原创 谈UPS的发展动向

作为计算机及其他电子设备网络的保护神UPS，现在已深入人心，各行各业甚至有些家庭都用它来作为供电的保证，UPS市场相当活跃。UPS的不间断供电只是它的功能之一，另外它还可以将不稳定的市电进行稳定，可以将市电中的各种杂波衰减或消除，带隔离变压器的UPS还可将市电与负载隔离及缓冲等。它可以作为计算机网络的有机组成部分，实现无人值守，故障时自动报警、拨号和打寻呼等。当前的UPS 大都已脱出了“停电保 ”的单一功能。

    随着UPS的普及，除上述功能外，各种用户对其他功能的要求也越来越多，尤其是对输入功率因数、市电电压利用率、整机效率、带载能力和过载能力等等又提出了更高的要求。使得各类UPS不得不从结构原理上作进一步的拓扑。

    目前市场上UPS的品牌有上百个之多，性能也各有千秋。不论什么品牌，根据目前的技术水平，大部分都可满足基本指标的要求：比如不停电切换、输入输出电压稳定度、输出频率稳定度、R232接口、联网能力和无人值守等等。不管品牌如何之多，从电路结构上可归纳为下面几类：

1.双变换电路

(1)传统式双变换结构

    这是一种目前应用历史最长，性能最好的一种UPS。它的特点是除整流器和逆变器外，尚有输出隔离变压器，可以将负载与市电进行有效的隔离和缓冲。属于这种结构的如IMEL、IMV Sitepro、Fenton、M.G和Exide(大容量档)以及SOCOMEC等等。这类UPS除作单机运行外，还可并联增容和冗余。输出电压无三次谐波、对两个方向上的电压变化都有缓冲作用、负载电压上无直流分量、允许逆变器在很宽的直流电压范围工作、中线上无电流、UPS在多机并联时可共用一个电池组或各具有自己的电池组、容量可做得很大。

    由于这种UPS在正常情况下一直是逆变器工作状态，所以才有上述这些功能。在很多重要部门，如电视台、新闻单位、石化、航空及铁路等等单位以前大都倾向采用此类结构的产品。

(2)高频双变换结构

    这种结构UPS的出现解决了传统式双变换结构体积大、效率低和造价贵的问题。和前者的不同在于没有输出变压器，而且逆变器的脉宽调制频率比前者高，前者一般在10kHz以下，而这里一般在20kHz或以上。由于没有输出隔离变压器，因此也就没有隔离和缓冲的余地，对直流电压的要求也比前者严格：必须用两组电池，其输出电压直接受负载变化的影响，逆变器功率管在接近满载时比传统式容易坏，输出电压零线上有不易限制的谐波电流，因而零线电位不为零，在负载上有直流分量，容量也不易做大，一般做到30kVA左右，也有的做到了80kVA。

(3)经济运行模式

    如前所述，由于双变换电路即使在市电很稳定时，也要对其进行两次变换后才将电能输送给负载，无形中白白浪费了不该浪费的那部分能量，不能充分利用市电，如果当市电稳定在某一指定范围时，不进行上述的两次变换，只进行必要的滤波，而后将这个经过净化的电压直接输送给负载。于是就节省了能量，提高了效率，降低了工作温度，从而提高了可靠性。

    根据上述思想，双变换UPS就推出了经济运行模式，如高力UPS，这种方案一问世就赢得了不少重要用户。

2.三端口单变换电路

    由于这种电路结构问世比双变换电路晚，且有的用户也很少接触三端口UPS，对其了解甚少，故而人云亦云，甚至谈虎色变，也认为三端口不好了，原因是单变换器工作。其实三端口单变换只是UPS的另一种电路型式，它和双变换电路一起可以比喻成人的左右手，都有着同样的功能，具有异曲同工之妙。三端口单变换电路和双变换电路一样也有在线和离线工作模式之分：早在70～80年代，我国就有了三端口后备式UPS，80年代末90年代初FISKAR公司推出了 DELTEC 8/9000在线单变换UPS系列，功率从2.4kVA做到56kVA，其输出电压稳定度也同样做到了±2%，其他常规指标也和传统式双变换电路一样。和传统双变换UPS同时运行在各自用户的机房。

    在线互动式单变换结构。该结构UPS的主要应用对象是计算机，而一般计算机对电压的精度要求并不高。在线互动式单变换UPS省去了输入整流器和充电器，充电器由称为双向变换器的逆变器充当，其工作方式类似于上述的经济运行模式，其效果也是在线式的，即当市电在一定范围中变化时，负载主要由经过粗稳和滤波的市电提供，只有当市电异常时，才由逆变器全力向负载供电，这时的功能和双变换结构一样。这种结构以APC Smart和Matrix系列为代表，该系列有着很强的网络功能和可靠性。电磁兼容功能比那些未通过该标准的双变换UPS好得多。鉴于在线互动式单变换结构的优越性，目前已有不少做双变换UPS的制造商也增加了在线互动式单变换结构的UPS。由此可以看出单变换UPS结构的生命力。

3.Silcon DP300E UPS电路结构

    Silcon DP300E UPS电路结构的出现，将双变换经济运行模式和在线互动式单变换UPS的功能提高到一个新阶段：它的得尔塔(Delta)双向变换器可将输入功率因数调整到接近于1。而实现该功能的造价仅仅是双变换电路实现该功能造价的几分之一，其输出电压稳定度也做到了±1%，并且可多至9台并联，因此在基本功能上和传统在线式完全一样。甚至有些指标比传统双变换UPS还要好：比如过载能力强，过载20%时还正常工作，而一般双变换UPS在此情况下只能继续工作10min；输出功率因数范围大，一般双变换UPS只能带感性负载，而它却能带容量可观的容性负载；一般双变换UPS的峰值电流比为3∶1，而DP300E却做到了5∶1；一般双变换UPS随时都在对负载进行100%的调节，而 DP300E最多只对负载的30%进行调整，所以具有很高的整机效率，从而提高了整机的稳定性和可靠性等等。图1示出了Silcon DP300E UPS 主电路结构简图。

图1 Silcon DP300E UPS主电路结构简图

    由图1可以看出，Silcon DP300E UPS的电路结构是由双变换和单变换电路发展而来，不但具备二者的优点：如一方面具有双变换UPS输出电压高稳定度(±1%)的优点，又具有在线互动式单变换UPS高效率的优点等等；而且又高于二者：如上面所说的近于1的输入功率因数，高于二者的过载能力等等。

由图1又可以看出：

    1)图中有两个变换器，似乎应属于双变换范畴，但又区别于传统的双变换：传统双变换的两个变换器都是单向工作的，即第一个变换器只作正向变换整流，而第二个变换器只作反向变换逆变，而这里却都是双向工作；传统双变换的两个变换器是各自独立工作的，在这里DP300E的两个变换器在市电正常供电时，不但一直在作双向变换，而且是互控互补的，即该两个变换器必须同时工作，缺一不可。因此，又不完全同于双变换电路。

    2)从变换器的双向工作方式来看，又应属于三端口电路范畴，三端口UPS又是单变换器结构，而这里是两个变换器，因此又不完全是三端口电路。

    由上述可见，Silcon UPS的电路结构是双变换和单变换电路优点的集中，就象IGBT是GTR和MOS管二者优点的集中一样。

4.关于不存在所谓“直通”和“倒灌”问题的讨论

    由图1可以看出：市电输入后，只通过几个电感就送到了负载，没通过变压器的隔离，有的用户担心：来自市电的干扰信号会不会直通到负载呢，应当看到，决定电路功能的因素不仅取决于电路结构形式，更重要的是取决于它的参数值，这就是从量变到质变的道理。因此，单从电路形式看问题，抛开电路参数去谈问题是不科学的，在这里由L1和L2组成的两个滤波器能将高频干扰拒之门外，而包括变压器T在内的Delta变换器1是作为电流源工作的，能将市电来的各种中低频谐波干扰进行补偿、隔离和校正，保证了输入/输出之间对干扰的隔离。至于对市电的慢变化的补偿，由于是变换器1的主要功能，那就更没问题了。当然，若证明不存在直通，只有靠测量标准去说话，符合有关标准的，尽管是直通的电路形式，也不能断言说“直通”；反之，不符合有关标准的，即使不是直通的电路形式，也不能断言说无“直通”存在：比如，在图1中的参数如果选的不合适，使干扰可以一直直通到负载，这时即使在输出端加一个普通隔离变压器，干扰照样还是直通到负载。目前国际上除了原来制订的有关电子产品的标准，如：UL、CSA、FCC、TUV和IEC等外，还专门有针对UPS的标准：EN50091-1(安全标准)和 EN50091-2(电磁兼容标准)。符合这两个标准的UPS，就是合格的，不符合这两个标准的UPS，就是不合格的，而Silcon DP300E就通过了这两个标准。因此“直通”之说，就无根据了。

    有的用户担心：在市电突然断电瞬间，逆变器(即图1中的变换器2)将有10ms的倒灌，而这种倒灌也将对负载形成10ms的电压间断。问题提得如此具体和细致，可见我国的一些UPS用户在技术上正在成熟起来，这是一种可喜的现象。实际上不必担心，因为这种所谓“倒灌”是不存在的。让我们看一下图1的工作过程：

    1)市电为正半波时：晶闸管VT1被触发，电流方向是由“市电”流向负载。这时变换器2也是相电压幅度为310V的正半波，若此时市电突然中断，则VT1阳极马上变为零电压，由于变换器2仍在输出正半波，所以晶闸管VT1因变为反向偏置而截止。如果因电感L1和L2的释放储能使晶闸管VT1还不能马上截止，但因此时的电流方向不变，也不能叫作倒灌，所谓倒灌是说：因市电的断电而导致换流，即电流方向指向市电方，这对单向晶闸管VT1而言是不可能的事情。因此，在正半波的倒灌现象是不存在的。

    2)市电为负半波时：晶闸管VT1已在市电正弦波过零点时关断，此时晶闸管VT2被触发，电流方向是由负载流向“市电”。变换器2也是相电压幅度为310V的负半波，若此时市电突然中断，则VT2阳极马上变为零电压，由于变换器2仍在输出负半波，所以晶闸管VT2也因变为反向偏置而截止。如果因电感L1和L2的释放储能使晶闸管VT2还不能马上截止，但因此时的电流方向不变，也不能叫作倒灌。任何换流都可使正在导通的单向晶闸管截止。因此，在负半波的倒灌现象也是不存在的。

    由上面对正负半波的分析可以看出，在Silcon DP300E UPS的主电路中没有任何机制可招致倒灌电流的出现，至于10ms间隔之说，更是不存在。图2示出了静止变换式UPS发展的简单过程方框图。所以称作“静止变换式”UPS，是因为与其对应的还有旋转发电机式UPS，对此，这里暂不作讨论。由图2中可以看出：Silcon DP300E UPS结构是由双变换和三端口两种结构共同发展而来的，恐怕也是UPS发展的必然趋势，之所以能够这样说，是因为根据目前用户对UPS以下几个方面的要求：

    ①不要对电网形成干扰，也不要受电网干扰。

    ②效率要高，即尽量充分利用电网的能量。

    ③过载能力要强。

    ④输出电压稳定度要高。

    ⑤输出功率因数最好在0.6～1的范围。

    ⑥要符合标准EN50091-1和EN50091-2。

    ⑦在保证上述功能的情况下，价格要低。

    ⑧具有完善的监控功能和网络功能及其软件等。

                                              图2 静止变换式UPS发展的简单过程方框图

    当前也只有Silcon DP300E UPS结构能够同时满足上述如此之多的要求。

    根据以上的分析，笔者认为Silcon DP300E UPS结构应是今后的发展方向。

    但是，Silcon DP300E毕竟是一种以前未曾出现过的全新的电路型式，是一种新生事物，性能再好，也需要有一个认识过程和接受过程；不过，在国外已不罕见，称作 CUTOMER POWER ，该电路结构是这种成熟的电网滤波调节器在UPS上的成功应用。我国以清华大学为代表的许多大专院校和研究机构都已开始对该种电路展开全面而深入的研究，并已有许多论文见诸于有关杂志。可以预料，过不了多久，DP300E电路结构方案就会被UPS制造商广泛接受，并被UPS用户广泛采纳。