開關(guān)電源與UPS革命

l 當(dāng)前UPS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與存在的問題
當(dāng)前UPS電路的結(jié)構(gòu)形式，是由上世紀(jì)70年代UPS開發(fā)的初期決定的。那時(shí)的計(jì)算機(jī)采用的是以工頻變壓器為依托的線性電源，同時(shí)又由于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)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(dá)到這個(gè)目的就必須進(jìn)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(fù)雜，工藝最復(fù)雜，元器件用得最多，要求又最嚴(yán)格、設(shè)計(jì)制造最困難．體積最大、造價(jià)最高的部件，它占去了UPS整機(jī)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(hù)的難點(diǎn)集中地，當(dāng)然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此，對(duì)UPS革命自然而然地應(yīng)從逆變器人手。也就是說要取消逆變器，只有這樣才是對(duì)UPS最徹底的革命。但去掉逆變器在開關(guān)電源未普及之前決非易事，它有三大難點(diǎn)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(shí)現(xiàn)不問斷供電；二是大功率直流穩(wěn)壓困難，計(jì)算機(jī)的多種低壓直流電源采用直流變壓困難；三是市電與計(jì)算機(jī)的電隔離困難。

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

為了減小低壓大電流時(shí)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(jì)算機(jī)中都裝有高頻開關(guān)電源。這些開關(guān)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(dāng)前，ATX電源已取代早期的AT電源應(yīng)用于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)內(nèi)部電路使用。一般高頻開關(guān)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(guān)電源所具有的3種功能對(duì)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(jì)算機(jī)對(duì)UPS的要求，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輸入電源的交直兼容，使計(jì)算機(jī)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(duì)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(hù)，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(tái)單相交流UPS向一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)供電。在圖2右側(cè)的汁算機(jī)ATX開關(guān)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(jì)算機(jī)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(jī)中ATX的“市電側(cè)整流濾波電路”向計(jì)算機(jī)供電，如圖3所示。要作到這一點(diǎn)．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(jì)算機(jī)供電的電路，此時(shí)無逆變器UPS相當(dāng)于一個(gè)具有交流旁路的直流UPS。此時(shí)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(guān)2向計(jì)算機(jī)不間斷供電，當(dāng)直流UPS需要檢修或出現(xiàn)故障時(shí)，由市電通過旁路開關(guān)(靜態(tài)開關(guān)1)向計(jì)算機(jī)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(guān)，這時(shí)靜態(tài)開關(guān)2變成了只用一個(gè)SCR的直流開關(guān)。

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(jì)算機(jī)供電的原理電路如圖4所示。當(dāng)工作在后備模式時(shí)，在市電中斷或在恢復(fù)過程中，作為后備式UPS負(fù)載中的ATX開關(guān)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(shí)刻市電斷電；t1～t2期間ATX開關(guān)電源內(nèi)部的儲(chǔ)能電容放電以維護(hù)計(jì)算機(jī)的工作；t2時(shí)刻由UPS中的蓄電池供電；t3時(shí)刻市電恢復(fù)。

3.2在線式工作模式
如圖4所示，對(duì)于在線工作模式，在UPS處于市電旁路供電狀態(tài)時(shí)(如檢修整流器或蓄電池時(shí))，以及之后又恢復(fù)直流供電時(shí)，作為在線式UPS負(fù)載的ATX開關(guān)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(shí)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(guān)電源內(nèi)部儲(chǔ)能電容放電維持計(jì)算機(jī)工作，UPS中的蓄電池沒有直流電流輸出，t3時(shí)刻UPS恢復(fù)直流供電。

3.3 靜杰開關(guān)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(dāng)市電掉電時(shí)，隨著靜態(tài)開關(guān)1(旁路)關(guān)斷的同時(shí)，關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)l的觸發(fā)脈沖，并對(duì)靜態(tài)開關(guān)2進(jìn)行觸發(fā)．使其被觸發(fā)導(dǎo)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(guān)斷靜態(tài)開關(guān)2的觸發(fā)脈沖，當(dāng)市電電壓正半周到來的瞬間，將靜態(tài)開關(guān)l(旁路)觸發(fā)導(dǎo)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(guān)斷靜態(tài)開關(guān)2。

4 無逆變器UPS的并聯(lián)運(yùn)行
直流電壓的并聯(lián)，或在同一個(gè)市電電源下的交流并聯(lián)，是比較容易的。兩臺(tái)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(guān)1(旁路)處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)兩組蓄電池的電壓UB1和UB2相同時(shí)，即UB1-UB2時(shí)，兩臺(tái)UPS并聯(lián)后它們將共同平均分配同一個(gè)負(fù)載。如果兩組蓄電池被充的電壓不相同時(shí)，例如UB2UB1時(shí)，靜態(tài)開關(guān)2將受反壓而關(guān)斷，負(fù)載電流將全部由UB1供給。如果UB1的充電電流小于負(fù)載電流時(shí)，則UB1蓄電池組將放電以補(bǔ)充不足的電流，UB1將下降，而此時(shí)UB2會(huì)因不斷地被充電使UB2上升，當(dāng)UB2被充到UB2=UB1時(shí)，靜態(tài)開關(guān)2導(dǎo)通，自動(dòng)轉(zhuǎn)入到兩臺(tái)UPS共同分擔(dān)同一個(gè)負(fù)載電流的狀態(tài)。并在向負(fù)載供電的同時(shí)，同步完成對(duì)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(dòng)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(diǎn)。
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(shí)現(xiàn)不同容量、不同充電程度的無逆變器UPS進(jìn)行并聯(lián)，對(duì)負(fù)載具有極好的積壓適應(yīng)能力；
3)靜態(tài)開關(guān)2中的晶閘管杜絕了“環(huán)流”現(xiàn)象的發(fā)生，即不會(huì)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(diǎn)，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(duì)應(yīng)于一組蓄電池。兩組輸出A和B既可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。同時(shí)使用時(shí)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(diǎn)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(dāng)由蓄電池供電切換到直流旁路供電時(shí)，先關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)2的觸發(fā)脈沖，然后再觸發(fā)導(dǎo)通靜態(tài)開關(guān)l，用旁路開關(guān)的直流電壓大于蓄電池的直流電壓使靜態(tài)開關(guān)2關(guān)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(cè)電路。

多臺(tái)采用直流旁路無逆變器UPS的并聯(lián)運(yùn)行原理和工作過程與圖9所示多臺(tái)無逆變器UPS的并聯(lián)運(yùn)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(tái)UPS之間由于靜態(tài)開關(guān)和靜態(tài)開關(guān)2的存在，而不會(huì)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(huì)帶來如下幾個(gè)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(guān)電路也被取消了；
――輸出電壓頻率、相位的檢測(cè)和控制電路被取消了；
――為實(shí)現(xiàn)多機(jī)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(fèi)用 逆變器是UPS中應(yīng)用元器件最多，對(duì)元器件要求最嚴(yán)，電路最復(fù)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(yùn)行成本大大減少假設(shè)逆變器及其相關(guān)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(shí)開機(jī)工作作為計(jì)算交流UPS等效使用量的計(jì)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(gè)如表1所列，據(jù)此計(jì)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(jì)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(fēng)機(jī)的用電費(fèi)以及這些降溫設(shè)備的折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)，實(shí)際用去的費(fèi)用還要多。

此外，蓄電池的備用時(shí)間，也會(huì)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(fù)載的能力，也代表了承受負(fù)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(dāng)負(fù)載突變時(shí)可以通過電容和蓄電池的放電來實(shí)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(jī)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(guān)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(jì)效益與社會(huì)效益降低了生產(chǎn)成本和維護(hù)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(jìn)一步推廣應(yīng)用，同時(shí)也節(jié)省了能源與原材料，因此具有較大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

7 結(jié)語
傳統(tǒng)交流UPS，由于它的電路復(fù)雜，制造困難，價(jià)格昂貴而影響了它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為了消除這個(gè)障礙，必然會(huì)引發(fā)一場(chǎng)UPS革命。高頻開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)中的廣泛應(yīng)用，為這場(chǎng)革命創(chuàng)造了條件。荸命的中心目標(biāo)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(jì)效益和社會(huì)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(jìn)一步推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。