摘 要:介绍了一种新型高频开关电源式不间断电源的构成原理与优点,它也代表了不间断电源技术的发展方向。

③当今技术相当成熟的电力工业,由于普遍采用了信息化管理、智能化供电的电网调度技术,以及在市电系统中采用了ATS开关,在双路市电输入电源之间自动切投调控操作的保护性设计方案,在市电输入供电系统中,发生长时间停电故障的几率很少,一般事故的停电时间为3～10s。

以上所述的三项技术成就,都为电脑开关电源式UPS的生成和实现UPS自主分散供电方式创造了条件。所谓自主分散供电方式,是指各个电脑只用专为自己生产配套的高频开关式UPS,不与其他电脑共用一个UPS。

根据上述三项技术成就,就可以得到UPS改革的方法,这个方法其实很简单,就是在如图2所示的高频开关电源的典型电路框图中,设法在高频整流器(PFC)与PWM高频逆变器之间加入一组储能锂电池,就可以变成高频开关电源式UPS,其电路框图如图7和图8所示。

其中图7所示为专用于分体式电脑的。图8所示为专用于一体式电脑。因为一般现有的小容量锂电池组的电压都比较低,所以必须用Buck DC/DC变换器,使高频整流器(PFC)的直流输出电压与锂电池组的直流电压相匹配,以利于锂电池组充电。由抗干扰滤波器、高频整流器(PFC)、Buck变换器组成的电路,由于是高频开关电源式UPS电路的一个组成部分,其作用主要是与后面的电路共同完成UPS功能,其次才是对锂电池组充电,所以叫适配器,不叫充电器,一般把它制成独立电器作为电脑的一个附件使用。

采用高频开关电源式UPS,对电脑进行自主分散式供电的电力系统如图9所示,所谓高频开关电源式UPS对电脑进行自主分散式供电,是指 N 台电脑采用自身专用的高频开关电源式UPS,一对一的向电脑供电,都直接接到市电电源上进行工作的一种供电方式。这种供电方式与图4所示的集中供电方式比较有很多优点。

5 高频开关电源式UPS及其自主分散式供电的优点

高频开关电源式UPS,是在高频开关电源电路中,加入了储能锂电池构成的,因此这种UPS既具有UPS功能,也具有高频开关电源的技术特点。把 N 台用这种UPS一对一的自身供电的电脑再接入到市电电源上,就构成了自主分散式供电方式。这种UPS及其自主分散式供电方式具有很多优点:

(1)高频开关电源式UPS的优点

①利用已经成熟的高频开关电源技术,可以采用价格低廉、开关速度快、损耗小、开关频率

高的低压MOSFET管作开关,把ZVS或ZCS软开关技术应用到UPS中,使UPS的开关频率可以提高到40～100kHz以上,为UPS进一步的高频化创造了条件;

②由于这种UPS可以进一步高频化,所以更有利于把UPS的市电输入功率因数提高到接近于1,可以更有利于把市电输入电流的THDi减小到1%以下,使UPS对市电电源的谐波污染减小到接近于零;

③当电脑工作时,高频开关电源式UPS的负载率大致保持在100%不变,故对它的效率、市电输入功率因数和市电输入电流的THDi没有影响,这就可以使高频开关电源式UPS的工作效率保持在最高点运行;

④现代电脑本身都具有市电断电时保护电脑的数据及信息资料不丢失的功能,和不使电脑遭到破坏的保护功能,故对一般家用电脑或不重要场合应用的电脑,可以不用UPS电源供电,只有对重要场合应用的电脑,才用UPS供电。处于这种考虑,可以在电脑机盒上设置一个电池插座,把电池作为一个附件,对不需要UPS供电的用户可以不提供电池,灵活方便;

⑤高频开关电源式UPS的生产成本较低,只在高频开关电源中多一组锂电池,因此售价较低,一般小型用户或家庭都买得起。而且这种UPS的体积小,装在电脑机盒中就可以了,不必另行设置安装空间;

⑥由于采用的是容量密度大、寿命长、无污染的锂电池,故可以在任何环境条件下应用,而且

也不需要进行复杂的维护修理。

(2)高频开关电源式UPS自主分散式供电的优点

①因为电脑使用自身的专用高频开关电源式UPS一对一供电,所以供电系统的效率就等于高频开关电源式UPS的效率,而高频开关电源式UPS的电能没有重复或多余的变换,故效率较高。

②系统的负载率等于高频开关电源UPS的负载率,其值接近100%,故系统的负载率对系统效

率、市电输入功率因数和市电输入电流的THDi都没有影响。

③系统的可靠性等于高频开关电源式UPS的可靠性,不再受集中供电UPS的影响,故可靠性比

图4所示的集中供电方式要高,而且也不存在“零地电压”问题。

④没有了高频与工频机型UPS昂贵的投资和维护费。

⑤因为是用自身的专用高频开关电源式UPS一对一的供电,故不会也不可能使电脑与不需要用UPS供电的其他用电设备混合接在UPS上供电的现象,使UPS的电能利用率为100%,使用方便。

⑥不存在也不可能存在多台UPS冗余并联供电的方式,故比图4所示的集中供电方式的负载率要高。

⑦占地面积比集中供电方式小,没有铅酸蓄电池对环境的污染。

⑧每一台高频开关电源式UPS,都可以采用光能电池做为家用电脑的UPS应用。光能电池,是一种用光能自动充电的电池,它是用铝锰单晶硅为原料,利用航空技术瞬间把光能转换成电能的一种自动充电电池。只需用太阳光照射两小时或者用灯光照射三小时就可以把电池充满,不用接市电电源充电,不腐蚀、不流液,可以反复充电80次左右。利用这种电池的UPS白天可以接市电电源上机,在阳光下面边充电边上机十分节能环保。一旦市电断电,电脑仍然可以工作,达到了UPS的效果。光能电池家用电脑用UPS电源的电路,是由图8所示高频开关电源式UPS电路的基础上,把锂电池换成光能电池构成的,如图8的中部下方所示。

6 用互动式UPS来延长供电时间

对于某些企业、银行、医院、政府或科研部门,为了延长UPS的供电时间,可以选用电路简单、成本低、效率高的互动式UPS,其电路如图10所示。它是由一个三相半桥式逆变器构成的、处于热备用状态的UPS。当市电正常时,逆变器工作在整流状态给蓄电池充电,UPS处于热备用状态,负载由市电电源供电。当市电中断时,逆变器工作在逆变状态,由蓄电池放电继续向负载供电,此时输入开关自动断开以防止UPS向市电反向馈电。

互动式UPS具有如下特点:

①三相半桥式逆变器接在输出端,处于热备用状态;

②输出能力强,电流峰值系数高,过载能力强;

③市电输入功率因数和输入电流的THDi取决于负载;

④UPS的效率可以高达98%;

⑤由于输入开关具有20～300ms的断开时间,所以UPS的切换时间不等于零。对于具有高频开关电源式UPS的电脑或一般电脑来说是没有影响的。例如一般现代电脑也都有大于1秒的延滞关机保护时间,300ms的切换时间不会使电脑遭到破坏;

⑥电路简单、成本低,供电可靠性高。

7 结束语

现代高频UPS和平衡电感式24相自耦变压器工频整流器UPS(也包括多脉波自耦变压整流和U d -PWM控制的工频整流器UPS)被认为是当代UPS的发展方向。但仔细分析可以发现,这些高频与工频机型UPS的构成本身和它们的供电方式都存在着很多缺点,如电能变换次数增加了一倍。开关损耗也成倍增加,运行中负载率低也影响输入功率因数与变换效率的提高,降低了供电的可靠性,使节能环保的优点不能充分发挥,需要专用的场所与专门的维护人员,价格贵、有污染等,故不是性能最好的UPS。

本文提出的采用高频开关电源式UPS才是最好的UPS,采用高频开关电源式UPS及其自主分散式供电方式,才是今后UPS的发展方向。这种供电方式,只是把电脑中的高频开关电源进行了简单的改造:加入了一个Buck DC/DC变换器,一个锂电池组,在电脑生产厂就可以完成。由于结构简单、造价低、效率高、可靠性高、无污染、不需要专用场所与专用维护人员等优点,所以一般小型用户或家庭都买得起、用的起。使UPS的应用得到了最大限度的普及,也使电脑的可靠工作得到了进一步提高。可以预计UPS的这个新思路是会得到广大用户欢迎的。再过几年,一般没有特殊要求的大多数用户一定都会采用这种价格便宜、可靠性高、不需要专用场地、不需要维护、效率高、无污染、使用方便、可以自主分散式供电的高频开关电源式UPS，不会再用工频或高频机型UPS了。

参考文献

[1] 刘凤君,工频与高频三相绿色UPS电路,电子工业出版社,2011年,北京

[2] 刘凤君,现代整流技术及应用实例,电子工业出版社,2013年,北京

[3] 刘凤君,高频UPS的原理与发展方向,UPS应用,2010年6、7、8月

[4] 刘凤君,开关电源设计与应用,电子工业出版社,2014年,北京

作者简介

刘凤君,研究员。从事电力电子技术研究50余年,著书14本,发表文章390余篇,获国家科技成果三等奖4次,四等奖3次,记功一次,荣立国家一等功一次。本刊编委。

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