在线式UPS设计与在线互动式UPS设计的技术比较.pdf-资料库

在线式 UPS 设计与在线互动式 UPS 设计的技术比较作者：Jeffrey Samstad Michael Hoff 第 79 号白皮书

摘要低于 5000VA 的 UPS 系统均采用下面两种基本设计方案：在线互动式和双转换在线式。本白皮书将介绍各种拓扑结构的优缺点，并着重陈述人们在实际应用需求方面的一些常见误区。 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 2

简介用于判别购买哪种 UPS 的绝大多数因素都很直观也容易理解：比如电池备用时间、成本、尺寸、制造商、输出插座数量、可管理性等等。但是，还有一些不很直观的因素不太容易理解。其中最不容易理解的、也是目前讨论最多的一个因素是拓扑结构。UPS 的拓扑结构（内部设计）影响着 UPS 在各种环境中的工作方式。由于存在一些言论宣称某些拓扑结构性能出众对于任务关键应用来说绝对必不可少，因此会对选择正确的拓扑结构造成误导。因为这些言论通常来自于制造商，以便推销它们所宣称的“性能出众”的拓扑结构，所以很难单独根据这样的声明来作出明智的决策。发布本白皮书的目的就是为了客观地说明以下两种最为常见的拓扑结构的优缺点：在线互动式和双转换在线式。在功率范围的高端和低端，很少有人争论这两种拓扑结构的优缺点。1高于 5000VA 时，由于其较大规模和较高成本，在线互动式从经验来看是不切实际的。在低端（低于 750VA），由于其他拓扑结构（包括在线互动式）对于较小负载更加实用，双转换在线很少被考虑。关于双转换在线与在线互动式拓扑结构的争论通常集中在 750VA 到 5000VA 功率范围内。在此范围内，每种拓扑结构相对于另外一种拓扑结构而言在功能和经济性方面并不具有突出优势，要根据具体安装情况进行分析。虽然在线互动式已经成为此功率范围内生产数量最多、部署最广泛的拓扑结构，但随着半导体技术和制造技术的发展，双转换在线式 UPS 的价格已大幅下降，相对于在线交换式的价格劣势已不明显，这就使得在两者之间做出选择要比过去困难得多。要在这种“交叠”的局面中选择最佳的拓扑结构就需要对每一种拓扑结构进行综合评定。了解您的应用环境在做出关于 UPS 拓扑结构的任何决定之前，了解被保护设备的要求以及 UPS 将要安装的环境至关重要。在得出哪种 UPS 拓扑结构能更好地满足应用要求的明智结论之前，了解这些基本要求是必不可少的。 IT 设备和 AC 电源：开关式电源 (SMPS) 电力通常以交流电 (AC) 形式传输，无论市电还是备用发电机。AC 电压在正负之间变换（理想状态为完美的正弦波），每个周期通过两次零电压。虽然肉眼可能注意不到，但是在电压穿过零点转变极性时，连接到市电的灯泡实际上会每秒闪烁 100 或 120 次（分别针对于 50 或 60 周波的交流电）。 1 对于非常高的功率（200,000VA 和更高），焦点在于双转换在线与 Delta 转换在线的不同争论。请参阅 APC 第 1 号白皮书“不同类型的 UPS 系统”，了解这两种在线拓扑结构的比较。 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 3

IT 设备是如何使用交流电为其处理电路提供电源的？在线路电压转变极性时它是否同样会每秒“关闭”100 次（或更多）呢？很明显，此处存在一个 IT 设备必须解决的问题。实际上所有现代 IT 设备解决此问题的方法都是利用开关式电源 (SMPS)。2 SMPS 首先将包含所有非理想状态因素（电压尖峰脉冲、失真、频率变化等等）的 AC 电压转换为平稳的 DC（直流）电压。这个过程会对能量存储元件（称为电容）进行充电，电容位于 AC 输入和其他电源组件之间。该电容在正弦波到达或接近其峰值（正峰值和负峰值）时由 AC 输入进行充电（每个 AC 周波有两次脉冲），并且会在下游 IT 处理电路要求的任意值进行放电。在电容的整个设计生命周期中，它都是在吸收这些正常 AC 脉冲以及异常电压尖峰脉冲。因此，与闪烁的灯泡不同，IT 设备运行在稳定的 DC 上，而不是运行在城市电网中脉冲式的 AC 上。讨论还远没有结束。微电子电路需要非常低的 DC 电压（3.3V，5V，12V 等），但是通过刚才提到的电容的电压高达 400V。SMPS 还会将这种高电压 DC 精密转换为低电压 DC 输出。在此降压过程中，SMPS 会执行另一项重要的功能：提供电流隔离。电流隔离是将电路物理隔离，以便实现两个目的。首要目的是安全－防止触电。第二个目的是防止设备受损，或防止由共模（接地）电压或噪音所导致的故障。有关接地和共模电压的信息，请参阅 APC 第 9 号白皮书“计算机的共模磁化系数”和第 21 号白皮书“零线的事实和神话”。图 1 说明了一套由 UPS 保护的 IT 设备（本示例中为一台服务器）。同时展示了该服务器的内部组件（包括 SMPS）。图 1 – 典型的 UPS 应用：UPS 和服务器服务器 AC AC UPS 市电或发电机 SMPS 使 AC 输入正弦波峰值之间的电压过渡变得平缓，并以同样的方式使 AC 供电异常和短暂中断时的电压变化变得平缓。这是一项对 IT 设备制造商非常重要的功能，因为制造商不希望其设备不能正常运行仅仅是因为非常细微的AC异常。如果电源的质量或性能使其不能经受微小的 AC 线路异常，IT 设备制造商就等于拿 SMPS 其他电子元件 DC DC DC 主板硬盘自己的声誉来冒险。对于更高级别的网络和计算设备更是如此，因此这种设备通常内置有更高质量的电源。 2“开关模式”是指电源内部电路的功能，与本讨论无关。 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 4

为了说明这种承受能力，通常将计算机电源连接大容量负载，然后断开 AC 输入。监控电源的输出以确定在没有 AC 输入后可接受的输出电压可以继续提供多长时间。结果如图 2 所示。显示的波形分别是电源的输入电压、输入电流和 DC 输出电压。图 2 – 电源承受能力曲线输入电压输入电流 18 毫秒 DC 输出突然下降上部轨迹：电源低电压 DC 输出中间轨迹：输入电压和电流 AC 输入中断断开 AC 后，承担大容量负载的计算机电源输出突然下降，但这发生在一段关键的延迟时间之后。在断开输入电压之前，图 2 中左侧的输入电压是正弦波。输入电流（平滑电压曲线下的尖峰脉冲轨迹）由输入电压正向峰值处的短脉冲和负向峰值处的另一短脉冲组成。只有在这些电流脉冲期间，SMPS 的电容才会进行充电。其余时间，电容会为处理电路供电。3 图 2 中的上部轨迹是 SMPS 输出的 DC 电压。请注意，输出电压还会在 AC 输入断开后的 18 毫秒内保持精确调控状态。APC 已经对不同计算机和其他 IT 设备制造商的各种电源进行了测试，所得结果类似。电源连接小容量负载时，由于电容放电较慢，承受时间将会长得多。 3 某些 SMPS 可以执行功率因数校正 (PFC)（将在后面讨论）并使输入电流为正弦波。它们也具有执行相同功能的高压电容以承受电压波动。 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 5

UPS 与 SMPS 负载兼容性的国际标准我们已经认识到 SMPS 必须承受短暂的电源扰动从而能够从正弦 AC 输入电压获得电能。但“短暂”到底是多少？图 3 显示了 IEC 62040-3 的规定，这是一个国际标准。它定义有关 SMPS 负载可以接受的 UPS 输出电压扰动的大小和持续时间限制。如下面以阴影表示的“舒适区域”的形状所示，瞬变电压的变化幅度越小，UPS 输出可以承受的持续时间就越长。请注意，该标准允许持续存在的电压变化范围相当大，标称为 +10% 到 –20%。换句话说，UPS 输出电压可以在这个范围内持续变化（无时间长短限制），而不会破坏 SMPS 的正常运行；这是因为 SMPS 的类似标准要求承受的输入异常范围甚至大于允许的 UPS 输出范围。4 图 3 – 摘自 IEC 标准 62040-3：SMPS 负载兼容的可接受 AC 电压异常的大小和持续时间电压变化范围 (%) 两倍线路电压正常线路电压 “舒适区域” 符合标准的电源可以接受幅度和持续时间位于此区域内的所有瞬变电压。零电压瞬时过电压区域瞬时欠电压区域瞬变电压持续时间 (ms) 允许在与 SMPS 设备连接的 UPS 输出中出现大小和持续时间位于绿色“舒适区域”中的电压扰动（“瞬变电压”）；不允许出现绿色区域之外瞬变电压。 4 定义 SMPS 必须接受的异常范围的相关 SMPS 标准是“ITI/CBEMA 曲线”和 IEC 61000-4-11。 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 6

根据图 3，标称输出为 120V 交流电压的 UPS 的兼容性要求如下：如果持续时间最大为 1 毫秒，UPS 输出电压可以高达 240V。如果持续时间最大为 10 毫秒，UPS 输出电压可以为零！如果持续时间最大为 100 毫秒，允许出现轻微的电压波动（或高或低），允许的持续时间取决于波动的幅度。如果持续时间超过 100 毫秒（包括持续工作）， UPS 输出电压必须保持在 96V 到 132V 之间。神话与现实在世界上的大多数国家/地区，除了一些新兴市场国家/ 地区，电力都是相对稳定的。人们通常碰到的电压变化最多在标称值的上下 5% 之间，位于图 3 所示的允许电压变化范围内。因为 SMPS 可以从具有这些特性的 AC 电源中获取电能，它为要求使用普通市电电压的接口稳定性提供了可靠保证。总结起来，SMPS 具有下列优点：神话：任务关键设备要求零 UPS 转换时间，例如为了防止在网络交换机中出现锁定和/或数据包丢失的情况。现实：实际上，所有任务关键设备使用的电源都是 SMPS。它们必须有 10 毫秒或者更长的“承受” 时间以符合国际标准（请参阅图 3）。任何无法维持这一承受时间的电子设备通常被认为是劣等设计或特例 — 极有可能是特殊应用（如非计算机或非 IT 设备）。它们可以接受输入电压和频率的大范围变化，而不会降低性能。它们在其 AC 输入和 DC 输出之间具有内置的电流隔离装置，因此不需要采用输入共模（零线接地）隔离措施。它们可以接受明显的输入电压失真，而不会降低服务寿命或可靠性。它们具有内置的“承受”时间，可以容忍短暂的电源中断。 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 7

了解您可以选择的 UPS 方案 APC 第 1 号白皮书“不同类型的 UPS 系统”对当今使用的下面五种主要 UPS 拓扑结构及其性能特性进行了说明：后备式在线互动式待机-铁磁共振双转换在线式 Delta 转换在线式在 750VA 到 5000VA 的功率范围内，几乎所有已销售用于当今 IT 应用的 UPS都是在线互动式或双转换在线式。其他拓扑结构在此功率段内不常见，其原因不在本文所讨论的范围内。在线互动式 UPS 在线互动式 UPS 调整来自市电的 AC 电源并使其达到要求，通常只使用一个主要电源转换器。图 4 说明了 IEC 标准 62040-3 对此拓扑结构的标准描述。图 4 – 在线互动式 UPS 拓扑结构，摘自 IEC 62040-3 显示电源接口和一个主要转换方块的方框图电源接口 AC 输出 AC 输入当存在 AC 输入时，图 4 中的“电源接口”方块过滤 AC 电源、抑止电压尖峰脉冲，并提供足够的电压调节 IEC 488/99 62040-3? IEC:1999 正常模式储能模式逆变器电池能力在前面讨论的规定范围内正常运行。这通常都是由无源滤波器组件和抽头变压器实现的。主电源转换器（“逆变器”方块）会在 AC 线路存在电压时分流部分 AC 输入功率以保证电池完全充电。所消耗的功率通常不到 UPS 额定功率的 10%，因此在该工作模式下这些组件会保持较低温度。例如，在额定功率为 3000 瓦 2004 American Power Conversion. 保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、复印、发送或用任何性质的存取系统存储本文的任何部分。www.apc.com Rev 2004-0 8

资料库

在线式UPS设计与在线互动式UPS设计的技术比较.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料