UPS产品之设计趋势简介

 

随着因特网需求的快速成长，以及服务器运用的日益普遍，对N+1冗余设计之高可靠度电源供应器的需求已大幅提升。以UPS做为商业用电的备份，搭配并联操作的开关(切换式)电源供应器(N+1 redundancy)成为因特网及服务器业者最常用之电源配套组合。有鉴于开关电源技术及软件技术的快速提升，UPS产品设计理念和过去已有显著不同，本文提出UPS产品趋势，并针对这些趋势提出UPS未来的设计理念。

简介在现行之UPS产品其产品趋势，可归纳成如下七点:

(一) 小型轻量化
(二) 智能型操作与监控
(三) 高整机效率及高输入功率因子运转
(四) 使用者亲善功能
(五) 环境保护之考量
(六) 具吸引人之价格

为了产品之设计能符合上述UPS产品趋势，UPS之制造商所采取之设计理念大致如下:
(一) 主电路架构之简化
(二) 控制电路之全微处理器化
(三) 柔性切换技术之引用
(四) 不同包装技术之引用
(五) 镍氢电池之采用

这六个设计理念对应于UPS产品趋势之重要相关性可由下表了解得更为透彻。小型轻量化*　**　*　*　　*　*　**　　　*　　*　　　　　　***　　　　主电路架构简化

针对主电路架构的简化是目前设计的趋势，在此先介绍传统之UPS架构。图(一)为传统之UPS架构(on-line)，若将AC/DC变换器拿掉就成为off-line UPS之架构。

图(一)简化之方法有很多种，在本文中将提出几种与读者分享。

图(二)所示为Exide简化充电器设计之方法，原使用返驰式转换器作充电器，现由简单的L, C, R(Z)及二极管来取代，但其缺点是充电器必须在换流器运转下才能发挥功能，是以在遥控关机时充电器将无法运作。

  图(二)

图(三)及图(四)则为Sanken所采用之主架构电路，其设计理念是将放电用之DC/DC converter整合于PFC AC/DC converter中。其动作原理简述如下：

图(三)1) 正常 (市电) 操作模式 (Sa on, Sb off)　正半周　　　VS--> L1 --> D2 --> S1 --> D3 --> VS(charge mode)VS --> L1 --> D5 --> C1 --> VS(discharge mode ) 　负半周VS --> D4 --> S1 --> D1 --> L1 --> VS(charge mode)　VS --> C2 --> D6 --> D1 --> L1 --> VS(discharge mode ) 2) Back-up模式 (Sa off, Sb on) VB --> L1 --> D2 --> S1 --> VB(charge mode)   VB --> L1 --> D5 --> C1 --> C2 -->D6 --> VB(discharge mode ) 3) 电池充电稳压模式 对应(正)之模式 (正半周)  C1 --> D7 --> S2 --> L2 --> VB --> D3 --> C1 对应(负)之模式 (负半周) C1 --> D7 --> S2 --> L2 --> VB --> D1 --> L1 --> VS--> C1  图(四)1) 正常 (市电) 操作模式 (Sa on, Sb off)　正半周VS--> L1 --> D1 --> S1 --> VS(charge mode)VS --> L1 --> D5 --> C1 --> VS(discharge mode ) 　负半周　VS --> S2 --> D2 --> D4 --> L1 --> VS(charge mode)　VS --> C2 --> D3 --> D4 --> L1 --> VS(discharge mode ) 2) 市电断电模式 (Sa off, Sb on)VB --> L1 --> D2 --> S1 --> VB(charge mode;S1, S2同时on)VB --> L1 --> D5 --> C1 --> C2 -->D6 --> VB(discharge mode;S2 on, S1 off)VB --> L1 --> D1 --> S1 --> C2 -->D3 --> VB(discharge mode; 只有S1时) 3) 电池充电稳压模式 对应正半周 VB --> D6 --> S3 --> L2 --> VB --> D8 --> C1 对应负半周 C1 --> D6 --> S3 --> L2 --> VB --> D4 --> L1 --> VS--> C1

另一简化架构例子之则是较为常见的，如图(五)，放电路径之DC/DC变换器由L2, S3, S4(S1 ~S6内含快速二极管)所构成之升压型变换器，由于此结构具双向性操作之特点，当市电正常时，此架构可被运用来当充电器，其缺点是，市电断电时可能因侦测断电方法之速度及灵敏度的不同而形成DC BUS电压下降之现象，此现象可能导致换流器输出电压波形低于规格。由上面三种不同之简化技巧之介绍，读者应可自行发展适合自己之主电路架构。

图(五)

控制电路之全微处理器化
UPS 主要由下列之电路所构成
(一) 主架构电路(由电力电子组件构成)
(二) 驱动线路
(三) 监控、显示及保护线路
(四) 通信接口线路
(五) 突波吸收器及电磁干扰滤波电路

其中在(三)、(四)项可运用数字化设计的技巧来简化其电路之复杂性，并解决原模拟电路需调整，具温度飘移及参数调变不易的特性，目前采用方法如下：
(一) 全微处理器化：如利用TMS320C240来执行第(三)、(四)项之功能时。
(二) 半微处理器化：利用模拟电路处理快速之回授保护线路，而由处理器处理慢速回授，告警，显示及通信接口之功能。

图(六)

全微处理器化之UPS，虽有甚多的优点，但目前仍有其限制，就以低频方式设计之off-lineUPS全微处理器已经是最佳且也近乎是唯一之选择，但若运用在on-line UPS上却未必能收到如此之效果，概因主架构电路之小型化及高频化决定了UPS大部分之成本与性能，而现行之微处理器应用在高频化(100-220KHZ)上速度仍显不足。是以就此观点来看，方法(二)被方法(一)全部取代仍需一段时间。

为了有效提高效率，减少UPS之尺寸与重量，高频化设计是必要的，但由于开关组件如MOSFET, IGBT, 快速二极管之非理想性，其在开或关的瞬间产生了切换损失如图(七)，而此切换损失随着频率之增加而增加，如此导致高频化的困难，因而为了解决此切换损失所导致的高频化限制，柔性切换因而诞生。

图(七)柔性切换就切换时间开关之状态又可分为:　(一) 零电流切换(ZCS)　(二) 零电压切换(ZCS)　(三)

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