聂金铜 钱希森 王会涛

　　(重庆通信学院 重庆 400035)

　　摘 要:对传统交流UPS和直流UPS应用于计算机的供电结构进行分析,证明了传统交流UPS在功率级上是重复冗余的,从运行效率、经济性和可靠性角度论证了无逆变结构的直流UPS更适合计算机的供电保障,最后提出了几种无逆变器结构的UPS方案。

　　在工业、电信、银行、日常办公等场合,由于计算机的普及应用,短暂的电压异常或缺失都可能会引发严重后果,突然的停电不仅会损坏设备,更重要的是可能造成数据丢失。因此,许多数据中心在规划建造之初就考虑采用备用电源。早期是采用发电机作保障,但是发电机很难完成断电后的实时切换,后来逐渐出现了能保持较长时间、替代发电机的大容量UPS。而在更多情况下,关键的计算机设备会采用一个单独的小容量UPS作为其后备电源,这种UPS种类较多,都具有逆变环节,输出为交流电(正弦波、方波或梯形波等),为了叙述方便,文中称之为传统交流UPS。具有蓄电池—逆变器结构的传统交流UPS,应用于计算机不间断供电保障时,其负载为高频开关电源,串联后存在重复的功率变换环节,不仅提高了成本,也存在可靠性差、谐波严重等问题。

　　1 交、直流UPS供电可靠性比较

　　1.1 传统交流UPS

　　UPS含有储能或持续能量变换装置,能够保证市电异常后一段时间的持续电能供给。目前为计算机或电力电子设备提供不间断电源的UPS,基本上都是由蓄电池经过逆变输出提供稳压、稳频的交流电能。

　　UPS是一个复杂的开关电源系统,它具备完善的功率变换、控制与保护单元,所接的负载同样是高频开关电源(SMPS),其结构如图1所示。

　　串联后整个系统至少存在输入整流和DC/DC变换两个重复的功率变换阶段。假设SMPS的效率为80%,UPS效率为80%,串联后总的效率为:P=80%×80%=64%。

　　而图1中未画出的还有静态开关、输出滤波等环节,考虑这些环节,实际降低的效率还要多,另外具用逆变器结构的UPS中相位跟踪、幅值跟踪和实时开关转换等也使设计更为复杂。

　　1.2 内置UPS方案

　　台式计算机电源采用ATX标准,对电压、电流等级及纹波都有严格的规定,计算机主机电源输出为六路低压直流,作为显示设备的CRT或LCD显示器要求电压也多为直流(不同的仅是CRT需要交流消磁线圈)。事实上,在对电压波动要求宽松的场合完全可以由电池直接作为最终供电保障,对于电压纹波要求严格的ATX电源,则可以直接由电池DC/DC变换供给。如果将后备电池直接置于ATX主变换器前,构成图2所示的供电方案。

　　这种结构广泛应用于笔记本电脑电源、车载ATX电源等场合,与传统交流UPS方案相比减少了一次逆变与整流滤波环节,几乎不存在重复的功率级,整机效率可以提高到80%以上,因此在使用相同的电池情况下能提供更长的保持时间。由于结构简单,在提高可靠性、减少设计难度和产品标准化等方面也更为容易。随着蓄电池功率密度不断提高,可以在不增加电源设备体积的情况下实现更多的不间断供电需求,文献[1]使用单个12V/2.2A(13.8×9.5×3cm)的铅酸电池,在50W负载时持续供电2 3mi n ,在2 0 0W负载时持续了7min。实测一台重量为3.6kg的500VA/300W山特交流UPS半载典型后备时间大约为7min,满载时后备时间不到3min,可见成本低的直流UPS供电时间较长。

　　1.3 两种方案可靠性比较

　　可用性定义为设备在规定时间内完成所需功能的能力,在UPS中代表电源在规定时间内正常供电时间与规定时间的百分比。可靠性是设备硬件本身在运行中不出故障的概率[2],两者是紧密联系的。文献[3]指出传统UPS设计方案并没有让电池发挥作用的充分条件,并且电池没有直接放在负载前面,而是放到了UPS主机设备中,系统功能策略的误区造成可靠性较低。

　　传统交流UP S与直流UP S可靠性是可以进行量化分析比较的,许多文献对UPS可靠性和可用性的计算方法进行了研究:文献[4]采用R&A模型,从分析整个交流UPS系统功能出发建立其故障树模型,然后使用马尔科夫状态空间图解法对故障树进行数学解算;文献[5]使用一种更为简单的RBD(Reliability Block Diagram)方法来预测带有发电机和蓄电池双备份直流UPS的失效率(λ)、平均无故障时间(MTBF)、可用性(A )和不可用性(W ),另外还有最小割集法和马尔科夫链法等。这些方法比较起来,基于RBD的可靠性建模能够直观地反映出系统的可靠性与各个部件可靠性之间的相互关系,而且有需要更少的输入数据、易于构造和理解等优点。用RBD法分别建立应用于计算机负载的后备式交流UPS和直流UPS的可靠性模型如图3和图4所示。

　　由于逆变器和充电器的引入,图3和图4中的模块不再是简单的串并联而是混联的关系,不管采用分解、事件空间还是路径跟踪的方法进行求解,分析量和计算量都会非常大,因此采用Reliasoft公司出品的专业系统可靠性和可维护性分析软件BlockSim7辅助分析,计算出后备式交流UPS的可靠度为

        其中用R i表示模块i的可靠度,所有模块失效分布设置为指数分布,平均时间指定1000。

　　显然，式(2)的数值要比式(1)大得多，因此可以得出直流UPS可靠性远远高于后备式交流UPS的结论，这也可以从对BlockSim绘制的不可靠度图形分析得出:图5中t =1200时，不可靠度F (t )已接近于1,而图6所示的直流UPS在t =1600时，F (t )才接近这一水平，图5中曲线的上升斜率明显高于图6，它揭示出交流UPS随时间的推进变得越来越不可靠。

　　2 直流不间断电源方案

　　无逆变环节的不间断直流供电电源,总体上可以有以下几种方案:

　　(1)蓄电池置于图2滤波电容C后(一次侧),直接与直流母线连接,要求电压为300V左右。这类电池体积大、价格昂贵且不易获取,因此一般用12V或48V电池升压到300V,这种方案仅在原有的ATX电源上添加电池和双向变换器,主功率变压器及其后级无需做任何改动。

　　(2)在原有变压器绕组上耦合一个连接蓄电池的变压器绕组，连接这个绕组的可以是推挽式或桥式电路，断电后经电池、耦合绕组和副边绕组提供多组直流输出，这种方案元件集成度高，效率也较高。

　　(3)采用类似笔记本电脑的电源工作方式,蓄电池和前级适配器保障一路(12~20V)的不间断供电,其余各路都经调整器获得。

　　三种方案各有其优缺点:第一种若采用高压蓄电池,成本和体积上升,也存在一定的安全隐患,双向变换器的设计需要增加一个甚至两个完整的半桥或全桥拓扑,复杂度和成本加剧,但后级不需要重新设计;第二种方案辅助绕组共用ATX的高频变压器,实现了能量的三向变换,电池电路可以与ATX电路共用控制系统,但增加了一个DC/DC变换器和断电检测与切换电路,主变压器较复杂,需要重新绕制;第三种方案中的12V一路通过外置电源适配器供给,计算机内部放置电池和后级调整器,能够有效解决散热问题,而且计算机内部电源紧凑性较好。

　　3 结束语

　　传统交流UPS模块多,效率不高,逆变器结构的设计理念决定了其带开关电源负载时电能经过直流—交流—直流两个变换过程,不仅功率级重复,而且可能的故障点增多,直接由蓄电池经DC/DC变换得到开关电源所需要的电压等级将具有更高的效率和可靠性,更适用于台式计算机的不间断供电保障。

　　参考文献

　　[1] Fernandez,A.;Sebastian,J.;Hernando,M.M.;Martin-Ramos,J.A.;Corral,J.Multiple Output AC/DC ConverterWith an Internal DC UPS[J].IEEE Transactions on industrialelectronics,vol.53,NO.1,February 2006.

　　[2] 王其英,刘秀荣.新型不停电电源(UPS)的管理使用与维护[M].人民邮电出版社,2005.

　　[3] 张广明.论传统UPS供电系统的问题与变革[J].电源技术学报,2007(12):285~292.

　　[4] Teuvo Suntio.;Jari Uusitalo.;Lennart Jonsson.ACUPSreliability and availability performance:comparis on ofavailable solutions[J].Telecommunications Energy Conference,1989.

　　[5] Rahmat,M.K.;Jovanovic,S.Lo,K.L.ReliabilityModelling of the DC Uninterruptible Power Supply[J].PowerElectronics, Machines and Drives, 2006. pp, 368~372.

　　作者简介

　　聂金铜,男,重庆通信学院研究生,主要研究方向为功率变换和模块化电源。

　　钱希森,男,教授,主要从事电力电子功率变换和电源模块化技术的教学及研究。

　　王会涛,男,重庆通信学院研究生,主要研究方向为功率变换和模块化电源。

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