新型模塊UPS應(yīng)用特征與模塊高效BUS電源設(shè)計(jì)方案

1 問(wèn)題的提出

隨著通信與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、集成化趨勢(shì)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(luò)系統(tǒng)、智能大廈等項(xiàng)目的集成、各行業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)算系統(tǒng)供電質(zhì)量等項(xiàng)目中要求變得越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)存在單機(jī)故障率高、可擴(kuò)展性差、可管理性差、維護(hù)成本高昂等等弊端，市場(chǎng)已強(qiáng)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(luò)UPS登臺(tái)問(wèn)世。值此以POWER+(10kVA-100kVA)模塊UPS電源為例對(duì)其作分析介紹。

模塊UPS，其具備的卓越優(yōu)勢(shì)不僅僅是智能型的電源保護(hù)系統(tǒng)。應(yīng)該說(shuō)全新電源保護(hù)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(shù)和三階逆變等新型概念技術(shù)。在降低運(yùn)輸及庫(kù)存成本的同時(shí)可提供更高的效率、更靈活的機(jī)動(dòng)性及更好的可靠性。

2 新型模塊UPS電源應(yīng)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(kāi)關(guān)(STSW)以及1至10個(gè)額定容量為10kVA的功率模塊所構(gòu)成，可采用熱插拔模式隨意進(jìn)行擴(kuò)充。POWER+系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極具彈性，功率模塊的概念是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可隨意移除或安裝而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行及輸出，使投資規(guī)劃實(shí)現(xiàn)“隨需應(yīng)變”，既滿(mǎn)足了后期設(shè)備的隨需擴(kuò)展，又降低了初期購(gòu)置成本。

⑵ 故障冗余的構(gòu)成

可實(shí)現(xiàn)最大程度的故障冗余。各主要構(gòu)成部分包括系統(tǒng)控制器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)(STSW)以及功率模塊皆為內(nèi)置冗余的智能型獨(dú)立個(gè)體，可單獨(dú)運(yùn)行(見(jiàn)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(shè)計(jì)便會(huì)充分發(fā)揮效用，全面保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 新型模塊UPS故障冗余的構(gòu)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?hù)需求，使用單一電池或并聯(lián)多組電池來(lái)增加系統(tǒng)備用時(shí)間，并作為電池冗余結(jié)構(gòu)。POWER+具備多項(xiàng)配件選擇，如充電模塊、無(wú)線傳輸(GPRS、藍(lán)牙)、隔離變壓器及功能強(qiáng)大的控制軟件等，用戶(hù)可完全依照實(shí)際所需進(jìn)行選擇。

⑶獨(dú)有的電源相位的多制技術(shù)

UPS系統(tǒng)率先開(kāi)發(fā)了獨(dú)有的電源相位的多制技術(shù)，改變了整個(gè)UPS領(lǐng)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(shè)置成3/3(三相進(jìn)三相出)、1/1、3/1、1/3四種電源系統(tǒng)，有獨(dú)特的三階逆變電路(見(jiàn)圖2所示)，并保持功率不變。獨(dú)有的全制性刷新了傳統(tǒng)UPS領(lǐng)域輸入輸出相位固定的傳統(tǒng)特性，為用戶(hù)帶來(lái)了前所未有的選擇空間及便利。因此在終端客戶(hù)或經(jīng)銷(xiāo)商選購(gòu)UPS產(chǎn)品時(shí)，無(wú)需再去考慮如何購(gòu)進(jìn)不同相位或不同容量的產(chǎn)品，或擔(dān)心某種型號(hào)產(chǎn)品滯銷(xiāo)、短缺而導(dǎo)致的進(jìn)貨、存儲(chǔ)的煩瑣；可根據(jù)不同客戶(hù)的需求調(diào)整電源相位，使經(jīng)銷(xiāo)商對(duì)產(chǎn)品、零配件等備品進(jìn)行單一品牌的簡(jiǎn)易管理，大大降低經(jīng)營(yíng)和管理成本，購(gòu)銷(xiāo)存整體銷(xiāo)售鏈便捷高效。

⑷關(guān)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(dú)立，可帶100%不平衡負(fù)載；其三相/單相輸出現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)變：逆變效率高達(dá)97%;輸出電源質(zhì)量高—諧波2%；負(fù)載100%階躍;輸出電壓波動(dòng)2%。

圖2 有獨(dú)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(tái)UPS容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障的問(wèn)題，用戶(hù)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(jì)浪費(fèi)，而且容錯(cuò)率僅有一次之多。

UPS系統(tǒng)陣列中的所有功率模塊平均負(fù)擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載，各并聯(lián)模塊皆為內(nèi)置冗余的智能型獨(dú)立個(gè)體，無(wú)需系統(tǒng)控制器對(duì)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(shè)計(jì)便會(huì)充分發(fā)揮效用，全面保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)最大程度的故障冗余，同時(shí)用戶(hù)還可根據(jù)需要選擇超過(guò)一次容錯(cuò)率的冗余。也就是說(shuō)客戶(hù)如果在一個(gè)系統(tǒng)中安裝了比能支持最大系統(tǒng)負(fù)載所需要的最少模塊還多X個(gè)模塊，那么就能夠在有X個(gè)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(shè)計(jì)概念全面優(yōu)化了“N+X”投資方案，客戶(hù)僅需購(gòu)置10KVA功率模塊，即可輕松實(shí)現(xiàn)X次故障冗余及升級(jí)擴(kuò)容。

2.3 可用性

新型模塊UPS具有超強(qiáng)的并聯(lián)功能，是高端UPS技術(shù)的領(lǐng)先技術(shù)，其平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的1.5倍，平均無(wú)重大故障時(shí)間(MTBCF)是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的3倍，平均修復(fù)時(shí)間(MTFR)傳統(tǒng)UPS為停機(jī)維修8小時(shí)，而POWER+在系統(tǒng)正常運(yùn)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(hù)功能和安全適用能力，確保系統(tǒng)本身和用戶(hù)設(shè)施負(fù)載受保護(hù)時(shí)間成倍提升。

2.4 熱扦撥性

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)在日常維護(hù)、設(shè)備維修期間均需采取轉(zhuǎn)旁路的工作方式，負(fù)載因此不受UPS保護(hù)。此時(shí)如果發(fā)生交流電源中斷、過(guò)載等故障，勢(shì)必造成負(fù)載電源供應(yīng)中斷或設(shè)備損壞。同時(shí)設(shè)備維修還需要經(jīng)過(guò)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(chǎng)+停電維修。為了解決類(lèi)似的可靠性瓶頸，新型模塊UPS采用了先進(jìn)的UPS模塊熱插拔技術(shù)，單體模塊可任意在線投入或退出并聯(lián)單元，無(wú)需停電操作，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)的在線維護(hù)，同時(shí)該操作無(wú)需專(zhuān)門(mén)的儀器和技術(shù)即可進(jìn)行。

通過(guò)熱插拔技術(shù)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(zhuǎn)旁路維修的技術(shù)難題，使維護(hù)超常簡(jiǎn)便，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了UPS隨意擴(kuò)展和冗余兩大性能，充分滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)際需求。

2.5 互動(dòng)性

模塊UPS具有功能強(qiáng)大的系統(tǒng)控制器。內(nèi)置完善的電源分析儀及多種通訊界面，其獨(dú)有的雙向互動(dòng)式監(jiān)控和自我測(cè)試功能，配備智能化監(jiān)控軟件(如GA公司的GeMSi)，可通過(guò)SMS、藍(lán)牙、局域網(wǎng)等不同界面與網(wǎng)絡(luò)管理員進(jìn)行雙向互動(dòng)溝通，使網(wǎng)絡(luò)管理員隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控(如圖3所示)，了解產(chǎn)品實(shí)時(shí)狀態(tài)。一方面實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中自我狀態(tài)的監(jiān)控，對(duì)一些異?，F(xiàn)象進(jìn)行預(yù)處理，使系統(tǒng)始終平穩(wěn)可靠運(yùn)行；另一方面實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理員和客戶(hù)可通過(guò)SMS、因特網(wǎng)、ICQ等更廣闊的監(jiān)控渠道與模塊UPS之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控，全面了解其運(yùn)作情況。如系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，亦同樣會(huì)將異常情況發(fā)送給客戶(hù)。若有關(guān)人員不在現(xiàn)場(chǎng)，將會(huì)在供電時(shí)間結(jié)束前自動(dòng)中止系統(tǒng)軟件的運(yùn)行程序，禁止用戶(hù)登錄、自動(dòng)存盤(pán)、保持現(xiàn)場(chǎng)等，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶(hù)發(fā)出警告信息，通報(bào)有關(guān)電源異常狀況?？蛻?hù)可根據(jù)POWER，發(fā)送的信息來(lái)判斷異常情況的緊急程度，以決定應(yīng)變措施。模塊UPS獨(dú)有的雙向互動(dòng)式監(jiān)控技術(shù)，可協(xié)助客戶(hù)靈便快捷地對(duì)系統(tǒng)危機(jī)做出即時(shí)處理，免除您的后顧之憂。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖

2.6 環(huán)保性

模塊UPS導(dǎo)入先進(jìn)的改良技術(shù)，可達(dá)到輸入總諧波失真(THD)只有5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)UPS可控硅整流器的33%(見(jiàn)圖4(a)(b)所示)，同時(shí)單位輸入功率因數(shù)PF=1。圖4(a)為無(wú)PFC電路時(shí)UPS輸入電壓/電流波形，而圖4(b)為加入PFC電路時(shí)UPS輸入電壓/電流波形。在線性負(fù)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(fù)荷和電源損耗，整機(jī)效率高達(dá)96%，大幅節(jié)省能源，見(jiàn)圖5(a)(b)所示。

新型模塊UPS不僅向用戶(hù)提供了安全實(shí)用的性能保障，其所擁有的先進(jìn)高端技術(shù)將領(lǐng)引UPS潮流倡導(dǎo)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(jī)

獨(dú)特的模塊UPS并機(jī)技術(shù)，多達(dá)5個(gè)機(jī)架并聯(lián)，提供500KVA系統(tǒng)容量；分散式靜態(tài)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，無(wú)需外加旁路柜；分散邏輯控制，排除以往中央并機(jī)控制單點(diǎn)故障的危險(xiǎn)；環(huán)型并機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)，確保并機(jī)通訊連接安全可靠；各并聯(lián)機(jī)架可配置不同數(shù)量的UPS模塊，異容量并機(jī)；機(jī)架并機(jī)加上模塊化技術(shù)，提升系統(tǒng)的擴(kuò)容性、安全系數(shù)和可靠性；所有模塊與標(biāo)準(zhǔn)POWER+系統(tǒng)通用。

2.8 實(shí)例

10kVA標(biāo)準(zhǔn)單機(jī)：多制性可設(shè)定為3/3、3/1、1/1；小型輕量化，機(jī)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(zhuǎn)換，聯(lián)機(jī)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(jì)時(shí)器RTC 具有備用電源；干接點(diǎn)為6；RS232 隔離；通訊界面為T(mén)CP/IP，PRS/SMS；內(nèi)部通訊為串列傳輸，具有隔離;事件記錄有255項(xiàng)；

顯示參數(shù)為負(fù)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(gòu)附件)；功率計(jì)測(cè)量輸出/輸入kW，kVA PF；對(duì)AC異常，DC異常，UPS模塊故障，系統(tǒng)旁路，電池測(cè)試異常，過(guò)載及系統(tǒng)溫度異常均可警報(bào)；計(jì)時(shí)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(luò)管理軟件、根據(jù)所連接的UPS系統(tǒng)單相/三相)，軟件會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。選項(xiàng)Wing，無(wú)線通訊界面，可通過(guò)主機(jī)監(jiān)控UPS電源系統(tǒng)。

3 關(guān)于97%模塊高效BUS電源開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)方案

當(dāng)今以高效率、低成本、高可靠性為模塊電源追求目標(biāo)，而往往基于中間母線技術(shù)的應(yīng)用。那末實(shí)現(xiàn)97%效率有利條件是什么？首先應(yīng)對(duì)中間母線的定義與優(yōu)勢(shì)給于說(shuō)明。

3.1 中間母線的定義與優(yōu)勢(shì)

3.11中間母線的定義

12V中間母線IBA(Intermediate Bus-Architecture)，開(kāi)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(shì)

① 性能：負(fù)載電壓規(guī)格多；電源與負(fù)載的隔離近；板上熱分布均勻。
② 成本：IBA具有較好的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著IC供電電壓下降和所需電流的增加，IBA的應(yīng)用得到推廣，相應(yīng)的BC和POL得到迅速發(fā)展。12V是增長(zhǎng)速度最快的輸入電壓，它是基于IBA和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)。

3.13中間母線分類(lèi)

① 特性：標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)穩(wěn)壓12v模塊；前饋技術(shù)半穩(wěn)壓12V模塊；開(kāi)環(huán)12V不穩(wěn)壓模塊。
② 分別對(duì)應(yīng)的應(yīng)用范圍：電信設(shè)備，帶電池的48V/60V系統(tǒng)及數(shù)據(jù)設(shè)備，有12V負(fù)載；電信設(shè)備，帶電池的的48V系統(tǒng)；電信設(shè)備，嵌入式FE系統(tǒng)及數(shù)據(jù)設(shè)備，無(wú)12V負(fù)載，直流不帶電池。
③ 分別對(duì)應(yīng)的電壓輸入范圍：36V-75V；36V-60V((核心電壓42V—58V)；48V±1%。
④ 分別對(duì)應(yīng)的穩(wěn)壓精度：12V/±4.5%；12V(±5%-±10%)；12V±10%。
⑤ 分別對(duì)應(yīng)的成本與可靠性：高、中、低；低、中、高。
⑥ 業(yè)界BUS的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)別己達(dá)97%。

3.2 實(shí)現(xiàn)97%效率有利條件是什么？

輸入電壓范圍窄：器件電應(yīng)力變化??；輸出開(kāi)環(huán)：可固定占空比；開(kāi)放式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：有利于風(fēng)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(shè)計(jì)思想與方案

3.31 設(shè)計(jì)思想

電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電路和器件成熟；保護(hù)功能齊全可靠。

3.32 設(shè)計(jì)方案

包括主電路拓?fù)洳捎猛仆祀娐?見(jiàn)圖6(a)所示)，副邊采用同步整流(見(jiàn)圖6(b)所示)，輸出無(wú)濾波電感，固定50%的占空比，采用開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通(ZVS)與零電流開(kāi)通(ZCS)。

① 推挽電路的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路為IC直接驅(qū)動(dòng)，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(qū)動(dòng)方案：低電壓驅(qū)動(dòng)MOSFET，能降低驅(qū)動(dòng)損耗1/3；為外驅(qū)同步整流能滿(mǎn)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(kāi)關(guān)器件與CT采樣及厚銅PCB。而工藝方案至關(guān)重要，應(yīng)考慮電路布局的對(duì)稱(chēng)性和發(fā)熱的均勻性及散熱的高效性?！?/p>