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论UPS输出电压直流化变革趋势

来源:机房360 作者:张广明 更新时间:2014-1-27 14:13:40

摘要:文中从UPS技术发展过程讲述为什么早期的IT设备要交流电压供电:AC—UPS系统结构存在的问题;UPS直流输出的可行性和性能优势以及直流电压输出的UPS(简称DC—UPS)设计和应用中面临的技本难题等。


  4 直流输出电压的选择

  确定直流输出电压是研制开发直流输出UPS的第一件大事,它关系到设想的方案能否实现,产品是否有使用价值,能否顺利的推广应用。

  4.1 确定直流UPS 输出电压的基本

  原则

  确定直流UPS输出电压应遵循以下五个原则:

  (1)原则上不要求IT设备输入开关电源做明显的变化

  直流UPS的负载是IT设备,推广应用涉及到的问题很多,周期也很长,特别是推广适用的初期,大量的IT设备还是在交流电源输入下运行,为了加快DC-UPS推广应用速度,就必须做到在这种输入电压制式重大变动情况下不对IT设备提出过多变化的要求,也就是说,要尽可能做到现有的IT设备即可在交流电源输入下运行,也可在直流电源输入下运行,而不需要IT设备内开关电源做重大的重新再设计。

  (2)简化设备结构和系统配置

  提出用直流UPS替代交流UPS的设计理念始于20世纪90年代,出发点是解决输入电源多次变换的问题,减少变换过程可以有效地提高设备可靠性和节省能源。使用双变换UPS为IT设备供电的变换过程,如图5所示。


  从图5可以看出,如果使用直流输出UPS(如图中虚线所示),则可去掉交流输出UPS的DC/AC变换和开关电源输入的AC/DC变换。

  特别要注意的是,要保证去掉两次变换后,必须使UPS的AC/DC变换输出的直流电压值等于开关电源的DC/DC变换的输入直流电压值。

  (3)在IT设备允许的输入电压范围内,使电池容量得到充分的利用

  采用直流UPS供电后,给IT设备开关电源供电的是备用电池,而电池电压是不稳定的,市电正常时,UPS输出的是电池的浮充电压,而市电中断后,电池开始对负载供电,电池电压在15%的备用时间内由浮充值降到额定值,在70%的备用时间后再到放电下限值,电压变化范围基本上是电池额定电压的±11.25%。为了充分发挥电池的能量利用率,就要求负载允许的输入电压范围必须大于电池电压的变化范围,反之,为了使负载开关电源工作在最佳状态下,在负载开关电源输入电压范围大于电池电压变化范围的前提下,应使电池额定电压等于负载开关电源输入电压的设计额定值。

  (4)最终由电池电压决定输出电压的额定值

  电池电压是12V的倍数,市电正常时,UPS输出给负载供电的同时要给电池浮充,为了确保电池处在最佳工作状态,UPS输出电压的确切值应等于电池组电压的浮充值,并且要有较高的精度。

  (5)节能与安全

  提高电压可提高效率,有利于节能,而电压过高时应考虑元器件承受能力。

  4.2 输出电压值的确定

  根据上面讲的第一个原则,为了使IT设备开关电源同时兼容交流和直流两种输入,就必须设计直流UPS的电池额定电压等于开关电源交流输入AC/DC变换后的直流母线电压,图6所示是当前IT设备开关电源的直流母线电压。

  根据我国电网电压制式, 交流单相电压是220V,而当前IT设备开关电源的输入AC/DC变换有两两种情况:

  一是PFC电路,直流母线电压是380V左右,见图6(a);

  另一种是简单的整流变换,直流母线电压在300V左右,见图6(b)。


  如果把电池额定电压设定为直流母线电压,则电池额定电压为300V和380V,与此对应的直流UPS输出电压为电池浮充电压,即334V(即300×1.1125)和422.7V(即380×1.1125)。

  但跨接在直流母线上的电容的工作电压不宜超过400V,所以设计电池额定电压为380V显然是不合适的,所以380V应视为电池的浮充电压,相应的电池额定电压则为336V。

  根据第三个原则,既然电池电压的变化范围是额定值的±11.25%,就要求IT负载开关电源的DC/DC变换器允许的输入电压变化范围大于额定值的±11.25%,即300V±11.25%和336±11.25%。对应DC-UPS输出电压为334V和374V。

  根据第四个原则,电池额定电压300V的电池组由25节12V电池串联组成,电池额定电压336V的电池组由28节12V电池串联组成,浮充电压是373.8V。

  根据以上分析,电压选择的结论如表1所示。


  4.3 全球企业和研究团体对直流电压选择的情况

  直流输出UPS的研究已经在全球范围内展开,从图7可以看出从事直流输出UPS开发研究的地区、单位和他们选择的直流输出电压情况。


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