開關電源與UPS革命

l 當前UPS的結(jié)構(gòu)特點與存在的問題
當前UPS電路的結(jié)構(gòu)形式，是由上世紀70年代UPS開發(fā)的初期決定的。那時的計算機采用的是以工頻變壓器為依托的線性電源，同時又由于交流電動機負載的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工頻交流不中斷一為了達到這個目的就必須進行逆變，于是逆變器就成了UPS中的核心部件。UPS性能的改善和功能的提高，都集中表現(xiàn)在逆變器上，因此大家都圍繞著逆變器大做文章，使逆變器成為UPS中電路最復雜，工藝最復雜，元器件用得最多，要求又最嚴格、設計制造最困難．體積最大、造價最高的部件，它占去了UPS整機成本、體積、重量和功耗的90%以上，成為UPS技術(shù)、功能和制造維護的難點集中地，當然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此，對UPS革命自然而然地應從逆變器人手。也就是說要取消逆變器，只有這樣才是對UPS最徹底的革命。但去掉逆變器在開關電源未普及之前決非易事，它有三大難點不能解決： 一是直流電壓不能通過工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源輸送電能，亦即不能實現(xiàn)不問斷供電；二是大功率直流穩(wěn)壓困難，計算機的多種低壓直流電源采用直流變壓困難；三是市電與計算機的電隔離困難。

高頻開關電源的出現(xiàn)與廣泛應用，為解決上述三大難點創(chuàng)造了條件。高頻開關電源萌芽于20世紀50年代，到20世紀70年代完成了20 kHzPWM開關電源樣機，被稱作“20 kHz革命”，是直流穩(wěn)壓電源發(fā)展史上的一個巨大飛躍。到20世紀術(shù)高頻開關電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并得到了廣泛的應用，特別是在計算機電源中的應用，為UPS取消逆變器創(chuàng)造了條件，因為它解決了直流蓄電池電壓的穩(wěn)壓、變壓和市電與計算機之間的隔離問題。

為了減小低壓大電流時的線路壓降，減小電源故障的影響范圍，提高供電的可靠性，一般在小型計算機中都裝有高頻開關電源。這些開關電源的具體線路可能不完全相同，但其基本結(jié)構(gòu)與組成部分足大致一樣的。當前，ATX電源已取代早期的AT電源應用于計算機中，其原理電路如圖l所示。它主要是由抗干擾濾波、市電側(cè)整流和平滑濾波3種電路組成的市電側(cè)整流濾波電路，以及由高頻逆變、高頻變壓隔離、高頻整流、高頻濾波及控制電路組成的DC／DC變換器兩部分組成的。輸出的低壓直流電壓為12V，5V，3．3 V，以供計算機內(nèi)部電路使用。一般高頻開關電源允許輸入電壓的變化范圍為交流工頻165～275 V，直流233 4～388．9 V，輸出電壓精度為O 6％～1％。

從圖l所示的原理框圖可知，ATX開關電源所具有的3種功能對取消UPS中的逆變器是十分有用的：一是可以輸入工頻交流電壓，也可以輸入233 4～388.9V直流電壓，以保持直流輸出電壓基本不變；二是ATX中的DC／DC變換器具有直流穩(wěn)壓和變壓的功能； 三是高頻變壓隔離器中的變壓器具有隔離作用。這3種功能滿足了計算機對UPS的要求，并實現(xiàn)了計算機輸入電源的交直兼容，使計算機不再一定非要輸入220 V工頻電壓。

2 UPS的改革方案和工作原理
如前所述，逆變器是決定傳統(tǒng)交流UPS性能和質(zhì)量的核心部件，對UPS革命的目的就是去掉逆變器，以降低UPS的成本，提高效率，減小生產(chǎn)難度，減小體積重量、簡化操作維護，減小故障率，提高可靠性，因此，去掉逆變器的無逆變器UPS將是一種比較好的新型UPS方案。

一臺單相交流UPS向一臺計算機供電的原理電路如圖2所示，圖2中的左側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路為傳統(tǒng)交流UPS，它包括整流器、蓄電池和逆變器；圖2中的右側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路，為計算機中的ATX開天電源，它包括抗干擾電路、市電側(cè)整流濾波電路和DC／DC變換電路。在圖2左側(cè)的傳統(tǒng)交流UPS電路中，市電220 V交流電壓經(jīng)過無仃何升、降壓功能的橋式整流器，整流成+300V向蓄電池進行浮充電，蓄電池上的+．300V直流電壓再經(jīng)過逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計算機供電。在圖2右側(cè)的汁算機ATX開關電源中，“市電側(cè)整流濾波電路”再將220 V工頻交流電壓整流成+300 V直流電壓，而后再由ATX中的DC／DC變換器將+300 V直流電壓變換成12 V，5V和3．3 V的直流電壓向計算機供電，由圖2可以看出，左側(cè)UPS中的整流器輸出的直流電壓，與右側(cè)ATX中“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓都是+300 V，是相同的。這就說明逆變器將蓄電池電壓+300V再逆變成220V工頻足多余的。因此可以將UPS中的逆變器去掉，并直接將蓄電池的+300V直流電壓，通過汁算機中ATX的“市電側(cè)整流濾波電路”向計算機供電，如圖3所示。要作到這一點．LPS中的整流器必須采用直接整流的方式，而不能帶任何的升降壓功能。

將圖2所示的供電電路去掉逆變器以后就變成了如圖4所示的無逆變器UPS向計算機供電的電路，此時無逆變器UPS相當于一個具有交流旁路的直流UPS。此時UPS的工作方式是由市電、整流器與蓄電池組成的直流UPS通過靜態(tài)開關2向計算機不間斷供電，當直流UPS需要檢修或出現(xiàn)故障時，由市電通過旁路開關(靜態(tài)開關1)向計算機供電。

比較圖2和圖4可知，去掉逆變器以后使UPS電路得到了很大的簡化，保剩下r整流器、蓄電池及靜態(tài)開關，這時靜態(tài)開關2變成了只用一個SCR的直流開關。

由圖4左側(cè)所示的單相無逆變器UPS電路組成的三相無逆變器UPS電路如圖5所示，其工作原理與工作方式與圖4所示單相電路相同。

3 無逆變器UPS的兩種工作模式
無逆變器UPS的工作模式有兩種：一種是后備式工作模式，另一種是在線式工作模式。

3．1 后備式工作模式
單相無逆變器UPS向計算機供電的原理電路如圖4所示。當工作在后備模式時，在市電中斷或在恢復過程中，作為后備式UPS負載中的ATX開關電源，其“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓uh及電流iR的波形如圖6所示。圖6中t1之前由市電供電；t1時刻市電斷電；t1～t2期間ATX開關電源內(nèi)部的儲能電容放電以維護計算機的工作；t2時刻由UPS中的蓄電池供電；t3時刻市電恢復。

3.2在線式工作模式
如圖4所示，對于在線工作模式，在UPS處于市電旁路供電狀態(tài)時(如檢修整流器或蓄電池時)，以及之后又恢復直流供電時，作為在線式UPS負載的ATX開關電源，其“市電側(cè)整流濾波電路”輸出端的電壓uR及電流iR的波形如圖7所示。圖7中t1之前由在線式UPS直流供電；t1一時刻轉(zhuǎn)入市電旁路供電；t1～t2期間由市電旁路供電；t2～t3期間由ATX開關電源內(nèi)部儲能電容放電維持計算機工作，UPS中的蓄電池沒有直流電流輸出，t3時刻UPS恢復直流供電。

3.3 靜杰開關l和2之間的切換
3.3.1 由市電旁路供電到蓄電池直流供電的切換
當市電掉電時，隨著靜態(tài)開關1(旁路)關斷的同時，關斷靜態(tài)開關l的觸發(fā)脈沖，并對靜態(tài)開關2進行觸發(fā)．使其被觸發(fā)導通。

3.3．2 由直流供電到市電交流旁路供電的切換
如圖8所示，首先關斷靜態(tài)開關2的觸發(fā)脈沖，當市電電壓正半周到來的瞬間，將靜態(tài)開關l(旁路)觸發(fā)導通，用市電電壓正半周的峰值(311 V)大于蓄電池電壓(+300V)的值來關斷靜態(tài)開關2。

4 無逆變器UPS的并聯(lián)運行
直流電壓的并聯(lián)，或在同一個市電電源下的交流并聯(lián)，是比較容易的。兩臺單相無逆變器UPS的并聯(lián)工作的原理電路如圖9所示。假定它們工作在在線模式，靜態(tài)開關1(旁路)處于關斷狀態(tài)。當兩組蓄電池的電壓UB1和UB2相同時，即UB1-UB2時，兩臺UPS并聯(lián)后它們將共同平均分配同一個負載。如果兩組蓄電池被充的電壓不相同時，例如UB2UB1時，靜態(tài)開關2將受反壓而關斷，負載電流將全部由UB1供給。如果UB1的充電電流小于負載電流時，則UB1蓄電池組將放電以補充不足的電流，UB1將下降，而此時UB2會因不斷地被充電使UB2上升，當UB2被充到UB2=UB1時，靜態(tài)開關2導通，自動轉(zhuǎn)入到兩臺UPS共同分擔同一個負載電流的狀態(tài)。并在向負載供電的同時，同步完成對各自蓄電池組的充電過程。

如果市電電源中斷，則這些并聯(lián)的UPS不論其蓄電池容量大小，充電的程度如何，仍然可以自動地同步到放電終了的狀態(tài)。

無逆變器UPS能夠具有如此良好的并聯(lián)特件．豐要得希于如下3點。
1)不存在頻率、相位不一致的問題；
2)極佳的電流峰值九，易于實現(xiàn)不同容量、不同充電程度的無逆變器UPS進行并聯(lián)，對負載具有極好的積壓適應能力；
3)靜態(tài)開關2中的晶閘管杜絕了“環(huán)流”現(xiàn)象的發(fā)生，即不會出現(xiàn)電壓高、容量大的UPS向電壓低、容量小的UPS饋電。

5 無逆變器UPS的另外兩種方案
5.l 采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的UPS
采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的無逆變器uPs的電路，如圖10及圖11所示。其中圖lO是單相電路，圖1l是三相電路，它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同，這里不再贅述。這種無逆變器UPS的特點，一是采用了兩組蓄電池及單管半波整流充電，二是有兩組輸出，每組對應于一組蓄電池。兩組輸出A和B既可以單獨使用，也可以同時使用。同時使用時就將單管半波整流，變成了單管全波整流，有利于提高市電輸入功率因數(shù)。

5.2 采用直流旁路的無逆變器UPS電路
采用直流旁路的無逆變器UPS的電路，如圖12和圖13所示。其中圖12是單相電路，圖13是三相電路。它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同，不再贅述。這種UPS的特點是采用了直流旁路。旁路的直流電壓為+300 V，蓄電池的直流電壓為+252 V。當由蓄電池供電切換到直流旁路供電時，先關斷靜態(tài)開關2的觸發(fā)脈沖，然后再觸發(fā)導通靜態(tài)開關l，用旁路開關的直流電壓大于蓄電池的直流電壓使靜態(tài)開關2關閉，如圖14所示。這樣將使切換控制電路更簡單，省去了市電電壓正半周的檢測電路。

多臺采用直流旁路無逆變器UPS的并聯(lián)運行原理和工作過程與圖9所示多臺無逆變器UPS的并聯(lián)運行相同，這罩不再贅述。其原理電路如圖15所示。直流旁路的并聯(lián)和直流UPS的并聯(lián)，都變得極其簡單和容易，兩臺UPS之間由于靜態(tài)開關和靜態(tài)開關2的存在，而不會出現(xiàn)環(huán)流。

6 取消逆變器的改革帶來的好處
傳統(tǒng)交流UPS，取消逆變器以后將會帶來如下幾個方面的好處。

1)簡化了電路，提高了可靠性
――取消逆變器后，與之配套的相關電路也被取消了；
――輸出電壓頻率、相位的檢測和控制電路被取消了；
――為實現(xiàn)多機并聯(lián)而采用的各種監(jiān)控電路和鎖相電路被取消了；
――隔離變壓器被取消了。

2)降低了生產(chǎn)成本和研究費用 逆變器是UPS中應用元器件最多，對元器件要求最嚴，電路最復雜，調(diào)試最困難的部件，取消逆變器以后將使UPS的生產(chǎn)成本減少95％以上。

3)運行成本大大減少假設逆變器及其相關電路的功耗占UPS輸出功率的10％，以1OO KVA在線式交流UPS連續(xù)24小時開機工作作為計算交流UPS等效使用量的計算單位，按照表l估算，全國在線式交流UPS的等效使用量為1843個如表1所列，據(jù)此計算全國每年用于交流UPS中逆變器的總功耗為
100 kVAl 84210％24 h365天
=1．6l108kWh
按工業(yè)用電每kWh為O．662元計算，則
O．6621．61108=l.07億元

這一估算表明，全國每年至少要拿出1億多元用在在線式交流UPS中的逆變器功耗上。如果再考慮到逆變器功耗轉(zhuǎn)化成熱量，為了降溫還要付出空調(diào)與風機的用電費以及這些降溫設備的折舊費和維護費，實際用去的費用還要多。

此外，蓄電池的備用時間，也會因逆變器的功耗而減少lO％左右．
4)電流峰值系數(shù)大于6：1 電流峰值系數(shù)，是衡量UPS承受非線性負載的能力，也代表了承受負載突變的能力，它定義為UPS輸出電流峰值與有效值的比值。由于UPS取消了逆變器，在它的輸出端有大容量的電解電容器及電阻極小的蓄電池，當負載突變時可以通過電容和蓄電池的放電來實現(xiàn)瞬間大電流輸出，因此可以使峰值系數(shù)大大提高。
5)多機并聯(lián)變得簡單而容易
6)低污染 UPS最大的電污染源是逆變器．它工作在高壓大功率高頻開關狀態(tài)，取消了逆變器將使UPS的污染減小到最低。
7)提高了經(jīng)濟效益與社會效益降低了生產(chǎn)成本和維護成本，減少了故障率，減少了體積重量，減少了功耗，使一般中小型工廠都能制造，一般中小型用戶都能買得起，使UPS能更進一步推廣應用，同時也節(jié)省了能源與原材料，因此具有較大的經(jīng)濟效益與社會效益。

7 結(jié)語
傳統(tǒng)交流UPS，由于它的電路復雜，制造困難，價格昂貴而影響了它的進一步推廣應用。為了消除這個障礙，必然會引發(fā)一場UPS革命。高頻開關電源在計算機中的廣泛應用，為這場革命創(chuàng)造了條件。荸命的中心目標是取消UPS中的逆變器，在交流UPS中取消逆變器町以得到巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，可以使UPS的成本、體積、重量和功耗減少90％以上，成為可以使中小型工廠都能生產(chǎn)，成為中小型用戶都能買得起UPS，用得起UPS，為UPS的進一步推廣應用創(chuàng)造了條件。