UPS設計難？這份避坑指南請收好

UPS 在二十世紀剛問(wèn)世時(shí)，唯一的用途是在停電時(shí)提供應急電源，但由于價(jià)格昂貴，應用范圍十分有限。如今，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，UPS 可以高效地優(yōu)化供電質(zhì)量、過(guò)濾線(xiàn)路噪聲、抑制浪涌，并根據需要在任何地點(diǎn)提供更長(cháng)時(shí)間的備用電源。在追求低碳環(huán)保的當下，低能耗、高可靠性、小尺寸已成為 UPS 發(fā)展的新方向。安森美（onsemi）推出的UPS系統方案指南，對UPS設計進(jìn)行了全面介紹。本文為第一篇，將聚焦系統用途、市場(chǎng)趨勢展開(kāi)講解。

系統用途

交流電在發(fā)電時(shí)是穩定且純凈的。然而，在輸電和配電過(guò)程中，交流電容易發(fā)生電壓驟降、尖峰和斷電等情況，可能會(huì )擾亂計算機運行，造成數據丟失和設備損壞。

不間斷電源可保護所連接設備免受電源問(wèn)題的影響，并在停電期間提供備用電池。此外，不間斷電源還可以防止昂貴設備遭受損壞、數據丟失和停機。根據類(lèi)型的不同，不間斷電源還能針對異常電壓提供保護。對任何 UPS 而言，輸出容量都是一個(gè)非常重要的屬性。輸出容量是所連接負載可以從 UPS 系統獲得的最大功率，用 VA（伏安）表示。

目前，UPS 系統有三種類(lèi)型：在線(xiàn)式、離線(xiàn)式和在線(xiàn)互動(dòng)式。它們各有優(yōu)點(diǎn)，并且各自都有更合適的應用。

在線(xiàn)式 UPS

在線(xiàn)式 UPS 在提供高可靠性和電源保護方面表現出色，旨在為所連接的負載提供持續的電力。它的顯著(zhù)特點(diǎn)是雙電源轉換級，能確保盡可能高的可靠性，同時(shí)對電源轉換效率提出了極高的要求。負載始終連接到 UPS 的逆變器，從而消除了開(kāi)關(guān)延遲。

得益于功率因數校正級，輸出功率與輸入功率同相，整體效率得以提高。其電池儲能系統與雙向充電器相結合，可以在交流輸入中斷時(shí)提供連續、無(wú)縫的電力供應。在線(xiàn)式 UPS 最昂貴，但可以有效處理各種電源問(wèn)題，并提供最高質(zhì)量的輸出。這使其成為了高靈敏度設備、數據中心和其他關(guān)鍵設備的理想選擇。

由于在線(xiàn)式 UPS 是最復雜和最受青睞的方案，因此 UPS 系統的研究和創(chuàng )新往往更多地集中于在線(xiàn)式 UPS，不僅涉及硬件，也涉及軟件。盡管這是一種強調可靠性的應用，但與電動(dòng)汽車(chē)等應用相比，其發(fā)展速度相對較慢。不過(guò)，隨著(zhù)對綠色能源的需求不斷增長(cháng)，以及人工智能、大數據和云計算的不斷發(fā)展，我們可以期待未來(lái)會(huì )有更多新技術(shù)和材料應用于該領(lǐng)域，例如 SiC、GaN 等。

離線(xiàn)式 UPS

離線(xiàn)式 UPS（也稱(chēng)待機式 UPS）是讓負載直接連接并由輸入電源供電，只有當電源發(fā)生故障時(shí)才激活備用電源。切換到電池供電時(shí)總會(huì )出現短暫的中斷（幾十毫秒）。其成本最低，并且不提供額外的安全功能?？紤]到切換中的延遲可能引發(fā)潛在安全問(wèn)題，這使得離線(xiàn)式 UPS 不太適合用于保護工業(yè)設施。離線(xiàn)式 UPS 最常用于家庭和小型辦公環(huán)境，在這些環(huán)境中，所需的備用電源相對較小，要求也沒(méi)那么嚴格。

在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS

在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS 與離線(xiàn) UPS 類(lèi)似，但它額外配備了有源電壓調節器。它通過(guò)提高或降低電壓來(lái)調節和補償交流輸出，從而為負載提供更穩定的輸出電壓。在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS 可以充當電壓優(yōu)化器，并有助于延長(cháng)電池壽命，因為其激活頻率較低。使用在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS 時(shí)，輸入電源的問(wèn)題在一定程度上得到解決，不像離線(xiàn)式 UPS 在出現異常輸入情況時(shí)必須切換到電池模式。在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS 可用于中小型企業(yè)以及主電源電壓和質(zhì)量不太可靠的場(chǎng)所。

市場(chǎng)信息和趨勢

蓬勃發(fā)展的全球市場(chǎng)

基于多方面因素的考量，UPS 市場(chǎng)的前景十分樂(lè )觀(guān)。預計到 2029 年，UPS 市場(chǎng)規模將達到 143 億美元，復合年增長(cháng)率 (CAGR) 為 4.05%。隨著(zhù)數字化轉型的不斷推進(jìn)，各行各業(yè)都離不開(kāi)可靠、穩定的電力供應，對電力供應的需求一直在持續增長(cháng)。物聯(lián)網(wǎng)、智能建筑和數據中心都在不斷增多，再加上快速發(fā)展的云計算行業(yè)，這些共同推動(dòng)了電力供應市場(chǎng)的增長(cháng)。

云計算和大數據等關(guān)鍵性應用對電力的效率和穩定性提出了嚴格的要求。制造業(yè)和醫療保健等行業(yè)需要全天候運營(yíng)，因此可靠的備用電源必不可少。此外，不斷演變的環(huán)境保護需求促進(jìn)了能源管理的發(fā)展，提高能源效率和減少排放已成為首要的社會(huì )目標。

在線(xiàn)式 UPS 系統普及的最大障礙是其高昂的成本。此外，由于需要更換電池，維護成本可能也會(huì )增加。UPS 單元的容量有限，因此可能不足以支持高功率應用。

電網(wǎng)異常

針對特定應用選擇合適的 UPS 方案時(shí)，重要的是考慮其用途、功率輸出要求和總體預算。了解電網(wǎng)的質(zhì)量以及可能出現哪些電力異常非常重要。有些功能是必不可少的，但在某些情況下，一些高級功能可能并不需要。各類(lèi)型 UPS 的性能特點(diǎn)如表 1 所示。

模塊化 UPS

當前對模塊化 UPS 的需求日益增長(cháng)。模塊化可提高系統的可擴展性、冗余性和適應性，降低維修成本，節約空間，并增強故障隔離能力。這些特點(diǎn)使模塊化 UPS 成為各種應用的首選，尤其是那些需要可靠靈活的電源方案的應用。

更高的功率密度和效率

模塊化設計的采用在一定程度上加速了高功率密度產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。面對空間有限、輸出容量不斷增加、散熱環(huán)境更加苛刻等挑戰，下一代 UPS 產(chǎn)品需要轉向更高功率密度的設計。這就需要在提高輸出能力的同時(shí)實(shí)現更緊湊的物理尺寸。高開(kāi)關(guān)頻率仍然是一個(gè)重要考量因素。

不可否認的是，提升效率是所有電源轉換器的首要發(fā)展方向，特別是在線(xiàn)式 UPS 這類(lèi)連續進(jìn)行電源轉換的產(chǎn)品。提升效率可以改善成本效益，同時(shí)也是應對緊迫的可持續發(fā)展要求的重要途徑。采用更先進(jìn)的電力電子器件和拓撲，可以有效減少能量損耗，特別是在輕載條件下，效率提升尤為顯著(zhù)。

電池系統

電池和電池管理系統是 UPS 的關(guān)鍵組成部分。UPS 主要使用鉛酸電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。鉛酸電池可靠、性?xún)r(jià)比高、內阻低。另外，鉛酸電池堅固耐用，適合不受重量和空間限制的環(huán)境。鋰離子電池在一些方面擁有顯著(zhù)的優(yōu)勢，包括更高的功率密度（因而可以更小更輕）和高可靠性（得益于集成的電池監測系統），但成本仍然較高。采用更先進(jìn)、更緊湊的電池技術(shù)，目的是提供更長(cháng)久的備用電力和更高的能量密度。

文章來(lái)源：安森美