ist es unwahrscheinlich, dass alle Batterien zur selben Zeit ihre Entladungsgrenze erreichen werden, weswegen man nicht davon ausgeht, dass es aufgrund dieses Verfahrens in den meisten Ausführungsformen an den Eingangswechselspannungsleitungen zu wesentlichen erhöhten Spitzenströmen kommen wird.
• Falls VBATT in Schritt 725 nicht weniger als BATT_LOW beträgt, dann prüft die Steuerung in Schritt 730, ob die Zeitmessung abgelaufen ist. Falls die spezifizierte Verzögerung nicht erreicht wurde, wird Schritt 725 wiederholt. Falls die spezifizierte Verzögerung nicht erreicht wurde, wird Schritt 720 wiederholt und das Verfahren 700 endet.
• In verschiedenen Ausführungsformen kann die Batteriespannung sich oberhalb und/oder unterhalb der regulierten Spannung am DC-Bus befinden In einigen Ausführungsformen kann der AC-zu-DC Wandler eine Sollwertspannung regulieren, die sich innerhalb von 50, 100, 200, 250, 400, 500, ..., 1000 mV der voll aufgeladenen nominalen Spannung der Batterie befindet. In verschiedenen Implementierungen kann die festgelegte Stelle auf dynamische Weise ermittelt werden, beispielsweise auf Basis von Batterieeigenschaften, wie etwa Alter, Verwendungshistorie, Temperatur, interner Widerstand, Ladezeit-Antwort, Entladezeit-Antwort und/sonstigen batterieschaltungsbezogenen Eigenschaften. Falls die Batteriespannung sich oberhalb der Sollwertspannung befindet, kann die Ladevorrichtung eine hochsetzsteller- und/oder buck-boost-artige Wandlerschaltung beinhalten.
• In einigen Ausführungsformen kann eine Ablage 110 eine modular aufgebaute Tragstruktur sein, die konfiguriert ist, um in einer von einer Anzahl von Orten, Schlitzen, oder Positionen im Gestell 125 angebracht werden soll. Jede Ablage 120 kann ein Substrat beinhalten, wie etwa eine Leierplatte (PCB), auf der die USV 175 und die Hauptplatine 120 und/oder sonstige DC-Lasten 230 integriert sein können. Die Ablagen 110 können Merkmale für ein thermisches Managementsystem, einschließlich Ports für den Luftstrom, bereitstellen, wenn sie auf einem der Gestelle 125 installiert sind.
• Der Begriff „Ablage“ ist nicht dazu bestimmt, um sich auf eine bestimmte Anordnung zu beziehen, sondern betrifft stattdessen jede Anordnung von computergestützten Komponenten, die miteinander verbunden sind, um einem bestimmten Zweck zu dienen, wie etwa auf einer Hauptplatine. Ablagen können im Allgemeinen parallel zu anderen Ablagen in einem horizontalen oder vertikalen Stapel angebracht werden, um eine dichtere Verpackung zu ermöglichen, als es sonst mit Computern, die über freistehende Gehäuse und sonstige Komponenten verfügen, möglich wäre. Der Begriff „Klinge“ kann auch verwendet werden, um sich auf derartige Vorrichtungen zu beziehen. Ablagen können in bestimmten Konfigurationen, einschließlich als Computerserver, Schalter, (z. B. elektrische und optische), Router, Treiber oder Gruppen von Treibern und sonstigen computerbezogenen Vorrichtungen implementiert werden.
• Ausführungsformen der USV 115 können konfiguriert werden, um verschiedene primäre oder sekundäre Batterietechnologien zu akzeptieren. Technologien können unter anderem versiegelte Bleisäure, Nickel-Metall-Hydrid, Nickel-Cadmium, drahtgewickelte Bleisäure, Basen und Lithiumionen beinhalten. Die USV 115 sehen kann Schaltkreise beinhalten, um eine chemische Zusammensetzung der Batterie automatisch zu erkennen und Lade- und Entladeprofilinformationen gemäß den ermittelten Batteriecharakteristiken anzupassen. In einigen Ausführungsformen kann die festgelegte Stelle gegenüber der, der AC-zu-DC-Wandler 170 den DC-Bus 175 reguliert, auf die automatisch erfassten Batteriecharakteristiken Bezug nehmen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Batteriespannung sich auf eine Wert zwischen ungefähr 8 V und ungefähr 26 V belaufen, wie etwa ungefähr 9, 10, 11, 12, 13, ..., 23, 24, oder 25 Volt.
• Eine nominale 12 Volt Bleisäurebatterie kann zum Beispiel über eine entsprechende Regulierung der festgelegten Stelle auf dem DC-Bus von ungefähr 13,65 V verfügen, zum Beispiel um im Wesentlichen das volle Aufladen der Batterie bereitzustellen. Im Falle eines Switchovers von einer 13,65 Volt Regulierung auf den DC-Bus zur Batteriespannung, würde der transiente Schritt (in diesem Falle, ein Fall) in der Spannung am Eingang zur DC-Last relativ klein ausfallen, so in etwa weniger als 1 Volt zum Beispiel. So eine kleine Änderung in der Eingangsspannung kann im Wesentlichen nachteilige transiente Vorgänge in den DC-Lasten abmildern.
• Bei der Batterie 185 kann es sich um eine Einzelzelle, oder eine Kombination von Zellen handeln, die in Serie und/oder parallelgeschaltet sind. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Batterien in einer USV während des Betriebs auf andere Weisen austauschbar sein, als in der Weise der Notstromversorgung mit Batterien, in der die Batterie sich während eines Fehlerzustandes am AC-Bus 225 in die Last entlädt. Ein visueller oder auditiver Indikator kann bereitgestellt werden, um Dienstpersonal darauf aufmerksam zu machen, ob die Batterie bei laufendem Betrieb ausgewechselt werden kann.
• Wenn die Batterie auf eine Ablage 110 angebracht wird, kann eine Batterie positioniert und unterstützt werden, um auf schnelle und bequeme Art ersetzt werden. Verschiedene Schnellanschluss-/Schnelltrennungskabelbäume (z. B. schnell zu befestigende Verbindungen), federbelastete elektrische Kontakte, Schnappmerkmale, Verriegelungslaschen, oder dergleichen können angewendet werden, um Batterien für eine sichere Verbindung und ein schnelles Ersetzen beizubehalten.
• AC Netzspannung, wie hierin verwendet, Kann sich auf eine AC-Spannungsquelle beziehen, die in der Regel über eine fundamentale Frequenz zwischen ungefähr 47 Hz und ungefähr 500 Hz verfügt, ohne notwendigerweise so eingeschränkt zu sein. Quellen der AC-Spannung können von stationären oder mobilen Quellen abgeleitet werden. Beispiele dafür können sich drehende elektrische Generatoren auf Transportfahrzeugen, LKWs, Zügen, Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen beinhalten. Sich drehende Generatoren beziehen sich auf Quellen für elektrische Leistung, die im Wesentlichen vom Verbinden eines zeitvariablen Magnetfelds zu einem oder mehreren Leitern abgeleitet werden, um im Wesentlichen eine sinusförmige Spannung zu erzeugen. In einigen Implementierungen wird ein Magnetfeld relativ zu einer oder mehreren leitfähigen Windungen rotiert. In einigen anderen Implementierungen werden eine oder mehrere leitfähige Windungen relativ zu einem stationären Magnetfeld rotiert.
• Da der AC-zu-DC Wandler 170 die einzige Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung im Leistungspfad vom AC-Generator zur DC Last 230 ist, kann er Merkmale beinhalten, um die harmonische Verzerrung zu reduzieren und leitungsgebundene Emissionen abzumildern, den Einschaltstrom zu managen und dergleichen. Demgemäß kann der Wandler 170 Hardware, Software oder eine Kombination davon beinhalten, um eine Leistungsfaktorkorrektur, ein Spread-Spektrum (z. B. Frequenzsprünge) das Umtauschen von Frequenzen, das Filtern und/oder das gegenwärtig gesteuerte Startup zum Beispiel bereitzustellen.
• Das Regulieren der DC-Bus-Spannungsausgang durch den Wandler 170 kann durch das Einsetzen jedes geeigneten schaltenden Wandlers und der Steuerstrategie zum Bereitstellen einer einzelnen Ausgangsspannung bei einer ermittelten festgelegten Stelle bewerkstelligt werden. Das Austauschen von Typologien kann unter anderem das Weiterleiten, das Flyback, Cuk, SEPIC, Buck, Buck-Boost oder geeignete resonante oder quasi-resonante AC-zu-DC-Wandler beinhalten. In einer illustrativen Ausführungsform wird die Wechselstrom zu Gleichstrom Gleichrichtung und die Umkehrung zumindest teilweise mit einem angemessenen Betrieb einer aktiven Switching-Matrix, die über vier steuerbare Schalter verfügt, erzielt, die die Eingangswechselspannung, die auf das induktive Element in einer Buckanordnung angewendet wird, modulieren.
• In einer anderen illustrativen Ausführungsform wird die Eingangswechselspannung durch ein unkontrolliertes Diodengleichrichtungsstadium gleichgerichtet, dem zum Beispiel ein magnetisch gekoppeltes DC-zu-DC Umwandlungsstadium unter Verwendung einer Vorwärts- oder Flybeck-Typologie folgt. In einer nach weiteren illustrativen Beispiel wird das Leistungsfaktoreingabestadium von einem oder mehreren nach unten kaskadierenden DC-zu-DC-Wandlerstadien gefolgt, um die regulierte Spannung an der ermittelten festgelegten Stelle zu erzielen. Lineare Regulierung kann in Kombination mit einem Switchmodus-Leistungswandler verwendet werden. Aus dieser Offenbarung wird der Durchschnittsfachmann eine Anzahl von Implementierungen für den AC-zu-AC-Wandler 170 erkennen. Geeignete Wandler sind in Fachkreisen bekannt und variieren je nach Anwendung. Zwei Wandlerdesigns werden mit Bezug auf die 6A und 6B, lediglich zur Veranschaulichung beschrieben.
• Mit Bezugnahme auf 4 als ein veranschaulichen des Beispiel können einige Ausführungsformen des Systems 400 in mindestens einem der vier Modi betrieben werden. In einem ersten Modus wird sowohl die Verarbeitungseinheit 405 als auch die USV 115 abgeschaltet. In einem zweiten Modus wird die Batterie 185 unter Verwendung einer Leistung, die vom DC-Bus 175 erhalten wird, aufgeladen. In diesem zweiten Modus kann die Batterie 185 schnell und nach dem Erhaltungsladungsprinzip gemäß einem Ladealgorithmus aufgeladen werden. In einem dritten Modus wird die Batterie „flotiert“ und gewissermaßen vom DC-Bus getrennt und wird weder ge- noch entladen während der AC-zu-DC-Wandler Betriebsstrom an die DC Last 230 liefert. In einem vierten Modus wird die Batterie auf betriebsfähige Weise an den DC-Bus 175 verbunden und entladet, um die DC-Last 230 mit Betriebsstrom zu versorgen. Diese vierte Bedingung kann als Antwort auf einen Fehlerzustand auf dem AC-Bus 225 in Gang gesetzt werden.
• In verschiedenen Implementierungen können Übertragungen zwischen Spannungsquellen bestimmte Übergangssequenzen umfassen. Das AC-Schaltgerät 220 (2) kann zum Beispiel zwischen sämtlichen der Generatoren 205, 210, 215, unter Verwendung entweder einer im Wesentlichen make-before-break oder einer break-before-make Übertragungssequenz übertragen. Beim Umschalten von einem AC-Eingangsbetrieb zum Batteriebetrieb kann die USV 115 in einigen Ausführungsformen den Betrieb des AC-zu-DC-Wandlers im Wesentlichen während oder nachdem die Batterie 185 über den DC-Bus 175 verbunden wird, deaktivieren. Falls der gesamte Ausgangsstrom des Wandlers 175 durch eine Seriendiode hindurchfließt, kann der Wandler 175 zum Beispiel einfach deaktiviert werden, indem der Betrieb der DC-zu-DC-Umschaltanwendung an der Schaltmodussteuerung (nicht dargestellt) deaktiviert wird. In anderen Ausführungsformen kann der Ausgang zum Beispiel auf aktive Weise mittels eines Halbleiterschalters deaktiviert werden.
• Es werden eine Anzahl von Ausführungsformen beschrieben. Dennoch versteht es sich von selbst, dass Modifikationen gemacht werden ohne vom hier beschriebenen Schutzumfang und Geist der Erfindung abzuweichen Vorteilhafte Ergebnisse können zum Beispiel erzielt werden, wenn die Schritte der offenbarten Techniken in einer unterschiedlichen Sequenz durchgeführt werden, wenn die Komponenten in den offenbarten Systemen auf eine unterschiedliche Art und Weise kombiniert werden, oder wenn die Komponenten ersetzt oder durch andere Komponenten ausgetauscht wurden. Dementsprechend liegen Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche.

Claims (39)

1. Ein Stromverteilungssystem für ein Datenzentrum, wobei das System das Folgende umfasst: eine DC-Last, die mindestens einen digitalen Prozessor umfasst, der betriebsfähig ist, um die von einem Netzwerk erhaltenen Daten zu verarbeiten; ein DC-Bus, der konfiguriert ist, um Betriebsstrom an die DC-Last zu liefern, wobei der Strom, der von einer Stromquelle erhalten wird; die über den DC Bus verbunden ist; und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die mit der DC-Last integriert ist, wobei die USV das Folgende umfasst: einen Batterieschalter, der konfiguriert ist, um eine Batterie auf betriebsfähige Art über den DC-Bus während eines Fehlerzustands zu verbinden, in dem ein Eingangswechselspannungssignal außerhalb des normalen Betriebsbereichs fällt, worin das Eingangswechselspannungssignal aus einem rotierenden AC-Generator stammt; ein AC-DC Gleichrichtungsstadium einen AC-zu-DC Wandlungsschalter umfasst, der konfiguriert ist, um eine im Wesentlichen nicht aufbereitete Eingangswechselspannung zu erhalten und das Eingangswechselspannungssignal zu einem einzelnen Ausgangsgleichspannungssignal über den DC-Bus umzuwandeln, wenn das Eingangswechselspannungssignal sich innerhalb des normalen Betriebsbereichs befindet, worin die AC-zu-DC Wandlungsschaltung konfiguriert ist, um das Ausgangsgleichspannungssignal auf eine Spannungsebene zu regulieren, die sich oberhalb und im Wesentlichen in der Nähe einer maximalen nominalen Ladespannung der Batterie befindet; und eine Steuerung, die konfiguriert wird, um die AC-zu-DC Wandlerschaltung selektiv zu aktivieren, um die Versorgung der Gleichstromlast mit Betriebsstrom erneut, als Antwort auf ein Signal aufzunehmen, das angibt, dass das Eingangswechselspannungssignal in den normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner einen Schalter steuert, um die Batterie über den DC-Bus selektiv zu verbinden.
3. System nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine oder mehrere Zellen umfasst, die elektrisch in Serie geschaltet sind.
4. System nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine oder mehrere Zellen umfasst, die elektrisch parallelgeschaltet sind.
5. System nach Anspruch 1, wobei das Eingangswechselspannungssignal von einer oder mehreren elektrischen Generatorarten stammt, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus den Folgenden besteht: ein Generator in einer Stromversorgungsanlage; eine Gasturbine, eine Dampfturbine; und ein kraftstoffbetriebener Motor-Generator.
6. System nach Anspruch 1, wobei das Eingangswechselspannungssignal ein Phasenspannungssignal und ein neutrales Signal aus einem Dreiphasen AC-System umfasst.
7. System nach Anspruch 1, wobei die Eingangswechselspannung über einen Effektivwert von ungefähr 208 V bis ungefähr 277 V verfügt.
8. System nach Anspruch 1, wobei die Eingangswechselspannung über einen Effektivwert von ungefähr 85 V bis mindestens ungefähr 480 V verfügt.
9. System nach Anspruch 1, wobei die Eingangswechselspannung im Wesentlichen auch eine sinusförmige Wellenform bei einer Frequenz von zwischen ungefähr 45 Hz und mindestens ungefähr 500 Hz umfasst.
10. System nach Anspruch 1, wobei die Eingangswechselspannung mit der im Stern geschalteten Spannungsquelle verbunden ist.
11. System nach Anspruch 1, wobei eine Zelle in der Batterie eine chemische Zusammensetzung der Batterie umfasst, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus den Folgenden besteht: Bleisäure, Nickel-Metall-Hydrid, Nickel-Cadmium, einer Base, und Lithiumionen.
12. System nach Anspruch 1 weiterhin umfassend eine Aufladevorrichtung, die konfiguriert ist, um die Batterie durch einen Pfad, der über den DC-Bus verbunden ist, aufzuladen.
13. System nach Anspruch 1, wobei die einzelne DC-Bus-Spannung über weniger als 26 Volt verfügt.
14. System nach Anspruch 1, wobei die einzelne DC-Bus-Spannung sich auf zwischen ungefähr 10 V ungefähr 15 V beläuft.
15. System nach Anspruch 1, wobei die einzelne DC-Bus-Spannung über ungefähr 13,65 Volt verfügt.
16. System nach Anspruch 1, wobei die AC-zu-DC Wandlerschaltung das DC Ausgangsspannungssignal auf ungefähr 1 Volt oberhalb der maximalen nominalen Ladespannung der Batterie reguliert.
17. System nach Anspruch 1, wobei die DC-Busspannung eine ausreichende Spannung für eine lineare Regulierungsvorrichtung bereitstellt, die mit der Batterie über den DC-Bus in Serie verbunden ist, um die Erhaltungsladung der Batterie auf einen vollständig aufgeladenen Zustand gemäß den Batteriespezifikationen zu bringen.
18. System nach Anspruch 1, wobei der DC-Bus darüber hinaus einen ersten elektrischen Pfad bei einer ersten Spannung umfasst und ferner einen zweiten elektrischen Pfad bei einer zweiten Spannung umfasst.
19. System nach Anspruch 1, wobei eine der ersten und zweiten Spannungen sich im Wesentlichen bei einem Massenbezugspotenzial befinden.
20. System nach Anspruch 1, wobei das System über lediglich eine Gleichrichtungsschaltung verfügt, die konfiguriert ist, um eine AC-Wellenform in eine DC-Wellenform umzuwandeln.
21. System nach Anspruch 1, wobei ein erstes Terminal der Batterie auch konfiguriert ist, um direkt zu einer ersten Schiene des DC-Busses verbunden zu werden und ein zweites Terminal der Batterie selektiv an eine zweite Schiene des DC-Busses verbunden wird.
22. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Datenspeicher, worin der AC-zu-DC Wandler das Regulieren des Ausgangsgleichspannungssignals erneut nach einer Verzögerungszeit aufnimmt, nach der mindestens ein Prozessor ein Signal empfängt, das auf das Entfernen des Fehlers im AC-Spannungseingangssignal hinweist, wobei die besagte Verzögerungszeit einem Verzögerungszeitparameter im Datenspeicher entspricht.
23. System nach Anspruch 22, wobei eine der mindestens einen Digitalprozessoren die gespeicherten Verzögerungszeitparameter ermitteln.
24. System nach Anspruch 22, wobei die gespeicherten Zeitverzögerungsparameter einen pseudo-zufällig erzeugten Wert umfassen.
25. System nach Anspruch 1, wobei die Gleichstromlast, der DC Bus und die Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Gleichrichtung in einer modularen Basis enthalten sind, die konfiguriert ist, um in einer Vielzahl von Positionen auf einer Gestellhalterungsvorrichtung gestützt zu werden, wobei die besagte Grundlage für die Halterung sich in jeder verfügbaren einen aus einer Vielzahl von Positionen im Rack oder Rahmen befinden kann.
26. System nach Anspruch 1, wobei die Gleichstromlast mindestens ein Element aus der Gruppe umfasst, das aus den Folgenden besteht: eine Zentraleinheit; eine Datenspeichervorrichtung; ein mathematischer Coprozessor; und ein digitaler Signalprozessor.
27. System nach Anspruch 26, weiterhin umfassend mindestens einen DC/DC-Wandler, der konfiguriert ist, um eine vom DC-Bus an mindestens eine weitere DC-Spannung bereitgestellte Spannung umzuwandeln.
28. System nach Anspruch 27, wobei eine oder mehrere der mindestens einen DC-Spannung zudem ungefähr der Spannung eines Elements aus der Gruppe entsprechen, das aus den Folgenden besteht: –5; 1; 3; 3,3.; 5; 7,5; 10; ungefähr 18–20; ungefähr 20–26 Volt.
29. System nach Anspruch 27, wobei der eine oder mehrere der mindestens einen DC/DC-Wandler konfiguriert ist, um eine verbesserte Ausgangsimpendanz bereitzustellen.
30. System nach Anspruch 27, wobei der eine oder mehrere der mindestens einen DC/DC-Wandler konfiguriert ist, um Geräusche von der Spannung, die auf dem DC-Bus geliefert werden, zu filtern.
31. System nach Anspruch 1, wobei das Eingangswechselspannungssignal von einer oder mehreren Quellen an elektrischer Energie stammt, die von der Gruppe ausgewählt wird, die aus den Folgenden besteht: mindestens einer Solarzelle; mindestens einer Windturbine und mindestens einem Schwungrad.
32. System nach Anspruch 1, wobei die Gleichstromlast ferner ein oder mehrere Informationen enthaltende Signale umfassen, die einer der Gleichstromlast externen Last übermittelt werden.
33. System nach Anspruch 1 weiterhin umfassend mindestens 10 Instanziierungen der Gleichstromlast, die mit der Eingangswechselspannung parallelgeschaltet ist.
34. Eine Gleichstromlast für das Verwenden in einem Datenzentrum, worin die Last das Folgende umfasst: eine Hauptplatine, die mindestens einen digitalen Prozessor beinhaltet, der betriebsfähig ist, um die von einem Netzwerk erhaltenen Daten zu verarbeiten; einen DC-Bus, der konfiguriert ist, um Betriebsstrom an die Hauptplatine zu liefern, wobei der Strom, der von einer Stromquelle erhalten wird; die über den DC Bus verbunden ist; und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die mit der DC-Last integriert ist, wobei die USV das Folgende umfasst: einen Batterieschalter, der konfiguriert ist, um eine Batterie auf betriebsfähige Art über den DC-Bus während eines Fehlerzustands zu verbinden, in dem ein Eingangswechselspannungssignal außerhalb des normalen Betriebsbereichs fällt, ein AC-DC Gleichrichtungsstadium, das einen PFC-Boost-AC-zu-DC Wandlungsschalter umfasst, der konfiguriert ist, um ein im Wesentlichen nicht aufbereitetes Eingangswechselspannungssignal zu einem einzelnen Ausgangsgleichspannungssignal über den DC-Bus umzuwandeln, wenn das Eingangswechselspannungssignal sich innerhalb des normalen Betriebsbereichs befindet, worin die AC-zu-DC Wandlungsschaltung konfiguriert ist, um das Ausgangsgleichspannungssignal auf eine Spannungsebene zu regulieren, die sich oberhalb und im Wesentlichen in der Nähe einer maximalen nominalen Ladespannung der Batterie befindet; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um die AC-zu-DC Wandlerschaltung auf selektive Weise zu aktivieren, um das Liefern des Betriebsstroms an die DC-Last als Antwort auf ein Signal wiederaufzunehmen, das angibt, dass das Eingangswechselspannungssignal wieder in den normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist.
35. Gleichstromlast nach Anspruch 34, weiterhin umfassend mindestens einen DC/DC-Point-of-Load-Wandler auf der Hauptplatine umfassend, der konfiguriert ist, um eine DC-Spannung vom DC-Bus zu erhalten und einer Betriebsschaltung auf der Hauptplatine eine aufbereitete DC-Spannung bereitzustellen.
36. Gleichstromlast nach Anspruch 35, wobei eine oder mehrere der mindestens einen DC/DC-Point-of-Load-Wandlers konfiguriert ist, um eine verbesserte DC-Ausgangsimpendanz bereitzustellen.
37. Gleichstromlast nach Anspruch 34, wobei der Typ der PFC-Boost-AC-zu-DC-Wandlerschaltung einem kontinuierlichen Stromfluss (CCM – Continuous Conduction Mode) einschließlich Mittelwertstromregelung (ACMC-Average Current Mode Control) entspricht.
38. Gleichstromlast nach Anspruch 34, wobei der Typ der PFC-Boost-AC-zu-DC-Wandlerschaltung einem kritischen Stromfluss (CRM – Critical Conduction Mode) entspricht.
39. Gleichstromlast nach Anspruch 34 in einem Datenzentrum verbunden werden, das ferner 50 oder mehrere der Gleichstromlasten nach Anspruch 34, die mit der Eingangswechselspannung parallelgeschaltet sind, umfassen kann.

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