市電并不是穩定的，它存在著(zhù)很多電能質(zhì)量問(wèn)題，例如電壓浪涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過(guò)電壓、電壓下陷、線(xiàn)路噪聲、頻率偏移、持續低電壓、供電中斷等。這些質(zhì)量問(wèn)題既可以引起計算機的鍵盤(pán)鎖定、硬件老化等相對較輕的不良影響，也可以導致數據完全丟失或主板燒毀等較大的事故。所以計算機必須采用UPS供電。UPS可以改善市電的供電質(zhì)量，保護計算機穩定可靠地運行。

　　UPS是專(zhuān)門(mén)為計算機設計的一種不間斷電源，UPS離不開(kāi)計算機，計算機也離不開(kāi)UPS。隨著(zhù)計算機的廣泛應用，使得UPS也得到了廣泛的應用。

　　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)，對于像計算機和通信系統等直流用電負載而言，從供電的可靠性、安全性和運行效率來(lái)說(shuō)，直流UPS比交流UPS具有更突出的優(yōu)點(diǎn)，諸如電路簡(jiǎn)單、所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、擴容簡(jiǎn)單、制造容易、維護方便等。但直流UPS也存在著(zhù)一些缺點(diǎn)，例如，不能通過(guò)工頻變壓器向線(xiàn)性穩壓電源供電，不能帶交流負載，輸出的大功率直流電壓穩壓困難，直流電壓變化困難，市電與負載之間不能實(shí)現隔離等。雖然直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點(diǎn)，但由于歷史原因和傳統觀(guān)念的影響，當前應用較多的仍然是交流UPS，隨著(zhù)汁算機應用領(lǐng)域的增多，每個(gè)領(lǐng)域各有自己與眾不同的特點(diǎn)，因此對交流UPS的要求也各不相同，而作為公共設備的交流UPS，則必須具備所有這些功能：同時(shí)，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(lái)越多，這就使交流UPS的電路越來(lái)越復雜，所用元器件越來(lái)越多，成本越來(lái)越大，維護越來(lái)越復雜，體積越來(lái)越大，可靠性越來(lái)越差。為了提高UPS的可靠性，又需增加各種保護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，導致交流UPS的生產(chǎn)維護技術(shù)的難度和售價(jià)指數增加。這又使一般中小型用戶(hù)難以承受，嚴重影響了交流UPS的進(jìn)一步推廣應用。當這種矛盾發(fā)展到一定程度時(shí)，必然會(huì )引發(fā)一場(chǎng)UPS革命。

　　l 當前UPS的結構特點(diǎn)與存在的問(wèn)題

　　當前UPS電路的結構形式，是由上世紀70年代UPS開(kāi)發(fā)的初期決定的。那時(shí)的計算機采用的是以工頻變壓器為依托的線(xiàn)性電源，同時(shí)又由于交流電動(dòng)機負載的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工頻交流不中斷一為了達到這個(gè)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，都集中表現在逆變器上，因此大家都圍繞著(zhù)逆變器大做文章，使逆變器成為UPS中電路最復雜，工藝最復雜，元器件用得最多，要求又最嚴格、設計制造最困難．體積最大、造價(jià)最高的部件，它占去了UPS整機成本、體積、重量和功耗的90%以上，成為UPS技術(shù)、功能和制造維護的難點(diǎn)集中地，當然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此，對UPS革命自然而然地應從逆變器人手。也就是說(shuō)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(kāi)關(guān)電源未普及之前決非易事，它有三大難點(diǎn)不能解決： 一是直流電壓不能通過(guò)工頻變壓器向線(xiàn)性穩壓電源輸送電能，亦即不能實(shí)現不問(wèn)斷供電；二是大功率直流穩壓困難，計算機的多種低壓直流電源采用直流變壓困難；三是市電與計算機的電隔離困難。

　　高頻開(kāi)關(guān)電源的出現與廣泛應用，為解決上述三大難點(diǎn)創(chuàng )造了條件。高頻開(kāi)關(guān)電源萌芽于20世紀50年代，到20世紀70年代完成了20 kHzPWM開(kāi)關(guān)電源樣機，被稱(chēng)作“20 kHz革命”，是直流穩壓電源發(fā)展史上的一個(gè)巨大飛躍。到20世紀術(shù)高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并得到了廣泛的應用，特別是在計算機電源中的應用，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壓、變壓和市電與計算機之間的隔離問(wèn)題。

　　為了減小低壓大電流時(shí)的線(xiàn)路壓降，減小電源故障的影響范圍，提高供電的可靠性，一般在小型計算機中都裝有高頻開(kāi)關(guān)電源。這些開(kāi)關(guān)電源的具體線(xiàn)路可能不完全相同，但其基本結構與組成部分足大致一樣的。當前，ATX電源已取代早期的AT電源應用于計算機中，其原理電路如圖l所示。它主要是由抗干擾濾波、市電側整流和平滑濾波3種電路組成的市電側整流濾波電路，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，以供計算機內部電路使用。一般高頻開(kāi)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(kāi)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(mǎn)足了計算機對UPS的要求，并實(shí)現了計算機輸入電源的交直兼容，使計算機不再一定非要輸入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(jiǎn)化操作維護，減小故障率，提高可靠性，因此，去掉逆變器的無(wú)逆變器UPS將是一種比較好的新型UPS方案。

　　一臺單相交流UPS向一臺計算機供電的原理電路如圖2所示，圖2中的左側虛線(xiàn)框內所示的電路為傳統交流UPS，它包括整流器、蓄電池和逆變器；圖2中的右側虛線(xiàn)框內所示的電路，為計算機中的ATX開(kāi)天電源，它包括抗干擾電路、市電側整流濾波電路和DC／DC變換電路。在圖2左側的傳統交流UPS電路中，市電220 V交流電壓經(jīng)過(guò)無(wú)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(guò)逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計算機供電。在圖2右側的汁算機ATX開(kāi)關(guān)電源中，“市電側整流濾波電路”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供電，由圖2可以看出，左側UPS中的整流器輸出的直流電壓，與右側ATX中“市電側整流濾波電路”的輸出電壓都是+300 V，是相同的。這就說(shuō)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(guò)汁算機中ATX的“市電側整流濾波電路”向計算機供電，如圖3所示。要作到這一點(diǎn)．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(wú)逆變器UPS向計算機供電的電路，此時(shí)無(wú)逆變器UPS相當于一個(gè)具有交流旁路的直流UPS。此時(shí)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(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2向計算機不間斷供電，當直流UPS需要檢修或出現故障時(shí)，由市電通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)(靜態(tài)開(kāi)關(guān)1)向計算機供電。

　　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(jiǎn)化，保剩下r整流器、蓄電池及靜態(tài)開(kāi)關(guān)，這時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2變成了只用一個(gè)SCR的直流開(kāi)關(guān)。

　　由圖4左側所示的單相無(wú)逆變器UPS電路組成的三相無(wú)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(wú)逆變器UPS的兩種工作模式

　　無(wú)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(xiàn)式工作模式。

　　3．1 后備式工作模式

　　單相無(wú)逆變器UPS向計算機供電的原理電路如圖4所示。當工作在后備模式時(shí)，在市電中斷或在恢復過(guò)程中，作為后備式UPS負載中的ATX開(kāi)關(guān)電源，其“市電側整流濾波電路”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(shí)刻市電斷電；t1～t2期間ATX開(kāi)關(guān)電源內部的儲能電容放電以維護計算機的工作；t2時(shí)刻由UPS中的蓄電池供電；t3時(shí)刻市電恢復。

　　3.2在線(xiàn)式工作模式

　　如圖4所示，對于在線(xiàn)工作模式，在UPS處于市電旁路供電狀態(tài)時(shí)(如檢修整流器或蓄電池時(shí))，以及之后又恢復直流供電時(shí)，作為在線(xiàn)式UPS負載的ATX開(kāi)關(guān)電源，其“市電側整流濾波電路”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(xiàn)式UPS直流供電；t1一時(shí)刻轉入市電旁路供電；t1～t2期間由市電旁路供電；t2～t3期間由ATX開(kāi)關(guān)電源內部?jì)δ茈娙莘烹娋S持計算機工作，UPS中的蓄電池沒(méi)有直流電流輸出，t3時(shí)刻UPS恢復直流供電。

　　3.3 靜杰開(kāi)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

　　當市電掉電時(shí)，隨著(zhù)靜態(tài)開(kāi)關(guān)1(旁路)關(guān)斷的同時(shí)，關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)l的觸發(fā)脈沖，并對靜態(tài)開(kāi)關(guān)2進(jìn)行觸發(fā)．使其被觸發(fā)導通。

　　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(kāi)關(guān)2的觸發(fā)脈沖，當市電電壓正半周到來(lái)的瞬間，將靜態(tài)開(kāi)關(guān)l(旁路)觸發(fā)導通，用市電電壓正半周的峰值(311 V)大于蓄電池電壓(+300V)的值來(lái)關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2。

　　4　無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運行

　　直流電壓的并聯(lián)，或在同一個(gè)市電電源下的交流并聯(lián)，是比較容易的。兩臺單相無(wú)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(xiàn)模式，靜態(tài)開(kāi)關(guān)1(旁路)處于關(guān)斷狀態(tài)。當兩組蓄電池的電壓UB1和UB2相同時(shí)，即UB1-UB2時(shí)，兩臺UPS并聯(lián)后它們將共同平均分配同一個(gè)負載。如果兩組蓄電池被充的電壓不相同時(shí)，例如UB2<ub1時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)2將受反壓而關(guān)斷，負載電流將全部由ub1供給。如果ub1的充電電流小于負載電流時(shí)，則ub1蓄電池組將放電以補充不足的電流，ub1將下降，而此時(shí)ub2會(huì )因不斷地被充電使ub2上升，當ub2被充到ub2=ub1時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)2導通，自動(dòng)轉入到兩臺ups共同分擔同一個(gè)負載電流的狀態(tài)。并在向負載供電的同時(shí)，同步完成對各自蓄電池組的充電過(guò)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(dòng)地同步到放電終了的狀態(tài)。

　　無(wú)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(diǎn)。

　　1)不存在頻率、相位不一致的問(wèn)題；

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

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

　　5 無(wú)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(wú)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(wú)逆變器UPS的特點(diǎn)，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(shí)使用。同時(shí)使用時(shí)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。

　　5.2 采用直流旁路的無(wú)逆變器UPS電路

　　采用直流旁路的無(wú)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(diǎn)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。當由蓄電池供電切換到直流旁路供電時(shí)，先關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)脈沖，然后再觸發(fā)導通靜態(tài)開(kāi)關(guān)l，用旁路開(kāi)關(guān)的直流電壓大于蓄電池的直流電壓使靜態(tài)開(kāi)關(guān)2關(guān)閉，如圖14所示。這樣將使切換控制電路更簡(jiǎn)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(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運行原理和工作過(guò)程與圖9所示多臺無(wú)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(jiǎn)單和容易，兩臺UPS之間由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)和靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的存在，而不會(huì )出現環(huán)流。