1 問題的提出
隨著通信與網(wǎng)絡應用的蓬勃發(fā)展,，網(wǎng)絡化,、集成化趨勢正以前所未有的速度和深度影響著我們的生活。UPS電源系統(tǒng)在網(wǎng)絡系統(tǒng)、智能大廈等項目的集成,、各行業(yè)的實時監(jiān)控、運算系統(tǒng)供電質(zhì)量等項目中要求變得越來越高,。而傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)存在單機故障率高,、可擴展性差、可管理性差,、維護成本高昂等等弊端,，市場已強烈需要新一代更具精密性與綜合性、更能靈活管理,、更安全可靠的網(wǎng)絡UPS登臺問世,。值此以POWER+(10kVA-100kVA)模塊UPS電源為例對其作分析介紹。
模塊UPS,，其具備的卓越優(yōu)勢不僅僅是智能型的電源保護系統(tǒng),。應該說全新電源保護理念除了包含傳統(tǒng)UPS的整流、濾波,、充電,、逆變器等裝置外，還采用了連續(xù)電流控制整流技術和三階逆變等新型概念技術,。在降低運輸及庫存成本的同時可提供更高的效率,、更靈活的機動性及更好的可靠性。
2 新型模塊UPS電源應用特征
2.1 全制式并聯(lián)冗余環(huán)保電源
?、?并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)
整體由系統(tǒng)控制器,、靜態(tài)開關(STSW)以及1至10個額定容量為10kVA的功率模塊所構成，可采用熱插拔模式隨意進行擴充,。POWER+系統(tǒng)結構極具彈性,，功率模塊的概念是在系統(tǒng)運行時可隨意移除或安裝而不影響系統(tǒng)的運行及輸出，使投資規(guī)劃實現(xiàn)“隨需應變”,，既滿足了后期設備的隨需擴展,，又降低了初期購置成本,。
⑵ 故障冗余的構成
可實現(xiàn)最大程度的故障冗余,。各主要構成部分包括系統(tǒng)控制器,、靜態(tài)開關(STSW)以及功率模塊皆為內(nèi)置冗余的智能型獨立個體，可單獨運行(見圖1所示),。任何模塊發(fā)生故障后(包括系統(tǒng)控制模塊),，POWER+冗余設計便會充分發(fā)揮效用，全面保障設備正常運轉(zhuǎn),。
圖1 新型模塊UPS故障冗余的構成示意圖
圖1中的電池組由系統(tǒng)中所有UPS模塊共享(包括充電和放電),。可按用戶需求,，使用單一電池或并聯(lián)多組電池來增加系統(tǒng)備用時間,，并作為電池冗余結構。POWER+具備多項配件選擇,，如充電模塊,、無線傳輸(GPRS、藍牙),、隔離變壓器及功能強大的控制軟件等,，用戶可完全依照實際所需進行選擇。
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UPS系統(tǒng)率先開發(fā)了獨有的電源相位的多制技術,，改變了整個UPS領域輸入輸出相位固定的單一性，可根據(jù)電源輸入情況將模塊設置成3/3(三相進三相出),、1/1,、3/1、1/3四種電源系統(tǒng),，有獨特的三階逆變電路(見圖2所示),，并保持功率不變。獨有的全制性刷新了傳統(tǒng)UPS領域輸入輸出相位固定的傳統(tǒng)特性,，為用戶帶來了前所未有的選擇空間及便利,。因此在終端客戶或經(jīng)銷商選購UPS產(chǎn)品時，無需再去考慮如何購進不同相位或不同容量的產(chǎn)品,，或擔心某種型號產(chǎn)品滯銷,、短缺而導致的進貨、存儲的煩瑣,；可根據(jù)不同客戶的需求調(diào)整電源相位,，使經(jīng)銷商對產(chǎn)品、零配件等備品進行單一品牌的簡易管理，大大降低經(jīng)營和管理成本,，購銷存整體銷售鏈便捷高效。
?、汝P于三階逆變電路
三階逆變電路如圖2所示,。三相輸出完全獨立，可帶100%不平衡負載,；其三相/單相輸出現(xiàn)場可調(diào)變：逆變效率高達97%;輸出電源質(zhì)量高—諧波2%,；負載100%階躍;輸出電壓波動2%。
圖2 有獨特的三階逆變電路示意圖
2.2 冗余性
在傳統(tǒng)UPS產(chǎn)品中,，一直存在著單臺UPS容易出現(xiàn)單點故障的問題,，用戶唯一的安全保障措施是采用“1+1”或“N+1”舊的安全防范格局，該措施不僅造成較大的經(jīng)濟浪費,，而且容錯率僅有一次之多,。
UPS系統(tǒng)陣列中的所有功率模塊平均負擔系統(tǒng)負載，各并聯(lián)模塊皆為內(nèi)置冗余的智能型獨立個體,，無需系統(tǒng)控制器對并聯(lián)系列集中控制,。任何模塊發(fā)生故障后(包括系統(tǒng)控制模塊)，其冗余設計便會充分發(fā)揮效用,，全面保障設備正常運轉(zhuǎn),，實現(xiàn)最大程度的故障冗余，同時用戶還可根據(jù)需要選擇超過一次容錯率的冗余,。也就是說客戶如果在一個系統(tǒng)中安裝了比能支持最大系統(tǒng)負載所需要的最少模塊還多X個模塊,，那么就能夠在有X個模塊失效的情況下仍保證維持系統(tǒng)全部正常工作。
UPS模塊式設計概念全面優(yōu)化了“N+X”投資方案,，客戶僅需購置10KVA功率模塊,，即可輕松實現(xiàn)X次故障冗余及升級擴容。
2.3 可用性
新型模塊UPS具有超強的并聯(lián)功能,，是高端UPS技術的領先技術,，其平均無故障時間(MTBF)是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的1.5倍，平均無重大故障時間(MTBCF)是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的3倍,，平均修復時間(MTFR)傳統(tǒng)UPS為停機維修8小時,，而POWER+在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下僅需5分鐘。極高的可用性凸顯POWER+所具備的完善保護功能和安全適用能力,，確保系統(tǒng)本身和用戶設施負載受保護時間成倍提升,。
2.4 熱扦撥性
傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)在日常維護、設備維修期間均需采取轉(zhuǎn)旁路的工作方式,，負載因此不受UPS保護,。此時如果發(fā)生交流電源中斷、過載等故障,，勢必造成負載電源供應中斷或設備損壞,。同時設備維修還需要經(jīng)過一系列煩瑣的程序：系統(tǒng)管理員通知廠商+廠商趕至維修現(xiàn)場+停電維修,。為了解決類似的可靠性瓶頸，新型模塊UPS采用了先進的UPS模塊熱插拔技術,，單體模塊可任意在線投入或退出并聯(lián)單元,，無需停電操作，實現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)的在線維護,，同時該操作無需專門的儀器和技術即可進行,。
通過熱插拔技術使單體功率模塊可任意在線投入或退出，解決了傳統(tǒng)UPS轉(zhuǎn)旁路維修的技術難題,，使維護超常簡便,，同時實現(xiàn)了UPS隨意擴展和冗余兩大性能，充分滿足用戶實際需求,。
2.5 互動性
模塊UPS具有功能強大的系統(tǒng)控制器,。內(nèi)置完善的電源分析儀及多種通訊界面，其獨有的雙向互動式監(jiān)控和自我測試功能,，配備智能化監(jiān)控軟件(如GA公司的GeMSi),，可通過SMS、藍牙,、局域網(wǎng)等不同界面與網(wǎng)絡管理員進行雙向互動溝通,，使網(wǎng)絡管理員隨時對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控(如圖3所示)，了解產(chǎn)品實時狀態(tài),。一方面實現(xiàn)了設備運行過程中自我狀態(tài)的監(jiān)控,，對一些異常現(xiàn)象進行預處理,，使系統(tǒng)始終平穩(wěn)可靠運行,；另一方面實現(xiàn)了網(wǎng)絡管理員和客戶可通過SMS、因特網(wǎng),、ICQ等更廣闊的監(jiān)控渠道與模塊UPS之間進行雙向數(shù)據(jù)通信和遠程監(jiān)控,，全面了解其運作情況。如系統(tǒng)發(fā)生異常時,，亦同樣會將異常情況發(fā)送給客戶,。若有關人員不在現(xiàn)場，將會在供電時間結束前自動中止系統(tǒng)軟件的運行程序,，禁止用戶登錄,、自動存盤、保持現(xiàn)場等,，并通過網(wǎng)絡向用戶發(fā)出警告信息,，通報有關電源異常狀況。客戶可根據(jù)POWER,，發(fā)送的信息來判斷異常情況的緊急程度,，以決定應變措施。模塊UPS獨有的雙向互動式監(jiān)控技術,，可協(xié)助客戶靈便快捷地對系統(tǒng)危機做出即時處理,，免除您的后顧之憂。
圖3 遠程監(jiān)控示意圖
2.6 環(huán)保性
模塊UPS導入先進的改良技術,，可達到輸入總諧波失真(THD)只有5%，遠低于傳統(tǒng)UPS可控硅整流器的33%(見圖4(a)(b)所示),，同時單位輸入功率因數(shù)PF=1,。圖4(a)為無PFC電路時UPS輸入電壓/電流波形，而圖4(b)為加入PFC電路時UPS輸入電壓/電流波形,。在線性負載條件下,，輸出總諧波失真(THD)低于2%，極大降低電網(wǎng)污染,，有效減少電網(wǎng)負荷和電源損耗,，整機效率高達96%，大幅節(jié)省能源,，見圖5(a)(b)所示,。
新型模塊UPS不僅向用戶提供了安全實用的性能保障，其所擁有的先進高端技術將領引UPS潮流倡導節(jié)能與環(huán)保,，以新穎卓越的概念著眼全球電源事業(yè)發(fā)展,。
2.7 新型模塊UPS的并機
獨特的模塊UPS并機技術，多達5個機架并聯(lián),，提供500KVA系統(tǒng)容量,；分散式靜態(tài)開關設計，無需外加旁路柜,；分散邏輯控制,，排除以往中央并機控制單點故障的危險；環(huán)型并機通訊網(wǎng)絡,，確保并機通訊連接安全可靠,；各并聯(lián)機架可配置不同數(shù)量的UPS模塊，異容量并機,；機架并機加上模塊化技術,，提升系統(tǒng)的擴容性、安全系數(shù)和可靠性,；所有模塊與標準POWER+系統(tǒng)通用,。
2.8 實例
10kVA標準單機：多制性可設定為3/3、3/1、1/1,；小型輕量化,，機體僅重8kG；卓越效能,，AC/AC高效率為96%,，低輸入諧波為5%，輸入功率因數(shù)為1,，背光LCD顯示,；在線雙轉(zhuǎn)換，聯(lián)機電池,。
2.9 新型模塊UPS系統(tǒng)控制器
主處理器為1 6 bit,；顯示器為4*40字元背光LCD；其他指示裝置有8 LED,，蜂鳴器,；模擬輸入通道為4；數(shù)字輸入通道為8,；計時器RTC 具有備用電源,；干接點為6；RS232 隔離,；通訊界面為TCP/IP,，PRS/SMS；內(nèi)部通訊為串列傳輸,，具有隔離;事件記錄有255項,；
顯示參數(shù)為負載條形圖、交流電壓電流,、電池電壓,、UPS模塊狀態(tài)STSW參數(shù)及狀態(tài)、電池溫度(需購附件),；功率計測量輸出/輸入kW,，kVA & PF；對AC異常,，DC異常,，UPS模塊故障，系統(tǒng)旁路,，電池測試異常,，過載及系統(tǒng)溫度異常均可警報；計時器RTC之備用電源為2星期,。
2.10 系統(tǒng)管理軟件
POWER+具備通訊界面卡及網(wǎng)絡管理軟件,、根據(jù)所連接的UPS系統(tǒng)<單相/三相),，軟件會顯示對應的數(shù)據(jù)。選項Wing,，無線通訊界面,，可通過主機監(jiān)控UPS電源系統(tǒng)。
3 關于97%模塊高效BUS電源開發(fā)與設計方案
當今以高效率,、低成本,、高可靠性為模塊電源追求目標，而往往基于中間母線技術的應用,。那末實現(xiàn)97%效率有利條件是什么,？首先應對中間母線的定義與優(yōu)勢給于說明。
3.1 中間母線的定義與優(yōu)勢
3.11中間母線的定義
12V中間母線IBA(Intermediate Bus-Architecture),，開環(huán)電源模塊需求商最早是Cisco在數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品中提出,。
3.12中間母線IBA優(yōu)勢
① 性能：負載電壓規(guī)格多,；電源與負載的隔離近,；板上熱分布均勻,。
?、?成本：IBA具有較好的競爭力。隨著IC供電電壓下降和所需電流的增加,，IBA的應用得到推廣,，相應的BC和POL得到迅速發(fā)展。12V是增長速度最快的輸入電壓,，它是基于IBA和計算機應用的驅(qū)動,。
3.13中間母線分類
① 特性：標準閉環(huán)穩(wěn)壓12v模塊,；前饋技術半穩(wěn)壓12V模塊,；開環(huán)12V不穩(wěn)壓模塊。
?、?分別對應的應用范圍：電信設備,，帶電池的48V/60V系統(tǒng)及數(shù)據(jù)設備，有12V負載,；電信設備,，帶電池的的48V系統(tǒng)；電信設備,，嵌入式FE系統(tǒng)及數(shù)據(jù)設備,，無12V負載，直流不帶電池,。
?、?分別對應的電壓輸入范圍：36V-75V,；36V-60V((核心電壓42V—58V)；48V±1%,。
?、?分別對應的穩(wěn)壓精度：12V/±4.5%；12V(±5%-±10%),；12V±10%,。
⑤ 分別對應的成本與可靠性：高,、中,、低；低,、中,、高。
?、?業(yè)界BUS的標準模塊功率:100W-600W,，有1/2、1/4,、1/8磚等外形尺寸,。效率在90%～96%，個別己達97%,。
3.2 實現(xiàn)97%效率有利條件是什么,？
輸入電壓范圍窄：器件電應力變化小,；輸出開環(huán)：可固定占空比,；開放式拓撲結構：有利于風冷；多層PCB：接觸電阻和分布參數(shù)小,。
3.3 97%模塊高效BUS電源設計思想與方案
3.31 設計思想
電路結構簡單,；電路和器件成熟；保護功能齊全可靠,。
3.32 設計方案
包括主電路拓撲采用推挽電路(見圖6(a)所示),，副邊采用同步整流(見圖6(b)所示)，輸出無濾波電感,，固定50%的占空比,，采用開關管可實現(xiàn)零電壓開通(ZVS)與零電流開通(ZCS)。
?、?推挽電路的優(yōu)點：驅(qū)動電路為IC直接驅(qū)動,，屬于經(jīng)典電路比較成熟；器件成熟,，具有配套的PWM IC比較多,；為偏磁處理,。
② 副邊采用同步整流驅(qū)動方案：低電壓驅(qū)動MOSFET,，能降低驅(qū)動損耗1/3,；為外驅(qū)同步整流能滿足輸出直接并聯(lián)；省略輸出電感,，減少損耗并提高效率,。
3.33 器件與工藝方案
用低損耗磁性器件、低Rds(on),、低Qg功率開關器件與CT采樣及厚銅PCB,。而工藝方案至關重要，應考慮電路布局的對稱性和發(fā)熱的均勻性及散熱的高效性,。