1. UPS不間斷電源原理—簡介

　　UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply)電源也稱不間斷電源，一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源供應的重要外部設(shè)備。從嚴格意義上講，UPS不是一種電源，它不是依靠能量形式的轉(zhuǎn)換來提供電能，它只是提供一種兩路電源之間無間斷相互切換的機會，這才是UPS的主要設(shè)計思想。

　　顧名思義UPS電源，它就是一臺這樣的機器，當市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內(nèi)電池充電;當市電中斷( 事故停電 )時, UPS 立即將機內(nèi)電池的電能,通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負載繼續(xù)供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

　　總結(jié)：UPS在計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應用中的主要作用有兩個：一是應急使用，就是防止突然斷電，影響用電設(shè)備的正常工作，以及給計算機造成傷害。第二個作用是可以凈化電源，消除掉市電上的電涌、電磁干擾、瞬時的高低電壓、電線噪聲、或是頻率偏移等“電源污染”，改善我們的用電質(zhì)量，為我們的計算機系統(tǒng)以及精密用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電源。

2. UPS不間斷電源原理—組成

　　從構(gòu)造上來說，UPS電源主要可以由蓄電池、逆變器、整流器和靜態(tài)開關(guān)等主要的幾個部分組成。

　　1) 蓄電池：主要是作為UPS電源儲存電能的裝置，它有若干個電池串聯(lián)而成，它容量的大小決定了可應急用電時間的長短。它最主要的功能就是可以將電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存在電池內(nèi)部，當需要電源故障，又能將電池中的化學能逆變成電能提供給我們的用電設(shè)備。

　　2) 逆變器：通俗來說逆變器就是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的一種裝置，它由濾波電路、控制邏輯和逆變橋三部分組成。

　　3) 整流器：整流器和逆變器相反，是一個將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的裝置，它主要有兩個作用，一是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電經(jīng)過濾波處理后提供給負載設(shè)備或是逆變器，還有一個作用就是為蓄電池起到一個充電電壓的作用，好比是一臺充電器。

　　4) 靜態(tài)開關(guān)：又稱靜止開關(guān)，屬于無觸點開關(guān)的一種，由兩個可控硅方向并聯(lián)而成，并由邏輯控制器控制它的閉合和斷開。分為并機型和轉(zhuǎn)換型兩種，并機型開關(guān)主要用于并聯(lián)逆變器和市電電源，或是多臺逆變器。而轉(zhuǎn)換器開關(guān)主要是用于兩路電源的供電，實現(xiàn)從一路到另一路的自動切換。

3. UPS不間斷電源原理—工作過程

　　當市電正常為380/220VAC時，直流主回路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩(wěn)定的220V或380V交流電壓，同時市電經(jīng)整流后對電池充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關(guān)向直流回路饋送電能。從電網(wǎng)供電到電池供電沒有切換時間。當電池能量即將耗盡時，不間斷電源發(fā)出聲光警示，并在電池放電下限點停止逆變器工作，長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能，當發(fā)生超載(150%負載)時，跳到旁路狀態(tài)，并在負載正常時自動返回。當發(fā)生嚴重超載(超過200%額定負載)時，不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài)，此時前面輸入空氣開關(guān)也可能跳閘。消除故障后，只要合上開關(guān)，重新開機即開始恢復工作。

4. UPS不間斷電源原理—工作原理

　　UPS大致可分成三種：離線式(Off Line)，在線式(On line)和在線交互式(Line interactive)，下面小編逐個講解各種UPS的工作原理

　　1) 在線式不間斷電源(On-Line UPS)

　　在線式UPS(On-Line UPS)的運作模式為“市電和用電設(shè)備是隔離的，市電不會直接供電給用電設(shè)備”，而是到了UPS就被轉(zhuǎn)換成直流電，再兵分兩路，一路為電池充電，另一路則轉(zhuǎn)回交流電，供電給用電設(shè)備，市電供電品質(zhì)不穩(wěn)或停電時，電池從充電轉(zhuǎn)為供電，直到市電恢復正常才轉(zhuǎn)回充電，“UPS在用電的整個過程是全程介入的”。UPS電源一直使其逆變器處于工作狀態(tài)，通過電路將外部交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡�再通過高質(zhì)量的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的正弦波交流電輸出給計算機。

　　在線式UPS在供電狀況下的主要功能是穩(wěn)壓及防止電波干擾;在停電時則使用備用直流電源(蓄電池組)給逆變器供電。由于逆變器一直在工作，因此不存在切換時間問題，適用于對電源有嚴格要求的場合。在線式UPS電源不同于后備式的一大優(yōu)點是供電持續(xù)長，一般為幾個小時，也有大到十幾個小時的，它的主要功能是可以讓您在停電的情況可像平常一樣工作，比較適用于計算機、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)，因為這些領(lǐng)域的電腦一般不允許出現(xiàn)停電現(xiàn)象。

　　2) 離線式不間斷電源(Off Line UPS)

　　離線式不間斷電源只是“備援”性質(zhì)的UPS，市電直接供電給用電設(shè)備也為電池充電(Normal Mode)，一旦市電供電品質(zhì)不穩(wěn)或停電了，市電的回路會自動切斷，電池的直流電會被轉(zhuǎn)換成交流電接手供電的任務(Battery Mode)，直到市電恢復正常，“UPS只有在市電停電了才會介入供電”，不過從直流電轉(zhuǎn)換的交流電是方波，只限于供電給電容型負載，如電腦和監(jiān)視器。

　　平時處于蓄電池充電狀態(tài)，在停電時逆變器緊急切換到工作狀態(tài)，將電池提供的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的交流電輸出，因此后備式UPS也被稱為離線式UPS。后備式UPS電源的優(yōu)點是：運行效率高、噪音低、價格相對便宜，主要適用于市電波動不大，對供電質(zhì)量要求不高的場合，比較適合家庭使用。

　　3) 在線交互式不間斷電源(Line interactive UPS)

　　在線交互式不間斷電源基本運作方式和離線式一樣，不同之處在于線上交錯式雖不像在線式全程介入供電，但隨時都在監(jiān)視市電的供電狀況，本身具備升壓和減壓補償電路，在市電的供電狀況不理想時，即時校正，減少不必要的“Battery Mode”切換，延長電池壽命。

　　這是一種智能化的UPS電源，所謂在線互動式UPS，是指在輸入市電正常時，UPS的逆變器處于反向工作(即整流工作狀態(tài))，給電池組充電;在市電異常時逆變器立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，將電池組電能轉(zhuǎn)換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉(zhuǎn)換時間。同后備式UPS相比，在線互動式UPS電源的保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，而其最大的優(yōu)點是具有較強的軟件功能，可以方便地上網(wǎng)，進行UPS的遠程控制和智能化管理。

UPS電源是工業(yè)領(lǐng)域用來對負載進行斷電保護的關(guān)鍵設(shè)備。對于斷電保護，針對不同的負載應用，又有兩種類型。一種是普通的電腦類設(shè)備，當斷電發(fā)生時，UPS電源需要為負載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時間。在這段后備時間之內(nèi)，負載設(shè)備會進行數(shù)據(jù)存儲等動作以防數(shù)據(jù)丟失，之后負載就會關(guān)機。在UPS達到后備時間之后負載仍然會斷電，但這不會導致經(jīng)濟損失。另外一種是在數(shù)據(jù)中心，以及工業(yè)應用之類的場合，對UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統(tǒng)必須提供整年每天24小時的連續(xù)供電。本文對可靠性與可用性的討論就是針對這種情況。

　　電源系統(tǒng)的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障間隔時間，或者平均無故障工作時間，以小時表示）來表示，此外還有一個更加容易理解的指標AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比關(guān)系，也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越長，則年失效率越低。

　　對于可維修的系統(tǒng)來說，還有一個可用性的指標，其定義是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

　　其中A是一個百分比指標，MTTR值得是平均故障修復時間。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以非常快速的恢復，那么系統(tǒng)的可用性指標就比較高。對于電網(wǎng)這類對象來說，使用可用性指標可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關(guān)鍵場合經(jīng)常使用并聯(lián)冗余配置來說，可用性指標比可靠性指標更具有現(xiàn)實意義。
可靠性/可用性指標都是統(tǒng)計意義上的概念，一個電源系統(tǒng)的可靠性/可用性與構(gòu)成系統(tǒng)的各個模塊的可靠性/可用性之間也存在統(tǒng)計意義上的關(guān)聯(lián)。

　　假設(shè)電源系統(tǒng)中存在兩個電源模塊，而這兩個模塊是并聯(lián)工作的，其中一個和另外一個是互相獨立的，見下面圖中所示

　　那么考察這兩個模塊組合起來的系統(tǒng)的可用性Asys與每個模塊各自的可用性A1與A2的關(guān)系就有

　　Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

　　另外一種可能是系統(tǒng)中這兩個模塊是串聯(lián)的，見下面圖中所示

　　那么這兩個模塊組合起來的系統(tǒng)的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性A1，A2的關(guān)系就有

　　Asys = A1×A2

　　由于可用性肯定是處于0～1之間的數(shù)值，因此兩個并聯(lián)模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯(lián)模塊的可用性要低于各自的可用性。

　　UPS電源的可靠性

　　從單個UPS的設(shè)計來說，可以把整個產(chǎn)品按照模塊進行劃分，下面圖中是一個典型的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關(guān)系比較復雜，但是還是可以分出串并聯(lián)的關(guān)系如下
輔助電源與所有其他模塊都是串聯(lián)的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統(tǒng)能夠達到的最高可用性等級；

　　控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯(lián)的，因此控制模塊的可用性也會直接影響到系統(tǒng)總體可用性設(shè)計；

　　對于負載端來說，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個模塊是并聯(lián)的；
PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯(lián)的，之后再與逆變模塊串聯(lián)；

　　從能源提供者來講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨立的電源，而電池能源是由市電經(jīng)過充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒有能量存儲，實際上也無法實現(xiàn)正常的UPS功能，因此市電—充電模塊—電池也是串聯(lián)的。這樣可以畫出整個UPS系統(tǒng)的可用性串并聯(lián)路徑圖

　　從這一路徑關(guān)系里可以看到，總共存在3條并聯(lián)的路徑，而每一條路徑各自又是由數(shù)個模塊串聯(lián)起來的。正與前面分析的一樣，輔助電源與控制模塊的可用性是串聯(lián)在所有通路上的，因此如果這兩者設(shè)計有缺陷的話UPS的可用性是無法做的很高的。電池回路串聯(lián)有最多的模塊數(shù)量，也是可用性最低的一條路徑。

　　要提升系統(tǒng)的可用性首先要提升關(guān)鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控制模塊與輔助電源。輔助電源是整個UPS的關(guān)鍵點，如果輔助電源不工作整個UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進設(shè)計，提升MTBF；一種是對輔助電源也適用并聯(lián)冗余設(shè)計，提升可用性；再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當于把原來完全串聯(lián)的路徑改成并聯(lián)。

　　在UPS設(shè)計中可以混合使用這幾種方式，由于上面三條可用性通路是并聯(lián)的，而旁路通路本身是可用性最高的一條，因此最為推薦的設(shè)計就是優(yōu)先提升旁路的可用性，對旁路單獨使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡單的設(shè)計，以擁有高的MTBF。

　　控制模塊同樣也是影響到所有路徑的關(guān)鍵點，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對獨立的旁路路徑配備單獨的控制模塊，并且通過與其余控制功能協(xié)調(diào)工作來達到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡單，以提升可靠性。一種推薦的做法是旁路控制模塊不斷的檢測UPS主控制模塊的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)主控制模塊，則自動切換到旁路方式。此外，對于主控制模塊來說也可以通過冗余的方式來提升可用性，比如采用雙MCU結(jié)構(gòu)，當一個MCU檢測到另外一個MCU發(fā)生故障時可以接管另一個MCU的功能，或者采取緊急措施如轉(zhuǎn)旁路來保證負載不斷電。

　　對于UPS來說，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發(fā)生時繼續(xù)維持供電的關(guān)鍵，但是串聯(lián)環(huán)節(jié)多，也恰恰是可用性為薄弱的環(huán)節(jié)。一般電池規(guī)格書里面會說明充電電流不要超過0.15CC，這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數(shù)倍的時間才能重新充滿，從這個意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續(xù)工作的，只要在電池放完前市電恢復，在重新充電的過程中也沒有再發(fā)生斷電，那么負載仍然不會受到影響。從這方面來看，電池的可用性在只會發(fā)生短時間的斷電情況下還是很高的。

　　再重新來審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個充電器模塊環(huán)節(jié)。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無法再充回，導致下一次市電停電時負載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時才會工作，因此如果能夠及時對充電器的狀態(tài)進行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)充電器異常時及時報警，就能夠避免充電器故障帶來的問題，從而提升整個UPS的可用性。對于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會面臨容量下降和失效的問題，但是如果能夠通過電池狀態(tài)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)電池失效并及時更換，也能夠有效提升UPS的可用性。

　　UPS系統(tǒng)的可靠性

　　由于UPS并非一個單獨的應用系統(tǒng)，而是要搭配有其他一些環(huán)境因素在里面，所以這些外部因素也是必須考慮進來的。前面提到過，UPS電池的備電時間是有限的，如果斷電時間比較長，導致電池電放完，那么負載就仍然會斷電。因此UPS可用性會受到市電發(fā)生長時間斷電概率的影響。

　　為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統(tǒng)中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時的不需要很快反應，但是在長時間停電條件下能夠持續(xù)提供電力，燃油發(fā)電機組就是最為合適的一個選擇。因此在UPS系統(tǒng)配置上可以加入一個自動切換裝置，在市電停電后切換到發(fā)電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間斷電條件下UPS系統(tǒng)的可用性。如此則UPS系統(tǒng)的可用性路徑就成為

　　雖然在可用性路徑里面多串聯(lián)了一個市電與發(fā)電機切換用的ATS，增加了單調(diào)路徑發(fā)生故障的概率，但是相對長時間斷電帶來的可用性問題來說還是值得的。

　　在UPS應用的另外一個分支是目前正在興起的直流UPS系統(tǒng)。直流系統(tǒng)的思路是出于提高效率的目的，減少電源系統(tǒng)中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，電力分配部分由原來的交流轉(zhuǎn)換成直流。一個理想的直流UPS系統(tǒng)服務器應用從市電到12V終端的應用結(jié)構(gòu)見下圖。

　　而作為對比，一個相應的交流應用結(jié)構(gòu)見下圖。

　　可以看出，理想的直流UPS系統(tǒng)由于把交流系統(tǒng)中UPS的逆變環(huán)節(jié)與服務器電源中的PFC環(huán)節(jié)使用一個隔離型DC/DC環(huán)節(jié)來取代，從而可以改善效率。不過在直流UPS系統(tǒng)里面由于電池電壓的變動范圍是比較大的，為了取得更優(yōu)化的效率曲線，在后級的服務器電源中也有可能使用兩級結(jié)構(gòu)。也就是通過一個簡單的轉(zhuǎn)換，減小服務器電源隔離DC/DC轉(zhuǎn)換級的輸入范圍，以得到更好的節(jié)能效果。此時的結(jié)構(gòu)見下圖

　　在這種直流UPS體系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一個市電到電池回路，這個回路也兼有充電器的作用。因此從單個UPS的可用靠性角度考慮，直流UPS可靠性鏈路只有兩條，其中一條是兩級變換加上輔助電源與控制板，另外一條是電池，見下圖所示

　　與交流UPS相比，直流UPS供電少了交流UPS的旁路回路，少了一個提升可用性的回路。但是電池是直接給負載供電的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供電系統(tǒng)有得有失。但是另一個方面直流系統(tǒng)比交流UPS更容易進行并聯(lián)，從而可以利用增加并聯(lián)臺數(shù)的方式增加可用性。

　　配電系統(tǒng)的可用性

　　對于一般的UPS系統(tǒng)應用來說，存在兩種常見的配置方式，一種是雙機熱備份，見下圖所示

　　在正常情況下由UPS1供電，如果UPS1的逆變/整流部分損壞，則仍然有UPS2可以供電。第二種配置方式是雙機并聯(lián)冗余，見下圖所示

　　這種配置方式下兩臺UPS是完全并聯(lián)工作的。基于前面可用性的原理，第二種配置方式比第一種會有更高的可用性。

　　這里就反映了可用性與可靠性的一個明顯不同。對于兩臺并聯(lián)冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出現(xiàn)故障的概率也會增高，因此從統(tǒng)計意義上來講整個系統(tǒng)的MTBF會下降。但是由于其中一臺出現(xiàn)故障之后仍然有一臺在工作，只要出故障的UPS能夠很快修復，負載就仍然處在有效的保護之中，可用性是提升的。從負載的角度衡量，評估系統(tǒng)的可用性比可靠性更加有意義。

　　在可用性的定義中，電源系統(tǒng)恢復的時間越短，則可用性也會越好。因此把電源系統(tǒng)設(shè)計為模塊化易更換的結(jié)構(gòu)，可以大大減小維護時間，從而使得可用性顯著改善。

　　對于機房應用的場合，雙總線的概念應用十分廣泛。對于關(guān)鍵的服務器負載，一般都提供兩組電源輸入。相應的，在配電部分就也可以對應采用兩組獨立的電源總線。結(jié)合UPS本身就支持雙總線輸入，實際上可以構(gòu)造出很多種組合形式。對不同方式進行比較后，比較推薦的一種典型的結(jié)構(gòu)見下圖所示

　　這里把兩組獨立市電都供給兩套UPS系統(tǒng)，然后每一套UPS系統(tǒng)作為一條總線來使用，可以充分發(fā)揮市電雙總線，UPS內(nèi)部雙總線以及負載雙總線高可用性的優(yōu)勢。

　　結(jié)論

　　本文對UPS內(nèi)部設(shè)計，UPS系統(tǒng)以及配電系統(tǒng)的可用性進行分析，給出了提升UPS電源系統(tǒng)可用性的思路。通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在UPS中采用旁路與市電獨立的電源，加入多CPU監(jiān)控，加入電池控制等措施可以明顯提升UPS的可用性。另外一方面在系統(tǒng)層次上，選擇模塊化的結(jié)構(gòu)，縮短維修更換時間，更多使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，也可以明顯提升可用性。

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