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开关电源和UPS跟本不是一回事，只能说都是用开关电源在工作，UPS要复杂得多，开关电源只要输出直流稳压，几十块钱就能搞定，UPS要交流稳压，还要频率稳定和跟踪市电频率，开关电源是不用管频率的UPS出来时交流电，开关电源出来是直流电！开关电源与UPS革命2006-12-19:43:42【文章字体：大中小】打印收藏关闭原作者：刘凤君0引言市电并不是稳定的，它存在着很多电能质量问题，例如电压浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、供电中断等。这些质量问题既可以引起计算机的键盘锁定、硬件老化等相对较轻的不良影响，也可以导致数据完全丢失或主板烧毁等较大的事故。所以计算机必须采用UPS供电。UPS可以改善市电的供电质量，保护计算机稳定可靠地运行。UPS是专门为计算机设计的一种不间断电源，UPS离不开计算机，计算机也离不开UPS。随着计算机的广泛应用，使得UPS也得到了广泛的应用。对于UPS，按其输出电压波形的不同，可以分为交流UPS（ACUPS）和直流UPS（DCUPS），对于像计算机和通信系统等直流用电负载而言，从供电的可靠性、安全性和运行效率来说，直流UPS比交流UPS具有更突出的优点，诸如电路简单、所用元器件少、成本低廉、功耗小、体积重量小、可靠性高、扩容简单、制造容易、维护方便等但直流UPS也存在着一些缺点，例如，不能通过工频变压器向线性稳压电源供电，不能带交流负载，输出的大功率直流电压稳压困难，直流电压变化困难，市电与负载之间不能实现隔离等。虽然直流UPS比交流UPS具有更多的优点，但由于历史原因和传统观念的影响，当前应用较多的仍然是交流UPS。随着计算机应用领域的增多，每个领域各有自己与众不同的特点，因此对交流UPS的要求也各不相同，而作为公共设备的交流UPS，则必须具备所有这些功能。同时，即使对同一领域，由于不断发展的需要，对UPS的功能要求也越来越多，这就使交流UPS的电路越来越复杂，所用元器件越来越多，成本越来越大，维护越来越复杂，体积越来越大，可靠性越来越差。为了提高UPS的可靠性，又需增加各种保护电路或采用冗余并联的工作方式。这种滚雪球式的发展方式，导致交流UPS的生产维护技术的难度和售价指数增加。这又使一般中小型用户难以承受，严重影响了交流UPS的进一步推广应用。当这种矛盾发展到一定程度时，必然会引发一场UPS革命1当前UPS的结构特点与存在的问题当前UPS电路的结构形式，是由上世纪70年代UPS开发的初期决定的。那时的计算机采用的是以上频变压器为依托的线性电源，同时又由于交流电动机负载的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工频交流不中断为了达到这个目的就必须进行逆变，于是逆变器就成了UPS中的核心部件UPS性能的改善和功能的提高，都集中表现在逆变器上，因此大家都围绕着逆变器大做文章，使逆变器成为UPS中电路最复杂，工艺最复杂，元器件用得最多，要求又最严格、设计制造最困难，体积最大、造价最高的部件，它占去了UPS整机成本、体积、重量和功耗的90%以上，成为UPS技术、功能和制造维护的难点集中地，当然也是UPS故障最多、叮靠性最差的地方。因此，对UPS革命自然而然地应从逆变器人手。也就是说要取消逆变器，只有这样才是对UPS最彻底的革命。但去掉逆变器在开关电源未普及之前决非易事，它有三大难点不能解决：一是直流电压不能通过工频变压器向线性稳压电源输送电能，亦即不能实现不间断供电；二是大功率直流稳压困难，计算机的多种低压直流电源采用直流变压困难；三是市电与计算机的电隔离困难。高频开关电源的出现与广泛应用，为解决上述三大难点创造了条件高频开关电源萌芽于20世纪50年代，到20世纪70年代完成了20kHzPWM开关电源样机，被称作“20kHz革命”，是直流稳压电源发展史上的一个巨大飞跃。到20世纪末高频开关电源技术已经非常成熟，并得到了广泛的应用，特别是在计算机电源中的应用，为UPS取消逆变器创造了条件，因为它解决了直流蓄电池电压的稳压、变压和市电与计算机之间的隔离问题。为了减小低压大电流时的线路压降，减小电源故障的影响范围，提高供电的可靠性，一般在小型计算机中都装有高频开关电源。这些开关电源的具体线路可能不完全相同，但其基本结构与组成部分是大致一样的。当前，ATX电源已取代早期的AT电源应用于计算机中，其原理电路如图1所示。它主要是由抗干扰滤波、市电侧整流和平滑滤波3种电路组成的市电侧整流滤波电路，以及由高频逆变、高频变压隔离、高频整流、高频滤波及控制电路组成的DC/DC变换器两部分组成的。输出的低压直流电压为±12V，±15V，3.3V，以供计算机内部电路使用。一般高频开关电源允许输人电压的变化范围为交流工频165～275V，直流233.4～388.9V，输出电压精度为0.6%～1%。从图1所示的原理框图可知，ATX开关电源所具有的3种功能对取消UPS中的逆变器是十分有用的：一是可以输入工频交流电压，也可以输人233.4～388.9V直流电压，以保持直流输出电压基本不变；二是ATX中的DC/DC变换器具有直流稳压和变压的功能；三是高频变压隔离器中的变压器具有隔离作用。这3种功能满足了计算机对UPS的要求，并实现了计算机输人电源的交直兼容，使计算机不再一定非要输人220V工频电压。2UPS的改革方案和工作原理如前所述，逆变器是决定传统交流UPS性能和质量的核心部件，对UPS革命的目的就是去掉逆变器，以降低UPS的成本，提高效率，减小生产难度，减小体积重量、简化操作维护，减小故障率，提高可靠性。因此，去掉逆变器的无逆变器UPS将是一种比较好的新型UPS方案。一台单相交流UPS向一台计算机供电的原理电路如图2所示，图2中的左侧虚线框内所示的电路为传统交流UPS，它包括整流器、蓄电池和逆变器；图2中的右侧虚线框内所示的电路，为计算机中的ATX开关电源，它包括抗干扰电路、市电侧整流滤波电路和DC/DC变换电路。在图2左侧的传统交流UPS电路中，市电220V交流电压经过无任何升、降压功能的桥式整流器，整流成＋300V向蓄电池进行浮充电，蓄电池上的＋300V直流电压再经过逆变器逆变成220V工频交流电压向计算机供电在图2右侧的计算机ATX开关电源中，“市电侧整流滤波电路”再将220V工频交流电压整流成＋300V直流电压，而后再由ATX中的DC/DC变换器将＋300V直流电压变换成±12V，±5V和3.3V的直流电压向计算机供电由图2可以看出，左侧UPS中的整流器输出的直流电压，与右侧ATX中“市电侧整流滤波电路”的输出电压都是＋300V，是相同的。这就说明逆变器将蓄电池电压＋300V再逆变成220V工频是多余的。因此可以将UPS中的逆变器去掉，并直接将蓄电池的＋300V直流电压，通过计算机中ATX的“市电侧整流滤波电路”向计算机供电，如图3所示。要作到这一点，UPS中的整流器必须采用直接整流的方式，而不能带任何的升降压功能。将图2所示的供电电路去掉逆变器以后就变成了如图4所示的无逆变器UPS向计算机供电的电路，此时无逆变器UPS相当于一个具有交流旁路的直流UPS。此时UPS的工作方式是由市电、整流器与蓄电池组成的直流UPS通过静态开关2向计算机不间断供电，当直流UPS需要检修或出现故障时，由市电通过旁路开关（静态开关1）向计算机供电。比较图2和图4可知，去掉逆变器以后使UPS电路得到了很大的简化，保剩下了整流器、蓄电池及静态开关，这时静态开关2变成了只用一个SCR的直流开关。由图4左侧所示的单相无逆变器UPS电路组成的三相无逆变器UPS电路如图5所示，其工作原理与工作方式与图4所示单相电路相同。3无逆变器UPS的两种工作模式无逆变器UPS的工作模式有两种：一种是后备式工作模式，另一种是在线式工作模式。3.1后备式工作模式单相无逆变器UPS向计算机供电的原理电路如图4所示。当工作在后备模式时，在市电中断或在恢复过程中，作为后备式UPS负载中的ATX开关电源，其“市电侧整流滤波电路”的输出电压uR及电流iR的波形如图6所示。图6中t1之前由市电供电；t1时刻市电断电；t1～t2期间ATX开关电源内部的储能电容放电以维护计算机的工作；t2时刻由UPS中的蓄电池供电；t3时刻市电恢复。3.2在线式工作模式如图4所示，对于在线工作模式，在UPS处于市电旁路供电状态时（如检修整流器或蓄电池时），以及之后又恢复直流供电时，作为在线式UPS负载的ATX开关电源，其“市电侧整流滤波电路”输出端的电压uR及电流iR的波形如图7所示。图7中t1之前由在线式UPS直流供电；t1时刻转人市电旁路供电；t1～t2期间由市电旁路供电；t2～t3期间由ATX开关电源内部储能电容放电维持计算机工作，UPS中的蓄电池没有直流电流输出，t3时刻UPS恢复直流供电。3.3静态开关1和2之间的切换3.3.1由市电旁路供电到蓄电池直流供电的切换当市电掉电时，随着静态开关1（旁路）关断的同时，关断静态开关1的触发脉冲，并对静态开关2进行触发，使其被触发导通。3.3.2由直流供电到市电交流旁路供电的切换如图8所示，首先关断静态开关2的触发脉冲，当市电电压正半周到来的瞬间，将静态开关1（旁路）触发导通，用市电电压正半周的峰值（311V）大于蓄电池电压（＋300V）的值来关断静态开关2。4无逆变器UPS的并联运行直流电压的并联，或在同一个市电电源下的交流并联，是比较容易的。两台单相无逆变器UPS的并联工作的原理电路如图9所示。假定它们工作在在线模式，静态开关1（旁路）处于关断状态。当两组蓄电池的电压UB1和UB2相同时，即UB1＝UB2时，两台UPS并联后它们将共同平均分配同一个负载。如果两组蓄电池被充的电压不相同时，例如UB2＜UB1时，静态开关2将受反压而关断，负载电流将全部由UB1供给。如果UB1的充电电流小于负载电流时，则UB1蓄电池组将放电以补充不足的电流，UB1将下降，而此时UB2会因不断地被充电使UB2上升，当UB2被充到UB2=UB1时，静态开关2导通，自动转人到两台UPS共同分担同一个负载电流的状态。并在向负载供电的同时，同步完成对各自蓄电池组的充电过程。如果市电电源中断，则这些并联的UPS不论其蓄电池容量大小，充电的程度如何，仍然可以自动地同步到放电终了的状态。无逆变器UPS能够具有如此良好的并联特性，主要得益于如下3点。1）不存在频率、相位不一致的问题；2）极佳的电流峰值九，易于实现不同容量、不同充电程度的无逆变器UPS进行并联，对负载具有极好的适应能力；3）静态开关2中的晶闸管杜绝了“环流”现象的发生，即不会出现电压高、容量大的UPS向电压低、容量小的UPS馈电。5无逆变器UPS的另外两种方案5.1采用两组蓄电池及单管半波整流充电的UPS采用两组蓄电池及单管半波整流充电的无逆变器UPS的电路，如图10及图11所示。其中图10是单相电路，图11是三相电路，它们的工作原理和工作方式与图4和图5相同，这里不再赘述。这种无逆变器UPS的特点，一是采用了两组蓄电池及单管半波整流充电，二是有两组输出，每组对应于一组蓄电池。两组输出A和B既可以单独使用，也可以同时使用。同时使用时就将单管半波整流，变成了单管全波整流，有利于提高市电输人功率因数。5.2采用直流旁路的无逆变器UPS电路采用直流旁路的无逆变器UPS的电路，如图12和图13所示。其中图12是单相电路，图13是三相电路，它们的工作原理和工作方式与图4和图5相同，不再赘述。这种UPS的特点是采用了直流旁路。旁路的直流电压为+300V，蓄电池的直流电压为+252V。当由蓄电池供电切换到直流旁路供电时，先关断静态开关2的触发脉冲，然后再触发导通静态开关1，用旁路开关的直流电压大于蓄电池的直流电压使静态开关2关闭，如图14所示。这样将使切换控制电路更简单，省去了市电电压正半周的检测电路多台采用直流旁路无逆变器UPS的并联运行原理和工作过程与图9所示多台无逆变器UPS的并联运行相同，这里不再赘述。其原理电路如图15所示。直流旁路的并联和直流UPS的并联，都变得极其简单和容易，两台U