電源是以電力電子學為核心技術的產品，電源是在電力電子應用技術上發展而來，具體的說電源產品是電力電子應用技術的具體產品體現。UPS(UninterruptiblePowerSystem)，即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件、穩壓穩頻輸出的電源保護設備，是電力電子設備中重要組成成員[1]。主要用于單臺計算機、計算機網絡系統或其他電力電子設備提供不間斷的電力供應。
　　
　　UPS電源系統設備技術是指依托先進功率轉換技術、數字控制技術、高頻開關變換技術、脈寬調制技術、電磁兼容技術、冗余并機技術、智能充放電技術、網絡技術、驅動技術和新工藝技術等的一門綜合技術。
　　
　　1UPS的工作原理和操作方式
　　
　　1.1典型的UPS系統框圖如圖1所示
　　
　　它的基本結構是一套將交流市電變為直流電的整流器和充電器，以及把直流電再變為交流電的逆變器，蓄電池在交流電正常供電時貯存能量且維持在一個正常的充電電壓上，一旦市電供電中斷時，蓄電池立即對逆變器供電以保證UPS電源交流渝出電壓。[3]

　　
　　圖1典型的UPS系統框圖

　　1.2UPS的三種操作方式
　　
　　第一：后備式
　　
　　當UPS電源處于市電正常供電時,由市電直接向計算機系統提供電源，當市電供電中斷時，電池才對逆變器供電,并由UPS電源的逆變器對計算機系統提供交流電源。也就是說，UPS電源的逆變器總是處于對計算機系統提供后備供電的狀態。
　　
　　第二：在線式
　　
　　它平時是由市電經由整流器、逆變器對計算機系統提供電源。只有當蓄電池放電完畢時,才由內部控制線路發出信號控制自動切換環關,轉換成市電供電。因此，對在線式UPS電源而言，在正常情況下，它總是由UPS電源的逆變器對計算機系統供電。這種方式的特點是：消除了來自市電電網的任何電壓波動等干擾對負載的影響，真正實現了對負載的無干擾穩壓供電。
　　
　　第三：在線互動式
　　
　　當UPS工作正常時，繼電器的控制繞組被激勵，觸點打到電壓調整那一端，輸出電壓；當出現輸出過載、短路或者UPS本身故障的時候，觸點打到旁路，直接與市電接通。逆變器始終處于工作狀態，與后備式UPS相比來說，轉換時間非常短，其交流輸出電壓穩定性好，充電器由雙向變換器組成，充電效果讓人不十分滿意，不宜作長延時的。市電供電時，后備式和在線互動式只有一個變換器在工作；在線式有兩個變換器同時工作。另外，后備式和在線互動式在調壓環節和電池工作模式時的輸出波形不同，前者是準方波，后者輸出則為正弦波。
　　
　　2UPS電源的分類
　　
　　2.1按照UPS功率大小分類
　　
　　UPS電源系統按其應用的功率可分為：大、中、小三個分區類別。
　　
　　小功率UPS電源系統定義為：功率小于3kVA的UPS電源產品；中等功率UPS電源系統定義為：大于等于3kVA同時小于10kVA的UPS電源產品；大功率UPS電源系統定義為：大于或等于10kVA的UPS電源產品。
　　
　　從不同的功率段劃分UPS產品與技術情況都有：
　　
　　功率（P）＜3KVA產品：小于3KVA的產品主要包括500VA－2KVA的后備式、互動式UPS，以及1－2KVA的在線式UPS。這一功率段的UPS由于技術門檻比較低，市場競爭激烈，從國內和國際市場的統計數據看，這部分產品的市場銷售額比例一直存在小幅下降的趨勢。
　　
　　3KVA≤功率（P）＜10KVA產品：這一功率段的UPS主要是在線式產品，以及少量的3KVA后備式、互動式產品，涉及的技術相對復雜些，產品的質量控制有一定的難度，除了國外品牌產品外，國內的中大規模的UPS廠家有這一功率段的產品。從國內和國際市場的統計數據看，這部分產品的市場銷售額比例相對穩定。
　　
　　10KVA≤功率（P）＜50KVA產品：這一功率段的UPS是在線式產品，涉及的技術比較復雜，產品的質量控制有相當的難度，除了國外品牌產品外，國內中等以上規模的UPS廠家才有這一功率段的產品。從國內和國際市場的統計數據看，這部分產品的市場銷售額比例相對穩定，略有上升。
　　
　　功率（P）P≥50KVA產品：這一功率段的UPS是在線式產品，涉及的技術相當復雜，產品的質量控制需要較高的水平和綜合實力，除了國外品牌產品外，國內只有極個別的上規模UPS廠家才有這一功率段的產品。從國內和國際市場的統計數據看，這部分產品的市場銷售額比例穩步上升。
　　
　　2.2按照UPS應用領域分類：
　　
　　UPS電源系統按其應用領域可分為：信息設備用UPS電源系統設備和工業動力用UPS電源系統設備二個大類別。
　　
　　第一類信息設備用UPS電源系統設備。近幾年來UPS電源系統在IT行業發揮著越來越重要的作用，被人們譽為計算機信息的保護神。在世界邁進信息時代之后，信息的安全問題已經被人們廣泛關注，因此，在這種時代背景中，UPS的發展趨勢引起業界的高度重視是順理成章的。信息化通信UPS電源系統主要應用于：信息產業、IT行業、交通、金融行業、航空航天工業等計算機信息系統、通信系統、數據網絡中心等的安全保護問題。UPS電源作為計算機信息系統、通信系統、數據網絡中心等的重要外設，在保護計算機數據、保證電網電壓和頻率的穩定、改進電網質量、防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害等方面是非常重要的。
　　
　　第二類工業動力用UPS電源系統設備。工業動力UPS電源系統設備主要應用于：工業動力設備行業電力、鋼鐵、有色金屬、煤炭、石油化工、建筑、醫藥、汽車、食品、軍事等領域，作為所有電力自動化工業系統設備、遠方執行系統設備、高壓斷路器的分合閘、繼電保護、自動裝置、信號裝置等的交、直流不間斷電源設備，保證工業自動化動力供給的可靠性。工業動力用不間斷電源是不間斷電源產品中的高端產品，涉及大功率(可能達到兆瓦級)能量變換的電力電子技術、數字化控制技術、交流電源并聯冗余技術、有源諧波抑制技術、大功率產品制造技術等。顯然，一般的電源企業無法進入該領域，只有已經擁有大功率電力電子技術和系列產品開發、生產、服務能力，并積累相應工業應用經驗的企業，才能做好工業動力不間斷電源系統的設計、生產、市場服務。傳統UPS廠家在這些地方采用的UPS電源往往是具備適應工業自然環境的UPS電源產品，而不是適應工業電氣環境、感性動力負載特性的真正工業動力設備用不間斷電源。

　3UPS電源中的新技術
　　
　　近年來，隨著IT產業的復興、通訊產業的持續發展，以及各行各業對于大容量數據機房的巨大需求，UPS的使用量越來越大，對于UPS的技術要求也越來越高。同時，配套產業以及器件的發展給UPS的技術發展帶來了機遇。新型磁性元器件、新型半導體功率器件、新一代數字信號處理器等層出不窮，這些都讓UPS的技術水平達到了前所未有的高度。
　　
　　3.1新器件的應用
　　
　　近年來隨著鐵磁技術的飛速發展，工程師在設計優化時的材料可選擇性大大提高。在開關電源、電感、扼流圈以及濾波器的設計方面，最常用的材料包括MPP(鉬坡莫合金)、HighFlux(高磁通磁芯)、Sendust(鐵硅鋁)以及鐵粉芯磁芯，針對不同的應用場合，每種材料都有各自的特點。
　　
　　粉芯材料磁芯是由高磁導率材料經過研磨或者噴霧造粒形成粉末，磁芯的磁導率取決于高磁導率材料微粒的尺寸和密度大小，調整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁導率的磁芯。微粒尺寸越小，直流偏置特性越好，但是成本越高。粉末微粒之間彼此絕緣，因此磁芯固有的分布氣隙具有更好的儲能能力，特別適合在儲能電感中應用。
　　
　　粉芯的分布式氣隙特性確保能量儲存在整個磁芯體中，這就使得磁芯的溫度穩定性較高。而傳統開氣隙的鐵氧體磁芯由于能量儲存在氣隙附近，漏感較大，使得氣隙損耗和電磁干擾都明顯增加，有時局部氣隙損耗甚至比磁芯本身的損耗還大，因此磁芯的溫度穩定性不太穩定。優化磁芯的原則是選擇能夠滿足所有的設計目標需求的同時，具有最小折衷的材料。如果成本是首要考慮因素，鐵粉芯是最佳選擇。如果溫度穩定性是優先考慮因素，那么應首選MPP磁芯。
　　
　　伴隨著上述新材料的應用，UPS中以往廣泛使用的硅鋼類電感、變壓器將有機會得到替換。從而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平，UPS系統的功率密度以及性能也將由此而得到提高。
　　
　　作為UPS中的重要功率器件，IGBT以及SCR器件近年來也得到了極大的發展，各大廠商針對UPS的發展需要提出了大量的解決方案。
　　
　　三電平IGBT模塊給UPS的高頻整流器、逆變器帶來了前所未有的機遇，從而為三電平技術的推廣應用打下了堅實的基礎，如圖2所示。以往構建三電平系統，設計者需要使用分立的器件來搭建，性價比和系統穩定性都得不到保障，因此三電平技術一直未得到大規模的應用。這種IGBT模塊將所有的器件集成在一起，簡化了系統設計，提高了可靠性，給這種技術在UPS中的應用帶來了機會。三電平技術的應用可以大大降低磁性元器件的使用量，提高系統的靜態與動態性能指標，提高系統的功率密度，降低成本。

　　
　　圖2三電平IGBT模塊

　　一些器件廠家針對電力電子系統的散熱需求，給出了一些很好的解決方案。圖3為新一代的大功率水冷IGBT模塊，可以看出其散熱器的用量明顯降低。并且，通過水冷技術的使用，系統的功率密度明顯提高，噪聲大大降低，熱性能得到提高，可靠性較以往的風冷技術也得到了較大的提升。

　　
　　圖3大功率水冷IGBT模塊

　　另外，一些半導體工業的最新器件，例如SiC、ESBT、JFET等，也將逐漸地在UPS產品中得到應用，在提升各個子系統性能的同時，提升UPS系統的各項指標。
　　
　　在UPS控制部分，隨著DSP、FPGA等數字化芯片的推廣應用，以往大量使用的分立元器件將大大減少，從而簡化了電路板，提高了可靠性、可生產性、可維護性，并且降低系統成本，提高系統的性能。
　　
　　3.2新電路拓撲的應用
　　
　　近年來，世界各國電力電子機構都不斷地推出新的UPS拓撲技術。很多拓撲技術都得到了應用，從根本上給UPS系統的設計帶來了革命。上述的三電平結構就是其中之一。
　　
　　圖4的Z-Source變換器為近年來的研究成果之一。利用Z型無源網絡實現電源和負載的耦合，可靈活地獲得升/降直流電壓。與傳統的實現降壓級聯電路相比較，阻抗源整流器不需在上下橋臂的驅動脈沖中加死區，減少了輸入電流波形的畸變，而且具有效率高、電路體積小等優點。其靈活的升降壓特點，為燃料電池等新能源在UPS中的應用提供了契機。

　　
　　圖4Z-Source變換器

　　九開關變換器較以往的三相四線PFC整流器和三相四線逆變器相比，使用的開關管數量減小了，從而降低了系統的造價，如圖5所示。另外，通過現代控制技術的應用，其性能有望能達到現有PFC整流器和逆變器的水平。

　　
　　圖5九開關變換器

　　新型開關單元變換器具有提高輸入輸出等效開關頻率，降低電感量需求，提高并聯均流效果等優勢，也將給UPS的整流器和逆變器拓撲帶來機會，如圖6所示。

　　
　　圖6新型開關單元變換器

　　在通訊電源、DC/DC變換器等領域，軟開關技術已經得到了廣泛的應用。在UPS上這一技術的應用可以降低功率器件的損耗，提高可靠性，提高系統效率，提高EMC/EMI性能。圖7給出了一種可以應用在中大功率UPS中的軟開關拓撲，ARCP(AuxiliaryResonantCommutatedPole)結構。

　　
　　圖7ARCP軟開關變換器

　　3.3新系統解決方案的應用
　　
　　隨著水冷、液冷等技術在其他電力電子產品中的應用普及，UPS也即將進入此項技術的應用領域。
　　
　　從圖8可以看出，左側的傳統風冷功率模塊占地面積大、體積大、金屬用量多、功率密度低，而右側的液冷模塊就可以解決上述這些缺點。在當今的高端機房中，功率密度的要求已經越來越高，對于單機的容量需求越來越大，給UPS提供的安裝空間卻越來越小。因此，研制出體積小、單機容量大的產品勢在必行。

　　
　　圖8新型液冷功率模塊

　　PFC整流器技術在中大功率UPS中也得到了廣泛的應用，200kVA以下的UPS很多廠商都已經推出了PFC整流的產品。相對應于傳統的6脈沖或者12脈沖整流器，PFC整流帶來的技術優勢是顯而易見的，提高了輸入功率因數，降低了UPS輸入側的電流諧波，使UPS實現了綠色化的理念。在不久的將來，PFC整流將有機會往更大功率等級上發展。
　　
　　大功率PFC整流器結構，如圖9所示，一些國外廠家已經開始嘗試將其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流對于提高大型UPS系統性能、降低造價、提高可靠性等方面都具有非常大的積極意義。

　　
　　圖9大功率PFC整流器結構

　　3.4其他行業技術的嵌入應用
　　
　　現代的UPS供電系統已經融合應用了其他行業的大量技術。移動通信以及互聯網技術的嵌入式應用，使得用戶可以實時地對分布于全球的UPS系統進行監控。先進的電池檢測技術可以檢測到每塊電池的健康狀況并給出預測報警。先進的故障檢測與預警系統可以預測出UPS中各子系統的運行狀況，給出分析報告，防患于未然，提高系統可靠性和可用性。[4]
　　
　　4結束語
　　
　　作為信息設備的守護神，UPS系統承載著巨大的責任。大量的應用需求驅動著其技術不斷革新換代。可以預見，隨著金融、通訊、IT等高端市場需求的不斷增長，更多、更廣泛的新技術將應用到UPS系統中去，UPS系統將朝著智能化、大型化、綠色化、節能化等方向不斷發展。
　　
　　參考文獻
　　
　　[1].石磊.UPS電源技術及發展[J].電氣開關,2009,(1):8～12.
　　
　　[2].張宜劍.談談我國UPS電源市場發展前景[J].硅谷,2009,(1):22.
　　
　　[3].中小型UPS電源的工作原理及其應用.http://www.weixiu8.com/article/view_2306.html
　　
　　[4]Brain.中大功率UPS電源新技術展望[J].UPS應用,2009,（3）:52～55.