市電并不是穩(wěn)定的，它存在著很多電能質(zhì)量問題，例如電壓浪涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過電壓、電壓下陷、線路噪聲、頻率偏移、持續(xù)低電壓、供電中斷等。這些質(zhì)量問題既可以引起計算機(jī)的鍵盤鎖定、硬件老化等相對較輕的不良影響，也可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)完全丟失或主板燒毀等較大的事故。所以計算機(jī)必須采用UPS供電。UPS可以改善市電的供電質(zhì)量，保護(hù)計算機(jī)穩(wěn)定可靠地運行。

　　UPS是專門為計算機(jī)設(shè)計的一種不間斷電源，UPS離不開計算機(jī)，計算機(jī)也離不開UPS。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得UPS也得到了廣泛的應(yīng)用。

　　對于UPS，按其輸出電壓波形的不同，可以分為交流UPS(AC UPS)和直流UPS(DC UPS)，對于像計算機(jī)和通信系統(tǒng)等直流用電負(fù)載而言，從供電的可靠性、安全性和運行效率來說，直流UPS比交流UPS具有更突出的優(yōu)點，諸如電路簡單、所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、擴(kuò)容簡單、制造容易、維護(hù)方便等。但直流UPS也存在著一些缺點，例如，不能通過工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源供電，不能帶交流負(fù)載，輸出的大功率直流電壓穩(wěn)壓困難，直流電壓變化困難，市電與負(fù)載之間不能實現(xiàn)隔離等。雖然直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點，但由于歷史原因和傳統(tǒng)觀念的影響，當(dāng)前應(yīng)用較多的仍然是交流UPS，隨著汁算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的增多，每個領(lǐng)域各有自己與眾不同的特點，因此對交流UPS的要求也各不相同，而作為公共設(shè)備的交流UPS，則必須具備所有這些功能：同時，即使對同一領(lǐng)域，由于不斷發(fā)展的需要，對UPS的功能要求也越來越多，這就使交流UPS的電路越來越復(fù)雜，所用元器件越來越多，成本越來越大，維護(hù)越來越復(fù)雜，體積越來越大，可靠性越來越差。為了提高UPS的可靠性，又需增加各種保護(hù)電路或采用冗余并聯(lián)的工作方式。這種滾雪球式的發(fā)展方式，導(dǎo)致交流UPS的生產(chǎn)維護(hù)技術(shù)的難度和售價指數(shù)增加。這又使一般中小型用戶難以承受，嚴(yán)重影響了交流UPS的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。當(dāng)這種矛盾發(fā)展到一定程度時，必然會引發(fā)一場UPS革命。

　　l 當(dāng)前UPS的結(jié)構(gòu)特點與存在的問題

　　當(dāng)前UPS電路的結(jié)構(gòu)形式，是由上世紀(jì)70年代UPS開發(fā)的初期決定的。那時的計算機(jī)采用的是以工頻變壓器為依托的線性電源，同時又由于交流電動機(jī)負(fù)載的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工頻交流不中斷一為了達(dá)到這個目的就必須進(jìn)行逆變，于是逆變器就成了UPS中的核心部件。UPS性能的改善和功能的提高，都集中表現(xiàn)在逆變器上，因此大家都圍繞著逆變器大做文章，使逆變器成為UPS中電路最復(fù)雜，工藝最復(fù)雜，元器件用得最多，要求又最嚴(yán)格、設(shè)計制造最困難．體積最大、造價最高的部件，它占去了UPS整機(jī)成本、體積、重量和功耗的90%以上，成為UPS技術(shù)、功能和制造維護(hù)的難點集中地，當(dāng)然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此，對UPS革命自然而然地應(yīng)從逆變器人手。也就是說要取消逆變器，只有這樣才是對UPS最徹底的革命。但去掉逆變器在開關(guān)電源未普及之前決非易事，它有三大難點不能解決： 一是直流電壓不能通過工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源輸送電能，亦即不能實現(xiàn)不問斷供電；二是大功率直流穩(wěn)壓困難，計算機(jī)的多種低壓直流電源采用直流變壓困難；三是市電與計算機(jī)的電隔離困難。

　　高頻開關(guān)電源的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，為解決上述三大難點創(chuàng)造了條件。高頻開關(guān)電源萌芽于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)70年代完成了20 kHzPWM開關(guān)電源樣機(jī)，被稱作“20 kHz革命”，是直流穩(wěn)壓電源發(fā)展史上的一個巨大飛躍。到20世紀(jì)術(shù)高頻開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在計算機(jī)電源中的應(yīng)用，為UPS取消逆變器創(chuàng)造了條件，因為它解決了直流蓄電池電壓的穩(wěn)壓、變壓和市電與計算機(jī)之間的隔離問題。

　　為了減小低壓大電流時的線路壓降，減小電源故障的影響范圍，提高供電的可靠性，一般在小型計算機(jī)中都裝有高頻開關(guān)電源。這些開關(guān)電源的具體線路可能不完全相同，但其基本結(jié)構(gòu)與組成部分足大致一樣的。當(dāng)前，ATX電源已取代早期的AT電源應(yīng)用于計算機(jī)中，其原理電路如圖l所示。它主要是由抗干擾濾波、市電側(cè)整流和平滑濾波3種電路組成的市電側(cè)整流濾波電路，以及由高頻逆變、高頻變壓隔離、高頻整流、高頻濾波及控制電路組成的DC／DC變換器兩部分組成的。輸出的低壓直流電壓為±12V，±5V，3．3 V，以供計算機(jī)內(nèi)部電路使用。一般高頻開關(guān)電源允許輸入電壓的變化范圍為交流工頻165～275 V，直流233 4～388．9 V，輸出電壓精度為O 6％～1％。

　　從圖l所示的原理框圖可知，ATX開關(guān)電源所具有的3種功能對取消UPS中的逆變器是十分有用的：一是可以輸入工頻交流電壓，也可以輸入233 4～388.9V直流電壓，以保持直流輸出電壓基本不變；二是ATX中的DC／DC變換器具有直流穩(wěn)壓和變壓的功能； 三是高頻變壓隔離器中的變壓器具有隔離作用。這3種功能滿足了計算機(jī)對UPS的要求，并實現(xiàn)了計算機(jī)輸入電源的交直兼容，使計算機(jī)不再一定非要輸入220 V工頻電壓。

　　2 UPS的改革方案和工作原理

　　如前所述，逆變器是決定傳統(tǒng)交流UPS性能和質(zhì)量的核心部件，對UPS革命的目的就是去掉逆變器，以降低UPS的成本，提高效率，減小生產(chǎn)難度，減小體積重量、簡化操作維護(hù)，減小故障率，提高可靠性，因此，去掉逆變器的無逆變器UPS將是一種比較好的新型UPS方案。

　　一臺單相交流UPS向一臺計算機(jī)供電的原理電路如圖2所示，圖2中的左側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路為傳統(tǒng)交流UPS，它包括整流器、蓄電池和逆變器；圖2中的右側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路，為計算機(jī)中的ATX開天電源，它包括抗干擾電路、市電側(cè)整流濾波電路和DC／DC變換電路。在圖2左側(cè)的傳統(tǒng)交流UPS電路中，市電220 V交流電壓經(jīng)過無仃何升、降壓功能的橋式整流器，整流成+300V向蓄電池進(jìn)行浮充電，蓄電池上的+．300V直流電壓再經(jīng)過逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計算機(jī)供電。在圖2右側(cè)的汁算機(jī)ATX開關(guān)電源中，“市電側(cè)整流濾波電路”再將220 V工頻交流電壓整流成+300 V直流電壓，而后再由ATX中的DC／DC變換器將+300 V直流電壓變換成±12 V，±5V和3．3 V的直流電壓向計算機(jī)供電，由圖2可以看出，左側(cè)UPS中的整流器輸出的直流電壓，與右側(cè)ATX中“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓都是+300 V，是相同的。這就說明逆變器將蓄電池電壓+300V再逆變成220V工頻足多余的。因此可以將UPS中的逆變器去掉，并直接將蓄電池的+300V直流電壓，通過汁算機(jī)中ATX的“市電側(cè)整流濾波電路”向計算機(jī)供電，如圖3所示。要作到這一點．LPS中的整流器必須采用直接整流的方式，而不能帶任何的升降壓功能。

　　將圖2所示的供電電路去掉逆變器以后就變成了如圖4所示的無逆變器UPS向計算機(jī)供電的電路，此時無逆變器UPS相當(dāng)于一個具有交流旁路的直流UPS。此時UPS的工作方式是由市電、整流器與蓄電池組成的直流UPS通過靜態(tài)開關(guān)2向計算機(jī)不間斷供電，當(dāng)直流UPS需要檢修或出現(xiàn)故障時，由市電通過旁路開關(guān)(靜態(tài)開關(guān)1)向計算機(jī)供電。

　　比較圖2和圖4可知，去掉逆變器以后使UPS電路得到了很大的簡化，保剩下r整流器、蓄電池及靜態(tài)開關(guān)，這時靜態(tài)開關(guān)2變成了只用一個SCR的直流開關(guān)。

　　由圖4左側(cè)所示的單相無逆變器UPS電路組成的三相無逆變器UPS電路如圖5所示，其工作原理與工作方式與圖4所示單相電路相同。

　　3 無逆變器UPS的兩種工作模式

　　無逆變器UPS的工作模式有兩種：一種是后備式工作模式，另一種是在線式工作模式。

　　3．1 后備式工作模式

　　單相無逆變器UPS向計算機(jī)供電的原理電路如圖4所示。當(dāng)工作在后備模式時，在市電中斷或在恢復(fù)過程中，作為后備式UPS負(fù)載中的ATX開關(guān)電源，其“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓uh及電流iR的波形如圖6所示。圖6中t1之前由市電供電；t1時刻市電斷電；t1～t2期間ATX開關(guān)電源內(nèi)部的儲能電容放電以維護(hù)計算機(jī)的工作；t2時刻由UPS中的蓄電池供電；t3時刻市電恢復(fù)。

　　3.2在線式工作模式

　　如圖4所示，對于在線工作模式，在UPS處于市電旁路供電狀態(tài)時(如檢修整流器或蓄電池時)，以及之后又恢復(fù)直流供電時，作為在線式UPS負(fù)載的ATX開關(guān)電源，其“市電側(cè)整流濾波電路”輸出端的電壓uR及電流iR的波形如圖7所示。圖7中t1之前由在線式UPS直流供電；t1一時刻轉(zhuǎn)入市電旁路供電；t1～t2期間由市電旁路供電；t2～t3期間由ATX開關(guān)電源內(nèi)部儲能電容放電維持計算機(jī)工作，UPS中的蓄電池沒有直流電流輸出，t3時刻UPS恢復(fù)直流供電。

　　3.3 靜杰開關(guān)l和2之間的切換

　　3.3.1 由市電旁路供電到蓄電池直流供電的切換

　　當(dāng)市電掉電時，隨著靜態(tài)開關(guān)1(旁路)關(guān)斷的同時，關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)l的觸發(fā)脈沖，并對靜態(tài)開關(guān)2進(jìn)行觸發(fā)．使其被觸發(fā)導(dǎo)通。

　　3.3．2 由直流供電到市電交流旁路供電的切換

　　如圖8所示，首先關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)2的觸發(fā)脈沖，當(dāng)市電電壓正半周到來的瞬間，將靜態(tài)開關(guān)l(旁路)觸發(fā)導(dǎo)通，用市電電壓正半周的峰值(311 V)大于蓄電池電壓(+300V)的值來關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)2。

　　4　無逆變器UPS的并聯(lián)運行

　　直流電壓的并聯(lián)，或在同一個市電電源下的交流并聯(lián)，是比較容易的。兩臺單相無逆變器UPS的并聯(lián)工作的原理電路如圖9所示。假定它們工作在在線模式，靜態(tài)開關(guān)1(旁路)處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)兩組蓄電池的電壓UB1和UB2相同時，即UB1-UB2時，兩臺UPS并聯(lián)后它們將共同平均分配同一個負(fù)載。如果兩組蓄電池被充的電壓不相同時，例如UB2<ub1時，靜態(tài)開關(guān)2將受反壓而關(guān)斷，負(fù)載電流將全部由ub1供給。如果ub1的充電電流小于負(fù)載電流時，則ub1蓄電池組將放電以補(bǔ)充不足的電流，ub1將下降，而此時ub2會因不斷地被充電使ub2上升，當(dāng)ub2被充到ub2=ub1時，靜態(tài)開關(guān)2導(dǎo)通，自動轉(zhuǎn)入到兩臺ups共同分擔(dān)同一個負(fù)載電流的狀態(tài)。并在向負(fù)載供電的同時，同步完成對各自蓄電池組的充電過程。< p="">

　　如果市電電源中斷，則這些并聯(lián)的UPS不論其蓄電池容量大小，充電的程度如何，仍然可以自動地同步到放電終了的狀態(tài)。

　　無逆變器UPS能夠具有如此良好的并聯(lián)特件．豐要得希于如下3點。

　　1)不存在頻率、相位不一致的問題；

　　2)極佳的電流峰值九，易于實現(xiàn)不同容量、不同充電程度的無逆變器UPS進(jìn)行并聯(lián)，對負(fù)載具有極好的積壓適應(yīng)能力；

　　3)靜態(tài)開關(guān)2中的晶閘管杜絕了“環(huán)流”現(xiàn)象的發(fā)生，即不會出現(xiàn)電壓高、容量大的UPS向電壓低、容量小的UPS饋電。

　　5 無逆變器UPS的另外兩種方案

　　5.l 采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的UPS

　　采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的無逆變器uPs的電路，如圖10及圖11所示。其中圖lO是單相電路，圖1l是三相電路，它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同，這里不再贅述。這種無逆變器UPS的特點，一是采用了兩組蓄電池及單管半波整流充電，二是有兩組輸出，每組對應(yīng)于一組蓄電池。兩組輸出A和B既可以單獨使用，也可以同時使用。同時使用時就將單管半波整流，變成了單管全波整流，有利于提高市電輸入功率因數(shù)。

　　5.2 采用直流旁路的無逆變器UPS電路

　　采用直流旁路的無逆變器UPS的電路，如圖12和圖13所示。其中圖12是單相電路，圖13是三相電路。它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同，不再贅述。這種UPS的特點是采用了直流旁路。旁路的直流電壓為+300 V，蓄電池的直流電壓為+252 V。當(dāng)由蓄電池供電切換到直流旁路供電時，先關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)2的觸發(fā)脈沖，然后再觸發(fā)導(dǎo)通靜態(tài)開關(guān)l，用旁路開關(guān)的直流電壓大于蓄電池的直流電壓使靜態(tài)開關(guān)2關(guān)閉，如圖14所示。這樣將使切換控制電路更簡單，省去了市電電壓正半周的檢測電路。

　　多臺采用直流旁路無逆變器UPS的并聯(lián)運行原理和工作過程與圖9所示多臺無逆變器UPS的并聯(lián)運行相同，這罩不再贅述。其原理電路如圖15所示。直流旁路的并聯(lián)和直流UPS的并聯(lián)，都變得極其簡單和容易，兩臺UPS之間由于靜態(tài)開關(guān)和靜態(tài)開關(guān)2的存在，而不會出現(xiàn)環(huán)流。