電源是以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的產(chǎn)品，電源是在電力電子應(yīng)用技術(shù)上發(fā)展而來，具體的說電源產(chǎn)品是電力電子應(yīng)用技術(shù)的具體產(chǎn)品體現(xiàn)。UPS(UninterruptiblePowerSystem)，即不間斷電源，是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件、穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備，是電力電子設(shè)備中重要組成成員[1]。主要用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。
UPS電源系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)是指依托先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、高頻開關(guān)變換技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、冗余并機(jī)技術(shù)、智能充放電技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和新工藝技術(shù)等的一門綜合技術(shù)。
1UPS的工作原理和操作方式
1.1典型的UPS系統(tǒng)框圖如圖1所示
它的基本結(jié)構(gòu)是一套將交流市電變?yōu)橹绷麟姷恼髌骱统潆娖鳎约鞍阎绷麟娫僮優(yōu)榻涣麟姷哪孀兤鳎铍姵卦诮涣麟娬９╇姇r(shí)貯存能量且維持在一個(gè)正常的充電電壓上，一旦市電供電中斷時(shí)，蓄電池立即對(duì)逆變器供電以保證UPS電源交流渝出電壓。[3]
圖1典型的UPS系統(tǒng)框圖
1.2UPS的三種操作方式
第一：后備式
當(dāng)UPS電源處于市電正常供電時(shí),由市電直接向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供電源，當(dāng)市電供電中斷時(shí)，電池才對(duì)逆變器供電,并由UPS電源的逆變器對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供交流電源。也就是說，UPS電源的逆變器總是處于對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供后備供電的狀態(tài)。
第二：在線式
它平時(shí)是由市電經(jīng)由整流器、逆變器對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供電源。只有當(dāng)蓄電池放電完畢時(shí),才由內(nèi)部控制線路發(fā)出信號(hào)控制自動(dòng)切換環(huán)關(guān),轉(zhuǎn)換成市電供電。因此，對(duì)在線式UPS電源而言，在正常情況下，它總是由UPS電源的逆變器對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電。這種方式的特點(diǎn)是：消除了來自市電電網(wǎng)的任何電壓波動(dòng)等干擾對(duì)負(fù)載的影響，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的無干擾穩(wěn)壓供電。
第三：在線互動(dòng)式
當(dāng)UPS工作正常時(shí)，繼電器的控制繞組被激勵(lì)，觸點(diǎn)打到電壓調(diào)整那一端，輸出電壓；當(dāng)出現(xiàn)輸出過載、短路或者UPS本身故障的時(shí)候，觸點(diǎn)打到旁路，直接與市電接通。逆變器始終處于工作狀態(tài)，與后備式UPS相比來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，其交流輸出電壓穩(wěn)定性好，充電器由雙向變換器組成，充電效果讓人不十分滿意，不宜作長延時(shí)的。市電供電時(shí)，后備式和在線互動(dòng)式只有一個(gè)變換器在工作；在線式有兩個(gè)變換器同時(shí)工作。另外，后備式和在線互動(dòng)式在調(diào)壓環(huán)節(jié)和電池工作模式時(shí)的輸出波形不同，前者是準(zhǔn)方波，后者輸出則為正弦波。
2UPS電源的分類
2.1按照UPS功率大小分類
UPS電源系統(tǒng)按其應(yīng)用的功率可分為：大、中、小三個(gè)分區(qū)類別。
小功率UPS電源系統(tǒng)定義為：功率小于3kVA的UPS電源產(chǎn)品；中等功率UPS電源系統(tǒng)定義為：大于等于3kVA同時(shí)小于10kVA的UPS電源產(chǎn)品；大功率UPS電源系統(tǒng)定義為：大于或等于10kVA的UPS電源產(chǎn)品。
從不同的功率段劃分UPS產(chǎn)品與技術(shù)情況都有：
功率（P）＜3KVA產(chǎn)品：小于3KVA的產(chǎn)品主要包括500VA－2KVA的后備式、互動(dòng)式UPS，以及1－2KVA的在線式UPS。這一功率段的UPS由于技術(shù)門檻比較低，市場競爭激烈，從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例一直存在小幅下降的趨勢。
3KVA≤功率（P）＜10KVA產(chǎn)品：這一功率段的UPS主要是在線式產(chǎn)品，以及少量的3KVA后備式、互動(dòng)式產(chǎn)品，涉及的技術(shù)相對(duì)復(fù)雜些，產(chǎn)品的質(zhì)量控制有一定的難度，除了國外品牌產(chǎn)品外，國內(nèi)的中大規(guī)模的UPS廠家有這一功率段的產(chǎn)品。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例相對(duì)穩(wěn)定。
10KVA≤功率（P）＜50KVA產(chǎn)品：這一功率段的UPS是在線式產(chǎn)品，涉及的技術(shù)比較復(fù)雜，產(chǎn)品的質(zhì)量控制有相當(dāng)?shù)碾y度，除了國外品牌產(chǎn)品外，國內(nèi)中等以上規(guī)模的UPS廠家才有這一功率段的產(chǎn)品。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例相對(duì)穩(wěn)定，略有上升。
功率（P）P≥50KVA產(chǎn)品：這一功率段的UPS是在線式產(chǎn)品，涉及的技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，產(chǎn)品的質(zhì)量控制需要較高的水平和綜合實(shí)力，除了國外品牌產(chǎn)品外，國內(nèi)只有極個(gè)別的上規(guī)模UPS廠家才有這一功率段的產(chǎn)品。從國內(nèi)和國際市場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，這部分產(chǎn)品的市場銷售額比例穩(wěn)步上升。
2.2按照UPS應(yīng)用領(lǐng)域分類：
UPS電源系統(tǒng)按其應(yīng)用領(lǐng)域可分為：信息設(shè)備用UPS電源系統(tǒng)設(shè)備和工業(yè)動(dòng)力用UPS電源系統(tǒng)設(shè)備二個(gè)大類別。
第一類信息設(shè)備用UPS電源系統(tǒng)設(shè)備。近幾年來UPS電源系統(tǒng)在IT行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，被人們譽(yù)為計(jì)算機(jī)信息的保護(hù)神。在世界邁進(jìn)信息時(shí)代之后，信息的安全問題已經(jīng)被人們廣泛關(guān)注，因此，在這種時(shí)代背景中，UPS的發(fā)展趨勢引起業(yè)界的高度重視是順理成章的。信息化通信UPS電源系統(tǒng)主要應(yīng)用于：信息產(chǎn)業(yè)、IT行業(yè)、交通、金融行業(yè)、航空航天工業(yè)等計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心等的安全保護(hù)問題。UPS電源作為計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心等的重要外設(shè)，在保護(hù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、保證電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定、改進(jìn)電網(wǎng)質(zhì)量、防止瞬時(shí)停電和事故停電對(duì)用戶造成的危害等方面是非常重要的。
第二類工業(yè)動(dòng)力用UPS電源系統(tǒng)設(shè)備。工業(yè)動(dòng)力UPS電源系統(tǒng)設(shè)備主要應(yīng)用于：工業(yè)動(dòng)力設(shè)備行業(yè)電力、鋼鐵、有色金屬、煤炭、石油化工、建筑、醫(yī)藥、汽車、食品、軍事等領(lǐng)域，作為所有電力自動(dòng)化工業(yè)系統(tǒng)設(shè)備、遠(yuǎn)方執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)備、高壓斷路器的分合閘、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、信號(hào)裝置等的交、直流不間斷電源設(shè)備，保證工業(yè)自動(dòng)化動(dòng)力供給的可靠性。工業(yè)動(dòng)力用不間斷電源是不間斷電源產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品，涉及大功率(可能達(dá)到兆瓦級(jí))能量變換的電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、交流電源并聯(lián)冗余技術(shù)、有源諧波抑制技術(shù)、大功率產(chǎn)品制造技術(shù)等。顯然，一般的電源企業(yè)無法進(jìn)入該領(lǐng)域，只有已經(jīng)擁有大功率電力電子技術(shù)和系列產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)能力，并積累相應(yīng)工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，才能做好工業(yè)動(dòng)力不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、市場服務(wù)。傳統(tǒng)UPS廠家在這些地方采用的UPS電源往往是具備適應(yīng)工業(yè)自然環(huán)境的UPS電源產(chǎn)品，而不是適應(yīng)工業(yè)電氣環(huán)境、感性動(dòng)力負(fù)載特性的真正工業(yè)動(dòng)力設(shè)備用不間斷電源。
3UPS電源中的新技術(shù)
近年來，隨著IT產(chǎn)業(yè)的復(fù)興、通訊產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，以及各行各業(yè)對(duì)于大容量數(shù)據(jù)機(jī)房的巨大需求，UPS的使用量越來越大，對(duì)于UPS的技術(shù)要求也越來越高。同時(shí)，配套產(chǎn)業(yè)以及器件的發(fā)展給UPS的技術(shù)發(fā)展帶來了機(jī)遇。新型磁性元器件、新型半導(dǎo)體功率器件、新一代數(shù)字信號(hào)處理器等層出不窮，這些都讓UPS的技術(shù)水平達(dá)到了前所未有的高度。
3.1新器件的應(yīng)用
近年來隨著鐵磁技術(shù)的飛速發(fā)展，工程師在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)的材料可選擇性大大提高。在開關(guān)電源、電感、扼流圈以及濾波器的設(shè)計(jì)方面，最常用的材料包括MPP(鉬坡莫合金)、HighFlux(高磁通磁芯)、Sendust(鐵硅鋁)以及鐵粉芯磁芯，針對(duì)不同的應(yīng)用場合，每種材料都有各自的特點(diǎn)。
粉芯材料磁芯是由高磁導(dǎo)率材料經(jīng)過研磨或者噴霧造粒形成粉末，磁芯的磁導(dǎo)率取決于高磁導(dǎo)率材料微粒的尺寸和密度大小，調(diào)整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁導(dǎo)率的磁芯。微粒尺寸越小，直流偏置特性越好，但是成本越高。粉末微粒之間彼此絕緣，因此磁芯固有的分布?xì)庀毒哂懈玫膬?chǔ)能能力，特別適合在儲(chǔ)能電感中應(yīng)用。
粉芯的分布式氣隙特性確保能量儲(chǔ)存在整個(gè)磁芯體中，這就使得磁芯的溫度穩(wěn)定性較高。而傳統(tǒng)開氣隙的鐵氧體磁芯由于能量儲(chǔ)存在氣隙附近，漏感較大，使得氣隙損耗和電磁干擾都明顯增加，有時(shí)局部氣隙損耗甚至比磁芯本身的損耗還大，因此磁芯的溫度穩(wěn)定性不太穩(wěn)定。優(yōu)化磁芯的原則是選擇能夠滿足所有的設(shè)計(jì)目標(biāo)需求的同時(shí)，具有最小折衷的材料。如果成本是首要考慮因素，鐵粉芯是最佳選擇。如果溫度穩(wěn)定性是優(yōu)先考慮因素，那么應(yīng)首選MPP磁芯。
伴隨著上述新材料的應(yīng)用，UPS中以往廣泛使用的硅鋼類電感、變壓器將有機(jī)會(huì)得到替換。從而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平，UPS系統(tǒng)的功率密度以及性能也將由此而得到提高。
作為UPS中的重要功率器件，IGBT以及SCR器件近年來也得到了極大的發(fā)展，各大廠商針對(duì)UPS的發(fā)展需要提出了大量的解決方案。
三電平IGBT模塊給UPS的高頻整流器、逆變器帶來了前所未有的機(jī)遇，從而為三電平技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如圖2所示。以往構(gòu)建三電平系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者需要使用分立的器件來搭建，性價(jià)比和系統(tǒng)穩(wěn)定性都得不到保障，因此三電平技術(shù)一直未得到大規(guī)模的應(yīng)用。這種IGBT模塊將所有的器件集成在一起，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了可靠性，給這種技術(shù)在UPS中的應(yīng)用帶來了機(jī)會(huì)。三電平技術(shù)的應(yīng)用可以大大降低磁性元器件的使用量，提高系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，提高系統(tǒng)的功率密度，降低成本。
圖2三電平IGBT模塊
一些器件廠家針對(duì)電力電子系統(tǒng)的散熱需求，給出了一些很好的解決方案。圖3為新一代的大功率水冷IGBT模塊，可以看出其散熱器的用量明顯降低。并且，通過水冷技術(shù)的使用，系統(tǒng)的功率密度明顯提高，噪聲大大降低，熱性能得到提高，可靠性較以往的風(fēng)冷技術(shù)也得到了較大的提升。
圖3大功率水冷IGBT模塊
另外，一些半導(dǎo)體工業(yè)的最新器件，例如SiC、ESBT、JFET等，也將逐漸地在UPS產(chǎn)品中得到應(yīng)用，在提升各個(gè)子系統(tǒng)性能的同時(shí)，提升UPS系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。
在UPS控制部分，隨著DSP、FPGA等數(shù)字化芯片的推廣應(yīng)用，以往大量使用的分立元器件將大大減少，從而簡化了電路板，提高了可靠性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性，并且降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的性能。
3.2新電路拓?fù)涞膽?yīng)用
近年來，世界各國電力電子機(jī)構(gòu)都不斷地推出新的UPS拓?fù)浼夹g(shù)。很多拓?fù)浼夹g(shù)都得到了應(yīng)用，從根本上給UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了革命。上述的三電平結(jié)構(gòu)就是其中之一。
圖4的Z-Source變換器為近年來的研究成果之一。利用Z型無源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)載的耦合，可靈活地獲得升/降直流電壓。與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)降壓級(jí)聯(lián)電路相比較，阻抗源整流器不需在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖中加死區(qū)，減少了輸入電流波形的畸變，而且具有效率高、電路體積小等優(yōu)點(diǎn)。其靈活的升降壓特點(diǎn)，為燃料電池等新能源在UPS中的應(yīng)用提供了契機(jī)。
圖4Z-Source變換器
九開關(guān)變換器較以往的三相四線PFC整流器和三相四線逆變器相比，使用的開關(guān)管數(shù)量減小了，從而降低了系統(tǒng)的造價(jià)，如圖5所示。另外，通過現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用，其性能有望能達(dá)到現(xiàn)有PFC整流器和逆變器的水平。
圖5九開關(guān)變換器
新型開關(guān)單元變換器具有提高輸入輸出等效開關(guān)頻率，降低電感量需求，提高并聯(lián)均流效果等優(yōu)勢，也將給UPS的整流器和逆變器拓?fù)鋷頇C(jī)會(huì)，如圖6所示。
圖6新型開關(guān)單元變換器
在通訊電源、DC/DC變換器等領(lǐng)域，軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在UPS上這一技術(shù)的應(yīng)用可以降低功率器件的損耗，提高可靠性，提高系統(tǒng)效率，提高EMC/EMI性能。圖7給出了一種可以應(yīng)用在中大功率UPS中的軟開關(guān)拓?fù)洌珹RCP(AuxiliaryResonantCommutatedPole)結(jié)構(gòu)。
圖7ARCP軟開關(guān)變換器
3.3新系統(tǒng)解決方案的應(yīng)用
隨著水冷、液冷等技術(shù)在其他電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用普及，UPS也即將進(jìn)入此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
從圖8可以看出，左側(cè)的傳統(tǒng)風(fēng)冷功率模塊占地面積大、體積大、金屬用量多、功率密度低，而右側(cè)的液冷模塊就可以解決上述這些缺點(diǎn)。在當(dāng)今的高端機(jī)房中，功率密度的要求已經(jīng)越來越高，對(duì)于單機(jī)的容量需求越來越大，給UPS提供的安裝空間卻越來越小。因此，研制出體積小、單機(jī)容量大的產(chǎn)品勢在必行。
圖8新型液冷功率模塊
PFC整流器技術(shù)在中大功率UPS中也得到了廣泛的應(yīng)用，200kVA以下的UPS很多廠商都已經(jīng)推出了PFC整流的產(chǎn)品。相對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的6脈沖或者12脈沖整流器，PFC整流帶來的技術(shù)優(yōu)勢是顯而易見的，提高了輸入功率因數(shù)，降低了UPS輸入側(cè)的電流諧波，使UPS實(shí)現(xiàn)了綠色化的理念。在不久的將來，PFC整流將有機(jī)會(huì)往更大功率等級(jí)上發(fā)展。
大功率PFC整流器結(jié)構(gòu)，如圖9所示，一些國外廠家已經(jīng)開始嘗試將其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流對(duì)于提高大型UPS系統(tǒng)性能、降低造價(jià)、提高可靠性等方面都具有非常大的積極意義。
圖9大功率PFC整流器結(jié)構(gòu)
3.4其他行業(yè)技術(shù)的嵌入應(yīng)用
現(xiàn)代的UPS供電系統(tǒng)已經(jīng)融合應(yīng)用了其他行業(yè)的大量技術(shù)。移動(dòng)通信以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式應(yīng)用，使得用戶可以實(shí)時(shí)地對(duì)分布于全球的UPS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。先進(jìn)的電池檢測技術(shù)可以檢測到每塊電池的健康狀況并給出預(yù)測報(bào)警。先進(jìn)的故障檢測與預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)測出UPS中各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，給出分析報(bào)告，防患于未然，提高系統(tǒng)可靠性和可用性。[4]
4結(jié)束語
作為信息設(shè)備的守護(hù)神，UPS系統(tǒng)承載著巨大的責(zé)任。大量的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)著其技術(shù)不斷革新?lián)Q代。可以預(yù)見，隨著金融、通訊、IT等高端市場需求的不斷增長，更多、更廣泛的新技術(shù)將應(yīng)用到UPS系統(tǒng)中去，UPS系統(tǒng)將朝著智能化、大型化、綠色化、節(jié)能化等方向不斷發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1].石磊.UPS電源技術(shù)及發(fā)展[J].電氣開關(guān),2009,(1):8～12.
[2].張宜劍.談?wù)勎覈鳸PS電源市場發(fā)展前景[J].硅谷,2009,(1):22.
[3].中小型UPS電源的工作原理及其應(yīng)用.http://www.weixiu8.com/article/view_2306.html
[4]Brain.中大功率UPS電源新技術(shù)展望[J].UPS應(yīng)用,2009,（3）:52～55.
