从UPS电路拓扑看在线式UPS的性能优势

2019-11-03 09:57:29

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供稿：网友

　　银行证券、通信、工业自动化生产线、办公自动化、医疗、甚至物业管理的需要，特别是随着Internet高速发展和信息化、网络化建设步伐的加快，数据安全成为各行业普遍关注的问题，作为计算机和网络等保护神的UPS(Uninterruptible Power System)不间断电源的需求量日益增加。UPS保护计算机等设备不受损坏，更重要是保证数据不丢失。尽管UPS的整体技术性能得到了长足发展，但由于价格因数及不同等级网络的需求不一样，致使当前中国市场上的UPS品牌多达几十种，每个品牌的商家都通过各种媒体广告来宣传自己的UPS的优点。本文根据UPS的电路拓扑，来客观地分析各种UPS的技术性能。

　　根据UPS的电路拓扑和工作原理，UPS有多种形式，可大致分为三类：后备式、在线互动式、双变换式。设计者根据成本、要达到的性能指标、应用场合决定采用何种方式。

一、后备式UPS

　　后备式UPS，又称离线式(off line),新标准IEC62040-3规定为被动后备式(passive standby)。具有Back 或Back up、Standy by等字眼的一般均为后备式UPS。后备机的容量一般在2KVA以下。

　　后备式UPS运行原理：市电正常时，它向负载提供的电源是对市电电压稍加稳压处理的"低质量"正弦波电源，逆变器不工作，蓄电池由独立的充电器充电。当市电超出规定范围时，负载由继电器转为电池逆变供电。见图1。

图 1 后备式UPS框图

　　若对市电进行了调压AVR(自动电压调节,一般只是变压器简单抽头调压)，则负载获得的电压是由市电进行了一定范围的稳压，厂商称为back-AVR UPS。

　　根据逆变器的输出波形不同，后备式又分为正弦波输出UPS和方波输出UPS。方波UPS不能带日光灯、磁带机等感性负载，感性负载会导致方波的上升沿或下降沿尖峰干扰的峰值急剧增大，容易损坏UPS或负载。但因方波后备式UPS的价格便宜而被广大非重要负载等终端设备及家庭使用。

　　后备式的技术及产品都较成熟，技术上讲可靠性是最高的。一般采用12VDC/7AH电池一节或两节、推挽工作方式、工频变压器升压、继电器转换。

二、在线互动式UPS

　　在线互动式UPS在市电正常时，供给负载为改良了的市电，市电故障时，负载完全由电池逆变供电。

1、典型在线互动式

　　在线互动式UPS在市电正常时，供给负载为改良了的市电，市电故障时，负载完全由电池逆变供电。　　在线互动式(line-interactive)UPS中有一个双向变换器(bidirectional converter)，既可以当逆变器使用，又可作为充电器。所谓在线是指输入市电正常时逆变器处于热备份状态而作为充电器给电池充电。在线互动式又称线路交叉式、三端口式。图2为一个典型的在线互动式拓扑。

　　图中交流输入端Li-N为第一端口，双向变换器绕组7-8为第二端口，输出电压端Lo-N为第三端口。当输入市电在规定范围内变化时，UPS通过调整变压器的抽头来大致稳定输出电压。当需要进行抽头调整时，首先启动双向变换器处于逆变工作状态，再进行抽头换接，待抽头换接完毕后，停止双向变换器的逆变工作状态，进入充电状态，这时输出由市电供电。

　　图2中在桥臂的每个开关管上反并联了二极管，有两个作用：一是功率管截止时续流用，使变压器漏感产生的反电动势有回路；二是这四只二极管又可以组成一个全波整流器，在逆变器S1-S4不工作，市电向负载供电的同时，双向变换器绕组作为主变压器T的次级绕组7-8有电压存在，这个电压经D1-D4整流后向电池组充电。只要电池组不工作，充电过程就一直进行。

　　在线互动式省掉了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强的多，当要求长延时供电时，无须再增加机外充电设备；如果需要对输入输出进行电气隔离，则可改变压器自偶式为隔离式。这种拓扑与双变换式相比，由于没有经过两次变换，其功率损失明显低于双变换机，因而效率高，可达95%以上；在市电供电时过载能力强可达200%；不带PFC的双变换式由于采用可控硅(或二极管)整流，即使负载为线性负载，也会对市电产生较强的谐波电流，但互动式在带线性负载时不会对市电产生污染。这种拓扑的缺点是：

　　在市电供电时，输出电压只是幅度有改善，输入的失真、干扰等传递给了输出；

　　动态性能不好，在输入电压或负载电流突变时，输出电压突变较大，恢复到新稳态所需时间长；

　　稳压精度较差；对电网适应范围窄，如要提高精度和适应范围，则必须增加变压器抽头数；

　　UPS的输入功率因数由负载决定，如带计算机等整流性负载时，其输入功率因数也只有0.7左右；

　　当双向变换器作充电器使用时，其充电电压和电流不可控，大大地降低了电池的使用寿命。

图3 带补偿的在线互动式(DELTA技术)

2、Delta技术串并联补偿式

　　图3电路拓扑采用Delta逆变技术，该拓扑一般用于三相大功率UPS中，这种双变换电路拓扑把交流稳压技术中的电压补偿原理应用到UPS的主电路拓扑中。在主调压的基础上，再叠加一个可大可小、可正可负的电压，来弥补UPS输出电压与输入市电的差异。使UPS拓宽了市电输入范围，提高了输出稳压精度。

　　变换器Ⅰ：它是一组DC-AC和AC-DC双向变换器，它的输出变压器的付边串联在UPS主电路中，其作用有三个：

　　对UPS输入端进行输入功率因数补偿，使输入功率因数等于1，输入谐波电流降到3%以下。是个正弦波电流源；

　　当市电存在时，与变换器Ⅱ一起，完成对输入电压的补偿，当输入电压高于输出电压额定值时，逆变器Ⅰ吸收功率，反极性补偿输入输出电压的差值；当输入电压低于输出电压额定值时，逆变器Ⅰ输出功率，正极性补偿输入输出电压的差值，是串联补偿；变换器承担的最大功率(当输入电压处于上限和下限时)仅为输出功率的20%(相当于输入电压变化范围)，所以功率强度很小(1/5)，功率余量大，这就大大增强了UPS的输出能力，与双变换在线式相比，过载能力增强(200%,1分钟)，不再对负载电流波峰系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，不再对负载功率因数进行限制，输出有功功率可以等于标定的kVA值。

与变换器Ⅱ一起完成对电池的充电和浮充功能。

变换器Ⅱ：该变换器同样是DC-AC和AC-DC双向变换器，它的功能有四个：

同变换器Ⅰ一起，完成对输入输出电压差值的补偿；

同变换器Ⅰ一起完成对电池的充电和电压浮充功能；

　　随时监测输出电压，保证输出电压的稳定，是个电压源，并对负载电流谐波成份进行补偿，使其不对电网产生影响，是并联补偿；

　　当市电掉电时，全部输出功率由Ⅱ给出，并且保证输出电压不间断，转换时间为零。当负载电流发生畸变时，也由变换器Ⅱ调整补偿掉。

　　在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大有功功率仅为输出功率的1/5左右，所以整机效率在很大的功率范围内都可达到96%。在市电存在的情况下(一般来说，UPS连续运行时间的99%以上是有市电的)，变换器功率强度仅为设计值(变换器Ⅱ)的1/5，所以元器件乃至整机的寿命和可靠性必然大幅度提高。这种拓扑的缺陷：在市电存在时，变换器Ⅰ承担的最大有功功率为额定的20%左右，但两个变换器承担的无功功率可能为输出功率的1倍。效率是个可变量，只有市电输入为额定值，负载为线性负载时，效率才达到最高值。而UPS的绝大部分负载为功率因数仅为0.65左右的计算机负载！

　　尽管输入有两只可控硅隔离，当输入停电甚至出现短路时，相当于DELTA变换器的负载出现过载或短路将会断电，DELTA变换器将进入保护状态，若保护失效，则故障将是毁灭性的，事实上，电网停电或短路时有发生，相比之下，双变换式却不会出现此现象。当然对于大功率UPS来说，加强控制和保护，DELTA技术UPS 具有优势。

三、在线式双变换UPS

　　信息设备对电源的要求越来越高，后备式、互动式供电指标都不及在线式。所谓在线式，是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换供给负载。当然为了提高系统的可靠性，在线式双变换UPS一般增加了自动旁路电路。小功率采用继电器转换便能满足要求，而大功率一般为采用可控硅(SCR)方式的静态开关，在过载或双变换电路部分故障时负载由旁路供电，这是非正常工作状态，这种情况出现概率比电网不正常概率小得多。功率较大的UPS在此基础上还增加手动旁路(维修开关)，用于维修时保证负载继续运行。

1、传统的在线式双变换UPS

　　双变换在线式是UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换。图4中AC/DC采用全波整流滤波电路，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中运用，技术相当成熟，SCR工作在低频，控制简单，运行稳定可靠，效率高，整流器造价低。而对于小功率UPS来说，则将220VAC直接整流整流滤波，则更简单、更可靠、成本更低，但UPS稳压的作用只有完全由逆变器DC/AC来完成。

　　这种拓扑输入功率因数低，一般为0.7左右，输入电流谐波大，最大达30%，改用12相整流(三相输入)或加输入滤波电感，输入功因可提高到0.9左右，谐波电流降到10%以下。输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流污染市网，以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流在外电网沿路阻抗上形成脉动电压叠加在电网电压的正弦波上，造成电压失真，这就是所谓电力公害，使由同一电网供电的变压器、电动机等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化；高次谐波对通信线路、测量仪器产生辐射干扰；影响电表计算精度。

图 4 传统的在线式双变换UPS拓扑

　　图4中电池一般采用16个*12V=192V，通过二极管或可控管与市电整流滤波输出端接一起叫直流母线(BUS)。当整流后的电压低于电池电压时，则电池供电。逆变桥一般由600V的IGBT构成，IGBT一般工作在20KHZ左右的SPWM状态。变压器T2具有电气隔离、升压、以及其漏感的滤波作用，也有在T2的初级侧串接隔直电容，防变压器饱和电流大损害功率器件。如想拓宽输入电压范围，可在输入整流前加一个自动稳压装置AVR。当三相输入时，则在输入端接一个Y/△型工频变压器，同样适用上述电路。

2、带APFC的双变换式UPS

　　采用电感等无源PFC电路，体积大，抑制高次谐波效果差。图5所示对输入进行了有源功率因数校正APFC(Active Power Factor Correction)，比较典型的采用UC3854控制的BOOST拓扑，平均电流控制模式，具有较好的校正效果，PF值能达到0.99，输入电流谐波THD小于5%。同时一般在输入160-270V均有较好的稳压效果，也很容易做到输入120-160V时能工作，但必须降载使用(33%-50%负载)。

　　图5中电池采用20节至24节12V电池居多，电池BOOST升压与交流PFC的输出电压一般为380VDC，供给逆变桥。开关管S和二极管D5处于硬开关状态，当S开通时，电流上升、电压下降同时进行，S关断时，电流下降、电压上升同时进行，于是存在开关损耗；当开关管硬关断时，感性元件感应出较高的尖峰电压，易造成开关管高压击穿；二极管由导通变为截止时，存在反向恢复时间，易造成直流电源瞬间短路。为了解决上述问题，特别在大功率应用中，采用UC3855控制的ZVT-PFC拓扑。

3、ZVT-PFC软开关功率因数校正

　　UC3855是一种能实现零电压转换的高功率因数校正器的芯片，采用零电压转换电路，一个主输出驱动和一个ZVT驱动。由于采用软开关技术，可以极大地减少二极管的反向恢复时间和主管的开关损耗，从而具有低电磁辐射和高效率的特点。图6是ZVT-PFC电路原理图，S为主开关管，S1、Lr、Cr、D6构成谐振回路。辅助开关S1先于主开关S导通，Cr电容上电压(即主开关管上)谐振下降到零，创造主开关管零电压导通条件。在辅开关管导通时,二极管D5电流线性下降到零，二极管D5实现零电流截止。UC3855控制的ZVT-PFC具有启动电流低、全负载范围功率因数均较好、电磁辐射小等优点。但在输入电压高时存在电流低频振荡现象。也可以采用UC3854及外加辅助电路实现ZVT-PFC。

4、双隔离的双变换式UPS

　　在图4、图5电路拓扑中，当系统处于旁路状态时，输入电压的干扰是直接传输给了输出，图7所示采用双隔离变压器，可以彻底隔离逆变和旁路输入干扰对输出的影响，同时可以使输出的零地(N、G)电压低于1V，在计算机网络中可以减小传输误码率和提高传输速度。但双隔离变压器的增加导致重量和成本的提高。

图 5 带APFC的双变换UPS拓扑

5、全高频、单PFC、半桥式UPS

　　图8是小功率(1～3KVA)高频在线式UPS常见的一个电路，S1的控制芯片一般是UC3854。电路的工作原理如下：

(1)输入正半周：Ui(L)→L1→D1→S1→D4→Ui(N) 电感储能

(2)Ui(L)→L1→D5→C1→Ui(N) 电感释能，电容C1充电

(3)输入负半周：Ui(N)→D2→S1→D3→L1→Ui(N) 电感储能

(4)Ui(N)→C2→D6→L1→Ui 电感释能，电容C2充电

(5)C1、C2、S2、S3组成逆变半桥，L2、C3组成高频滤波电路。

图 6 ZVT-PFC拓扑

　　当输入市电在规定范围内时，经PFC BOOST升压得到双母线(BUS)电压±380V左右，因输出220V正弦波的峰值为311V加上考虑调制比及死区原因。出于经济方便考虑，小功率(1～3KVA)高频在线式UPS的电池电压从36～120VDC不等，电池低压经DC/DC升压变换至±375VDC，送到双BUS母线上。当市电输入超过规定范围时，退出PFC工作，一旦电容C1、C2上双BUS电压由±380VDC降到±375VDC时，电池开始供电。因此停电与复电，对输出电压来说不存在转换时间。

　　AC/DC变换部分高频化提高了UPS的输入功率因数(0.98以上)及输入电压范围(±20%以上)，DC/AC逆变部分高频化高频化减少了输出滤波电感的体积，功率密度大。由于无输出隔离变压器，零地(L、N)电压受到供电电网及负载的影响而较高，影响计算机网络的传输速度；一旦逆变上桥臂的IGBT被击穿短路，BUS母线高电压将加到负载上，将危及负载的安全。因此，高频机如果能加上输出隔离变压器，性能将高于传统的双变换机。

图 7 双隔离的双变换式UPS拓扑

6、带双功率因数校正的全高频UPS

　　在5～10kVA高频UPS中，一般采用双功率因数校正(BOOST PFC)，见图9。双功率因数校正技术性能与单功率因数校正原理差不多，只是可把功率做的更大。市电正常供电时UPS工作过程：

(1)输入正半周时：L→V1→L1→S1→N 电感储能

(2)L→V1→L1→D5→C1→N 电感续流，电容充电

(3)输入负半周时：N→S2→L2→V2→L 电感储能

(4)N→C2→D6→L2→V2→L 电感续流，电容充电

电池工作时：

(1)BAT+→V3→L1→S1→S2→L2→BAT- S1、S2均通，电感储能

(2)BAT+→V3→L1→S1→C2→D6→L2→BAT- S1通、S2止，电感L1储能，电容C2充电

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

(4)BAT+→V3→L1→D5→C1→S2→L2→BAT- S1止、S2通，电容C1充电，电感L2储能

图8 采用半桥小功率在线UPS

图9 双PFC半桥式全高频UPS拓扑

四、结束语

　　从上面对各种UPS电路拓扑的分析可以看到，在线式UPS的可靠性最好，它可以全面解决电网的各种问题，包括市电断电、电网浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压跌落、频率漂移、杂波干扰等等。提供给负载的电能是各种电路拓扑中最纯净的、最安全的。 UPS特别是中小功率在线式UPS高频化后具有体积小，功率密度高，动态响应快等优点，在增加了DSP控制及保护措施之后，电气性能指标、智能化自诊断与监控水平、可靠性等也将大大提高，能全面解决电源所有问题。

摘自《国际电源商情》

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