安森美UPS系統(tǒng)方案指南

UPS 在二十世紀剛問世時，唯一的用途是在停電時提供應(yīng)急電源，但由于價格昂貴，應(yīng)用范圍十分有限。如今，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，UPS 可以高效地優(yōu)化供電質(zhì)量、過濾線路噪聲、抑制浪涌，并根據(jù)需要在任何地點提供更長時間的備用電源。在追求低碳環(huán)保的當(dāng)下，低能耗、高可靠性、小尺寸已成為 UPS 發(fā)展的新方向。安森美（onsemi）推出的UPS系統(tǒng)方案指南，對UPS設(shè)計進行了全面介紹。本文為第一篇，將聚焦系統(tǒng)用途、市場趨勢展開講解。

系統(tǒng)用途

交流電在發(fā)電時是穩(wěn)定且純凈的。然而，在輸電和配電過程中，交流電容易發(fā)生電壓驟降、尖峰和斷電等情況，可能會擾亂計算機運行，造成數(shù)據(jù)丟失和設(shè)備損壞。

不間斷電源可保護所連接設(shè)備免受電源問題的影響，并在停電期間提供備用電池。此外，不間斷電源還可以防止昂貴設(shè)備遭受損壞、數(shù)據(jù)丟失和停機。根據(jù)類型的不同，不間斷電源還能針對異常電壓提供保護。對任何 UPS 而言，輸出容量都是一個非常重要的屬性。輸出容量是所連接負載可以從 UPS 系統(tǒng)獲得的最大功率，用 VA（伏安）表示。

目前，UPS 系統(tǒng)有三種類型：在線式、離線式和在線互動式。它們各有優(yōu)點，并且各自都有更合適的應(yīng)用。

在線式 UPS

在線式 UPS 在提供高可靠性和電源保護方面表現(xiàn)出色，旨在為所連接的負載提供持續(xù)的電力。它的顯著特點是雙電源轉(zhuǎn)換級，能確保盡可能高的可靠性，同時對電源轉(zhuǎn)換效率提出了極高的要求。負載始終連接到 UPS 的逆變器，從而消除了開關(guān)延遲。

得益于功率因數(shù)校正級，輸出功率與輸入功率同相，整體效率得以提高。其電池儲能系統(tǒng)與雙向充電器相結(jié)合，可以在交流輸入中斷時提供連續(xù)、無縫的電力供應(yīng)。在線式 UPS 最昂貴，但可以有效處理各種電源問題，并提供最高質(zhì)量的輸出。這使其成為了高靈敏度設(shè)備、數(shù)據(jù)中心和其他關(guān)鍵設(shè)備的理想選擇。

由于在線式 UPS 是最復(fù)雜和最受青睞的方案，因此 UPS 系統(tǒng)的研究和創(chuàng)新往往更多地集中于在線式 UPS，不僅涉及硬件，也涉及軟件。盡管這是一種強調(diào)可靠性的應(yīng)用，但與電動汽車等應(yīng)用相比，其發(fā)展速度相對較慢。不過，隨著對綠色能源的需求不斷增長，以及人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算的不斷發(fā)展，我們可以期待未來會有更多新技術(shù)和材料應(yīng)用于該領(lǐng)域，例如 SiC、GaN 等。

圖 1：在線式 UPS

離線式 UPS

離線式 UPS（也稱待機式 UPS）是讓負載直接連接并由輸入電源供電，只有當(dāng)電源發(fā)生故障時才激活備用電源。切換到電池供電時總會出現(xiàn)短暫的中斷（幾十毫秒）。其成本最低，并且不提供額外的安全功能?？紤]到切換中的延遲可能引發(fā)潛在安全問題，這使得離線式 UPS 不太適合用于保護工業(yè)設(shè)施。離線式 UPS 最常用于家庭和小型辦公環(huán)境，在這些環(huán)境中，所需的備用電源相對較小，要求也沒那么嚴格。

圖 2：離線式 UPS

在線互動式 UPS

在線互動式 UPS 與離線 UPS 類似，但它額外配備了有源電壓調(diào)節(jié)器。它通過提高或降低電壓來調(diào)節(jié)和補償交流輸出，從而為負載提供更穩(wěn)定的輸出電壓。在線互動式 UPS 可以充當(dāng)電壓優(yōu)化器，并有助于延長電池壽命，因為其激活頻率較低。使用在線互動式 UPS 時，輸入電源的問題在一定程度上得到解決，不像離線式 UPS 在出現(xiàn)異常輸入情況時必須切換到電池模式。在線互動式 UPS 可用于中小型企業(yè)以及主電源電壓和質(zhì)量不太可靠的場所。

圖 3：在線互動式 UPS

市場信息和趨勢

蓬勃發(fā)展的全球市場

基于多方面因素的考量，UPS 市場的前景十分樂觀。預(yù)計到 2029 年，UPS 市場規(guī)模將達到 143 億美元，復(fù)合年增長率 (CAGR) 為 4.05%。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷推進，各行各業(yè)都離不開可靠、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，對電力供應(yīng)的需求一直在持續(xù)增長。物聯(lián)網(wǎng)、智能建筑和數(shù)據(jù)中心都在不斷增多，再加上快速發(fā)展的云計算行業(yè)，這些共同推動了電力供應(yīng)市場的增長。

云計算和大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵性應(yīng)用對電力的效率和穩(wěn)定性提出了嚴格的要求。制造業(yè)和醫(yī)療保健等行業(yè)需要全天候運營，因此可靠的備用電源必不可少。此外，不斷演變的環(huán)境保護需求促進了能源管理的發(fā)展，提高能源效率和減少排放已成為首要的社會目標(biāo)。

在線式 UPS 系統(tǒng)普及的最大障礙是其高昂的成本。此外，由于需要更換電池，維護成本可能也會增加。UPS 單元的容量有限，因此可能不足以支持高功率應(yīng)用。

電網(wǎng)異常

針對特定應(yīng)用選擇合適的 UPS 方案時，重要的是考慮其用途、功率輸出要求和總體預(yù)算。了解電網(wǎng)的質(zhì)量以及可能出現(xiàn)哪些電力異常非常重要。有些功能是必不可少的，但在某些情況下，一些高級功能可能并不需要。各類型 UPS 的性能特點如表 1 所示。

表 1：UPS 針對不同異常情況提供的保護

模塊化 UPS

當(dāng)前對模塊化 UPS 的需求日益增長。模塊化可提高系統(tǒng)的可擴展性、冗余性和適應(yīng)性，降低維修成本，節(jié)約空間，并增強故障隔離能力。這些特點使模塊化 UPS 成為各種應(yīng)用的首選，尤其是那些需要可靠靈活的電源方案的應(yīng)用。

更高的功率密度和效率

模塊化設(shè)計的采用在一定程度上加速了高功率密度產(chǎn)品的開發(fā)。面對空間有限、輸出容量不斷增加、散熱環(huán)境更加苛刻等挑戰(zhàn)，下一代 UPS 產(chǎn)品需要轉(zhuǎn)向更高功率密度的設(shè)計。這就需要在提高輸出能力的同時實現(xiàn)更緊湊的物理尺寸。高開關(guān)頻率仍然是一個重要考量因素。

不可否認的是，提升效率是所有電源轉(zhuǎn)換器的首要發(fā)展方向，特別是在線式 UPS 這類連續(xù)進行電源轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品。提升效率可以改善成本效益，同時也是應(yīng)對緊迫的可持續(xù)發(fā)展要求的重要途徑。采用更先進的電力電子器件和拓撲，可以有效減少能量損耗，特別是在輕載條件下，效率提升尤為顯著。

電池系統(tǒng)

電池和電池管理系統(tǒng)是 UPS 的關(guān)鍵組成部分。UPS 主要使用鉛酸電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。鉛酸電池可靠、性價比高、內(nèi)阻低。另外，鉛酸電池堅固耐用，適合不受重量和空間限制的環(huán)境。鋰離子電池在一些方面擁有顯著的優(yōu)勢，包括更高的功率密度（因而可以更小更輕）和高可靠性（得益于集成的電池監(jiān)測系統(tǒng)），但成本仍然較高。采用更先進、更緊湊的電池技術(shù)，目的是提供更長久的備用電力和更高的能量密度。

表 2：UPS 系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

未完待續(xù)，下一篇文章將講解方案概述，歡迎持續(xù)關(guān)注我們。