综述开关电源与UPS革命

 

　　市电并不是稳定的，它存在着很多电能质量问题，例如电压浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、供电中断等。这些质量问题既可以引起计算机的键盘锁定、硬件老化等相对较轻的不良影响，也可以导致数据完全丢失或主板烧毁等较大的事故。所以计算机必须采用UPS供电。UPS可以改善市电的供电质量，保护计算机稳定可靠地运行。

　　UPS（ Uninterruptible Power System ），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的 UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（ 事故停电 ）时， UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

　　技术总是在发展的，新技术代替旧技术是历史的发展规律。然而，新旧之间的替代与转换一般并不是那么顺利，人类社会是这样，自然、科技领域也是这样。现在的电子技术已进入数字化时代，这是不可逆转的技术发展规律，各行各业迟早都要集中到这一条路上来。但就某一个时期来说发展是不平衡的，这中间有诸多因素的影响，比如各自的技术发展水平不同，人员对新技术的认识和接受能力不同等等。具体到UPS领域又何尝不是如此。静止变换式工频机结构UPS技术出现在上个世纪70年代，毫无疑问在当时属于技术，几十年间也为电子电器技术领域做出了不朽的贡献，有口皆碑。一般说任何技术的先进性是相对而言，任何先进的产品也有其一定的适用期。随着IT技术的出现与发展，工频机UPS组件暴露出它的缺点，比如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等不利因素大大影响了数据中心的可靠性。在历史发展中总是遵循这样一个规律：每当一种技术阻碍生产力发展时，就会有一种新的技术产生出来将其代替。毫不例外，高频机UPS技术问世了。为了区别以前的UPS,就起了一个高频机UPS的名字。原来那种输入输出都工作在50Hz并且有输出变压器的老的电路结构称作工频机UPS;而这种输入输出电路都工作在20kHz以上且没有的输出变压器的电路就称为高频机UPS.

　　l 当前UPS的结构特点与存在的问题

　　UPS性能的改善和功能的提高，都集中表现在逆变器上，因此大家都围绕着逆变器大做文章，使逆变器成为UPS中电路复杂，工艺复杂，元器件用得多，要求又严格、设计制造困难。体积、造价的部件，它占去了UPS整机成本、体积、重量和功耗的90%以上，成为UPS技术、功能和制造维护的难点集中地，当然也是UPS故障多、可靠性差的地方。因此，对UPS革命自然而然地应从逆变器人手。也就是说要取消逆变器，只有这样才是对UPS彻底的革命。但去掉逆变器在开关电源未普及之前决非易事，它有三大难点不能解决： 一是直流电压不能通过工频变压器向线性稳压电源输送电能，亦即不能实现不问断供电；二是大功率直流稳压困难，计算机的多种低压直流电源采用直流变压困难；三是市电与计算机的电隔离困难。

　　高频开关电源（也称为开关型整流器SMR）通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。20世纪60年代大量应用的线性调节器式直流稳压电源，由于它存在着以下诸多的缺点，如体积重量大，很难实现小型化、损 耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于5A的场合应用等，已开始被开关调节器式直 流稳压电源所取代。到20世纪80年代中期，Buck、Boost和Buck~Boost转换器也应用到开关电源中。20世纪70年代中期，美国加州理工学院研制 出一种新型开关转换器，称为Cuk转换器（是以发明人S1obodan Cuk的姓来命名的）。Cuk转换器与Buck-Boost转换器互为对偶，也是一种升降压 转换器。20世纪80年代中期以后逐渐被应用到开关电源中。

　　高频开关电源的出现与广泛应用，为解决上述三大难点创造了条件。高频开关电源萌芽于20世纪50年代，到20世纪70年代完成了20 kHzPWM开关电源样机，被称作"20 kHz革命",是直流稳压电源发展史上的一个巨大飞跃。到20世纪术高频开关电源技术已经非常成熟，并得到了广泛的应用，特别是在计算机电源中的应用，为UPS取消逆变器创造了条件，因为它解决了直流蓄电池电压的稳压、变压和市电与计算机之间的隔离问题。

　　为了减小低压大电流时的线路压降，减小电源故障的影响范围，提高供电的可靠性，一般在小型计算机中都装有高频开关电源。这些开关电源的具体线路可能不完全相同，但其基本结构与组成部分足大致一样的。当前，ATX电源已取代早期的AT电源应用于计算机中，其原理电路如图l所示。它主要是由抗干扰滤波、市电侧整流和平滑滤波3种电路组成的市电侧整流滤波电路，以及由高频逆变、高频变压隔离、高频整流、高频滤波及控制电路组成的DC/DC变换器两部分组成的。输出的低压直流电压为±12V,±5V,3.3 V,以供计算机内部电路使用。一般高频开关电源允许输入电压的变化范围为交流工频165~275 V,直流233 4~388.9 V,输出电压为O 6%~1%.

　　从图l所示的原理框图可知，ATX开关电源所具有的3种功能对取消UPS中的逆变器是十分有用的：一是可以输入工频交流电压，也可以输入233 4~388.9V直流电压，以保持直流输出电压基本不变；二是ATX中的DC/DC变换器具有直流稳压和变压的功能； 三是高频变压隔离器中的变压器具有隔离作用。这3种功能满足了计算机对UPS的要求，并实现了计算机输入电源的交直兼容，使计算机不再一定非要输入220 V工频电压。

　　2 UPS的改革方案和工作原理

　　如前所述，逆变器是决定传统交流UPS性能和质量的部件，对UPS革命的目的就是去掉逆变器，以降低UPS的成本，提高效率，减小生产难度，减小体积重量、简化操作维护，减小故障率，提高可靠性，因此，去掉逆变器的无逆变器UPS将是一种比较好的新型UPS方案。

　　一台单相交流UPS向一台计算机供电的原理电路如图2所示，图2中的左侧虚线框内所示的电路为传统交流UPS,它包括整流器、蓄电池和逆变器；图2中的右侧虚线框内所示的电路，为计算机中的ATX开天电源，它包括抗干扰电路、市电侧整流滤波电路和DC/DC变换电路。在图2左侧的传统交流UPS电路中，市电220 V交流电压经过无仃何升、降压功能的桥式整流器，整流成+300V向蓄电池进行浮充电，蓄电池上的+.300V直流电压再经过逆变器逆变成220 V工频交流电压向计算机供电。在图2右侧的汁算机ATX开关电源中，"市电侧整流滤波电路"再将220 V工频交流电压整流成+300 V直流电压，而后再由ATX中的DC/DC变换器将+300 V直流电压变换成±12 V,±5V和3.3 V的直流电压向计算机供电，由图2可以看出，左侧UPS中的整流器输出的直流电压，与右侧ATX中"市电侧整流滤波电路"的输出电压都是+300 V,是相同的。这就说明逆变器将蓄电池电压+300V再逆变成220V工频足多余的。因此可以将UPS中的逆变器去掉，并直接将蓄电池的+300V直流电压，通过汁算机中ATX的"市电侧整流滤波电路"向计算机供电，如图3所示。要作到这一点。LPS中的整流器必须采用直接整流的方式，而不能带任何的升降压功能。

　　将图2所示的供电电路去掉逆变器以后就变成了如图4所示的无逆变器UPS向计算机供电的电路，此时无逆变器UPS相当于一个具有交流旁路的直流UPS.此时UPS的工作方式是由市电、整流器与蓄电池组成的直流UPS通过静态开关2向计算机不间断供电，当直流UPS需要检修或出现故障时，由市电通过旁路开关（静态开关1）向计算机供电。

　　比较图2和图4可知，去掉逆变器以后使UPS电路得到了很大的简化，保剩下r整流器、蓄电池及静态开关，这时静态开关2变成了只用一个SCR的直流开关。

　　由图4左侧所示的单相无逆变器UPS电路组成的三相无逆变器UPS电路如图5所示，其工作原理与工作方式与图4所示单相电路相同。

　　3 无逆变器UPS的两种工作模式

　　无逆变器UPS的工作模式有两种：一种是后备式工作模式，另一种是在线式工作模式。

　　3.1 后备式工作模式

　　单相无逆变器UPS向计算机供电的原理电路如图4所示。当工作在后备模式时，在市电中断或在恢复过程中，作为后备式UPS负载中的ATX开关电源，其"市电侧整流滤波电路"的输出电压uh及电流iR的波形如图6所示。图6中t1之前由市电供电；t1时刻市电断电；t1~t2期间ATX开关电源内部的储能电容放电以维护计算机的工作；t2时刻由UPS中的蓄电池供电；t3时刻市电恢复。

　　3.2在线式工作模式

　　如图4所示，对于在线工作模式，在UPS处于市电旁路供电状态时（如检修整流器或蓄电池时），以及之后又恢复直流供电时，作为在线式UPS负载的ATX开关电源，其"市电侧整流滤波电路"输出端的电压uR及电流iR的波形如图7所示。图7中t1之前由在线式UPS直流供电；t1一时刻转入市电旁路供电；t1~t2期间由市电旁路供电；t2~t3期间由ATX开关电源内部储能电容放电维持计算机工作，UPS中的蓄电池没有直流电流输出，t3时刻UPS恢复直流供电。

　　3.3 静杰开关l和2之间的切换

　　3.3.1 由市电旁路供电到蓄电池直流供电的切换

　　当市电掉电时，随着静态开关1（旁路）关断的同时，关断静态开关l的触发脉冲，并对静态开关2进行触发。使其被触发导通。

　　3.3.2 由直流供电到市电交流旁路供电的切换

　　如图8所示，首先关断静态开关2的触发脉冲，当市电电压正半周到来的瞬间，将静态开关l（旁路）触发导通，用市电电压正半周的峰值（311 V）大于蓄电池电压（+300V）的值来关断静态开关2.

　　4 无逆变器UPS的并联运行

　　直流电压的并联，或在同一个市电电源下的交流并联，是比较容易的。两台单相无逆变器UPS的并联工作的原理电路如图9所示。假定它们工作在在线模式，静态开关1（旁路）处于关断状态。当两组蓄电池的电压UB1和UB2相同时，即UB1-UB2时，两台UPS并联后它们将共同平均分配同一个负载。如果两组蓄电池被充的电压不相同时，例如UB2

　　如果市电电源中断，则这些并联的UPS不论其蓄电池容量大小，充电的程度如何，仍然可以自动地同步到放电终了的状态。

　　无逆变器UPS能够具有如此良好的并联特件。丰要得希于如下3点。

　　1）不存在频率、相位不一致的问题；

　　2）的电流峰值九，易于实现不同容量、不同充电程度的无逆变器UPS进行并联，对负载具有极好的积压适应能力；

　　3）静态开关2中的晶闸管杜绝了"环流"现象的发生，即不会出现电压高、容量大的UPS向电压低、容量小的UPS馈电。

　　5 无逆变器UPS的另外两种方案

　　5.l 采用两组蓄电池及单管半波整流充电的UPS

　　采用两组蓄电池及单管半波整流充电的无逆变器uPs的电路，如图10及图11所示。其中图lO是单相电路，图1l是三相电路，它们的工作原理和工作方式与图4和图5相同，这里不再赘述。这种无逆变器UPS的特点，一是采用了两组蓄电池及单管半波整流充电，二是有两组输出，每组对应于一组蓄电池。两组输出A和B既可以单独使用，也可以同时使用。同时使用时就将单管半波整流，变成了单管全波整流，有利于提高市电输入功率因数。

　　5.2 采用直流旁路的无逆变器UPS电路

　　采用直流旁路的无逆变器UPS的电路，如图12和图13所示。其中图12是单相电路，图13是三相电路。它们的工作原理和工作方式与图4和图5相同，不再赘述。这种UPS的特点是采用了直流旁路。旁路的直流电压为+300 V,蓄电池的直流电压为+252 V.当由蓄电池供电切换到直流旁路供电时，先关断静态开关2的触发脉冲，然后再触发导通静态开关l,用旁路开关的直流电压大于蓄电池的直流电压使静态开关2关闭，如图14所示。这样将使切换控制电路更简单，省去了市电电压正半周的检测电路。

　　多台采用直流旁路无逆变器UPS的并联运行原理和工作过程与图9所示多台无逆变器UPS的并联运行相同，这罩不再赘述。其原理电路如图15所示。直流旁路的并联和直流UPS的并联，都变得极其简单和容易，两台UPS之间由于静态开关和静态开关2的存在，而不会出现环流。

　　6 取消逆变器的改革带来的好处

　　传统交流UPS,取消逆变器以后将会带来如下几个方面的好处。

　　1）简化了电路，提高了可靠性

　　--取消逆变器后，与之配套的相关电路也被取消了；

　　--输出电压频率、相位的检测和控制电路被取消了；

　　--为实现多机并联而采用的各种监控电路和锁相电路被取消了；

　　--隔离变压器被取消了。

　　2）降低了生产成本和研究费用 逆变器是UPS中应用元器件多，对元器件要求严，电路复杂，调试困难的部件，取消逆变器以后将使UPS的生产成本减少95%以上。

　　3）运行成本大大减少假设逆变器及其相关电路的功耗占UPS输出功率的10%,以1OO KVA在线式交流UPS连续24小时开机工作作为计算交流UPS等效使用量的计算单位，按照表l估算，全国在线式交流UPS的等效使用量为1843个如表1所列，据此计算全国每年用于交流UPS中逆变器的总功耗为

　　100 kVA×l 842×10%×24 h×365天

　　=1.6l×108kW·h

　　按工业用电每kW·h为O.662元计算，则

　　O.662×1.61×108=l.07亿元

　　这一估算表明，全国每年至少要拿出1亿多元用在在线式交流UPS中的逆变器功耗上。如果再考虑到逆变器功耗转化成热量，为了降温还要付出空调与风机的用电费以及这些降温设备的折旧费和维护费，实际用去的费用还要多。

　　此外，蓄电池的备用时间，也会因逆变器的功耗而减少lO%左右。

　　4）电流峰值系数大于6:1 电流峰值系数，是衡量UPS承受非线性负载的能力，也代表了承受负载突变的能力，它定义为UPS输出电流峰值与有效值的比值。由于UPS取消了逆变器，在它的输出端有大容量的电解电容器及电阻极小的蓄电池，当负载突变时可以通过电容和蓄电池的放电来实现瞬间大电流输出，因此可以使峰值系数大大提高。

　　5）多机并联变得简单而容易

　　6）低污染 UPS的电污染源是逆变器。它工作在高压大功率高频开关状态，取消了逆变器将使UPS的污染减小到。

　　7）提高了经济效益与社会效益降低了生产成本和维护成本，减少了故障率，减少了体积重量，减少了功耗，使一般中小型工厂都能制造，一般中小型用户都能买得起，使UPS能更进一步推广应用，同时也节省了能源与原材料，因此具有较大的经济效益与社会效益。

　　7 结语

　　传统交流UPS,由于它的电路复杂，制造困难，价格昂贵而影响了它的进一步推广应用。为了消除这个障碍，必然会引发一场UPS革命。高频开关电源在计算机中的广泛应用，为这场革命创造了条件。荸命的中心目标是取消UPS中的逆变器，在交流UPS中取消逆变器町以得到巨大的经济效益和社会效益，可以使UPS的成本、体积、重量和功耗减少90%以上，成为可以使中小型工厂都能生产，成为中小型用户都能买得起UPS,用得起UPS,为UPS的进一步推广应用创造了条件。