新型模块UPS应用特征及模块高效BUS电源设计方案

1 问题的提出

随着通信与网络应用的蓬勃发展，网络化、集成化趋势正以前所未有的速度和深度影响着我们的生活。UPS电源系统在网络系统、智能大厦等项目的集成、各行业的实时监控、运算系统供电质量等项目中要求变得越来越高。而传统的UPS系统存在单机故障率高、可扩展性差、可管理性差、维护成本高昂等等弊端，市场已强烈需要新一代更具精密性与综合性、更能灵活管理、更安全可靠的网络UPS登台问世。值此以Power+(10kVA-100kVA)模块UPS电源为例对其作分析介绍。

模块UPS，其具备的卓越优势不仅仅是智能型的电源保护系统。应该说全新电源保护理念除了包含传统UPS的整流、滤波、充电、逆变器等装置外，还采用了连续电流控制整流技术和三阶逆变等新型概念技术。在降低运输及库存成本的同时可提供更高的效率、更灵活的机动性及更好的可靠性。

2 新型模块UPS电源应用特征

2.1 全制式并联冗余环保电源

⑴ 并联冗余UPS系统

整体由系统控制器、静态开关(STSW)以及1至10个额定容量为10kVA的功率模块所构成，可采用热插拔模式随意进行扩充。POWER+系统结构极具弹性，功率模块的概念是在系统运行时可随意移除或安装而不影响系统的运行及输出，使投资规划实现“随需应变”，既满足了后期设备的随需扩展，又降低了初期购置成本。

⑵ 故障冗余的构成

可实现最大程度的故障冗余。各主要构成部分包括系统控制器、静态开关(STSW)以及功率模块皆为内置冗余的智能型独立个体，可单独运行(见图1所示)。任何模块发生故障后(包括系统控制模块)，POWER+冗余设计便会充分发挥效用，全面保障设备正常运转。



图1 新型模块UPS故障冗余的构成示意图

图1中的电池组由系统中所有UPS模块共享(包括充电和放电)。可按用户需求，使用单一电池或并联多组电池来增加系统备用时间，并作为电池冗余结构。POWER+具备多项配件选择，如充电模块、无线传输(GPRS、蓝牙)、隔离变压器及功能强大的控制软件等，用户可完全依照实际所需进行选择。

⑶独有的电源相位的多制技术

UPS系统率先开发了独有的电源相位的多制技术，改变了整个UPS领域输入输出相位固定的单一性，可根据电源输入情况将模块设置成3/3(三相进三相出)、1/1、3/1、1/3四种电源系统，有独特的三阶逆变电路(见图2所示)，并保持功率不变。独有的全制性刷新了传统UPS领域输入输出相位固定的传统特性，为用户带来了前所未有的选择空间及便利。因此在终端客户或经销商选购UPS产品时，无需再去考虑如何购进不同相位或不同容量的产品，或担心某种型号产品滞销、短缺而导致的进货、存储的烦琐；可根据不同客户的需求调整电源相位，使经销商对产品、零配件等备品进行单一品牌的简易管理，大大降低经营和管理成本，购销存整体销售链便捷高效。

⑷关于三阶逆变电路

三阶逆变电路如图2所示。三相输出完全独立，可带100%不平衡负载；其三相/单相输出现场可调变：逆变效率高达97%;输出电源质量高—谐波2%；负载100%阶跃;输出电压波动2%。



图2 有独特的三阶逆变电路示意图

2.2 冗余性

在传统UPS产品中，一直存在着单台UPS容易出现单点故障的问题，用户唯一的安全保障措施是采用“1+1”或“N+1”旧的安全防范格局，该措施不仅造成较大的经济浪费，而且容错率仅有一次之多。

UPS系统阵列中的所有功率模块平均负担系统负载，各并联模块皆为内置冗余的智能型独立个体，无需系统控制器对并联系列集中控制。任何模块发生故障后(包括系统控制模块)，其冗余设计便会充分发挥效用，全面保障设备正常运转，实现最大程度的故障冗余，同时用户还可根据需要选择超过一次容错率的冗余。也就是说客户如果在一个系统中安装了比能支持最大系统负载所需要的最少模块还多X个模块，那么就能够在有X个模块失效的情况下仍保证维持系统全部正常工作。

UPS模块式设计概念全面优化了“N+X”投资方案，客户仅需购置10KVA功率模块，即可轻松实现X次故障冗余及升级扩容。

2.3 可用性

新型模块UPS具有超强的并联功能，是高端UPS技术的领先技术，其平均无故障时间(MTBF)是传统UPS系统的1.5倍，平均无重大故障时间(MTBCF)是传统UPS系统的3倍，平均修复时间(MTFR)传统UPS为停机维修8小时，而POWER+在系统正常运行状态下仅需5分钟。极高的可用性凸显POWER+所具备的完善保护功能和安全适用能力，确保系统本身和用户设施负载受保护时间成倍提升。

2.4 热扦拨性

传统UPS系统在日常维护、设备维修期间均需采取转旁路的工作方式，负载因此不受UPS保护。此时如果发生交流电源中断、过载等故障，势必造成负载电源供应中断或设备损坏。同时设备维修还需要经过一系列烦琐的程序：系统管理员通知厂商+厂商赶至维修现场+停电维修。为了解决类似的可靠性瓶颈，新型模块UPS采用了先进的UPS模块热插拔技术，单体模块可任意在线投入或退出并联单元，无需停电操作，实现了并联系统的在线维护，同时该操作无需专门的仪器和技术即可进行。

通过热插拔技术使单体功率模块可任意在线投入或退出，解决了传统UPS转旁路维修的技术难题，使维护超常简便，同时实现了UPS随意扩展和冗余两大性能，充分满足用户实际需求。

2.5 互动性

模块UPS具有功能强大的系统控制器。内置完善的电源分析仪及多种通讯界面，其独有的双向互动式监控和自我测试功能，配备智能化监控软件(如GA公司的GeMSi)，可通过SMS、蓝牙、局域网等不同界面与网络管理员进行双向互动沟通，使网络管理员随时对系统进行远程监控(如图3所示)，了解产品实时状态。一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控，对一些异常现象进行预处理，使系统始终平稳可靠运行；另一方面实现了网络管理员和客户可通过SMS、因特网、ICQ等更广阔的监控渠道与模块UPS之间进行双向数据通信和远程监控，全面了解其运作情况。如系统发生异常时，亦同样会将异常情况发送给客户。若有关人员不在现场，将会在供电时间结束前自动中止系统软件的运行程序，禁止用户登录、自动存盘、保持现场等，并通过网络向用户发出警告信息，通报有关电源异常状况。客户可根据Power，发送的信息来判断异常情况的紧急程度，以决定应变措施。模块UPS独有的双向互动式监控技术，可协助客户灵便快捷地对系统危机做出即时处理，免除您的后顾之忧。



图3 远程监控示意图

2.6 环保性

模块UPS导入先进的改良技术，可达到输入总谐波失真(THD)只有5%，远低于传统UPS可控硅整流器的33%(见图4(a)(b)所示)，同时单位输入功率因数PF=1。图4(a)为无PFC电路时UPS输入电压/电流波形，而图4(b)为加入PFC电路时UPS输入电压/电流波形。在线性负载条件下，输出总谐波失真(THD)低于2%，极大降低电网污染，有效减少电网负荷和电源损耗，整机效率高达96%，大幅节省能源，见图5(a)(b)所示。



新型模块UPS不仅向用户提供了安全实用的性能保障，其所拥有的先进高端技术将领引UPS潮流倡导节能与环保，以新颖卓越的概念着眼全球电源事业发展。

2.7 新型模块UPS的并机

独特的模块UPS并机技术，多达5个机架并联，提供500KVA系统容量；分散式静态开关设计，无需外加旁路柜；分散逻辑控制，排除以往中央并机控制单点故障的危险；环型并机通讯网络，确保并机通讯连接安全可靠；各并联机架可配置不同数量的UPS模块，异容量并机；机架并机加上模块化技术，提升系统的扩容性、安全系数和可靠性；所有模块与标准POWER+系统通用。

2.8 实例

10kVA标准单机：多制性可设定为3/3、3/1、1/1；小型轻量化，机体仅重8kG；卓越效能，AC/AC高效率为96%，低输入谐波为5%，输入功率因数为1，背光LCD显示；在线双转换，联机电池。

2.9 新型模块UPS系统控制器

主处理器为1 6 bit；显示器为4*40字元背光LCD；其他指示装置有8 LED，蜂鸣器；模拟输入通道为4；数字输入通道为8；计时器RTC 具有备用电源；干接点为6；RS232 隔离；通讯界面为TCP/IP，PRS/SMS；内部通讯为串列传输，具有隔离;事件记录有255项；

显示参数为负载条形图、交流电压电流、电池电压、UPS模块状态STSW参数及状态、电池温度(需购附件)；功率计测量输出/输入kW，kVA & PF；对AC异常，DC异常，UPS模块故障，系统旁路，电池测试异常，过载及系统温度异常均可警报；计时器RTC之备用电源为2星期。

2.10 系统管理软件

POWER+具备通讯界面卡及网络管理软件、根据所连接的UPS系统＜单相/三相)，软件会显示对应的数据。选项Wing，无线通讯界面，可通过主机监控UPS电源系统。

3 关于97%模块高效BUS电源开发与设计方案

当今以高效率、低成本、高可靠性为模块电源追求目标，而往往基于中间母线技术的应用。那末实现97%效率有利条件是什么？首先应对中间母线的定义与优势给于说明。

3.1 中间母线的定义与优势

3.11中间母线的定义

12V中间母线IBA(Intermediate Bus-Architecture)，开环电源模块需求商最早是Cisco在数据通信产品中提出。

3.12中间母线IBA优势

① 性能：负载电压规格多；电源与负载的隔离近；板上热分布均匀。

② 成本：IBA具有较好的竞争力。随着IC供电电压下降和所需电流的增加，IBA的应用得到推广，相应的BC和POL得到迅速发展。12V是增长速度最快的输入电压，它是基于IBA和计算机应用的驱动。

3.13中间母线分类

① 特性：标准闭环稳压12v模块；前馈技术半稳压12V模块；开环12V不稳压模块。

② 分别对应的应用范围：电信设备，带电池的48V/60V系统及数据设备，有12V负载；电信设备，带电池的的48V系统；电信设备，嵌入式FE系统及数据设备，无12V负载，直流不带电池。

③ 分别对应的电压输入范围：36V-75V；36V-60V((核心电压42V—58V)；48V±1%。

④ 分别对应的稳压精度：12V/±4.5%；12V(±5%-±10%)；12V±10%。

⑤ 分别对应的成本与可靠性：高、中、低；低、中、高。

⑥ 业界BUS的标准模块功率:100W-600W，有1/2、1/4、1/8砖等外形尺寸。效率在90%～96%，个别己达97%。

3.2 实现97%效率有利条件是什么？

输入电压范围窄：器件电应力变化小；输出开环：可固定占空比；开放式拓扑结构：有利于风冷；多层PCB：接触电阻和分布参数小。

3.3 97%模块高效BUS电源设计思想与方案

3.31 设计思想

电路结构简单；电路和器件成熟；保护功能齐全可靠。

3.32 设计方案

包括主电路拓扑采用推挽电路(见图6(a)所示)，副边采用同步整流(见图6(b)所示)，输出无滤波电感，固定50%的占空比，采用开关管可实现零电压开通(ZVS)与零电流开通(ZCS)。



① 推挽电路的优点：驱动电路为IC直接驱动，属于经典电路比较成熟；器件成熟，具有配套的PWM IC比较多；为偏磁处理。

② 副边采用同步整流驱动方案：低电压驱动MOSFET，能降低驱动损耗1/3；为外驱同步整流能满足输出直接并联；省略输出电感，减少损耗并提高效率。

3.33 器件与工艺方案

用低损耗磁性器件、低Rds(on)、低Qg功率开关器件与CT采样及厚铜PCB。而工艺方案至关重要，应考虑电路布局的对称性和发热的均匀性及散热的高效性。