一种12V直流不间断电源系统技术方案

本发明专利技术公开了一种直流12V不间断电源系统，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组。本发明专利技术采用直流12V不间断电源系统，电池组按机架配置、和服务器同步建设，降低了电池的充电功率。电源模块采用PWM整流技术，相较于传统工频UPS电源系统，供电系统回路谐波含量降低，对各级配电系统容量、电缆、前端备份发电机组容量要求降低。

A 12V DC uninterrupted power supply system

The invention discloses a DC 12V uninterruptible power supply systems, including a series of AC input power distribution unit, high-frequency rectification circuit and DC output power distribution unit, the DC output power distribution unit connected with the input end of the bypass 12V battery voltage circuit and 12V lithium iron battery. The invention adopts a DC 12V uninterrupted power supply system, wherein the battery unit is configured according to the frame configuration and synchronously with the server, thereby reducing the charging power of the battery. The power supply module adopts PWM rectifier technology. Compared with the traditional power frequency UPS power supply system, the harmonic content of the power supply system is reduced, and the capacity of the distribution system at various levels and the capacity requirements of the cable and front-end backup generator sets are reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种12V直流不间断电源系统
本专利技术涉及一种电源供电装置，特别是一种可应用于数据中心、通信机房、IT机房的12V直流不间断电源系统。
技术介绍
给数据中心服务器供电，本质上就是将220V交流市电变换成稳定可靠的12V基准直流电，再给服务器内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”供电。UPS、高压直流、服务器PSU等电源设备都是手段，不是目的。当前的数据中心电源建设方案，市电经过多次变换才生成直流12V给服务器内部芯片供电，电能利用率很低。关于ＵＰＳ负载率－效率曲线，各个厂家的数据不尽相同，但是基本上均遵守以下的曲线图，图3为某厂家的UPS负载率－效率曲线图。由图3分析可以得出以下几点结论：1)ＵＰＳ的运行效率与负载率相关，负载率低于某种程度后，效率将大幅下降；2)负载率为40％到80％的区间，效率曲线刚性较强，ＵＰＳ运行效率最高；3)系统的负载率决定了系统的运行效率。以目前数据中心最常用的1+1并联供电方式为例：此种供电方式要求单台UPS负载不超过额定容量的70%，正常工作时两台UPS负荷均担，即每台UPS工作在额定容量的35%，每台UPS是长期工作在额定容量35%以下的状态，实际使用中的UPS大多运行在额定负荷的15%-30%之间，导致花大量资金购买的设备处于低负荷运行状态，且系统效率较低。此外，UPS蓄电池组均按UPS满载的容量及放电时间来配置，由于负载较轻，蓄电池组实际配置容量远超负载实际运行所需最低容量。额外的蓄电池组充电功率，对前端配电线路及开关、变压器容量提出了更高的容量要求，额外的电能损耗最终转化为热能，又增加了空调的负担。由图4可见，现有技术中交流输入经过多次转换才能给服务器芯片供电，每经历一次转换，就伴随着开关元器件的导通及关断损耗，以负载为30%时候分析可见，此时的电能实际利用率η为81.9%。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种12V直流不间断电源系统。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种直流12V不间断电源系统，其特征在于，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组。本专利技术中，所述交流输入配电单元连接三相380V交流电用于将输入的三相380V交流电分配成多路小容量的220V分路，便于高频整流电路接入单相220V交流电。本专利技术中高频整流电路：由高频整流模块组成，将220V交流电变换成稳定不间断的12V直流电，其允许的输入电压范围为：220V*(1-15%,1+10%),输出电压精度为12V(1±4%)，单模块输出容量为25A、40A、50A、75A、100A等。配置显示仪表，同时实现对蓄电池组的充电、放电管理。当市电正常时，高频整流电路输出12V直流电给负载供电，同时通过稳压电路给蓄电池组进行浮充。本专利技术中稳压电路为直流双向稳压电路，稳压精度为±4%之内。当高频整流电路对负载进行充电时，稳压电路输出稳定的12V直流电给蓄电池充电；当蓄电池组放电时，给负载提供稳定的12V直流电。本专利技术中12V铁锂电池组作用为：当高频整流电路没有输出时，蓄电池组实现对负载的供电，蓄电池组容量根据放电时间灵活配置。本专利技术中直流输出配电单元作用为：将整流电路或蓄电池组通过稳压电路输出的12V直流电分配给服务器供电，实现方式通过熔丝或者直流断路器给服务器供电。本专利技术用高频整流电路，代替传统的UPS或者高压直流电源系统及服务器输入端电源模块，产生12V直流电，给服务器供电；12V的铁锂电池组并接在高频整流电路的输出端，作为备用电源。本专利技术解决现有数据中心现有电源系统负载率低、电能利用率低、远期出现的电源容量与负载功率不匹配的状况等一系列问题，提出了一种新型、节能的不间断电源系统，为服务器供电。本专利技术可应用于数据中心、通信机房、IT机房，可取代目前普遍使用的UPS或高压直流电源系统为服务器供电，降低电源转换次数、蓄电池组按实际负载配置，解决数据中心电源容量与服务器负载功率不匹配、输入谐波含量高、电源利用率低等问题，降低数据中心运行成本。新建数据中心、IT机房、通信机房：将直流12V不间断电源系统和服务器机架集成，直流12V不间断电源系统内置于服务器机架内，服务器无需配置输入电源模块，直接接入直流12V不间断电源系统。本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术电源系统（含蓄电池组）分散于每架服务器机架，数据中心可取消电力电池室，降低机房建筑成本，而节省的电力电池室又可用来布放服务器机架；（2）采用分散供电，将风险下沉到每个机架，避免了UPS供电若输出有问题，造成其所带负载全部瘫痪的风险。（3）服务器与电源系统同步建设，容量灵活配置，可将负载率控制在效率最大点，避免了机房后期电源容量与负载不匹配的缺陷；（4）电源在服务器机架内部，接近负荷中心，降低输电及配电损耗；（5）电源模块采用PWM整流技术，相较于传统工频UPS电源系统，供电系统回路谐波含量降低，对各级配电系统容量、电缆、前端备份发电机组容量要求降低。（6）本专利技术采用直流12V不间断电源系统，电池组按机架配置、和服务器同步建设，降低了电池的充电功率。而以往的UPS、高压直流方案配置的蓄电池组是按照负载终期容量配置，在电源容量满载之前，对蓄电池组进行的充电功率，有部分是被浪费掉的，额外的电能转化为热负荷，增加了机房的空调负荷。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为本专利技术12V供电不间断电源系统框图。图2为本专利技术直流12V不间断电源系统效率分析图。图3为某一现有技术ＵＰＳ负载率－效率曲线示意图。图4为现有技术服务器UPS供电系统及效率图。图5为市电正常时，电源系统电流路由图。图6为市电停电时，电池放电路由图。图7为本专利技术电源系统电路示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术公开了一种新型的直流不间断电源系统，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组。本专利技术输出电压等级为直流12V，输出电压范围为：（11.5V,12.5V）。本专利技术电源系统与服务器同步建设于同一机架内部，彻底解决了目前数据中心电源系统与负载建设不同步、电源容量与负载功率不匹配的问题；采用高频整流电路代替UPS及服务器输入电源模块来实现12V电压的输出，给服务器供电，减少了电能转换次数，最大程度的提高了电能的利用率；采用高频整流技术，使输入谐波含量大大降低，降低了电能的传输损耗，同时降低了空调的负荷，配电系统容量以及发电机容量均可显著降低。用直流12V不间断电源系统为服务器供电的数据中心，服务器将无需配置输入电源模块，电能将最大程度的被数据中心真正的负载——“服务器内各种芯片”使用，是最节能环保的电源解决方案，电能利用率分析如图2所示。本专利技术工作原理如下：（1）市电正常时如图5所示，市电经过交流配电单元，将大容量的380V/3P（P表示马力。）分流成多路小容量的单相220V/1P交流电；单相交流电输入至各高频整流电路模块，生成稳定可靠的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流12V不间断电源系统，其特征在于，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组，所述充电稳压电路为直流双向稳压电路，稳压精度为±4％之内；所述交流输入配电单元连接三相380V交流电用于将输入的三相380V交流电分配成小容量的220V分路；所述高频整流电路包括以下部分：输入滤波整流电路、PWM脉冲产生电路、PWM直流变压电路、输出滤波电路、反馈采样电路，高频整流电路允许的输入电压范围为：220V*(1‑15％,1+10％)，输出电压精度为12V(1±4％)；其中输入滤波整流电路和PWM直流变压电路串接后位于主变压器T1的原边，用于对输入的共模和差模的纹波进行滤波处理，同时将AC输入整流成直流的输出；主变压器T1的原边包括M1和M2两个同开或同关的开关管，M2的源极连接变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端连接M1的漏极，通过控制这两个高频开关管的开通和关断，使变压器T1原边两端有一个高频的方波交流电压，通过变压器T1做电磁隔离，将能量从原边传到副边；输出滤波电路位于主变压器的副边，通过二极管整流，将高频的交流电压整流成直流并通过LC滤波网络进行滤波；PWM脉冲产生电路与PWM直流变压电路连接，用于根据反馈采样电路输出的反馈电压和输入的原边电流，产生一电压幅值与输出功率有关的电平信号，将这一电平信号与时钟信号结合，产生高频的PWM方波，此方波用于对变压器T1原边的开关管M1和M2进行驱动，所述反馈采样电路连接输出滤波电路，其采用分压电阻采样输出电压，并与基准电压做对比，将误差信号放大，用于调节PWM的脉冲宽度，从而稳定输出电压；变压器T1的原边还包括输入保险丝F1、热敏电阻TH1、共模电感L5、共模电感L6、差模电感L2、差模电感L3、差模电感L4、输入整流桥BD1、差模滤波电容C15、差模滤波电容C16；输入保险丝F1的一端连接L线，另一端连接热敏电阻TH1的一端，输入保险丝F1作为输入电流保护，通过对浪涌进行抑制的热敏电阻TH1实现脉冲保护；热敏电阻TH1的另一端连接共模电感L5的第一绕组的一端，共模电感L5的第一绕组的另一端连接共模电感L6的第一绕组的一端，共模电感L6的第一绕组的另一端通过差模电感L2连接输入整流桥BD1的第一交流输入端，共模电感L5的第二绕组的一端连接N线，共模电感L5的第二绕组的另一端连接共模电感L6的第二绕组的一端，共模电感L6第二绕组的另一端通过差模电感L3连接输入整流桥BD1的第二交流输入端；输入整流桥BD1的直流输出正端连接差模电感L4的一端，差模电感L4的另一端连接开关管M2的漏极，输入整流桥BD1的直流输出负端通过电流采样电阻R3连接开关管M1的源极，差模滤波电容C15的正极连接差模电感L4的一端，差模滤波电容C16的一端连接差模电感L4的另一端，差模滤波电容C15的负极和差模滤波电容C16的另一端均连接输入整流桥BD1的直流输出负端；共模电感L5、L6用于滤除共模信号，输入差模滤波电容C15、C16，差模电感L2、L3、L4完成滤除差模干扰；输入整流桥BD1将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电；两开关管M1、M2同时开通和关断，同时开通时向副边传递能量，同时关断时，变压器原边通过开关管的反向并联二极管向输入侧馈电，完成磁复位；开关管M2的源极和漏极之间并联由电阻R11和电容C3串联构成的阻容吸收电路，开关管M1的源极和漏极之间并联由电阻R9和电容C2串联构成的阻容吸收电路，该阻容吸收电路利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率，由于电路中存在变压器漏感或负载电感，因此与电容C2、C3串联的电阻R9、R11起阻尼作用，用来防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏开关管。...

【技术特征摘要】
1.一种直流12V不间断电源系统，其特征在于，包括依次串联的交流输入配电单元、高频整流电路以及直流输出配电单元，所述直流输出配电单元的输入端旁路地连接有12V蓄电池组充电稳压电路和12V铁锂电池组，所述充电稳压电路为直流双向稳压电路，稳压精度为±4％之内；所述交流输入配电单元连接三相380V交流电用于将输入的三相380V交流电分配成小容量的220V分路；所述高频整流电路包括以下部分：输入滤波整流电路、PWM脉冲产生电路、PWM直流变压电路、输出滤波电路、反馈采样电路，高频整流电路允许的输入电压范围为：220V*(1-15％,1+10％)，输出电压精度为12V(1±4％)；其中输入滤波整流电路和PWM直流变压电路串接后位于主变压器T1的原边，用于对输入的共模和差模的纹波进行滤波处理，同时将AC输入整流成直流的输出；主变压器T1的原边包括M1和M2两个同开或同关的开关管，M2的源极连接变压器原边绕组的一端，原边绕组的另一端连接M1的漏极，通过控制这两个高频开关管的开通和关断，使变压器T1原边两端有一个高频的方波交流电压，通过变压器T1做电磁隔离，将能量从原边传到副边；输出滤波电路位于主变压器的副边，通过二极管整流，将高频的交流电压整流成直流并通过LC滤波网络进行滤波；PWM脉冲产生电路与PWM直流变压电路连接，用于根据反馈采样电路输出的反馈电压和输入的原边电流，产生一电压幅值与输出功率有关的电平信号，将这一电平信号与时钟信号结合，产生高频的PWM方波，此方波用于对变压器T1原边的开关管M1和M2进行驱动，所述反馈采样电路连接输出滤波电路，其采用分压电阻采样输出电压，并与基准电压做对比，将误差信号放大，用于调节PWM的脉冲宽度，从而稳定输出电压；变压器T1的原边还包括输入保险丝F1、热敏电阻TH1、共模电感L5、共模电感L6、差模电感L2、差模电感L3、差模电感L4、输入整流桥BD1、差模滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐怀坤，花苏安，邢锋，
申请(专利权)人：江苏省邮电规划设计院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32