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　随着通信行业的重组和3G的商用化实施,国内通信电源市场得到了更加快速的发展。而在国家号召大力开展节能减排的大背景下,降低碳排放、节能环保已越来越被通信行业所关注,对于保障通信设备电源可靠安全运行的UPS来说也不例外。大多数机房管理工作人员认为,UPS设备安装后只是起到断电保护的作用并不耗电,但实际上,UPS设备由于效率等因素也会耗电(在线式),而这部分损耗是额外增加的。用户已经逐渐意识到,传统UPS的体积庞大、系统维护困难等问题也急需解决。因此,在很多机房改造过程中,开始考虑设计理念更佳的模块化UPS。可以说,“低碳经济”时代的到来,对UPS产品的绿色环保特性提出了新要求,也会大力推进模块化UPS技术的发展。

　　1 模块化UPS特性分析

　　模块化是UPS的发展趋势之一,模块化UPS不仅在性能上有很大的改善,而且在可靠性、可维护性以及智能化方面的指标更有显著的提高。与传统UPS相比,模块化UPS主要特性如下:

　　(1)并联冗余,运行稳定,可靠性高。在模块化UPS中,功率模块部分是并联冗余的,即功率部分是由许多模块并联在一起,它们不分主从,互不依赖,并且均分负载。由独立的监测、报警、通信模块和系统保护用的静态开关模块等几部分组成,不存在集中控制单元,系统没有故障瓶颈。在模块化UPS系统中,只需要购买相应的功率模块,即可实现“N+X”的故障冗余。

　　(2)维修方便,在线处理,可用性高。在线热插拔是模块化UPS的又一显著特点。因为模块的规格统一,具体实施很简单,更换时间极短,几分钟内完成。相比之下,传统机型是修机器或换板子,从判断故障现象到更换完成、排除故障、设备正常运行,需依技术人员的水平而定,几小时甚至几天不等。模块化UPS提高了系统可用性,使维护更为便捷,同时提升了使用人员对系统的维护能力,降低了设备的故障隐患,确保负载得到最佳的保护。

　　(3)安装简单,扩容方便,节约投资。模块化UPS在物理尺寸和整机重量比传统机型有大幅度改进,为用户节省大量的机房投资、承重加固投资。随着负载的提升,传统UPS就必须更换一台更大容量的UPS来满足使用需求,但模块化UPS则不需要更换整机,只需增加模块数量即可轻松扩容,有效地降低了初期购置和日后的扩容成本,并且可以动态地满足业务发展的需求。

　　(4)节能、环保的绿色电源。模块化产品由于自身系统架构的优势,整机效率比传统机型有了突破性的进展,在整机效率方面有很大提升。模块化UPS的输入总谐波失真(THDI)一般为5%,同时输入功率因数PF≥0.99,没有无功功率电流输入,不*电网并且大幅降低能源的消耗。极大地降低了对电网的污染,有效地减少电网负荷和电源损耗,逆变效率一般为95%,大幅节省电能。

　　2 通信行业对模块化UPS的技术要求

　　根据通信行业用UPS供电保障要求和模块化UPS的适应场合要求,模块化UPS入网应满足如下要求:

　　(1)UPS完全模块化。每个UPS模块均为智能型独立个体,任何一个模块出现故障不会影响其他模块的正常工作,能够自己退出系统,不影响整个系统工作。

　　(2)UPS系统必须消除系统方案的公共故障点,使系统运行无瓶颈。例如在并联模块的环流问题上可采用先进的分散控制技术,使UPS系统不受集中控制的可靠性限制,避免瓶颈故障的发生。

　　(3)在多台模块并联时,其中最重要的指标就是电流均分,也就是说如果N台UPS模块并联,必须保证每个模块的输出电流是总输出电流的1/N,至少其相互之间的最大不平衡度必须在要求范围之内(一般要求小于5%)。

　　(4)系统中所有UPS模块共享(包括充电和放电)电池组。使用一组电池或并联多组电池来增加系统备用时间。

　　(5)节能降耗是现在数据中心遇到的最大问题,对于数据中心提供电源保障的UPS系统除了可用性外,必须是高效率、无污染、低能耗的。

采用高频整流技术(IGBT-PFC)同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能,是无输出变压器UPS电路技术的另一重要的标志性特点。PFC技术已经很成熟,根据不同的应用场合和不同的性能要求,其电路拓扑形式也不尽相同,但其基本原理是相同的,具有功率校正功能的电路有降压式、升/降压式、反击式、升压式(Boost)四种形式,在UPS设备中,为了同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能,自然就采用了升压式(Boost)电路。

　　图16是单相升压式(Boost)电路原理图。图中的C1为高频小容量电容器,用以消除开关管在高频开关时产生的传向电网的*。C2是大容量直流电解电容器。与一般AC/DC整流变换所不同的是,在桥式整流与大容量直流电容之间加入了PFC电路环节,其目的是使输入电流跟随输入电压按正弦规律同相位变化。PFC环节由电感L、开关管VT和二极管VD以及相应的控制电路组成,控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值、输出直流电压幅值三种反馈信号,并以PWM方式控制开关管的导通和截止,其工作过程如下:功率开关管VT导通时,二极管VD因反向偏置而截止,输入电压通过开关管VT向电感L充磁,电感电流(即此时的输入电流)IL的变化规律直接取决于电感L值和此时的输入电压瞬时值,其增加值则同时与L值、此时刻输入电压的瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时,由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上,使二极管VD正向导通,电感L将储存的磁能转化为电能向电容C2充电并向负载输出,输入电流IL下降,IL下降速率与电感L值、此时刻输入电压瞬时值,以及负载(即直流电压U2的输出负载)大小有关,其减小值除取决于以上因素外,还与开关管VT的截止时间有关。显然,当输入电压U1以正弦规律变化时,控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制,当工作频率足够高时(例如15～20kHz),输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。

　　对于三相输入的大功率传统双变换型UPS,其输入电路是三相整流形成统一的直流母线(同时配备一组蓄电池),输入功率因数校正和升压原理与单相类似,电路形式有由三个单相PFC组合式、单开关三相PFC、三开关三相PFC、六开关三相PFC等多种拓扑结构形式。图14中的输入电路就是六开关(IGBT)三相PFC原理电路。

　　六开关三相PFC是由六只开关功率器件组成的三相PWM整流电路,图17是其原理电路。每个桥路由上下两只开关管及与其反向并联的二极管组成,每相电流可通过该相桥臂上的这两只开关管控制。如A相电压为正时,VT4导通使电感La上电流ia增大,电感La充电储能;VT4关断时,电感La感应电压叠加在输入电压UA上(升压),使与VT1并联的二极管VD1导通,电流ia通过VD1流向负载,在电感能量释放过程中电流ia逐渐减小。同样A相电压为负时,可通过VT1和VT4反并联的二极管VD4对电流ia进行控制。

　　六开关三相PFC原理电路的输入电压是380V,峰值是537V,所以此电路的输出直流电压可升至800V(±400V),此值正是UPS输出三相半桥电路所需要的直流母线电压。

　　4 无输出变压器型UPS的性能优势

　　这里的讨论仅限于是否带输出变压器这两种电路结构的不同而带来的设备性能的差异,不包括下列与产品研制定型和生产水平有关的因素而造成的性能差别:

　　·电路研制定型水平:与技术人员的技术水平、经验和定型流程管理有关;

　　·器件选用差别:与电路定型、成本控制和质量管理流程有关;

　　·产品质量和稳定性:取决于生产工艺水平,与技术人员水平、生产和质量控制流程有关;

　　·产品功能差别:包括是否有并机功能、是否模块化、系统管理与通讯功能、电池配置和管理水平、电路控制差别(CPU还是DSP)、软启动、冷启动、物理结构与可维护性水平等。

　　这些差别与厂商决策人员对设备的研发方向、市场定位、商业取向、成本控制等指导思想有直接的关系。