新型模塊UPS應用特征與模塊高效BUS電源設計方案

1 問題的提出

隨著通信與網(wǎng)絡應用的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡化、集成化趨勢正以前所未有的速度和深度影響著我們的生活。UPS電源系統(tǒng)在網(wǎng)絡系統(tǒng)、智能大廈等項目的集成、各行業(yè)的實時監(jiān)控、運算系統(tǒng)供電質量等項目中要求變得越來越高。而傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)存在單機故障率高、可擴展性差、可管理性差、維護成本高昂等等弊端，市場已強烈需要新一代更具精密性與綜合性、更能靈活管理、更安全可靠的網(wǎng)絡UPS登臺問世。值此以POWER+(10kVA-100kVA)模塊UPS電源為例對其作分析介紹。

模塊UPS，其具備的卓越優(yōu)勢不僅僅是智能型的電源保護系統(tǒng)。應該說全新電源保護理念除了包含傳統(tǒng)UPS的整流、濾波、充電、逆變器等裝置外，還采用了連續(xù)電流控制整流技術和三階逆變等新型概念技術。在降低運輸及庫存成本的同時可提供更高的效率、更靈活的機動性及更好的可靠性。

2 新型模塊UPS電源應用特征

2.1 全制式并聯(lián)冗余環(huán)保電源

⑴ 并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)

整體由系統(tǒng)控制器、靜態(tài)開關(STSW)以及1至10個額定容量為10kVA的功率模塊所構成，可采用熱插拔模式隨意進行擴充。POWER+系統(tǒng)結構極具彈性，功率模塊的概念是在系統(tǒng)運行時可隨意移除或安裝而不影響系統(tǒng)的運行及輸出，使投資規(guī)劃實現(xiàn)“隨需應變”，既滿足了后期設備的隨需擴展，又降低了初期購置成本。

⑵ 故障冗余的構成

可實現(xiàn)最大程度的故障冗余。各主要構成部分包括系統(tǒng)控制器、靜態(tài)開關(STSW)以及功率模塊皆為內置冗余的智能型獨立個體，可單獨運行(見圖1所示)。任何模塊發(fā)生故障后(包括系統(tǒng)控制模塊)，POWER+冗余設計便會充分發(fā)揮效用，全面保障設備正常運轉。

圖1 新型模塊UPS故障冗余的構成示意圖

圖1中的電池組由系統(tǒng)中所有UPS模塊共享(包括充電和放電)?？砂从脩粜枨?，使用單一電池或并聯(lián)多組電池來增加系統(tǒng)備用時間，并作為電池冗余結構。POWER+具備多項配件選擇，如充電模塊、無線傳輸(GPRS、藍牙)、隔離變壓器及功能強大的控制軟件等，用戶可完全依照實際所需進行選擇。

⑶獨有的電源相位的多制技術

UPS系統(tǒng)率先開發(fā)了獨有的電源相位的多制技術，改變了整個UPS領域輸入輸出相位固定的單一性，可根據(jù)電源輸入情況將模塊設置成3/3(三相進三相出)、1/1、3/1、1/3四種電源系統(tǒng)，有獨特的三階逆變電路(見圖2所示)，并保持功率不變。獨有的全制性刷新了傳統(tǒng)UPS領域輸入輸出相位固定的傳統(tǒng)特性，為用戶帶來了前所未有的選擇空間及便利。因此在終端客戶或經(jīng)銷商選購UPS產(chǎn)品時，無需再去考慮如何購進不同相位或不同容量的產(chǎn)品，或擔心某種型號產(chǎn)品滯銷、短缺而導致的進貨、存儲的煩瑣；可根據(jù)不同客戶的需求調整電源相位，使經(jīng)銷商對產(chǎn)品、零配件等備品進行單一品牌的簡易管理，大大降低經(jīng)營和管理成本，購銷存整體銷售鏈便捷高效。

⑷關于三階逆變電路

三階逆變電路如圖2所示。三相輸出完全獨立，可帶100%不平衡負載；其三相/單相輸出現(xiàn)場可調變：逆變效率高達97%;輸出電源質量高—諧波2%；負載100%階躍;輸出電壓波動2%。

圖2 有獨特的三階逆變電路示意圖

2.2 冗余性

在傳統(tǒng)UPS產(chǎn)品中，一直存在著單臺UPS容易出現(xiàn)單點故障的問題，用戶唯一的安全保障措施是采用“1+1”或“N+1”舊的安全防范格局，該措施不僅造成較大的經(jīng)濟浪費，而且容錯率僅有一次之多。

UPS系統(tǒng)陣列中的所有功率模塊平均負擔系統(tǒng)負載，各并聯(lián)模塊皆為內置冗余的智能型獨立個體，無需系統(tǒng)控制器對并聯(lián)系列集中控制。任何模塊發(fā)生故障后(包括系統(tǒng)控制模塊)，其冗余設計便會充分發(fā)揮效用，全面保障設備正常運轉，實現(xiàn)最大程度的故障冗余，同時用戶還可根據(jù)需要選擇超過一次容錯率的冗余。也就是說客戶如果在一個系統(tǒng)中安裝了比能支持最大系統(tǒng)負載所需要的最少模塊還多X個模塊，那么就能夠在有X個模塊失效的情況下仍保證維持系統(tǒng)全部正常工作。

UPS模塊式設計概念全面優(yōu)化了“N+X”投資方案，客戶僅需購置10KVA功率模塊，即可輕松實現(xiàn)X次故障冗余及升級擴容。

2.3 可用性

新型模塊UPS具有超強的并聯(lián)功能，是高端UPS技術的領先技術，其平均無故障時間(MTBF)是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的1.5倍，平均無重大故障時間(MTBCF)是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的3倍，平均修復時間(MTFR)傳統(tǒng)UPS為停機維修8小時，而POWER+在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下僅需5分鐘。極高的可用性凸顯POWER+所具備的完善保護功能和安全適用能力，確保系統(tǒng)本身和用戶設施負載受保護時間成倍提升。

2.4 熱扦撥性

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)在日常維護、設備維修期間均需采取轉旁路的工作方式，負載因此不受UPS保護。此時如果發(fā)生交流電源中斷、過載等故障，勢必造成負載電源供應中斷或設備損壞。同時設備維修還需要經(jīng)過一系列煩瑣的程序：系統(tǒng)管理員通知廠商+廠商趕至維修現(xiàn)場+停電維修。為了解決類似的可靠性瓶頸，新型模塊UPS采用了先進的UPS模塊熱插拔技術，單體模塊可任意在線投入或退出并聯(lián)單元，無需停電操作，實現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)的在線維護，同時該操作無需專門的儀器和技術即可進行。

通過熱插拔技術使單體功率模塊可任意在線投入或退出，解決了傳統(tǒng)UPS轉旁路維修的技術難題，使維護超常簡便，同時實現(xiàn)了UPS隨意擴展和冗余兩大性能，充分滿足用戶實際需求。

2.5 互動性

模塊UPS具有功能強大的系統(tǒng)控制器。內置完善的電源分析儀及多種通訊界面，其獨有的雙向互動式監(jiān)控和自我測試功能，配備智能化監(jiān)控軟件(如GA公司的GeMSi)，可通過SMS、藍牙、局域網(wǎng)等不同界面與網(wǎng)絡管理員進行雙向互動溝通，使網(wǎng)絡管理員隨時對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控(如圖3所示)，了解產(chǎn)品實時狀態(tài)。一方面實現(xiàn)了設備運行過程中自我狀態(tài)的監(jiān)控，對一些異?，F(xiàn)象進行預處理，使系統(tǒng)始終平穩(wěn)可靠運行；另一方面實現(xiàn)了網(wǎng)絡管理員和客戶可通過SMS、因特網(wǎng)、ICQ等更廣闊的監(jiān)控渠道與模塊UPS之間進行雙向數(shù)據(jù)通信和遠程監(jiān)控，全面了解其運作情況。如系統(tǒng)發(fā)生異常時，亦同樣會將異常情況發(fā)送給客戶。若有關人員不在現(xiàn)場，將會在供電時間結束前自動中止系統(tǒng)軟件的運行程序，禁止用戶登錄、自動存盤、保持現(xiàn)場等，并通過網(wǎng)絡向用戶發(fā)出警告信息，通報有關電源異常狀況?？蛻艨筛鶕?jù)POWER，發(fā)送的信息來判斷異常情況的緊急程度，以決定應變措施。模塊UPS獨有的雙向互動式監(jiān)控技術，可協(xié)助客戶靈便快捷地對系統(tǒng)危機做出即時處理，免除您的后顧之憂。

圖3 遠程監(jiān)控示意圖

2.6 環(huán)保性

模塊UPS導入先進的改良技術，可達到輸入總諧波失真(THD)只有5%，遠低于傳統(tǒng)UPS可控硅整流器的33%(見圖4(a)(b)所示)，同時單位輸入功率因數(shù)PF=1。圖4(a)為無PFC電路時UPS輸入電壓/電流波形，而圖4(b)為加入PFC電路時UPS輸入電壓/電流波形。在線性負載條件下，輸出總諧波失真(THD)低于2%，極大降低電網(wǎng)污染，有效減少電網(wǎng)負荷和電源損耗，整機效率高達96%，大幅節(jié)省能源，見圖5(a)(b)所示。

新型模塊UPS不僅向用戶提供了安全實用的性能保障，其所擁有的先進高端技術將領引UPS潮流倡導節(jié)能與環(huán)保，以新穎卓越的概念著眼全球電源事業(yè)發(fā)展。

2.7 新型模塊UPS的并機

獨特的模塊UPS并機技術，多達5個機架并聯(lián)，提供500KVA系統(tǒng)容量；分散式靜態(tài)開關設計，無需外加旁路柜；分散邏輯控制，排除以往中央并機控制單點故障的危險；環(huán)型并機通訊網(wǎng)絡，確保并機通訊連接安全可靠；各并聯(lián)機架可配置不同數(shù)量的UPS模塊，異容量并機；機架并機加上模塊化技術，提升系統(tǒng)的擴容性、安全系數(shù)和可靠性；所有模塊與標準POWER+系統(tǒng)通用。

2.8 實例

10kVA標準單機：多制性可設定為3/3、3/1、1/1；小型輕量化，機體僅重8kG；卓越效能，AC/AC高效率為96%，低輸入諧波為5%，輸入功率因數(shù)為1，背光LCD顯示；在線雙轉換，聯(lián)機電池。

2.9 新型模塊UPS系統(tǒng)控制器

主處理器為1 6 bit；顯示器為4*40字元背光LCD；其他指示裝置有8 LED，蜂鳴器；模擬輸入通道為4；數(shù)字輸入通道為8；計時器RTC 具有備用電源；干接點為6；RS232 隔離；通訊界面為TCP/IP，PRS/SMS；內部通訊為串列傳輸，具有隔離;事件記錄有255項；

顯示參數(shù)為負載條形圖、交流電壓電流、電池電壓、UPS模塊狀態(tài)STSW參數(shù)及狀態(tài)、電池溫度(需購附件)；功率計測量輸出/輸入kW，kVA PF；對AC異常，DC異常，UPS模塊故障，系統(tǒng)旁路，電池測試異常，過載及系統(tǒng)溫度異常均可警報；計時器RTC之備用電源為2星期。

2.10 系統(tǒng)管理軟件

POWER+具備通訊界面卡及網(wǎng)絡管理軟件、根據(jù)所連接的UPS系統(tǒng)單相/三相)，軟件會顯示對應的數(shù)據(jù)。選項Wing，無線通訊界面，可通過主機監(jiān)控UPS電源系統(tǒng)。

3 關于97%模塊高效BUS電源開發(fā)與設計方案

當今以高效率、低成本、高可靠性為模塊電源追求目標，而往往基于中間母線技術的應用。那末實現(xiàn)97%效率有利條件是什么？首先應對中間母線的定義與優(yōu)勢給于說明。

3.1 中間母線的定義與優(yōu)勢

3.11中間母線的定義

12V中間母線IBA(Intermediate Bus-Architecture)，開環(huán)電源模塊需求商最早是Cisco在數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品中提出。

3.12中間母線IBA優(yōu)勢

① 性能：負載電壓規(guī)格多；電源與負載的隔離近；板上熱分布均勻。
② 成本：IBA具有較好的競爭力。隨著IC供電電壓下降和所需電流的增加，IBA的應用得到推廣，相應的BC和POL得到迅速發(fā)展。12V是增長速度最快的輸入電壓，它是基于IBA和計算機應用的驅動。

3.13中間母線分類

① 特性：標準閉環(huán)穩(wěn)壓12v模塊；前饋技術半穩(wěn)壓12V模塊；開環(huán)12V不穩(wěn)壓模塊。
② 分別對應的應用范圍：電信設備，帶電池的48V/60V系統(tǒng)及數(shù)據(jù)設備，有12V負載；電信設備，帶電池的的48V系統(tǒng)；電信設備，嵌入式FE系統(tǒng)及數(shù)據(jù)設備，無12V負載，直流不帶電池。
③ 分別對應的電壓輸入范圍：36V-75V；36V-60V((核心電壓42V—58V)；48V±1%。
④ 分別對應的穩(wěn)壓精度：12V/±4.5%；12V(±5%-±10%)；12V±10%。
⑤ 分別對應的成本與可靠性：高、中、低；低、中、高。
⑥ 業(yè)界BUS的標準模塊功率:100W-600W，有1/2、1/4、1/8磚等外形尺寸。效率在90%～96%，個別己達97%。

3.2 實現(xiàn)97%效率有利條件是什么？

輸入電壓范圍窄：器件電應力變化??；輸出開環(huán)：可固定占空比；開放式拓撲結構：有利于風冷；多層PCB：接觸電阻和分布參數(shù)小。

3.3 97%模塊高效BUS電源設計思想與方案

3.31 設計思想

電路結構簡單；電路和器件成熟；保護功能齊全可靠。

3.32 設計方案

包括主電路拓撲采用推挽電路(見圖6(a)所示)，副邊采用同步整流(見圖6(b)所示)，輸出無濾波電感，固定50%的占空比，采用開關管可實現(xiàn)零電壓開通(ZVS)與零電流開通(ZCS)。

① 推挽電路的優(yōu)點：驅動電路為IC直接驅動，屬于經(jīng)典電路比較成熟；器件成熟，具有配套的PWM IC比較多；為偏磁處理。
② 副邊采用同步整流驅動方案：低電壓驅動MOSFET，能降低驅動損耗1/3；為外驅同步整流能滿足輸出直接并聯(lián)；省略輸出電感，減少損耗并提高效率。

3.33 器件與工藝方案

用低損耗磁性器件、低Rds(on)、低Qg功率開關器件與CT采樣及厚銅PCB。而工藝方案至關重要，應考慮電路布局的對稱性和發(fā)熱的均勻性及散熱的高效性?！?/p>