從UPS電路拓撲看在線式UPS的性能優勢

2019-11-03 09:57:29

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　　銀行證券、通信、工業自動化生產線、辦公自動化、醫療、甚至物業管理的需要，特別是隨著Internet高速發展和信息化、網絡化建設步伐的加快，數據安全成為各行業普遍關注的問題，作為計算機和網絡等保護神的UPS(Uninterruptible Power System)不間斷電源的需求量日益增加。UPS保護計算機等設備不受損壞，更重要是保證數據不丟失。盡管UPS的整體技術性能得到了長足發展，但由于價格因數及不同等級網絡的需求不一樣，致使當前中國市場上的UPS品牌多達幾十種，每個品牌的商家都通過各種媒體廣告來宣傳自己的UPS的優點。本文根據UPS的電路拓撲，來客觀地分析各種UPS的技術性能。

　　根據UPS的電路拓撲和工作原理，UPS有多種形式，可大致分為三類：后備式、在線互動式、雙變換式。設計者根據成本、要達到的性能指標、應用場合決定采用何種方式。

一、后備式UPS

　　后備式UPS，又稱離線式(off line),新標準IEC62040-3規定為被動后備式(passive standby)。具有Back 或Back up、Standy by等字眼的一般均為后備式UPS。后備機的容量一般在2KVA以下。

　　后備式UPS運行原理：市電正常時，它向負載提供的電源是對市電電壓稍加穩壓處理的"低質量"正弦波電源，逆變器不工作，蓄電池由獨立的充電器充電。當市電超出規定范圍時，負載由繼電器轉為電池逆變供電。見圖1。

圖 1 后備式UPS框圖

　　若對市電進行了調壓AVR(自動電壓調節,一般只是變壓器簡單抽頭調壓)，則負載獲得的電壓是由市電進行了一定范圍的穩壓，廠商稱為back-AVR UPS。

　　根據逆變器的輸出波形不同，后備式又分為正弦波輸出UPS和方波輸出UPS。方波UPS不能帶日光燈、磁帶機等感性負載，感性負載會導致方波的上升沿或下降沿尖峰干擾的峰值急劇增大，容易損壞UPS或負載。但因方波后備式UPS的價格便宜而被廣大非重要負載等終端設備及家庭使用。

　　后備式的技術及產品都較成熟，技術上講可靠性是最高的。一般采用12VDC/7AH電池一節或兩節、推挽工作方式、工頻變壓器升壓、繼電器轉換。

二、在線互動式UPS

　　在線互動式UPS在市電正常時，供給負載為改良了的市電，市電故障時，負載完全由電池逆變供電。

1、典型在線互動式

　　在線互動式UPS在市電正常時，供給負載為改良了的市電，市電故障時，負載完全由電池逆變供電。　　在線互動式(line-interactive)UPS中有一個雙向變換器(bidirectional converter)，既可以當逆變器使用，又可作為充電器。所謂在線是指輸入市電正常時逆變器處于熱備份狀態而作為充電器給電池充電。在線互動式又稱線路交叉式、三端口式。圖2為一個典型的在線互動式拓撲。

　　圖中交流輸入端Li-N為第一端口，雙向變換器繞組7-8為第二端口，輸出電壓端Lo-N為第三端口。當輸入市電在規定范圍內變化時，UPS通過調整變壓器的抽頭來大致穩定輸出電壓。當需要進行抽頭調整時，首先啟動雙向變換器處于逆變工作狀態，再進行抽頭換接，待抽頭換接完畢后，停止雙向變換器的逆變工作狀態，進入充電狀態，這時輸出由市電供電。

　　圖2中在橋臂的每個開關管上反并聯了二極管，有兩個作用：一是功率管截止時續流用，使變壓器漏感產生的反電動勢有回路；二是這四只二極管又可以組成一個全波整流器，在逆變器S1-S4不工作，市電向負載供電的同時，雙向變換器繞組作為主變壓器T的次級繞組7-8有電壓存在，這個電壓經D1-D4整流后向電池組充電。只要電池組不工作，充電過程就一直進行。

　　在線互動式省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強的多，當要求長延時供電時，無須再增加機外充電設備；如果需要對輸入輸出進行電氣隔離，則可改變壓器自偶式為隔離式。這種拓撲與雙變換式相比，由于沒有經過兩次變換，其功率損失明顯低于雙變換機，因而效率高，可達95%以上；在市電供電時過載能力強可達200%；不帶PFC的雙變換式由于采用可控硅(或二極管)整流，即使負載為線性負載，也會對市電產生較強的諧波電流，但互動式在帶線性負載時不會對市電產生污染。這種拓撲的缺點是：

　　在市電供電時，輸出電壓只是幅度有改善，輸入的失真、干擾等傳遞給了輸出；

　　動態性能不好，在輸入電壓或負載電流突變時，輸出電壓突變較大，恢復到新穩態所需時間長；

　　穩壓精度較差；對電網適應范圍窄，如要提高精度和適應范圍，則必須增加變壓器抽頭數；

　　UPS的輸入功率因數由負載決定，如帶計算機等整流性負載時，其輸入功率因數也只有0.7左右；

　　當雙向變換器作充電器使用時，其充電電壓和電流不可控，大大地降低了電池的使用壽命。

圖3 帶補償的在線互動式(DELTA技術)

2、Delta技術串并聯補償式

　　圖3電路拓撲采用Delta逆變技術，該拓撲一般用于三相大功率UPS中，這種雙變換電路拓撲把交流穩壓技術中的電壓補償原理應用到UPS的主電路拓撲中。在主調壓的基礎上，再疊加一個可大可小、可正可負的電壓，來彌補UPS輸出電壓與輸入市電的差異。使UPS拓寬了市電輸入范圍，提高了輸出穩壓精度。

　　變換器Ⅰ：它是一組DC-AC和AC-DC雙向變換器，它的輸出變壓器的付邊串聯在UPS主電路中，其作用有三個：

　　對UPS輸入端進行輸入功率因數補償，使輸入功率因數等于1，輸入諧波電流降到3%以下。是個正弦波電流源；

　　當市電存在時，與變換器Ⅱ一起，完成對輸入電壓的補償，當輸入電壓高于輸出電壓額定值時，逆變器Ⅰ吸收功率，反極性補償輸入輸出電壓的差值；當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，逆變器Ⅰ輸出功率，正極性補償輸入輸出電壓的差值，是串聯補償；變換器承擔的最大功率(當輸入電壓處于上限和下限時)僅為輸出功率的20%(相當于輸入電壓變化范圍)，所以功率強度很小(1/5)，功率余量大，這就大大增強了UPS的輸出能力，與雙變換在線式相比，過載能力增強(200%,1分鐘)，不再對負載電流波峰系數予以限制，可從容地對付沖擊性負載，不再對負載功率因數進行限制，輸出有功功率可以等于標定的kVA值。

與變換器Ⅱ一起完成對電池的充電和浮充功能。

變換器Ⅱ：該變換器同樣是DC-AC和AC-DC雙向變換器，它的功能有四個：

同變換器Ⅰ一起，完成對輸入輸出電壓差值的補償；

同變換器Ⅰ一起完成對電池的充電和電壓浮充功能；

　　隨時監測輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，是個電壓源，并對負載電流諧波成份進行補償，使其不對電網產生影響，是并聯補償；

　　當市電掉電時，全部輸出功率由Ⅱ給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉換時間為零。當負載電流發生畸變時，也由變換器Ⅱ調整補償掉。

　　在市電存在時，由于兩個逆變器承擔的最大有功功率僅為輸出功率的1/5左右，所以整機效率在很大的功率范圍內都可達到96%。在市電存在的情況下(一般來說，UPS連續運行時間的99%以上是有市電的)，變換器功率強度僅為設計值(變換器Ⅱ)的1/5，所以元器件乃至整機的壽命和可靠性必然大幅度提高。這種拓撲的缺陷：在市電存在時，變換器Ⅰ承擔的最大有功功率為額定的20%左右，但兩個變換器承擔的無功功率可能為輸出功率的1倍。效率是個可變量，只有市電輸入為額定值，負載為線性負載時，效率才達到最高值。而UPS的絕大部分負載為功率因數僅為0.65左右的計算機負載！

　　盡管輸入有兩只可控硅隔離，當輸入停電甚至出現短路時，相當于DELTA變換器的負載出現過載或短路將會斷電，DELTA變換器將進入保護狀態，若保護失效，則故障將是毀滅性的，事實上，電網停電或短路時有發生，相比之下，雙變換式卻不會出現此現象。當然對于大功率UPS來說，加強控制和保護，DELTA技術UPS 具有優勢。

三、在線式雙變換UPS

　　信息設備對電源的要求越來越高，后備式、互動式供電指標都不及在線式。所謂在線式，是指不管電網電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態。所謂雙變換是指UPS正常工作時，電能經過了AC/DC、DC/AC兩次變換供給負載。當然為了提高系統的可靠性，在線式雙變換UPS一般增加了自動旁路電路。小功率采用繼電器轉換便能滿足要求，而大功率一般為采用可控硅(SCR)方式的靜態開關，在過載或雙變換電路部分故障時負載由旁路供電，這是非正常工作狀態，這種情況出現概率比電網不正常概率小得多。功率較大的UPS在此基礎上還增加手動旁路(維修開關)，用于維修時保證負載繼續運行。

1、傳統的在線式雙變換UPS

　　雙變換在線式是UPS正常工作時，電能經過了AC/DC、DC/AC兩次變換。圖4中AC/DC采用全波整流濾波電路，整流又有SCR全控整流、半控整流及不控整流。可控硅(SCR)整流一般在中大功率UPS中運用，技術相當成熟，SCR工作在低頻，控制簡單，運行穩定可靠，效率高，整流器造價低。而對于小功率UPS來說，則將220VAC直接整流整流濾波，則更簡單、更可靠、成本更低，但UPS穩壓的作用只有完全由逆變器DC/AC來完成。

　　這種拓撲輸入功率因數低，一般為0.7左右，輸入電流諧波大，最大達30%，改用12相整流(三相輸入)或加輸入濾波電感，輸入功因可提高到0.9左右，諧波電流降到10%以下。輸入功率因數低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流污染市網，以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流在外電網沿路阻抗上形成脈動電壓疊加在電網電壓的正弦波上，造成電壓失真，這就是所謂電力公害，使由同一電網供電的變壓器、電動機等產生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化；高次諧波對通信線路、測量儀器產生輻射干擾；影響電表計算精度。

圖 4 傳統的在線式雙變換UPS拓撲

　　圖4中電池一般采用16個*12V=192V，通過二極管或可控管與市電整流濾波輸出端接一起叫直流母線(BUS)。當整流后的電壓低于電池電壓時，則電池供電。逆變橋一般由600V的IGBT構成，IGBT一般工作在20KHZ左右的SPWM狀態。變壓器T2具有電氣隔離、升壓、以及其漏感的濾波作用，也有在T2的初級側串接隔直電容，防變壓器飽和電流大損害功率器件。如想拓寬輸入電壓范圍，可在輸入整流前加一個自動穩壓裝置AVR。當三相輸入時，則在輸入端接一個Y/△型工頻變壓器，同樣適用上述電路。

2、帶APFC的雙變換式UPS

　　采用電感等無源PFC電路，體積大，抑制高次諧波效果差。圖5所示對輸入進行了有源功率因數校正APFC(Active Power Factor Correction)，比較典型的采用UC3854控制的BOOST拓撲，平均電流控制模式，具有較好的校正效果，PF值能達到0.99，輸入電流諧波THD小于5%。同時一般在輸入160-270V均有較好的穩壓效果，也很容易做到輸入120-160V時能工作，但必須降載使用(33%-50%負載)。

　　圖5中電池采用20節至24節12V電池居多，電池BOOST升壓與交流PFC的輸出電壓一般為380VDC，供給逆變橋。開關管S和二極管D5處于硬開關狀態，當S開通時，電流上升、電壓下降同時進行，S關斷時，電流下降、電壓上升同時進行，于是存在開關損耗；當開關管硬關斷時，感性元件感應出較高的尖峰電壓，易造成開關管高壓擊穿；二極管由導通變為截止時，存在反向恢復時間，易造成直流電源瞬間短路。為了解決上述問題，特別在大功率應用中，采用UC3855控制的ZVT-PFC拓撲。

3、ZVT-PFC軟開關功率因數校正

　　UC3855是一種能實現零電壓轉換的高功率因數校正器的芯片，采用零電壓轉換電路，一個主輸出驅動和一個ZVT驅動。由于采用軟開關技術，可以極大地減少二極管的反向恢復時間和主管的開關損耗，從而具有低電磁輻射和高效率的特點。圖6是ZVT-PFC電路原理圖，S為主開關管，S1、Lr、Cr、D6構成諧振回路。輔助開關S1先于主開關S導通，Cr電容上電壓(即主開關管上)諧振下降到零，創造主開關管零電壓導通條件。在輔開關管導通時,二極管D5電流線性下降到零，二極管D5實現零電流截止。UC3855控制的ZVT-PFC具有啟動電流低、全負載范圍功率因數均較好、電磁輻射小等優點。但在輸入電壓高時存在電流低頻振蕩現象。也可以采用UC3854及外加輔助電路實現ZVT-PFC。

4、雙隔離的雙變換式UPS

　　在圖4、圖5電路拓撲中，當系統處于旁路狀態時，輸入電壓的干擾是直接傳輸給了輸出，圖7所示采用雙隔離變壓器，可以徹底隔離逆變和旁路輸入干擾對輸出的影響，同時可以使輸出的零地(N、G)電壓低于1V，在計算機網絡中可以減小傳輸誤碼率和提高傳輸速度。但雙隔離變壓器的增加導致重量和成本的提高。

圖 5 帶APFC的雙變換UPS拓撲

5、全高頻、單PFC、半橋式UPS

　　圖8是小功率(1～3KVA)高頻在線式UPS常見的一個電路，S1的控制芯片一般是UC3854。電路的工作原理如下：

(1)輸入正半周：Ui(L)→L1→D1→S1→D4→Ui(N) 電感儲能

(2)Ui(L)→L1→D5→C1→Ui(N) 電感釋能，電容C1充電

(3)輸入負半周：Ui(N)→D2→S1→D3→L1→Ui(N) 電感儲能

(4)Ui(N)→C2→D6→L1→Ui 電感釋能，電容C2充電

(5)C1、C2、S2、S3組成逆變半橋，L2、C3組成高頻濾波電路。

圖 6 ZVT-PFC拓撲

　　當輸入市電在規定范圍內時，經PFC BOOST升壓得到雙母線(BUS)電壓±380V左右，因輸出220V正弦波的峰值為311V加上考慮調制比及死區原因。出于經濟方便考慮，小功率(1～3KVA)高頻在線式UPS的電池電壓從36～120VDC不等，電池低壓經DC/DC升壓變換至±375VDC，送到雙BUS母線上。當市電輸入超過規定范圍時，退出PFC工作，一旦電容C1、C2上雙BUS電壓由±380VDC降到±375VDC時，電池開始供電。因此停電與復電，對輸出電壓來說不存在轉換時間。

　　AC/DC變換部分高頻化提高了UPS的輸入功率因數(0.98以上)及輸入電壓范圍(±20%以上)，DC/AC逆變部分高頻化高頻化減少了輸出濾波電感的體積，功率密度大。由于無輸出隔離變壓器，零地(L、N)電壓受到供電電網及負載的影響而較高，影響計算機網絡的傳輸速度；一旦逆變上橋臂的IGBT被擊穿短路，BUS母線高電壓將加到負載上，將危及負載的安全。因此，高頻機如果能加上輸出隔離變壓器，性能將高于傳統的雙變換機。

圖 7 雙隔離的雙變換式UPS拓撲

6、帶雙功率因數校正的全高頻UPS

　　在5～10kVA高頻UPS中，一般采用雙功率因數校正(BOOST PFC)，見圖9。雙功率因數校正技術性能與單功率因數校正原理差不多，只是可把功率做的更大。市電正常供電時UPS工作過程：

(1)輸入正半周時：L→V1→L1→S1→N 電感儲能

(2)L→V1→L1→D5→C1→N 電感續流，電容充電

(3)輸入負半周時：N→S2→L2→V2→L 電感儲能

(4)N→C2→D6→L2→V2→L 電感續流，電容充電

電池工作時：

(1)BAT+→V3→L1→S1→S2→L2→BAT- S1、S2均通，電感儲能

(2)BAT+→V3→L1→S1→C2→D6→L2→BAT- S1通、S2止，電感L1儲能，電容C2充電

(3)BAT+→V3→L1→D5→C1→C2→D6→L2→BAT- S1止、S2止，電容C1充電，電容C2充電

(4)BAT+→V3→L1→D5→C1→S2→L2→BAT- S1止、S2通，電容C1充電，電感L2儲能

圖8 采用半橋小功率在線UPS

圖9 雙PFC半橋式全高頻UPS拓撲

四、結束語

　　從上面對各種UPS電路拓撲的分析可以看到，在線式UPS的可靠性最好，它可以全面解決電網的各種問題，包括市電斷電、電網浪涌、高壓尖脈沖、暫態過電壓、電壓跌落、頻率漂移、雜波干擾等等。提供給負載的電能是各種電路拓撲中最純凈的、最安全的。 UPS特別是中小功率在線式UPS高頻化后具有體積小，功率密度高，動態響應快等優點，在增加了DSP控制及保護措施之后，電氣性能指標、智能化自診斷與監控水平、可靠性等也將大大提高，能全面解決電源所有問題。

摘自《國際電源商情》

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