新型模塊UPS應用特征與模塊高效BUS電源設計方案

1 問(wèn)題的提出

隨著(zhù)通信與網(wǎng)絡(luò )應用的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )化、集成化趨勢正以前所未有的速度和深度影響著(zhù)我們的生活。UPS電源系統在網(wǎng)絡(luò )系統、智能大廈等項目的集成、各行業(yè)的實(shí)時(shí)監控、運算系統供電質(zhì)量等項目中要求變得越來(lái)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(chǎng)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(wǎng)絡(luò )UPS登臺問(wèn)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(shuō)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，還采用了連續電流控制整流技術(shù)和三階逆變等新型概念技術(shù)。在降低運輸及庫存成本的同時(shí)可提供更高的效率、更靈活的機動(dòng)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(lián)冗余環(huán)保電源

⑴ 并聯(lián)冗余UPS系統

整體由系統控制器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)(STSW)以及1至10個(gè)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(jìn)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(shí)可隨意移除或安裝而不影響系統的運行及輸出，使投資規劃實(shí)現“隨需應變”，既滿(mǎn)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(shí)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(kāi)關(guān)(STSW)以及功率模塊皆為內置冗余的智能型獨立個(gè)體，可單獨運行(見(jiàn)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(huì )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)?？砂从脩?hù)需求，使用單一電池或并聯(lián)多組電池來(lái)增加系統備用時(shí)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(wú)線(xiàn)傳輸(GPRS、藍牙)、隔離變壓器及功能強大的控制軟件等，用戶(hù)可完全依照實(shí)際所需進(jìn)行選擇。

⑶獨有的電源相位的多制技術(shù)

UPS系統率先開(kāi)發(fā)了獨有的電源相位的多制技術(shù)，改變了整個(gè)UPS領(lǐng)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(jìn)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(jiàn)圖2所示)，并保持功率不變。獨有的全制性刷新了傳統UPS領(lǐng)域輸入輸出相位固定的傳統特性，為用戶(hù)帶來(lái)了前所未有的選擇空間及便利。因此在終端客戶(hù)或經(jīng)銷(xiāo)商選購UPS產(chǎn)品時(shí)，無(wú)需再去考慮如何購進(jìn)不同相位或不同容量的產(chǎn)品，或擔心某種型號產(chǎn)品滯銷(xiāo)、短缺而導致的進(jìn)貨、存儲的煩瑣；可根據不同客戶(hù)的需求調整電源相位，使經(jīng)銷(xiāo)商對產(chǎn)品、零配件等備品進(jìn)行單一品牌的簡(jiǎn)易管理，大大降低經(jīng)營(yíng)和管理成本，購銷(xiāo)存整體銷(xiāo)售鏈便捷高效。

⑷關(guān)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(chǎng)可調變：逆變效率高達97%;輸出電源質(zhì)量高—諧波2%；負載100%階躍;輸出電壓波動(dòng)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(chǎn)品中，一直存在著(zhù)單臺UPS容易出現單點(diǎn)故障的問(wèn)題，用戶(hù)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(jīng)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(lián)模塊皆為內置冗余的智能型獨立個(gè)體，無(wú)需系統控制器對并聯(lián)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(huì )充分發(fā)揮效用，全面保障設備正常運轉，實(shí)現最大程度的故障冗余，同時(shí)用戶(hù)還可根據需要選擇超過(guò)一次容錯率的冗余。也就是說(shuō)客戶(hù)如果在一個(gè)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(gè)模塊，那么就能夠在有X個(gè)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(hù)僅需購置10KVA功率模塊，即可輕松實(shí)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(lián)功能，是高端UPS技術(shù)的領(lǐng)先技術(shù)，其平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)是傳統UPS系統的1.5倍，平均無(wú)重大故障時(shí)間(MTBCF)是傳統UPS系統的3倍，平均修復時(shí)間(MTFR)傳統UPS為停機維修8小時(shí)，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(hù)設施負載受保護時(shí)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(shí)如果發(fā)生交流電源中斷、過(guò)載等故障，勢必造成負載電源供應中斷或設備損壞。同時(shí)設備維修還需要經(jīng)過(guò)一系列煩瑣的程序：系統管理員通知廠(chǎng)商+廠(chǎng)商趕至維修現場(chǎng)+停電維修。為了解決類(lèi)似的可靠性瓶頸，新型模塊UPS采用了先進(jìn)的UPS模塊熱插拔技術(shù)，單體模塊可任意在線(xiàn)投入或退出并聯(lián)單元，無(wú)需停電操作，實(shí)現了并聯(lián)系統的在線(xiàn)維護，同時(shí)該操作無(wú)需專(zhuān)門(mén)的儀器和技術(shù)即可進(jìn)行。

通過(guò)熱插拔技術(shù)使單體功率模塊可任意在線(xiàn)投入或退出，解決了傳統UPS轉旁路維修的技術(shù)難題，使維護超常簡(jiǎn)便，同時(shí)實(shí)現了UPS隨意擴展和冗余兩大性能，充分滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)際需求。

2.5 互動(dòng)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(dòng)式監控和自我測試功能，配備智能化監控軟件(如GA公司的GeMSi)，可通過(guò)SMS、藍牙、局域網(wǎng)等不同界面與網(wǎng)絡(luò )管理員進(jìn)行雙向互動(dòng)溝通，使網(wǎng)絡(luò )管理員隨時(shí)對系統進(jìn)行遠程監控(如圖3所示)，了解產(chǎn)品實(shí)時(shí)狀態(tài)。一方面實(shí)現了設備運行過(guò)程中自我狀態(tài)的監控，對一些異?，F象進(jìn)行預處理，使系統始終平穩可靠運行；另一方面實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )管理員和客戶(hù)可通過(guò)SMS、因特網(wǎng)、ICQ等更廣闊的監控渠道與模塊UPS之間進(jìn)行雙向數據通信和遠程監控，全面了解其運作情況。如系統發(fā)生異常時(shí)，亦同樣會(huì )將異常情況發(fā)送給客戶(hù)。若有關(guān)人員不在現場(chǎng)，將會(huì )在供電時(shí)間結束前自動(dòng)中止系統軟件的運行程序，禁止用戶(hù)登錄、自動(dòng)存盤(pán)、保持現場(chǎng)等，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向用戶(hù)發(fā)出警告信息，通報有關(guān)電源異常狀況?？蛻?hù)可根據POWER，發(fā)送的信息來(lái)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(dòng)式監控技術(shù)，可協(xié)助客戶(hù)靈便快捷地對系統危機做出即時(shí)處理，免除您的后顧之憂(yōu)。

圖3 遠程監控示意圖

2.6 環(huán)保性

模塊UPS導入先進(jìn)的改良技術(shù)，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(jiàn)圖4(a)(b)所示)，同時(shí)單位輸入功率因數PF=1。圖4(a)為無(wú)PFC電路時(shí)UPS輸入電壓/電流波形，而圖4(b)為加入PFC電路時(shí)UPS輸入電壓/電流波形。在線(xiàn)性負載條件下，輸出總諧波失真(THD)低于2%，極大降低電網(wǎng)污染，有效減少電網(wǎng)負荷和電源損耗，整機效率高達96%，大幅節省能源，見(jiàn)圖5(a)(b)所示。

新型模塊UPS不僅向用戶(hù)提供了安全實(shí)用的性能保障，其所擁有的先進(jìn)高端技術(shù)將領(lǐng)引UPS潮流倡導節能與環(huán)保，以新穎卓越的概念著(zhù)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(shù)，多達5個(gè)機架并聯(lián)，提供500KVA系統容量；分散式靜態(tài)開(kāi)關(guān)設計，無(wú)需外加旁路柜；分散邏輯控制，排除以往中央并機控制單點(diǎn)故障的危險；環(huán)型并機通訊網(wǎng)絡(luò )，確保并機通訊連接安全可靠；各并聯(lián)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(shù)，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(shí)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(xiàn)雙轉換，聯(lián)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(shí)器RTC 具有備用電源；干接點(diǎn)為6；RS232 隔離；通訊界面為T(mén)CP/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(guò)載及系統溫度異常均可警報；計時(shí)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(wǎng)絡(luò )管理軟件、根據所連接的UPS系統單相/三相)，軟件會(huì )顯示對應的數據。選項Wing，無(wú)線(xiàn)通訊界面，可通過(guò)主機監控UPS電源系統。

3 關(guān)于97%模塊高效BUS電源開(kāi)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(xiàn)技術(shù)的應用。那末實(shí)現97%效率有利條件是什么？首先應對中間母線(xiàn)的定義與優(yōu)勢給于說(shuō)明。

3.1 中間母線(xiàn)的定義與優(yōu)勢

3.11中間母線(xiàn)的定義

12V中間母線(xiàn)IBA(Intermediate Bus-Architecture)，開(kāi)環(huán)電源模塊需求商最早是Cisco在數據通信產(chǎn)品中提出。

3.12中間母線(xiàn)IBA優(yōu)勢

① 性能：負載電壓規格多；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(zhù)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(cháng)速度最快的輸入電壓，它是基于IBA和計算機應用的驅動(dòng)。

3.13中間母線(xiàn)分類(lèi)

① 特性：標準閉環(huán)穩壓12v模塊；前饋技術(shù)半穩壓12V模塊；開(kāi)環(huán)12V不穩壓模塊。
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(wú)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(gè)別己達97%。

3.2 實(shí)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??；輸出開(kāi)環(huán)：可固定占空比；開(kāi)放式拓撲結構：有利于風(fēng)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(jiǎn)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(jiàn)圖6(a)所示)，副邊采用同步整流(見(jiàn)圖6(b)所示)，輸出無(wú)濾波電感，固定50%的占空比，采用開(kāi)關(guān)管可實(shí)現零電壓開(kāi)通(ZVS)與零電流開(kāi)通(ZCS)。

① 推挽電路的優(yōu)點(diǎn)：驅動(dòng)電路為IC直接驅動(dòng)，屬于經(jīng)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(dòng)方案：低電壓驅動(dòng)MOSFET，能降低驅動(dòng)損耗1/3；為外驅同步整流能滿(mǎn)足輸出直接并聯(lián)；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(kāi)關(guān)器件與CT采樣及厚銅PCB。而工藝方案至關(guān)重要，應考慮電路布局的對稱(chēng)性和發(fā)熱的均勻性及散熱的高效性?！?/p>