1 問題的提出
隨著通信與網絡應用的蓬勃發(fā)展，網絡化、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電源系統在網絡系統、智能大廈等項目的集成、各行業(yè)的實時監(jiān)控、運算系統供電質量等項目中要求變得越來越高。而傳統的UPS系統存在單機故障率高、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。應該說全新電源保護理念除了包含傳統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 全制式并聯冗余環(huán)保電源
⑴ 并聯冗余UPS系統
整體由系統控制器、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+系統結構極具彈性，功率模塊的概念是在系統運行時可隨意移除或安裝而不影響系統的運行及輸出，使投資規(guī)劃實現“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
可實現最大程度的故障冗余。各主要構成部分包括系統控制器、靜態(tài)開關(STSW)以及功率模塊皆為內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。
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多組電池來增加系統備用時間，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。
⑶獨有的電源相位的多制技術
UPS系統率先開發(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，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UPS領域輸入輸出相位固定的傳統特性，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銷商選購UPS產品時，無需再去考慮如何購進不同相位或不同容量的產品，或擔心某種型號產品滯銷、短缺而導致的進貨、存儲的煩瑣；可根據不同客戶的需求調整電源相位，使經銷商對產品、零配件等備品進行單一品牌的簡易管理，大大降低經營和管理成本，購銷存整體銷售鏈便捷高效。
⑷關于三階逆變電路
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/單相輸出現場可調變：逆變效率高達97%;輸出電源質量高—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UPS產品中，一直存在著單臺UPS容易出現單點故障的問題，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濟浪費，而且容錯率僅有一次之多。
UPS系統陣列中的所有功率模塊平均負擔系統負載，各并聯模塊皆為內置冗余的智能型獨立個體，無需系統控制器對并聯系列集中控制。任何模塊發(fā)生故障后(包括系統控制模塊)，其冗余設計便會充分發(fā)揮效用，全面保障設備正常運轉，實現最大程度的故障冗余，同時用戶還可根據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中安裝了比能支持最大系統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UPS系統的1.5倍，平均無重大故障時間(MTBCF)是傳統UPS系統的3倍，平均修復時間(MTFR)傳統UPS為停機維修8小時，而POWER+在系統正常運行狀態(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UPS系統在日常維護、設備維修期間均需采取轉旁路的工作方式，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過一系列煩瑣的程序：系統管理員通知廠商+廠商趕至維修現場+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單元，無需停電操作，實現了并聯系統的在線維護，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UPS轉旁路維修的技術難題，使維護超常簡便，同時實現了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控制器。內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、局域網等不同界面與網絡管理員進行雙向互動溝通，使網絡管理員隨時對系統進行遠程監(jiān)控(如圖3所示)，了解產品實時狀態(tài)。一方面實現了設備運行過程中自我狀態(tài)的監(jiān)控，對一些異常現象進行預處理，使系統始終平穩(wěn)可靠運行；另一方面實現了網絡管理員和客戶可通過SMS、因特網、ICQ等更廣闊的監(jiān)控渠道與模塊UPS之間進行雙向數據通信和遠程監(jiān)控，全面了解其運作情況。如系統發(fā)生異常時，亦同樣會將異常情況發(fā)送給客戶。若有關人員不在現場，將會在供電時間結束前自動中止系統軟件的運行程序，禁止用戶登錄、自動存盤、保持現場等，并通過網絡向用戶發(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，可協助客戶靈便快捷地對系統危機做出即時處理，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%，極大降低電網污染，有效減少電網負荷和電源損耗，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，提供500KVA系統容量；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)型并機通訊網絡，確保并機通訊連接安全可靠；各并聯機架可配置不同數量的UPS模塊，異容量并機；機架并機加上模塊化技術，提升系統的擴容性、安全系數和可靠性；所有模塊與標準POWER+系統通用。
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%，輸入功率因數為1，背光LCD顯示；在線雙轉換，聯機電池。
2.9 新型模塊UPS系統控制器
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；內部通訊為串列傳輸，具有隔離;事件記錄有255項；
顯示參數為負載條形圖、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，系統旁路，電池測試異常，過載及系統溫度異常均可警報；計時器RTC之備用電源為2星期。
2.10 系統管理軟件
POWER+具備通訊界面卡及網絡管理軟件、根據所連接的UPS系統<單相/三相)，軟件會顯示對應的數據。選項Wing，無線通訊界面，可通過主機監(jiān)控UPS電源系統。
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在數據通信產品中提出。
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。
② 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。
② 分別對應的應用范圍：電信設備，帶電池的48V/60V系統及數據設備，有12V負載；電信設備，帶電池的的48V系統；電信設備，嵌入式FE系統及數據設備，無12V負載，直流不帶電池。
③ 分別對應的電壓輸入范圍：36V-75V；36V-60V((核心電壓42V—58V)；48V±1%。
④ 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。
⑥ 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，采用開關管可實現零電壓開通(ZVS)與零電流開通(ZCS)。
① 推挽電路的優(yōu)點：驅動電路為IC直接驅動，屬于經典電路比較成熟；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動方案：低電壓驅動MOSFET，能降低驅動損耗1/3；為外驅同步整流能滿足輸出直接并聯；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。