众成牌半导体的推广应用                                     ——UPS电源                        行业类别：     UPS电源                       报告时间：      2016-6-27  佛山市艾益迪电器有限公司
  目录
  第一章、UPS电源的行业简介
     1.1 UPS电源系统组成和工作原理
     1.2 UPS电源的发展方向
第二章、UPS电源设备中可控硅的应用技术
     2.1 UPS主电路工作模式
     2.2 UPS电源整流单元及输出切换开关的参数设计
     2.2.1 UPS电源整流单元及静态开关的可控硅耐压选取
     2.2.2 UPS电源整流单元可控硅电流的选取
     2.2.3 UPS电源静态开关用可控硅的选取
第三章、鞍山众成电子有限公司的简介
  第一章、UPS电源简介
    UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply），即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计算机网络系统、通信系统或其它电力电子设备如电磁阀、压力变送器等提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。
     1.1 UPS电源系统的组成和工作过程
UPS电源系统由五部分组成：主路、旁路、电池等电源输入电路，进行AC/DC变换的整流器（REC），进行DC/AC变换的逆变器（INV），逆变和旁路输出切换电路以及蓄能电池。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。
                            图1-1  在电网电压工作正常时，给负载供电如图1-1所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池供给负载所需电源，维持正常的生产（如粗黑→所示）；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电（如虚线所示）
     UPS电源的工作过程：当市电正常为380/220VAC时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220V或380V交流电压，同时市电经整流后对电池充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面输入空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。
                                   图1-2   1.2 UPS电源的发展方向
（1）高效率、高可靠性
由于IT 设备不断增多、用电量加剧、机房面积紧张、低耗节能需求等客观因素的存在，高效率、高可靠性的UPS 技术倍受关注。为提高UPS 运行效率，高性能电力电子器件不断被研发成功并投入实际应用，如IGBT、MOSFET、GTR、智能功率模块IPM、MOS 控制晶闸管MCT 等，变流技术也需要随着电力电子器件而更新。此外，业界正逐步推广UPS 内部多模块冗余并联运行、甚至多台UPS 组成的系统冗余运行技术，在并联运行中，当单一模块或单机发生故障时，其功能则自动转由冗余单元承担，大大提高了UPS 供电系统的可靠性。
（2）大功率化、模块化
由于IT 行业迅猛发展，数据中心的数据量也在以爆炸式的速度持续增长，随之而来功率消耗增大。UPS 一方面朝着更大功率的方向发展，另一方面为应对不间断电源容量分期扩充的需求，产品模块化已是不可阻挡的趋势。更个性化的用户需求、更庞大的数据中心规模及更高的维护成本使得UPS 已不再是单纯的不间断供电设备，针对不同行业领域的全套电源供应与管理解决方案才将倍受市场青睐。
行业内针对模块化UPS 解决方案基本形成了两个方向：一是单机冗余化，即通过多模块冗余并联构成大功率单相或者三相UPS，其可用性指标得到了质的飞跃；二是全模块化结构，即一个模块是一台完整的UPS，通过冗余并联直接构成中等功率UPS，在兼顾可用性指标的同时还具有良好的性价比。
（3）高频化
相比传统的工频UPS，高频UPS 采用功率因数校正和高频软开关技术，省去了工频电能转换环节，因此运行效率更高、对电网的谐波污染及无功消耗极小，完全能够满足国内外相关电力行业的标准要求。此外，高频电能变换装置在减小磁性部件体积和重量、降低制造成本、遏制运行噪音、节能环保等方面效果显著，因此越来越受到用户认可。
（4）数字化、智能化、网络化
数字化技术的优势在当今信息社会中愈加明显。在UPS 产品的研发和制造过程中采用全数字化技术可有效缩小产品体积、降低生产成本、提高产品的可靠性及针对用户需求的匹配性；而数字化控制技术则会在UPS 系统运行过程中准确及时地进行信号采样、处理、控制（包括电压电流环等）、通信等工作，并将各环节的控制参数优化统一后发送给UPS 综合控制单元，从而使UPS 系统的运行更具效率，实现更简单、更稳定的通信与均流，并获取优良的电磁兼容指标。智能化主要贯穿于UPS 系统的控制、检测与通信过程中，完全由计算机管理。计算机及其外设能自主应付一些可预见的问题，进行自动处理和调整，发出预警、告警信息等。通信设施所处环境日趋复杂，增大了维护难度，对电源设备的网络化监控管理提出了新的要求。网络化技术可通过对UPS 配置与计算机互连的软硬件接口，实现计算机网络系统及数据资料的双重保护、网络远程事件记录和监测控制、故障告警、参数自动测试分析等功能，使维护人员更为轻松、安全、高效地通过互联网进行数据查询、控制等维护工作。
（5）绿色、节能、环保
在世界能源格局变化加剧，国际油价剧烈震荡，全球能源供应紧张的形势下，节能环保已成为UPS 厂商进行产品技术创新的指导原则。对UPS 而言，输入功率因数的高低表明其吸收电网有功功率的能力及对电网影响的程度。降低电源的输入谐波，不但能改善UPS 对电网的负载特性，减少给电网带来的严重污染，也能降低对其他网络设备的谐波干扰。已有许多UPS 厂商推出的产品功率因数接近1，可最大限度地减少无功功率的消耗。
  第二章、UPS电源设备中可控硅的应用技术
  在UPS电源中，用到可控硅的主要是整流单元及静态开关，在UPS电源设备整流中为了达到可控整流采用可控硅整流方式属于性价比较高的选择方案，在行业内得到广泛的应用。在UPS电源的静态开关中采用双向可控硅的优势是完成电路的切换，具有速度快、无触点、寿命长等优点，实际应用较为普及（为了器件优化可以采用可控硅模块连接成双向可控硅）。  2.1 UPS主电路工作模式
   UPS电源主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成按工作原理分为后备式、在线式、在线互动式三类。
  2.1.1在线式UPS电源：
  在线式UPS（On-Line UPS）的运作模式为“市电和用电设备是隔离的，市电不会直接供电给用电设备”，而是到了UPS就被转换成直流电，再兵分两路，一路为电池充电，另一路则转回交流电，供电给用电设备，市电供电品质不稳或停电时，电池从充电转为供电，直到市电恢复正常才转回充电，“UPS在用电的整个过程是全程介入的”。
    2.1.2后备式UPS电源：
  后备式又称为非在线式不间断电源（Off-Line UPS），它只是“备援”性质的UPS，市电直接供电给用电设备也为电池充电（Normal Mode），一旦市电供电品质不稳或停电了，市电的回路会自动切断，电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务（Battery Mode），直到市电恢复正常，“UPS只有在市电停电了才会介入供电”，不过从直流电转换的交流电是方波，只限于供电给电容型负载，如电脑和监视器
    2.1.3在线互动式UPS电源：
  又称为线上互动式或在线互动式（Line-Interactive UPS），基本运作方式和离线式一样，不同之处在于线上交错式虽不像在线式全程介入供电，但随时都在监视市电的供电状况，本身具备升压和减压补偿电路，在市电的供电状况不理想时，即时校正，减少不必要的“Battery Mode”切换，延长电池寿命。
  2.2 UPS电源整流单元及静态开关的参数设计
   目前市面上的UPS电源中的整流单元及静态开关大多选用的是可控硅做为重点器件，但器件的参数选择显得由为重要的。相关参数选得比实际电路需求小器件会由于常期过载而工作异常和器件损坏，参数选得过高则是提高制造成本，造成了资源的浪费。这样就需要在选器件时既要预留足够的参数余量，也要考虑造价的成本。总体来说，就是结合设备的要求及器件的相关特性，如何提高器件的性价比。
  2.2.1 UPS电源整流单元及静态开关的可控硅耐压选取：
    实际中的UPS电源的实际电压主要为两种：220V交流、380V交流。根据电路实际要求及应用经验，可控硅在反向耐压参数中的选取是实际交流输入电压的平均值的2～3倍。
    实用公式： VDRM、VRRM=UN(2～3)
    220V交流系统中：VDRM、VRRM =UN(2～3)
                            =220VX(2～3)
                            =440V～660V
  380V交流系统中：VDRM、VRRM =UN(2～3)                         =380VX(2～3)                         =760V～1140V  根据以上推算，选用1200V（VDRM、VRRM )的可控硅完全可以满足产品的要求，由于我司的1200V管子与1600V的成本相差甚微,并且1600V目前成为了主流产品。所以建议客户采用1600V可控硅用于UPS电源中。
  2.2.2 UPS电源整流单元的可控硅电流的选取
  实际中的UPS电源整流方式主要有：单相全桥、三相6脉波、三相12脉波。根据电路实际要求及应用经验，可控硅IF(AV)选取是实际流过可控硅的平均值的1.5～2倍。
        实用公式： IF(AV)=Ii(1.5～2)
                  注：IF(AV)为可控硅的正向平均电流，Ii为实际流过可控硅的电流平均值
  例如：单相（220V)全桥,以10KVA的输出计算，整机效率假设为0.8时：
                   I入=PS/0.8/UN=56.8A
                   Ii  =I入 /  =40A
                   IF(AV)=Ii(1.5～2)=60～80A
       三相6脉波（380V),以14KVA的输出计算，整机效率假设为0.8时
                   P相=P总/3/0.8=5.84KW
                   I入=PS/UN=5.84KW/220V=26.6A
                   Ii  =I入
                   IF(AV)=Ii(1.5～2)=40～53.2A,建议选用55A的可控硅
      三相12脉波（380），由于12脉波的整流电路是在6脉波的基础上增加多一个整流单元，选取整流可控硅的电流参数时直接选取6脉波的一半即可。
   2.2.3 UPS电源静态开关的可控硅选取   由于不同的UPS电源生产厂家采用的方案不尽相同，一般在旁路电源到负载之间、逆变输出到负载之间都会采用静态开关进行切换。             公式：IF(AV)=Ii(1.5～2)，注：Ii为流过可控硅的平均电流    另外，静态开关还有一个重要参数是切换时间，由于可控硅触发延时都是毫秒级别的，所以快速可控硅、普通可控硅都能达到UPS电源的静态开关的设计要求的。  第四章、鞍山众成电子有限公司的简介
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