本公開涉及從交流(AC)電力高效地轉(zhuǎn)換為直流(DC)電力。

背景技術(shù)：

通常，電力公司分配交流(AC)電源。為了避免將AC電力轉(zhuǎn)換為直流(DC)電力，許多住宅電氣負(fù)載，例如大多數(shù)家用電器和工具都以AC電力操作。然而，以DC電力操作的電器和其它電氣負(fù)載由于兩個(gè)原因而逐漸增多。首先，以DC電力操作的電器和其它負(fù)載提供更好的效率，這能夠?qū)е麓罅康毓?jié)省成本。其次，諸如電池、太陽能電池板和其它可再生能量系統(tǒng)的可替選電源提供DC電電力。對(duì)于需要DC電力的電器和其他電氣負(fù)載的操作來講，AC至DC電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的改進(jìn)是高效地利用電網(wǎng)供電的AC電力所必要的。

一些設(shè)施已經(jīng)容納了需要DC電力的電氣負(fù)載。容納服務(wù)器/計(jì)算機(jī)機(jī)架和其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝置以及用于電子存儲(chǔ)和通信的附件的數(shù)據(jù)中心是具有主要以DC電力操作的負(fù)載的設(shè)施的一個(gè)示例。被容納在數(shù)據(jù)中心處的IT系統(tǒng)組件主要以DC電力操作。能量消耗代表數(shù)據(jù)中心的最主要操作成本，并且電力消耗效率是數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的重要因素。因而，將AC高效地轉(zhuǎn)換為DC電力以及電力分配系統(tǒng)(諸如DC電力分配)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電力消耗降低的新興選項(xiàng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的一方面提供一種在非隔離式電力轉(zhuǎn)換器中將交流(AC)電力轉(zhuǎn)換為直流(DC)電力的方法。該方法包括接收三相電源，并且將該三相電源轉(zhuǎn)換為六個(gè)電壓相。該方法也包括對(duì)AC電流半波整流、應(yīng)用功率因子校正以實(shí)現(xiàn)DC電力，并且輸出DC電力信號(hào)。三相電源具有作為全波正弦AC電流的AC電流。在包括中間抽頭和一個(gè)或多個(gè)AC導(dǎo)線的三相配電變壓器的副邊處轉(zhuǎn)換六個(gè)電壓相。中間抽頭位于三相配電變壓器的副邊。AC導(dǎo)線載送(carry)經(jīng)變壓的電源。在三相配電變壓器的副邊發(fā)生半波整流。AC導(dǎo)線上的整流二極管的布置實(shí)現(xiàn)半波整流。輸出DC電力信號(hào)在DC輸出端具有輸出電壓。

本公開的實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)下列可選特征。在一些實(shí)施方式中，該方法包括以輸出電壓對(duì)一個(gè)或多個(gè)DC負(fù)載供電。在一些示例中，跨一個(gè)或多個(gè)電容器測(cè)量輸出電壓，并且該方法還包括操作一個(gè)或多個(gè)Q1涌流和關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該一個(gè)或多個(gè)Q1場(chǎng)效應(yīng)晶體管限制電流流動(dòng)，并且對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)電容器充電。在一些實(shí)施方式中，該方法還包括操作一個(gè)或多個(gè)Q2ORing場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該一個(gè)或多個(gè)Q2ORing場(chǎng)效應(yīng)晶體管一旦感測(cè)到來自DC輸出端的負(fù)電流流動(dòng)就出于故障隔離而切斷。

在一些實(shí)施中，該方法包括在一個(gè)或多個(gè)AC導(dǎo)線上提供AC額定裝置以用于AC保護(hù)。DC輸出端可以包括正DC輸出端和DC輸出端地線，并且三相配電變壓器的副邊處的AC電力可以通過中性導(dǎo)線與DC輸出端地線非隔離地連通。在一些示例中，三相配電變壓器的副邊處的AC電力通過從中線導(dǎo)線至安全地線的連接接地，并且DC輸出端地線通過從中性導(dǎo)線至安全地線的連接接地，并且安全地線是實(shí)心的低或者高阻抗的接地線。

本公開的另一方面提供用于將交流(AC)電力轉(zhuǎn)換為直流(DC)電力的電力轉(zhuǎn)換器。該電力轉(zhuǎn)換器包括用于三相交流電的三相配電變壓器、具有正DC輸出端和DC輸出端地線的非隔離的三相整流器、大容量電解電容，以及在DC輸出端地線和變壓器中性點(diǎn)之間的直接連接。所述用于三相交流電的三相配電變壓器具有原邊和副邊。所述三相配電變壓器的副邊處具有形成變壓器中性點(diǎn)的中間抽頭。所述非隔離的三相整流器與所述三相配電變壓器連通。所述大容量電解電容器連接正DC輸出端和DC輸出端地線。

本公開的這一方面的實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)下列可選特征。在一些實(shí)施方式中，所述非隔離的三相整流器包括每個(gè)輸入AC相上的整流二極管，以及與輸入AC相中的每個(gè)輸入AC相相對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。所述副邊處的中間抽頭可以提供六相AC電壓，所述原邊處的電流可以是全波正弦AC電流，并且所述副邊處的AC電流可以經(jīng)半波整流。在一些示例中，所述DC輸出端地線和所述變壓器中性點(diǎn)之間的直接連接以實(shí)心、低或者高阻抗接地線安全接地。

本公開的又另一方面提供一種包括三相輸入繞組和與三相輸入繞組連通的副繞組的三相配電變壓器。所述三相輸入繞組被布置成接收交流(AC)電力。所述副繞組包括六個(gè)輸出導(dǎo)線、每個(gè)輸出導(dǎo)線上的整流二極管、以及中間抽頭。每個(gè)整流二極管都被布置成用于對(duì)所述副繞組處的AC電流半波整流。所述中間抽頭被配置成與所述六個(gè)輸出導(dǎo)線一起輸出六相AC電壓。所述中間抽頭也提供直接連接至DC輸出端地線的變壓器中性點(diǎn)。

本公開的這一方面的實(shí)施可以包括一個(gè)或多個(gè)下列可選特征。在一些實(shí)施中，三相配電變壓器還包括連接至六個(gè)輸出導(dǎo)線的非隔離的三相整流器，所述非隔離的三相整流器平衡三相輸入繞組上的AC電流輸入。在一些實(shí)施例中，六個(gè)輸出導(dǎo)線將AC電力傳輸至多個(gè)并聯(lián)整流器系統(tǒng)。

本公開的又另一方面提供一種包括輸入端、未經(jīng)電鍍隔離的單級(jí)功率因子端、以及輸出導(dǎo)線的非隔離的三相整流器。輸入端接受具有經(jīng)半波整流的電流的六相AC電壓輸入。未經(jīng)電鍍隔離的單級(jí)功率因子校正端與所述輸入端連通。所述輸出導(dǎo)線與所述未經(jīng)電鍍隔離的單級(jí)功率因子校正端連通。所述輸出導(dǎo)線包括被配置成將DC地線連接至配電變壓器中性點(diǎn)的第一輸出導(dǎo)線，以及被配置成將正DC電壓輸送至單DC總線的第二輸出導(dǎo)線。

本公開的這一方面的實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)下列可選特征。在一些實(shí)施方式中，所述非隔離的三相整流器還包括連接至第二輸出導(dǎo)線的ORing場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所述ORing場(chǎng)效應(yīng)晶體管被配置成當(dāng)故障發(fā)生時(shí)隔離整流器。在一些示例中，所述非隔離的三相整流器還包括AC涌流和關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及大容量電解電容器。所述AC涌流和關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)晶體管連接至所述第二輸出導(dǎo)線。所述大容量電解電容器連接至所述第一輸出導(dǎo)線和第二輸出導(dǎo)線。所述AC涌流和關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)晶體管限制電流，并且對(duì)所述大容量電解電容器充電。

本公開的又另一方面提供一種包括多個(gè)非隔離的三相整流器和至少一個(gè)配電變壓器的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。所述多個(gè)非隔離的三相整流器被配置成并聯(lián)地操作。所述多個(gè)非隔離的三相整流器中的至少一個(gè)包括輸入端、未經(jīng)電鍍隔離的單級(jí)功率因子校正端以及輸出導(dǎo)線。所述輸入端被布置成接收具有半波整流電流的六相AC電壓輸入。所述未經(jīng)電鍍隔離的單級(jí)功率因子校正端與所述輸入端連通。與所述未經(jīng)電鍍隔離的單級(jí)功率因子校正端連通的輸出導(dǎo)線包括被配置成將DC地線連接至配電變壓器中性點(diǎn)的第一輸出導(dǎo)線，以及被配置成將正DC電壓輸送至單DC總線的第二輸出導(dǎo)線。所述至少一個(gè)配電變壓器具有接受三相AC電力的原繞組，以及具有形成變壓器中性點(diǎn)的中間抽頭的副繞組。所述整流器的第一輸出端被不隔離地直接連接至配電變壓器中性點(diǎn)。

本公開的這一方面的實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)下列可選特征。在一些實(shí)施方式中，所述電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還包括被配置成在所述配電變壓器的副繞組處對(duì)三相AC電力半波整流的整流二極管。所述副繞組處的中間抽頭提供六相電壓。所述六相電壓可以對(duì)所述多個(gè)整流器中的至少一個(gè)整流器進(jìn)行饋電。所述六相電壓可以對(duì)多個(gè)整流器中的多于一個(gè)整流器進(jìn)行饋電。

在附圖和下文描述中提出本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。通過描述和附圖以及通過權(quán)利要求，其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。

附圖說明

圖1A是示例電力系統(tǒng)中的AC-DC電力轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖1B是三相AC電源的示意圖。

圖1C是三相AC電源的電壓的矢量圖。

圖2A是傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖2B是具有三個(gè)單相AC輸入端的隔離式整流器的示意圖。

圖3是具有三相AC輸入端的隔離式整流器的示意圖。

圖4A是具有AC電力分配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的示意性表示圖。

圖4B是具有DC電力分配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的示意性表示圖。

圖5是用于高效地AC至DC電力轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)的方框圖。

圖6A是高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖6B是圖6A的電力轉(zhuǎn)換器的三相配電變壓器的示意圖。

圖7A是圖6B的配電變壓器的副邊上的AC電壓的矢量圖。

圖7B是與圖6A的電力轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的AC電流的示意性表示圖。

圖8是圖6A的電力轉(zhuǎn)換器的整流器的DC電力部分的示意圖。

圖9是具有單相配電變壓器的高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖10是在非隔離電力轉(zhuǎn)換器中用于將AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力的操作的例證性布置的示意圖。

各圖中的相同附圖標(biāo)記指示相同元件。

具體實(shí)施方式

參考圖1A，交流(AC)至直流(DC)電力轉(zhuǎn)換器600通常通過AC電力系統(tǒng)15從三相電源10接收三相AC電力100的供應(yīng)(如圖1B-1C中所示)。電力轉(zhuǎn)換器600可以接收三相AC電力100且作為三個(gè)單相輸入端(如圖2A中所圖示)或者作為一個(gè)三相輸入端(如圖3中所圖示)，并且可以通過三個(gè)單相轉(zhuǎn)換(如圖2B中所圖示)或者作為單個(gè)三相轉(zhuǎn)換(如圖3中所圖示)將三相AC電力100轉(zhuǎn)換為DC電力。參考圖1B，三相AC電源100由正弦電力波形的相A 110、正弦電力波形的相B 120和正弦電力波形的相C 130組成。每個(gè)相都具有包括與每個(gè)其它相的120°周期性偏移112、113的360°周期111。三相AC電源100可以以不同頻率且以不同電壓(V)操作。三相AC電源100的三相110、120、130以相同頻率但是以不同的相操作。參考圖1C，相A 110、相B 120、和相C 130的電壓偏離120°。重新參考圖1A，電力轉(zhuǎn)換器600可以包括三相配電變壓器610和通過一個(gè)或多個(gè)AC導(dǎo)線630連通的三相整流器650。電力轉(zhuǎn)換器600將來自三相AC電源10的輸入電力轉(zhuǎn)換為跨DC輸出導(dǎo)線690和中性導(dǎo)線624的具有電壓V₀的DC輸出信號(hào)。下面討論關(guān)于電力轉(zhuǎn)換器600的另外細(xì)節(jié)。另外，可替選電力轉(zhuǎn)換器(諸如圖9的單相電力轉(zhuǎn)換器900)及其組件能夠代替圖1A上的電力轉(zhuǎn)換器600。

來自電力轉(zhuǎn)換器600的DC電力被分配給處理單元或者結(jié)構(gòu)40。處理單元或者結(jié)構(gòu)40能夠?yàn)楦羰?、柜體、機(jī)架、機(jī)架的托盤、便攜式或者固定建筑(諸如具有DC電器的住宅)、大型設(shè)施(諸如數(shù)據(jù)中心)或者任何其它DC負(fù)載組。處理單元或者結(jié)構(gòu)40包括整數(shù)數(shù)目的DC負(fù)載42a、42b...42n。例如，處理單元或者結(jié)構(gòu)40可以包括單個(gè)DC負(fù)載42a或者可以包括更大數(shù)目(n)的DC負(fù)載。在圖1A中，示出DC電力被分配給并聯(lián)布置的第一DC負(fù)載42a、第二DC負(fù)載42b、和第n DC負(fù)載。然而，電力轉(zhuǎn)換器600可以將DC電力提供給被布置成與圖1A的并聯(lián)負(fù)載非常不同的配電系統(tǒng)。

參考圖2A，諸如用于數(shù)據(jù)中心的轉(zhuǎn)換器的用于商業(yè)和高電力電器的傳統(tǒng)的AC至DC電力轉(zhuǎn)換器200，具有被隔離式整流器250分離的AC部分220和DC部分280。參考AC部分220，傳統(tǒng)的AC至DC電力轉(zhuǎn)換器200依賴于具有在AC部分安全地線224處接地的中性導(dǎo)線226的3相、4線星(或者Y形)連接配電變壓器222。配電變壓器222利用相A波形110、相B波形120、和相C波形130將圖1A-1B中所述的三相AC電源100提供到隔離式整流器250中。用于相A波形110的第一導(dǎo)線230a、用于相B波形120的第二導(dǎo)線230b、和用于相C波形130的第三導(dǎo)線230c將三相AC電力從星形連接的配電變壓器222輸送至隔離式整流器250。每個(gè)導(dǎo)線230a、230b、230c包括AC保護(hù)端228a、228b、228c。

參考傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換器200的DC部分280，DC輸出導(dǎo)線290將來自隔離式整流器250的DC輸出電壓輸送至正DC電壓(+VDC)輸出端子286a。DC輸出導(dǎo)線290包括DC保護(hù)端288。除了正輸出端子286a之外，DC部分280也具有連接至DC隔離式中性導(dǎo)線292的接地輸出端子286b。DC部分280通過DC隔離式中性導(dǎo)線292與DC部分安全地線284的連接而接地。輸出電容器282也被設(shè)置在傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換器200的DC部分280上，其中跨輸出電容器282的電壓為V₀(如圖1中所示)。

圖2B圖示出圖2A的傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換器200的隔離式整流器250。隔離式整流器250具有來自三個(gè)導(dǎo)線230a、230b、230c的三個(gè)單相AC輸入端。隔離式整流器250起三個(gè)并聯(lián)的單相整流器的作用。隔離式整流器250為兩級(jí)轉(zhuǎn)換器，貫穿兩級(jí)單獨(dú)地處理AC電壓的每一相110、120、130。第一級(jí)250a利用轉(zhuǎn)換來自第一導(dǎo)線230a的相A 110AC電力的第一PFC整流器252a、轉(zhuǎn)換來自第二導(dǎo)線230b的相B 120AC電力的第二PFC整流器252b、和轉(zhuǎn)換來自第三導(dǎo)線230c的相C 130AC電力的第三PFC整流器252c而實(shí)現(xiàn)功率因子校正(PFC)。這在三個(gè)獨(dú)立的DC導(dǎo)線256a、256b、256c中產(chǎn)生三個(gè)獨(dú)立的DC BUS電壓。DC電壓(例如，400VDC)跨三個(gè)電容器形成——與第一PFC整流器252a串聯(lián)的第一電容器254a、與第二PFC整流器252b串聯(lián)的第二電容器254b、以及與第三PFC整流器252c串聯(lián)的第三電容器254c，以在DC導(dǎo)線256a、256b、256c中的每個(gè)導(dǎo)線中形成正DC電壓。隔離式整流器250的第二級(jí)250b利用第一隔離器258a、第二隔離器258b、和第三隔離器258c實(shí)現(xiàn)DC-DC電鍍隔離/轉(zhuǎn)換。隔離器258a、258b、258c可以將高DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換為低電壓并且可以提供隔離。三個(gè)隔離器輸出導(dǎo)線260a、260b、260c——每個(gè)隔離器258a、258b、258c有一個(gè)——連接在一起，以提供載送DC電壓(例如，400VDC)的轉(zhuǎn)換器輸出導(dǎo)線260。在將DC電壓結(jié)合到轉(zhuǎn)換器的輸出導(dǎo)線260中之前，傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換器200單獨(dú)地處理，使三個(gè)單相AC輸入端每個(gè)都并聯(lián)。在此通過引用以其整體并入的美國專利8,270,188提供了與傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換器200實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換類似的傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換的另外信息。

圖2A-2B的傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換器200是廣泛使用的轉(zhuǎn)換器。然而，電力轉(zhuǎn)換器200存在一些缺點(diǎn)。由于存在三個(gè)單相輸入端，所以流經(jīng)三個(gè)輸入端中的每個(gè)輸入端的電流不能很好地平衡。由于第二諧波電流(例如，120Hz)流動(dòng)，所以三個(gè)電容器254a、254b、254c高度受壓。另外，兩級(jí)轉(zhuǎn)換引起效率損失和操作成本增大。在Kim,Sangsun等人的“Three-Phase Active Harmonic Rectifier(AHR)to Improve Utility Input Current THD in Telecommunication Power Distribution System”(“改善電信電力分配系統(tǒng)中的應(yīng)用輸入電流THD的三相有源諧波整流器(AHR)”)，IEEE Transactions on Industry Applications vol.39,no.5(2003，9月/10月)pp.1414–1421中描述了關(guān)于用于電信電力系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換的另外細(xì)節(jié)，在此通過引用以其整體并入。

參考圖3，具有單個(gè)三相輸入端的隔離式整流器350是市售的，并且能夠代替具有三個(gè)單相輸入端的隔離式整流器250。隔離式整流器350的單個(gè)三相輸入端從導(dǎo)線330接收三相AC輸入。與隔離式整流器250的單相隔離整流類似，三相隔離式整流器350也采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換處理。第一級(jí)350a利用轉(zhuǎn)換輸入三相AC電力的PFC整流器352實(shí)現(xiàn)功率因子校正(PFC)。在PFC整流器352之后設(shè)置電容器354，跨電容器354形成DC電壓(例如，700VDC)，以在DC導(dǎo)線356中形成正DC電壓。隔離式整流器350的第二級(jí)350b利用隔離器358實(shí)現(xiàn)DC-DC電鍍隔離/轉(zhuǎn)換。輸出導(dǎo)線360載送DC電壓(例如，400VDC)超過隔離式整流器。

雖然隔離式整流器350可以由于三相配置導(dǎo)致的AC電流平衡而釋放電容器354上的一些壓力，依賴于用于數(shù)據(jù)中心電力的單個(gè)三相隔離式整流器350能夠引起低效、復(fù)雜化、和高費(fèi)用。輸入到PFC整流器352的480V的AC電壓可能引起跨電容器354的700-800VDC。這對(duì)于諸如數(shù)據(jù)中心的設(shè)施而言存在非常大的問題，并且隔離器358無法用該電平的電壓輸入可靠運(yùn)行。提高電流以便降低輸入到PFC整流器352的AC電壓也存在問題，因?yàn)楦唠娏麟娖皆跀?shù)據(jù)中心中不能良好地工作。另外，隔離式整流器350不校正有助于兩級(jí)轉(zhuǎn)換的隔離式整流器250的低效缺點(diǎn)。

由于與已知的三相整流相關(guān)聯(lián)的問題，傳統(tǒng)的單相隔離式整流器250是原源(primary source)AC至DC電力轉(zhuǎn)換。由于這也與顯著低效和其它缺點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，本公開提出提供提高轉(zhuǎn)換效率的機(jī)會(huì)的用于數(shù)據(jù)中心的AC至DC電力轉(zhuǎn)換器。解決傳統(tǒng)的AC至DC電力轉(zhuǎn)換器200問題的高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換器也可以支持對(duì)數(shù)據(jù)中心中的DC電力分配的更簡單的過渡。參考圖4A，數(shù)據(jù)中心400a可以具有AC側(cè)電力分配網(wǎng)絡(luò)440a。數(shù)據(jù)中心400a從輸入電源線420a接收AC電力以將電力傳輸至整數(shù)個(gè)負(fù)載(示出為數(shù)據(jù)中心400a中的六個(gè)負(fù)載L1-L6)，所述輸入電力線420a被分離成到數(shù)據(jù)中心400a中的電力分配網(wǎng)絡(luò)440a。雖然輸入電力線420a和電力分配網(wǎng)絡(luò)440a的輸電線441a-446a載送AC電力，但是負(fù)載中的每個(gè)負(fù)載——其可以是諸如計(jì)算機(jī)機(jī)架或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)中心設(shè)備——可以以DC電力操作。因而，在每個(gè)輸電線441a-446a上采用傳統(tǒng)的AC至DC電力轉(zhuǎn)換器200a-200f以將來自AC電力分配網(wǎng)絡(luò)440a的DC電力傳輸給負(fù)載。

參考圖4B，具有DC電力分配網(wǎng)絡(luò)440b的數(shù)據(jù)中心400b需要處于數(shù)據(jù)中心400b內(nèi)的電力分配上游的高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換器600。電力轉(zhuǎn)換器600位于在變壓器和開關(guān)裝置(未示出)下游，但是在電力分配單元上游的輸入電源線420b上。在數(shù)據(jù)中心400b中，電力分配網(wǎng)絡(luò)400b的每個(gè)輸電線441b-446b都載送DC電力，以滿足負(fù)載的DC電力需求。與AC電力分配數(shù)據(jù)中心400a不同，數(shù)據(jù)中心400b的負(fù)載可以連接至相同的DC總線。在美國專利8,624,433中描述了關(guān)于至多個(gè)DC負(fù)載的DC電力分配的AC至DC轉(zhuǎn)換的附加信息，在此通過引用以其整體并入。

與簡化的圖4A-4B相比，實(shí)際的數(shù)據(jù)中心400可以具有超過兆瓦特的負(fù)載需求。因而，為了對(duì)該水平的負(fù)載需求供電，超過四十個(gè)電力轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)操作。在Kim,Sangsun等人的“利用單個(gè)低成本DSP對(duì)多個(gè)單相PFC模塊的控制”(“Control of Multiple Single-Phase PFC Modules with a Single Low-Cost DSP”)，IEEE Transactions on Industry Applications vol.39,no.5(2003，9月/10月)pp.1379–1385中描述了關(guān)于多個(gè)轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)操作和控制的更多細(xì)節(jié)，在此通過引用以其整體并入。本文公開的高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換器600可以提出與傳統(tǒng)的單相電力轉(zhuǎn)換器200不同的并聯(lián)操作的問題。

圖5提供了依次圖示出可以由高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換器600(如圖6中所圖示)實(shí)現(xiàn)的高效AC至DC電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)500的組件的方框圖。系統(tǒng)500采用三相AC輸入端。三相AC電力首先到達(dá)配電變壓器510。然后，系統(tǒng)500包括AC保護(hù)520，然后是功率因子校正(PFC)整流器530。系統(tǒng)500包括AC涌流和關(guān)斷形式的保護(hù)部件，以及ORing540。DC BUS 550和DC保護(hù)560在系統(tǒng)500之前將電力輸送給負(fù)載570。

參考圖6A-6B，電力轉(zhuǎn)換器600接收相A 110、相B 120和相C 130形式的三相AC電力100。電力轉(zhuǎn)換器600包括具有接收三相AC電力100的原邊614和載送經(jīng)變壓的AC電力的副邊616(可以為圖7A-7B中所圖示并且在下文中描述的形式)的三相配電變壓器610。三相配電變壓器610在相A變壓器部分612a、相B變壓器部分612b、和相C變壓器部分612c接收三相AC電力100。相A變壓器部分612a具有接收三相AC電力100的相A 110的原邊614a以及包括第一副繞組618a、第二副繞組620a和中間抽頭622a的副邊616a。相B變壓器部分612b具有接收三相AC電力100的相B 120的原邊614b以及包括第一副繞組618b、第二副繞組620b和中間抽頭622b的副邊616b。相C變壓器部分612c具有接收三相AC電力100的相C 130的原邊614c以及包括第一副繞組618c、第二副繞組620c和中間抽頭622c的副邊616c。

如上所述以及如圖1A中所圖示，三相AC電源100的每一相都由具有與其它相的電壓以120°電壓分布的全正弦波形組成。配電變壓器610的原邊處的這種三相AC電源100具有作為全波整流正弦AC電流的原邊電流。參考圖7A，電力轉(zhuǎn)換器600的3相配電變壓器610通過分離相A 110的正電壓(+V_A)701a和負(fù)電壓(-V_A)701b分量，分離相B 120的正電壓(+V_B)702a和負(fù)電壓(-V_B)702b分量，以及分離相C 130的正電壓(+V_C)703a和負(fù)電壓(-V_C)703b分量而產(chǎn)生6相AC電壓700。配電變壓器610的輸出端處的結(jié)果AC電力700具有電壓間60°相移的六個(gè)不同電壓。6相AC電力700包括中性導(dǎo)線624和安全地線628。

重新參考圖6A-6B，從配電變壓器610的相A變壓器部分612a的第一副繞組618a開始，布置有AC斷路器632a和AC保險(xiǎn)絲634a的AC導(dǎo)線630a將相A 110的正電壓701a載送至3相整流器650。從配電變壓器610的相A變壓器部分612a的第二副繞組620a開始，布置有AC斷路器632b和AC保險(xiǎn)絲634b的AC導(dǎo)線630b將相A 110的負(fù)電壓701b載送至3相整流器650。從配電變壓器610的相B變壓器部分612b的第一副繞組618b開始，布置有AC斷路器632c和AC保險(xiǎn)絲634c的AC導(dǎo)線630c將相B 120的正電壓702a載送至3相整流器650。從配電變壓器610的相B變壓器部分612b的第二副繞組620b開始，布置有AC斷路器632d和AC保險(xiǎn)絲634d的AC導(dǎo)線630d將相B 120的負(fù)電壓702b載送至3相整流器650。從配電變壓器610的相C變壓器部分612c的第一副繞組618c開始，布置有AC斷路器632e和AC保險(xiǎn)絲634e的AC導(dǎo)線630e將相C 130的正電壓703a載送至3相整流器650。從配電變壓器610的相C變壓器部分612c的第二副繞組620c開始，布置有AC斷路器632f和AC保險(xiǎn)絲634f的AC導(dǎo)線630f將相C 130的負(fù)電壓703b載送至3相整流器650。

第一整流器二極管652a、第二整流器二極管652b、第三整流器二極管652c、第四整流器二極管652d、第五整流器二極管652e、和第六整流器二極管652f位于三相整流器650內(nèi)。這六個(gè)整流器二極管652a-f中的每個(gè)都在配電變壓器610的副邊上的六個(gè)AC相中的每一相的電流上執(zhí)行單向功能。這六相的電流僅能夠在向前方向中穿過六個(gè)整流器二極管652a-f。因而，配電變壓器的原邊處的全波正弦AC電流的電流波形被轉(zhuǎn)換為半正弦波形。參考圖7B，配電變壓器610的副邊上的六個(gè)AC相的電流(I)波形750由于3相整流器650內(nèi)的六個(gè)整流器二極管652a-f的存在而經(jīng)半波整流。盡管存在流經(jīng)AC導(dǎo)線630a-f的半波整流電流，上文討論并且在圖6A中所示的AC斷路器632a-f和AC保險(xiǎn)絲634a-f也是對(duì)AC額定的，而非對(duì)DC額定的。這種AC額定通常更成本有效。

重新參考圖6A，除了六個(gè)整流器二極管652a-f之外，三相整流器650還容納每一AC相至少一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器654，以根據(jù)整流器650的三相配置執(zhí)行功率因子校正。升壓轉(zhuǎn)換器654轉(zhuǎn)換AC電流，使得AC電流接近單一功率因子。在圖6的實(shí)施方式中，三相整流器650包括被布置成用于相A 110的功率因子校正的第一升壓轉(zhuǎn)換器654a、被布置成用于相B 120的功率因子校正的第二升壓轉(zhuǎn)換器654b、和被布置成用于相C 130的功率因子校正的第三升壓轉(zhuǎn)換器654c。在可替選實(shí)施方式中，兩個(gè)或者三個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器654能夠?qū)τ谌嘀械拿恳幌喽家圆⒙?lián)配置交織。來自升壓轉(zhuǎn)換器654a的升壓-轉(zhuǎn)換器-輸出導(dǎo)線656a、來自升壓轉(zhuǎn)換器654b的升壓-轉(zhuǎn)換器-輸出導(dǎo)線656b和來自升壓轉(zhuǎn)換器654c的升壓-轉(zhuǎn)換器-輸出導(dǎo)線656c結(jié)合在一起，以在三相整流器650內(nèi)形成單DC BUS 656。

特別地，三相整流器650執(zhí)行單級(jí)整流。即，不電鍍隔離地發(fā)生功率因子校正(通過升壓轉(zhuǎn)換器654a、654b、654c)電力轉(zhuǎn)換。這使得能夠通過中性組合導(dǎo)線624在AC和DC部分之間連接。三相配電變壓器610的副繞組上的中間抽頭622a、622b、622c每個(gè)都被連接至中性導(dǎo)線624，中性導(dǎo)線624也直接連接至升壓轉(zhuǎn)換器654a、654b、654c的DC側(cè)。中性導(dǎo)線624具有由實(shí)心、低或者高阻抗接地線組成的單安全地線628。參考圖7B，作為六相電流的和并且流經(jīng)中性導(dǎo)線624的中性電流I₆₂₄類似DC電流。然而，流經(jīng)中性導(dǎo)線624的這種中性電流可以大，因?yàn)榱鶄€(gè)相為半波整流電流。

重新參考圖6A，第一電容器658和大容量電解電容器660被布置在中性導(dǎo)線624和正DC導(dǎo)線656之間。兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)Q₁662和Q₂ 664被集成到DC導(dǎo)線556中。參考圖8，在大容量電容器660的初始充電期間，AC電流可以大。Q₁ 662提供一些AC涌流保護(hù)，并且能夠關(guān)斷或者不能輸出。Q₁ 662的電路與失能/關(guān)斷部件一起被集成到DC導(dǎo)線656中，而非提供AC額定涌流部件。Q₁ 662起限制電流并且對(duì)大容量電容器660充電的作用。Q₁ 662能夠作為單個(gè)集成FET(如圖6A中所示)或者作為超過一個(gè)并聯(lián)FET(如圖8中所圖示，編號(hào)為662a和662b)存在。三相整流器650可以依賴于(一個(gè)或多個(gè))Q₁FET662(如圖6A中所圖示)——或者可以采用可替選機(jī)構(gòu)——以限制AC涌流電流。關(guān)于可替選機(jī)構(gòu)，如圖8中所示，電阻器668和一個(gè)或多個(gè)Q₃FET 666a、666b可以起限制AC涌流電流的作用。當(dāng)施加AC輸入時(shí)，Q₃ 666a、666b任一開啟以對(duì)大容量電容器660充電，或者Q₁662a、662b起限制電流并且對(duì)大容量電容器660充電的作用。

如上所述，多個(gè)電力轉(zhuǎn)換器600可以并聯(lián)運(yùn)行，以向數(shù)據(jù)中心400的負(fù)載提供電力。如果單個(gè)整流器650故障(例如，在升壓轉(zhuǎn)換器654處)，則負(fù)電流能夠流經(jīng)DC輸出端從而使系統(tǒng)短路。然而，單Q₂FET664(如圖6A中所圖示)或者超過一個(gè)的并聯(lián)的Q₂FET 664a、664b(如圖8中所圖示)通過關(guān)斷來提供ORing以來將故障隔離至故障單元。可選接觸器670可以被集成到DC導(dǎo)線556中，以降低Q₁ 662和Q₂ 664上的導(dǎo)通損耗。FET提供可以引起電力耗散的一些電阻。在接通Q₁ 662和Q₂ 664兩者之后，接觸器670可以閉合，以避免通過Q₁ 662和Q₂ 664的電力耗散。在切斷Q₁ 662或者Q₂ 664之前，必須首先關(guān)斷接觸器670。接觸器670和Q₃ 666兩者都是不需要在電力轉(zhuǎn)換器600的所有實(shí)施方式中采用的可選部件。

參考電力轉(zhuǎn)換器600的DC輸出端，DC輸出端導(dǎo)線690將來自三相整流器650的DC輸出電壓載送至正DC電壓(+VDC)輸出端子686a。除了正輸出端子686a之外，電力轉(zhuǎn)換器600的DC輸出端也具有接地輸出端子686b。

重新參考圖5，系統(tǒng)500始于與電力轉(zhuǎn)換器600的三相配電變壓器610相對(duì)應(yīng)的配電變壓器510。如上所述，配電變壓器610的副邊616在副繞組上具有中間抽頭622，以在副邊616處形成六個(gè)相，由于六個(gè)整流器二極管652a-f的單向功能，副繞組處的AC電流被實(shí)施為半波整流電流。三相配電變壓器610的原邊的形式可以變化，而不影響電力轉(zhuǎn)換器600?？梢栽谂潆娮儔浩?10的原邊上采用星型連接、三角連接、或者一些其它的三相連接。

通過斷路器632實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)500的AC保護(hù)520。與傳統(tǒng)的AC至DC電力轉(zhuǎn)換相比，需要附加的AC側(cè)保護(hù)520。系統(tǒng)的PFC整流器530實(shí)現(xiàn)三相、單級(jí)、非隔離整流。不設(shè)電鍍隔離級(jí)提高了整流器650的效率和功率密度。采用三相整流平衡了AC線路電力以避免大容量電容器660受壓。通過上述Q₁ 662和Q₂ 664實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的AC涌流和關(guān)斷以及ORing 540。單DC BUS 550將DC電力從用于DC電力分配的三相整流器650輸出至多個(gè)負(fù)載。作為示例，系統(tǒng)500的DC BUS 550可以載送400V的DC輸出。為了安全接地，DC BUS地線(或者回路)連接至AC中性導(dǎo)線624。諸如保險(xiǎn)絲或者半導(dǎo)體的DC保護(hù)560可以被設(shè)置在負(fù)載570的正前部。DC保護(hù)560僅需要被安裝在一個(gè)導(dǎo)線690上。

現(xiàn)在參考圖9，本公開的電力轉(zhuǎn)換器可以被實(shí)施為單相(或者分相)電力轉(zhuǎn)換器900。電力轉(zhuǎn)換器900可以在單相配電變壓器910的原繞組914處接收單相(或者分相)AC電源902。配電變壓器910的副繞組916具有將副繞組916分為第一部分918和第二部分920的中間抽頭922。AC導(dǎo)線930a通過斷路器932a和保險(xiǎn)絲934a載送來自配電變壓器910的副繞組916的第一部分918的分壓。單相(或者分相)整流器950的整流器二極管952a將AC導(dǎo)線930a內(nèi)的AC電流轉(zhuǎn)換為半波整流電流。AC導(dǎo)線930b通過斷路器932b和保險(xiǎn)絲934b載送來自配電變壓器910的副繞組916的第二部分920的分壓。單相(或者分相)整流器950的整流器二極管952b將AC導(dǎo)線930b內(nèi)的AC電流轉(zhuǎn)換為半波整流電流。功率因子校正(PFC)954將AC電力轉(zhuǎn)換為通過正DC電壓(+VDC)導(dǎo)線990載送至DC負(fù)載986的DC電力。中性導(dǎo)線924在配電變壓器910的中間抽頭處將電力轉(zhuǎn)換器900的DC側(cè)連接至電力轉(zhuǎn)換器900的AC側(cè)。中性導(dǎo)線924使DC電力和AC電力兩者在安全地線928接地。雖然單相(或者分相)電力轉(zhuǎn)換器900保留了歸因于單相轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換器200的缺點(diǎn)，但是電力轉(zhuǎn)換器900具有單級(jí)整流器954，這消除了歸因于傳統(tǒng)整流的電鍍隔離的低效率。

圖10圖示出用于在非隔離式電力轉(zhuǎn)換器600中將AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力的方法1000的操作的例證性布置。在方框1002，方法1000包括接收三相電源100。三相電源可以始于三相電力源10，并且電力轉(zhuǎn)換器600可以通過AC電力系統(tǒng)15接收三相電源100。在方框1004，方法1000包括在諸如三相配電變壓器610的配電變壓器510的副邊616將三相電源100轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶄€(gè)電壓相。例如，這種六相電壓轉(zhuǎn)變的AC電力700可以通過將三相AC電力100的相A 110分為正電壓(+V_A)701a和負(fù)電壓(-V_A)701b分量、將三相AC電力100的相B 110分為正電壓(+V_A)702a和負(fù)電壓(-V_A)702b分量，以及將三相AC電力100的相C 130分為正電壓(+V_A)703a和負(fù)電壓(-V_A)703b分量形成。三相AC電力100的每個(gè)相110、120、130都可以在被三相配電變壓器610的副邊616上的中間抽頭622a、622b、622c分開的第一副繞組618a、618b、618c和第二副繞組620a、620b、620c之間分開。三相配電變壓器610的原邊614上的配置可以在不同實(shí)施方式之間不同。例如，三相三角連接、三相星型連接或者一些其它配置可以存在于三相配電變壓器610的原邊614上。三相配電變壓器610的副邊616上的中間抽頭622a、622b、622c在由實(shí)心、低或者高阻抗接地線的安全地線628處接地的中性導(dǎo)線624處連接在一起。導(dǎo)線——諸如第一AC導(dǎo)線630a、第二AC導(dǎo)線630b、第三AC導(dǎo)線630c、第四AC導(dǎo)線630d、第五AC導(dǎo)線630e、和第六AC導(dǎo)線630f——可以載送來自三相配電變壓器610的副邊616的經(jīng)變壓的AC電力700。

在方框1006，方法1000包括三相配電變壓器610的副邊616處的半波整流AC電流。整流二極管——諸如第一AC導(dǎo)線630a上的第一整流二極管652a、第二AC導(dǎo)線630b上的第二整流二極管652b、第三AC導(dǎo)線630c上的第三整流二極管652c、第四AC導(dǎo)線630d上的第四整流二極管652d、第五AC導(dǎo)線630e上的第五整流二極管652e以及第六AC導(dǎo)線630f上的第六整流二極管652f執(zhí)行導(dǎo)致對(duì)AC電流半波整流的單向電流功能?？梢栽诜娇?008設(shè)置AC保護(hù)520，諸如第一AC斷路器632a、第二AC斷路器632b、第三AC斷路器632c、第四AC斷路器632d、第五AC斷路器632e和第六AC斷路器632f，方法1000包括應(yīng)用功率因子校正，以實(shí)現(xiàn)DC電力。功率因子校正可以發(fā)生在諸如圖6A的三相整流器650的PFC整流器530內(nèi)。在一個(gè)示例中，第一升壓轉(zhuǎn)換器654a對(duì)經(jīng)變壓的相A 110應(yīng)用功率因子校正，第二升壓轉(zhuǎn)換器654b對(duì)經(jīng)變壓的相B 120應(yīng)用功率因子校正，第三升壓轉(zhuǎn)換器654c對(duì)經(jīng)變壓的相C 130應(yīng)用功率因子校正。在其他示例中，并聯(lián)連接的多于一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器在每個(gè)經(jīng)變壓相上實(shí)現(xiàn)功率因子校正。在又其它示例中，一些其它功率因子校正機(jī)構(gòu)執(zhí)行功率因子校正。功率因子校正將經(jīng)變壓的AC電力轉(zhuǎn)換為充分單一功率因子。三相整流器650也可以包括AC涌流和關(guān)斷以及ORing 540形式的保護(hù)部件。諸如關(guān)斷(Q1)FET 662的進(jìn)口控制部件可以提供AC涌流和關(guān)斷保護(hù)。也可以通過并聯(lián)連接的多個(gè)關(guān)斷(Q1)FET(例如，662a、662b)提供這種AC涌流和關(guān)斷保護(hù)。用于隔離故障電力轉(zhuǎn)換器600(例如，當(dāng)電力系統(tǒng)包括并聯(lián)連接的多個(gè)電力轉(zhuǎn)換器600時(shí))的機(jī)構(gòu)，諸如ORing(Q2)FET 664，可以提供ORing保護(hù)。也可以通過并聯(lián)連接的多個(gè)ORing(Q2)FET(例如，664a、664b)或者通過一個(gè)或多個(gè)Q3FET 666a、666b以及電阻器668的可替選布置提供這種ORing保護(hù)。可以與任何FET 540并聯(lián)地布置接觸器670，以降低導(dǎo)通損耗。

在方框1010，方法1000包括輸出具有輸出電壓V₀的DC電力信號(hào)。電力轉(zhuǎn)換器600的輸出邊可以由可以包括正DC輸出端686a和DC輸出地線686b的DC總線550組成。DC輸出導(dǎo)線690與正DC輸出端686a連通。中性導(dǎo)線624與DC輸出地線686b連通。中性導(dǎo)線624可以在AC電力(在三相配電變壓器610的副邊616的第一中間抽頭622a、第二中間抽頭622b和第三中間抽頭622c處)和DC電力之間形成非隔離連接。可以跨一個(gè)或多個(gè)電容器658、660測(cè)量來自電力轉(zhuǎn)換器600的輸出電壓V₀。來自電力轉(zhuǎn)換器600的輸出DC電力信號(hào)可以對(duì)一個(gè)或多個(gè)DC負(fù)載570供電。諸如保險(xiǎn)絲或者半導(dǎo)體的DC保護(hù)560可以布置在一個(gè)或多個(gè)DC負(fù)載570的上游。

雖然圖10和上述方法1000的說明涉及用于三相系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換器600，但是在不偏離本公開的范圍的情況下，可替選電力轉(zhuǎn)換器(諸如圖9的單向電力轉(zhuǎn)換器900)及其組件能夠代替圖10上以及方法1000中的電力轉(zhuǎn)換器600。

已經(jīng)描述了許多實(shí)施方式。然而，應(yīng)理解，在不偏離本公開的精神和范圍的情況下，可以做出各種變型。因而，其它實(shí)施方式也在下文權(quán)利要求的范圍內(nèi)。