在线式UPS与在线互动式UPS设计的技术比较

在线式（双变换）UPS与在线互动式UPS设计的技术比较

摘要：低于5000VA的UPS系统均采用下面两种基本设计方案：在线互动式与双变换在线式。本文将介绍各种拓扑应用结构的优缺点，并着重陈述客户在实际应用需求方面的一些常见误区。

简介：用于判别购买哪种UPS不间断电源的大多数因素都很直观也容易理解：比如电池备用时间、成本、尺寸、制造商、输出插座数量、可管理性等等。但是，还有一些不很直观的因素不太容易理解。其中最不容易理解的、也是目前讨论最多的一个因素是拓扑结构。UPS不间断电源的拓扑结构（内部设计）影响着UPS在各种环境中的工作方式。

由于存在一些言论宣称某些拓扑结构性能出众对于任务关键应用来说必不可少，因此会对选择正确的拓扑结构造成误导。因为这些言论通常来自于制造商，以便推销它们所宣称的“性能出众”的拓扑结构，所以很难单独根据这样的声明来做出明智的决策。本文的目的就是为了客观的说明一下两种最为常见的拓扑结构的优缺点：在线互动式和双变换在线式。

在功率范围的高端和低端，很少人争论这两种拓扑结构的优缺点。高于5000VA时由于其较大的规模和较高的成本，选择在线互动式从经验来看是不切实际的。在低端（低于750VA),由于其他拓扑结构（包括在线互动式、离线式）对于较小负载更加实用，双变换在线式很少被考虑。

关于在线互动式与双变换在线式的争论通常集中在750VA至5000VA功率范围内。在此范围内，每种拓扑结构相对于另外一种拓扑结构而言在功能和经济性方面并不具有突出的优势，要根据具体安装情况进行分析。虽然在线互动式已经成为此功率范围内一线品牌（APC/维谛/伊顿/ABB）生产数量最多，部署最广泛的拓扑结构，但随着半导体技术和制造技术的发展，双变换在线式UPS的价格已大幅下降（国内品牌 山特/华为/科华/科士达等20k以内产品全部为双变换在线式拓扑结构），相对于在线互动式的价格劣势已不明显，这就使得在两者之间做出选择要比过去困难的多。要在这种“重合”的局面中选择最佳的拓扑结构就需要对每一种拓扑结构进行综合评定。

1.UPS不间断电源的应用环境

在选择UPS不间断电源拓扑结构的问题上，了解被保护设备的要求以及UPS将要安装的环境至关重要。在得出哪种UPS拓扑结构更好的满足应用要求的结论之前，了解这些基本要求是必不可少的。

A.IT设备和AC电源：开关式电源（SMPS)

电力通常以交流电（AC）形式传输，无论市电还是备用发电机。AC电压在正负之间变换（理想状态为完美的正弦波），每个周期通过两次零电压。虽然肉眼可能注意不到，但是在电压穿过零点转变极性时，连接到市电的灯泡实际上每秒闪烁100或120次（分别针对于50或60频率的交流电）。

IT设备是如何使用交流电为其处理电路提供电源的？在线路电压转变极性时它是否同样会每秒“关闭”100次（或更多)呢？很明显，此处存在一个IT设备必须解决的问题。实际上所有现代IT设备解决问题的方法都是利用开关式电源（SMPS)。开关式电源（SMPS)首先将包含所有非理想状态因素（电压尖峰脉冲、失真、频率变化等等）的AC电压转换为平稳的DC（直流）电压。这个过程会对能量存储原件（称为电容）进行充电，电容位于AC输入和其他电源元件之间。该电容在正弦波到达或接近于峰值（正峰值或负峰值）由AC输入进行充电（每个AC周波有两个脉冲），并且会在下游IT处理电路要求的任意值进行放电。在电容的整个设计生命周期中，它都是在吸收这些正常的AC脉冲以及异常电压尖峰脉冲。因此，与闪烁的灯泡不同，IT设备运行在稳定的DC上，而不是运行在城市电网中脉冲式的AC上。

讨论还没有结束。微电子电路需要非常低的DC电压（3.3v/5v/12v)，但是通过刚才提到的电容的电压高达400V.开关式电源（SMPS)还会将这种高电压DC转换为低电压DC输出。

在此降压过程中，开关式电源（SMPS)会执行另一项重要功能，提供电流隔离。电流隔离将电路物理隔离以便实现两个目的。首要目的是安全-防止触电；第二个目的是防止设备受损，或防止共模（接地）电压或噪音所导致的故障。

图A1展示了一套由UPS所保护的IT设备（本例中为一台服务器）。同时展现了该服务器的内部原件（包括开关式电源（SMPS)）。

图A1

开关式电源（SMPS)使AC输入正弦波峰值之间的电压过渡变得平缓，并以同样的方式是AC供电异常和短暂中断时的电压变化变得平缓。这是一项对IT设备制造商非常重要的功能，制造商不希望其设备不能正常仅仅是因为非常细微的AC异常。如果电源的品质或性能使其不能经受微小的线路异常，IT设备制造商就等同于拿自己的品牌声誉来冒险。对于更高级别的网络和计算设备更是如此，因此这种设备通常内置更高品质的电源。

为了说明这种承受能力，通常将IT设备电源连接到大容量负载，然后断开AC输入。监控电源的输出以确定在没有AC输入后可接受的输出电压可以继续提供多长时间。结果如图A2所示，显示波形分别是电源的输入电压、输入电流和DC输出电压。断开AC后，承担大容量负载的IT设备电源输出突然下降，但这发生在一段关键的延迟时间之后。

图A2

在断开输入电压之前，图A2中左侧的输入电压是正弦波。输入电流（平稳电压曲线下的尖峰脉冲轨迹）由输入电压正向峰值处的短脉冲和负向峰值处的另一短脉冲组成。只有这些电流脉冲期间，SMPS的电容才会充电。其余时间，电容会为处理电路供电。图A2中的上部轨迹是SMPS输出的DC电压。请注意，输出电压还会在AC输入断开后的18秒内保持精准调控状态。施耐德电气已经对不同的IT设备制造商的各种电源进行了测试，所得结果类似。电源连接小容量负载时，由于电容放电较慢，承受的时间将会长很多。

B.UPS与SMPS负载相容性的国际标准

我们已经认识到开关式电源（SMPS)必须承受短暂的电源扰动从而能够从正弦AC输入电压获得电能。但“短暂”到底是多少呢？

图B1显示了IEC 62040-3的规定。这是一个国际标准。它定义有关开关式电源（SMPS)负载可以接受的UPS输出电压干扰的大小和持续时间限制。如下面以阴影表示的“舒适区域”的形状所示，瞬变电压的变化幅度越小，UPS输出可以承受的持续时间就越长。请注意，该标准允许持续存在的电压变化范围相当大，标称为+10%到-20%。换句话说，UPS输出电压可以在这个范围内持续变化（无时间长短限制），而不会破坏SMPS的正常运行；这是因为SMPS的类似标准要求承受的输入异常范围甚至大于允许输出的UPS范围。

图B1

摘自IEC标准62040-3:SMPS负载相容的可接受AC电压异常的大小和持续时间

允许在与SMPS设备连接的UPS输出中出现大小和持续时间位于绿色“舒适区域”中的电压扰动“瞬变电压”；不允许出现绿色区域之外的瞬变电压。根据图B1,标称输出为120V交流电压的UPS的相容性要求如下：

如果持续时间最大为1毫秒，UPS输出电压可以高达240V。

如果持续时间最大为10毫秒，UPS输出电压可以为0。

如果持续时间最大为100毫秒，允许出现轻微的电压波动（或高或低），允许的持续时间取决于波动的幅度。

如果持续时间超过100毫秒（包括持续工作），UPS输出电压必须保持在96V到132V之间。

在世界上的大多数国家/地区，除了一些新兴市场国家/地区，电力都是相对稳定的。人们通常碰到的电压变化最多的标称值的上下5%之间，位于图B1所示的允许电压变化范围内。SMPS可以从具有这些特性的AC电源中获取电能，为要求使用普通市电电压的介面稳定性提供了可靠保证。

总结起来，SMPS具有下列优点：

它们可以接受输入电压和频率的大范围变化，而不会降低性能。

它们在其AC输入和DC输出之间具有内置的电流隔离装置，因此不需要采用输入共模（零线接地）隔离措施。

它们可以接受明显的输入电压失真，而不会降低服务寿命或可靠性。

它们具有内置的“承受”时间，可以容忍短暂的电源中断。

理想状态下，任务关键设备要求UPS不间断电源 0转换时间，为了防止在网络交换机中出现锁定和/或资料包丢失的情况。

现实应用中，实际上所有任务关键设备使用的电源都是SMPS。它们必须有10毫秒或更长的“承受”时间以符合国际标准（请参阅图B1).任何无法维持这一承受时间的电子设备通常被认为是劣等设计或特例-极有可能是特殊应用（非计算设备或IT设备）

2.UPS不间断电源选择方案

“UPS不间断电源选型1：不同类型的UPS系统”此篇文章对当今使用的下面五种主要UPS拓扑结构及其性能进行了说明：

离线式

在线互动式

离线式-铁磁共振式

双变换在线式

Delta转换在线式

在750VA到5000VA的功率范围内，几乎所有的已销售用于当今IT应用的UPS不间断电源都是在线互动式或双变换在线式。其他拓扑结构在此功率段内不常见，其原因不在本文所讨论的范围内。

A.在线互动式UPS

在线互动式UPS调整来自市电的AC电源并使其达到要求，通常只是用一个主要的电源转换器。图A3说明了IEC标准62040-3对此拓扑结构的标准描述。

图A3 在线互动式UPS拓扑结构，摘自IEC62040-3显示电源介面和一个主要转换方块的方框图。

当存在AC输入，图A3中的“电源介面”方块过滤AC 电源、抑制电压尖峰脉冲，并提供足够的电压调节能力在前面讨论的规定范围内正常运行。这通常都是由无源滤波器组件和抽头变压器实现的。主电源转换器(“逆变器”方块)会在AC线路存在电压时分流部分AC输入功率以保证电池完全充电。所消耗的功率通常不到UPS额定功率的10%，因此在该工作模式下这些元件会保持较低温度。例如，在额定功率为3000瓦的在线互动式UPS中，逆变器方块在对电池进行充电时所消耗的功率仅为300瓦(其容量的1/10)或更小。在有AC输入时，针对满负荷运行而设计的许多元件其工作温度仅稍高于环境温度，这也是最常用的工作模式。当AC线路电压跌落到电源介面输入范围之外时，逆变器利用电池中的电能为AC输出供电。电源介面的输入电压范围通常是固定的，通常为标称值的-30%到+15%。例如，标称输出电压为120V的在线互动式 UPS会在输入从84V到138V变化时保持其输出为107V到127V。

关于在线互动式 UPS 运行的一个很小但却非常重要的因素是，在过滤并调整提供给负载的电压时，它并没有改变负载所获取电流的波形。因此，如果负载使用带功率因数校正(PFC)功能的SMPS在线互动式 UPS 将不含影响或干扰功率因数校正。如果负载SMPS没有功率因数校正并在峰值时获取其电流(如A2所示)，在线互动式UPS也将不会改变或"校正"该波形。

理论上讲，由于元件很少并且主电源转换器(图B1中的“逆变器“方块)处于冷态运行，这有助于延长使用寿命和提高可靠性。然而，实际上可靠性通常是由其他一些因素决定的，将在后面“可靠性因素”部分中予以说明。

由于其低廉的成本和耐用性，在线互动式UPS已经在世界范内数以百万计的IT安装环境中成功采用。

要考虑的因素(在线互动式):

在发展中国家/地区或其他基础设施不够发达的国家/地区，由于AC线路电压不稳定，波动很大或者高度失真，在线互动式UPS可能会在一天内切换到电池供电一到两次(或更多次)。由于在线互动式设计方案存在一定程度的能力限制，无法阻止大幅度的电源波动和严重失真到达负载，因此只能断开AC供电并转换到电池供电。尽管在线互动式UPS可以使用电池提供符合IEC限制(图B1)的输出电压，但是频繁使用电池将会降低电池容量,长时间断电时只能提供较短的执行时间。并且，即使电池没有由于放电而耗尽，频繁使用也可能会导致电池需要经常更换。

在线互动式拓扑结构的优点:

较低的电能损耗(运行成本低)-在存在可接受的AC输入由于无需执行太多的电源转换，因此效率很高。

理论上讲，具有更高的可靠性一元件数量较少，工作温度较低。(请参阅后面的”可靠性因素”部分。)

设备本身的热负载很小-UPS只产生很少的热量。

要考虑的因素:

对于下列安装环境来说，可能并不适合选择在线互动式 UPS

AC电源不稳定或者高度失真，因为要频繁使用电池电源以保证UPS输出合规范要求。

需要进行功率因数校正(PFC)，但负载设备不提供此功能。

理想状态下:在线互动式 UPS不会对电力进行调整 - 畅通无阻的噪音和尖峰脉冲会损坏电源。

现实应用中:高品质的在线互动式装置内置有强大的浪涌和噪音抑止功能，可以保证它们的输出在可接受的范围内，这样负载可靠性就不会受到影响。

B.双变换在线式UPS

正如其名称所示,双变换在线式UPS会进行两次电源转换。首先,将AC输入（包括所有电压尖峰脉冲、失真和其他异常）转换为DC。如前文所述，这一点与IT设备中SMPS的工作方式非常相似。就像SMPS那样，双变换在线式 UPS使用电容来稳定DC电压并存储从AC输入获取的电能。然后，在UPS的精密调控下将DC重新转换为AC。这种AC输出甚至可以具有与AC输入不同的频率，这一点是在线互动式UPS无法实现的。在存在AC输入时，为负载设备提供的所有电源都经过这种双变换过程。

当AC输入超出指定范围时,UPS会从电池获取电能，这样UPS输出就不会受到影响。在大多数双变换在线式设计方案中，这种发生在UPS内部的AC 输入和电池之间的转换需要数毫秒的时间。同样，在这些转换过程中，也是由“DC 链路”（请参阅图B2）中的电容将存储的能量提供给逆变器。因此，即使进入“DC 链路”的电源出现短暂中断,UPS输出电压也不会受到影响，可以持续供电。

在现代设计中，几乎都会在拓扑结构中包含独立的电池充电电路，因此双变换在线式UPS通常至少有三个电源转换过程。图B2根据IEC标准 62040-3 对此拓扑结构进行了说明。

图B2 双变换在线式UPS拓扑结构，摘自IEC 62040-3显示四个转换器方块的方框图

除了执行AC到DC转换外，整流器部分还提供了功率因数校正 (PFC) 功能，这意味着它从AC线路上以平滑正弦波获取电流,而不是以脉冲形式(请参阅图A2了解非 PFC 输入电流的情况)。由于PFC可以“校正”输入电流波形,因此获取较少的电流,同时可以减少高频谐波。即使由UPS供电的IT设备以脉冲(非 PFC)形式获取电流也是一样。

满负荷运行时，双转换在线式可接受的AC输入电压范围与在线互动式可接受的 AC 输入电压范围类似。然而，与在线互动式不同，如果UPS没有满负荷运行，双转换在线式UPS可以在更低的输入电压下运行。对于典型的 120V 双转换 UPS 而言，这意味着即使输入电压低至标称值的50% (60V)，它也能够以很小的负载从 AC 电源运行。尽管这是在线式拓扑结构极富吸引力的特性，但是因为这样的长期扰动极其少见，并且实际负载条件变化多端，所以很少使用（更多的是用于演示）。

对于任何给定的电源容量，在线式UPS通常比在线互动式UPS的体积要小。尽管它具有更多的元件(通常有三倍之多),但这些组件却很小。对于高于 2200VA 的大型电源装置来说更是如此，并且与即时可扩展的在线互动式 UPS 相比也是如此。

在线式拓扑结构通常包含旁路电路，以便在长时间超载或者某个双转换电路出现问题时使用。在旁路和逆变器工作模式之间的转换通常存在数毫秒的输出下降，与在线互动式UPS转换到电池的情形类似。结果是，大多数在线式装置依赖于SMPS来承受这些UPS输出扰动。对于在线互动式装置，只要UPS输出中断位于图B1显示的规定范围内就不会出现问题。

要考虑的因素（双变换在线式）

在线式电源转换过程需要连续运行以为其负载提供经精密调控的输出电压，最高可承载等于其总额定功率的负载大小。但是，这种性能的提高也带来了相关成本的增长。

由于采用了多个供电过程，典型双变换在线式UPS与典型在线互动式UPS 相比具有更多的元件。因为这些元件要连续处理负载设备所获取的全部电能，在存在AC输入的情况下，它们的温度通常要高于在线互动式UPS中的元件温度。

理论上讲，持续运行模式和较高的温度会降低UPS中元件的可靠性。然而，实际上可靠性通常是由其他一些因素决定的，将在后面“可靠性因素”部分中予以说明。

要考虑的另一个因素是长期运行双变换在线式UPS需要消耗额外的能量。与在线互动式UPS的96% 到98%相比，根据设计方案的不同，双转换在线式 UPS 的连续运行效率在85%到92%之间。例如，效率为90%的 1000W UPS，在满负荷情况下会连续损耗 100W 的电能。平均每年大约需要支付 100 美元的额外电力成本。除了电力成本之外，还必须从环境中去除这 100W 的热能，从而产生额外的制冷成本，制冷成本因制冷系统的效率而异。这看起来可能不是很多，但考虑到企业中众多UPS的所有损耗总和，甚至单个UPS在整个生命周期内总的能量损耗时，它将成为影响UPS拥有权总成本的一个重要因素。比较显示，相同负载下在线互动式UPS可减少负载功率三分之一的能量成本。

要考虑的因素：

双变换在线式包含更多在较高温度下连续运行的元件，在所有其他条件相同的情况下，这些元件的服务期要短于在线互动式中类似部件的服务期。

变换在线式要比在线互动式消耗更多的电能，因为在存在 AC 输入时，它需要连续地对输入的电能进行转换和逆转换，然后输出。

双变换在线式会产生更多的热量，并将这些热量释放到 IT 环境中。必须采取有效措施去除这些热量，以减小对其他系统甚至 UPS 自己电池使用寿命的影响。

无庸置疑，能够提供精密调控的 AC 输出电压是在线拓扑结构的一大优点。但是，如前文所述，由于 SMPS 本身能够提供电压调控能力，SMPS 并不需要精密调控的 AC。

可靠性因素

在这两种拓扑结构中，从理论上说，某些设计因素会提高或降低运行寿命和可靠性。对于在线互动式，较少的元件数量和主供电过程的冷态运行模式都有助于提高运行寿命和可靠性。对于双变换在线式，持续执行转换操作和较高的工作温度都会导致运行寿命和可靠性的降低。

然而，实际上可靠性通常由制造商设计方案的合理性、UPS 生产工艺规范性以及所使用元件的品质决定，与拓扑结构无关。因为品质取决于供应商，所以就有可能出现高品质的双转换在线设计和低品质的在线互动式设计，反之亦然。

下表总结了在线互动式与在线式（双变换）UPS拓扑结构的主要优缺点

3.结论

在功率范围 750VA 到 5000VA 之间，两种类型的 UPS 都能够充分保护 IT 设备不受电源中断的影响，因此决定使用哪一种拓扑结构主要取决于客户应用的具体环境。

因为初始成本、运营费用、热量产生情况和可靠性是所有应用都必须考虑的主要因素，这样看来，我们理所当然应该选择在线互动式。事实也是如此，在线互动式设备已成为典型 IT 环境广泛采用的高效、可靠设备。但是，在特定环境下，选择双变换在线式可能更为合适。特别是在 AC 电源高度失真和/或具有极大电压变化的地理区域，双变换在线式 UPS 无需频繁转换到电池供电即可维持正常输出。较低的电池使用率可以保存电池容量以应对长时间的断电事故，并延长电池使用寿命。此外，降低电池更换成本可以抵消在线互动式 UPS 低初始成本和低运营成本的优势。在某些特殊的情况下可能需要使用双变换在线式 UPS，比如对于某些医疗设备或仪器，需要进行功率因数校正 (PFC)、要求较小的物理尺寸或需要进行频率转换等等。