交流輸出電壓的U/A(簡稱AG-UPS)供電系統存在的主要問題是如何有效地提高系統的可靠性，可靠性不高是AG-UPS設計理念造成的，而AG-UPS設計理念的結癥又可歸結為備職能源配置方法問題，備用能源(蓄電池)要經過UPS設備中最薄弱環節——逆變器才能向負載供電，這是造成UPS系統必須經過兩次變換能源、系統中存在著負載和UPS本身兩個諧波源、系統過于復雜、結構臃腫、成本不斷攀升、效率較低、可靠性難以有效提高的根本原因，文中從UPS技術發展過程講述為什么早期的IT設備要交流電壓供電：AC—UPS系統結構存在的問題;UPS直流輸出的可行性和性能優勢以及直流電壓輸出的UPS(簡稱DC—UPS)設計和應用中面臨的技本難題等。

1 IT設備供電系統結構的變化

電網電壓提供的是交流380V/220V，50Hz，而IT設備邏輯電路用的是直流低電壓，這是兩個不可改變的事實。為IT設備供電的電源設備自然是完成兩種制式電壓的轉換。計算機開始產業化至今已有60多年歷史，在這漫長的過程中，供電電源也經歷了幾個變化階段，促成并決定這些變化的最根本的因素是組成電源設備的功率半導體器件的技術進步。圖1顯示了這個過程。

1.1 20世紀60、70年代

如圖1(a)所示。此時計算機是由電網(市電)直接供電的，機內電源擔負著高壓交流電到低壓直流電的轉換任務，穩壓功能以可控整流和線性調節穩壓電路為主，70年代才出現開關電源。由于穩壓電路結構和當時半導體器件性能限制，線性調節和開關電源都只能是低壓輸入。所以在輸入端都必須配置工作在交流狀態的工頻降壓變壓器。

1.2 20世紀70、80年代開始使用UPS設備為計算機供電

如圖1(b)所示。此時開始為計算機供電系統配置不間斷供電設備——UPS。但是由于計算機電源輸入端都配置有工頻變壓器，所以UPS設備只能輸出交流。殊不知，最初的這一要求固定了UPS設備的電路結構，并沿用到50年后的今天。

1.3 20世紀80、90年代計算機開關電源去掉了輸入變壓器

如圖1(c)所示。在20世紀70年代，由于功率半導體器件性能的進步，電源技術界開始了一場“20kHz的革命”，無輸入變壓器的開關電源進入研制和試用階段，到20世紀80年代末和90年代初，計算機機內電源基本上都使用了無輸入變壓器的高頻開關電源，也就是說，計算機設備是可以由高壓交流市電(無需降壓)直接供電的，當然也是可以直接用高壓直流供電的。

但是，現行的設備標準和人們的觀念決定了計算機還是必須由交流電壓供電，當然，作為輸入電源的前級設備UPS，也就必須輸出交流電源。既然UPS只提供交流電源，所以，計算機開關電源也必須保留輸入級的AC/DC變換，整個供電就形成了UPS設備的AC/DC→DC/AC兩級變換和計算機內開關電源的AC/DC→DC/DC兩級變換。

2 AC-UPS供電系統的現狀與存在的問題

半導體器件和電路技術為AC-UPS的技術進步和體系結構的變革提供了條件，而AC-UPS的現狀和存在的問題又促使其必須進行變革。技術的發展有著它自身的發展規律，UPS輸出直流化將是一次數據中心供電系統的重大變革。

這里講的AC-UPS供電系統不包括交流輸入環節，如圖2所示。它由AC/DC轉換器、DC/AC逆變器、各級配電柜、濾波器、電池組等設備和環節組成。

圖2是AC-UPS供電系統的基本結構形式。從它的基本結構可以看出這種系統在有效地提高可靠性、提高運行效率、降低成本、減少污染、標準化和提高適應性等方面存在著不可逾越的困難。

2.1 AC-UPS供電系統存在的問題

(1)系統可用性問題

系統復雜、單路徑故障點多、設備可靠性差、維護難度大等。

(2)系統電流諧波干擾問題

系統中存在兩個諧波源——負載開關電源和UPS輸入AC/DC變換器。對電網和系統本身形成干擾、增加濾波設備、降低輸入功率因數和能源利用率，對零、地線系統提出苛刻的要求等。

(3)系統成本和能源消耗問題

能源經過兩次轉換和設備能源利用率較低等降低了系統運行效率、系統復雜性提高了購置成本和運行成本、電流諧波的存在需增大濾波設備、輸入功率因數的低下降低了系統設備容量和能源輸入的利用率。

(4)系統的靈活性和可擴展、變更問題

以計劃容量一次性投入，難以變更和擴展，縮短了系統生命周期。

(5)系統使用維護難度問題

要求較高的維護水平，多家供應商且產品非標準化使故障修復困難。

2.2 AC-UPS系統技術改進和革新重點

從當前用戶關注的焦點和UPS廠家技術改進的重點來看，要解決的問題和技術措施歸納起來有以下三點：提高系統可用性;解決諧波電流的產生和治理問題;提高系統的適應性。

(1)提高系統可用性：包括提高設備可靠性;設備降容使用;對設備采用冗余配置，使其有容錯功能;配置模塊化UPS，有冗余功能，并大幅度降低故障修復時間;提高設備智能監測和管理功能，便于維護，并可把潛在的故障隱患消除在故障發生之前;采用集成化系統設計，解決系統中各類設備阻抗和連接方式的匹配問題;提高系統運行的可靠性和集中管理問題;最大限度地減少安裝和維護過程中的人為錯誤。

(2)抑制系統中諧波電流的產生和治理問題：

包括加大線纜特別是零線電纜規格和前端設備(變壓器、柴油發電機組、配電開關、轉換開關等)容量，以便降低諧波電流的影響;輸入改為12脈沖整流+11次無源濾波器，PF=0.95，THD≤10%;6脈沖整流前端加有源濾波器，輸入電流成正弦波PF=0.99，THD≤5%;輸入改為PFC高頻整流，PF=0.99，THD≤5%;

(3)提高系統的適應性：包括采用模塊化設計，使局部系統有擴容功能，減少系統運行初期的設備購置成本和運行成本;采用標準化設計，簡化系統設計和建造流程，為系統快速安裝和可能的變更、移動、擴容提供可能性。

2.3 值得思考的問題

隨著IT技術的進步和對UPS供電系統可用性要求的不斷提高，傳統的供電系統出現不斷復雜化、設備堆積、結構臃腫、成本迅速攀升、效率低下、可靠性難以有效提高的趨勢，這種難堪的局面是傳統供電系統設計建造模式造成的;系統中存在的問題大多是系統設計不當產生的，包括系統中的諧波電流不是外界影響的，負載諧波電流是交流供電產生的，UPS輸入諧波是UPS自己產生的;系統設計本身造成了系統的復雜性，投入成倍的成本搞冗余并機系統，雙總線系統，是設備和系統可靠性不高而采取的不得已行為，并非不停電功能的需要;傳統的設計建造模式還要世世代代走下去嗎?為什么能量要經過兩次變換才供給負載呢?為什么不能從根本上消除系統中的諧波源呢?為什么不能把不可預見的突發性的故障因素與負載完全隔離開呢?

3 AC-UPS輸出直流化變革的理論基礎

UPS直流供電方案是根據可靠性理論設計的，是可靠性理論的應用，也是對可靠性理論的發展。

3.1 可靠性低下的根本原因 系統功能設計策略的誤區

不間斷供電系統實現其功能的最基本的條件是必須有兩路能源，一路主供電，一路備用(蓄電池)供電。主供電是可能故障停電的，這是建立UPS供電系統的初衷。備用能源應該是實現不間斷供電的根本條件。

但是，遺憾的是，AC-UPS設計方案并沒有給備用電池發揮作用的充分條件，電池并沒有直接放在負載的前端為負載“保駕”，而是把它放到了UPS主機設備中，市電停電時，電池要通過UPS主機設備中最不可靠的環節(DC/AC)逆變器向負載供電。備用能源供電路徑的同樣不可靠是造成AC-UPS供電系統不斷復雜化、設備堆積、結構臃腫、成本迅速攀升、效率低下、可靠性難以有效提高的根本原因。

問題出在系統設計方案的指導思想上，如果UPS供電系統故障，則主用能源和備用能源都不能保證繼續向負載供電，顯然，不停電供電的主角不是主用能源、備用能源，而是兩路都必須經過的UPS供電系統。

如果把備用能源直接放在負載前端，市電停電時由高可靠的備用能源直接給負載供電，那么備用能源不僅可在市電停電時向負載供電，當市電正常而UPS供電系統發生故障時，也可保證負載的正常運行。

3.2 可靠性理論與備用能源的配置

保證IT負載連續可靠工作的關鍵在于主用能源和備用能源的配置方法。在圖2 UPS供電系統中，兩路能源的供電方法如圖3所示。

保證負載不斷電的關鍵是，當主供電一路能源停電時，另一路備用能源能否不間斷而可靠地持續向負載供電。但是圖3(a)中，主能源故障后，備用能源(電池組)要經過UPS設備中的DC/AC變換環節才能向負載供電。因此備用能源的可靠性就得不到充分的發揮。備用能源的可靠性模型表示在圖3(b)中。

根據當前設備的可靠性水平，電池系統的可靠性R 1在0.99左右，而UPS逆變器的可靠性只有0.9(UPS整機可靠性可達到0.99，包括了處于冗余并聯的靜態旁路系統)，根據串聯可靠性模型可計算出備用能源供電的可靠性：R =0.99×0.9=0.891但是，如果改變備用電池的配置方法，把備用電池直接接在IT設備的前端，如圖4(a)所示，與圖3相比，對系統的可靠性帶來三點非常明顯的變化：

(1)備用電池與UPS供電系統形成冗余系統，高可用的備用電池從根本上隔離了市電和供電系統的故障，整個系統的可用性可提高2個9到3個9;

(2)備用電池的可靠性得到了充分的發揮;

(3)備用電池的可用容量提高10%。

3.3 對“可預見非突發性故障”和“不可預見突發性故障、可靠性”的討論

說備用能源(電池組)可靠性高，是因為它的故障具有“可預見性和非突發性”特點。

一個系統中設備可能發生的故障有兩種類型：

可預見非突發性故障

例如電池組，它的故障現象有兩個最基本的特點，一是故障現象諸如：電池槽變形、電池漏液、電池容量不足、電池浮充電壓均勻性差、排氣閥失效等，是直觀可見的，或者是很容易被測量到的;二是所有這些故障都有發生過程長、是漸變過程且發生故障不是突發性的特點。對這種類型的設備，通過維護很容易發現故障隱患，也有充裕的時間在不影響運行的情況下排除故障隱患，或者安排計劃停電進行維護。

不可預見突發性故障

例如供電系統中的UPS主機、ATS和STS開關等設備，系統管理和監控只能判定其工作狀態，而硬件失效、控制電路板焊點的隱患、系統對控制電路的干擾等，卻是不可預見，也很難檢測到的，故障發生的時間是不可預測性、隨機性和突發性的。對于這種類型的設備，很難在故障前被發現，一但故障發生，必然使系統癱瘓。在可靠性研究中，一個產品的可靠性數據通常是根據產品生命周期內的失效率參數或運行數據統計計算的，而設備在使用維護過程中可能進行的局部更換，則不作為可靠性計算的因素。實際上對只存在可預見非突發性故障的設備，定期的維護并對有故障隱患的部件進行更換，這無異于設備的更新。從可靠性模型的角度看，這相當于在原設備的可靠性基礎上冗余并聯上一個由維護工作決定的可靠性環節，見圖4(b)。

3.4 對“可預見非突發性故障”和“不可預見突發性故障”可用性的討論

可用性定義為：系統在使用過程中，可以正常使用的時間與總時間之比。

可用性用平均無故障工作時間MTBF和平均修復時間MTTR表示：

可用性高意味著給用戶更多的正常使用時間，把故障后不可用的時間降到最低限度。

由于電池具備“可預見非突發性故障”的特點，可使系統從根本上消除或者隔離“突發性故障”。對于電池質量和性能的變化，使用者有充分的時間(例如十天半月)發現它，并在不影響系統正常運行的前提下維護更換，或者安排“計劃停電時間”排除故障。這相當于可保持電池常新，把故障停電時間縮短到0，把電池的可用性提高到1。

4 直流輸出電壓的選擇

確定直流輸出電壓是研制開發直流輸出UPS的第一件大事，它關系到設想的方案能否實現，產品是否有使用價值，能否順利的推廣應用。

4.1 確定直流UPS 輸出電壓的基本

原則

確定直流UPS輸出電壓應遵循以下五個原則：

(1)原則上不要求IT設備輸入開關電源做明顯的變化

直流UPS的負載是IT設備，推廣應用涉及到的問題很多，周期也很長，特別是推廣適用的初期，大量的IT設備還是在交流電源輸入下運行，為了加快DC-UPS推廣應用速度，就必須做到在這種輸入電壓制式重大變動情況下不對IT設備提出過多變化的要求，也就是說，要盡可能做到現有的IT設備即可在交流電源輸入下運行，也可在直流電源輸入下運行，而不需要IT設備內開關電源做重大的重新再設計。

(2)簡化設備結構和系統配置

提出用直流UPS替代交流UPS的設計理念始于20世紀90年代，出發點是解決輸入電源多次變換的問題，減少變換過程可以有效地提高設備可靠性和節省能源。使用雙變換UPS為IT設備供電的變換過程，如圖5所示。

從圖5可以看出，如果使用直流輸出UPS(如圖中虛線所示)，則可去掉交流輸出UPS的DC/AC變換和開關電源輸入的AC/DC變換。

特別要注意的是，要保證去掉兩次變換后，必須使UPS的AC/DC變換輸出的直流電壓值等于開關電源的DC/DC變換的輸入直流電壓值。

(3)在IT設備允許的輸入電壓范圍內，使電池容量得到充分的利用

采用直流UPS供電后，給IT設備開關電源供電的是備用電池，而電池電壓是不穩定的，市電正常時，UPS輸出的是電池的浮充電壓，而市電中斷后，電池開始對負載供電，電池電壓在15%的備用時間內由浮充值降到額定值，在70%的備用時間后再到放電下限值，電壓變化范圍基本上是電池額定電壓的±11.25%。為了充分發揮電池的能量利用率，就要求負載允許的輸入電壓范圍必須大于電池電壓的變化范圍，反之，為了使負載開關電源工作在最佳狀態下，在負載開關電源輸入電壓范圍大于電池電壓變化范圍的前提下，應使電池額定電壓等于負載開關電源輸入電壓的設計額定值。

(4)最終由電池電壓決定輸出電壓的額定值

電池電壓是12V的倍數，市電正常時，UPS輸出給負載供電的同時要給電池浮充，為了確保電池處在最佳工作狀態，UPS輸出電壓的確切值應等于電池組電壓的浮充值，并且要有較高的精度。

(5)節能與安全

提高電壓可提高效率，有利于節能，而電壓過高時應考慮元器件承受能力。

4.2 輸出電壓值的確定

根據上面講的第一個原則，為了使IT設備開關電源同時兼容交流和直流兩種輸入，就必須設計直流UPS的電池額定電壓等于開關電源交流輸入AC/DC變換后的直流母線電壓，圖6所示是當前IT設備開關電源的直流母線電壓。

根據我國電網電壓制式， 交流單相電壓是220V，而當前IT設備開關電源的輸入AC/DC變換有兩兩種情況：

一是PFC電路，直流母線電壓是380V左右，見圖6(a);

另一種是簡單的整流變換，直流母線電壓在300V左右，見圖6(b)。

如果把電池額定電壓設定為直流母線電壓，則電池額定電壓為300V和380V，與此對應的直流UPS輸出電壓為電池浮充電壓，即334V(即300×1.1125)和422.7V(即380×1.1125)。

但跨接在直流母線上的電容的工作電壓不宜超過400V，所以設計電池額定電壓為380V顯然是不合適的，所以380V應視為電池的浮充電壓，相應的電池額定電壓則為336V。

根據第三個原則，既然電池電壓的變化范圍是額定值的±11.25%，就要求IT負載開關電源的DC/DC變換器允許的輸入電壓變化范圍大于額定值的±11.25%，即300V±11.25%和336±11.25%。對應DC-UPS輸出電壓為334V和374V。

根據第四個原則，電池額定電壓300V的電池組由25節12V電池串聯組成，電池額定電壓336V的電池組由28節12V電池串聯組成，浮充電壓是373.8V。

根據以上分析，電壓選擇的結論如表1所示。

4.3 全球企業和研究團體對直流電壓選擇的情況

直流輸出UPS的研究已經在全球范圍內展開，從圖7可以看出從事直流輸出UPS開發研究的地區、單位和他們選擇的直流輸出電壓情況。

5 直流UPS供電系統設計

UPS設備輸出直流化同樣不是簡單地提供一個單臺AC/DC電源就可以解決的問題，仍然需要從系統的角度做全面的規劃設計。

(1)產品定位：要從整個供電系統角度規劃設計UPS供電方案，要考慮的問題包括成本、可靠性、可用性、能源效率、技術可行性，特別是要依據系統模塊化原則，做集成一體化系統解決方案設計，而不是一個簡單的AC/DC模塊化直流電源設備。

(2)整個研制工作和要解決的技術難題都應在供電系統中解決，不對或盡可能少對IT廠商和用戶提出過多的技術性要求，這對今后產品的順利和迅速推廣應用是至關重要的。

(3)系統方案要把提高可靠性作為第一要求，供電方案設計的關鍵是備用電池直接對IT負載供電，并使后備電池電壓等于IT設備開關電源直流母線電壓。以便充分發揮電池可預見非突發性故障的特征，徹底隔離市電和供電系統故障對負載的影響，如果選用的備用電池電壓不等于IT設備開關電源直流母線電壓，會造成以下幾種不良后果：

①開關電源電路不能工作在最佳輸入電壓狀態下，會明顯地影響其可靠性和工作壽命;

②或者對開關電源針對新的輸入電壓值重新設計;

③對較低的電池電壓增加一級DC/DC變換，其結果是失去直流供電提高可用性的初衷;

④在電池電壓小于開關電源直流母線電壓的情況下，一旦市電停電，在電池放電的過程中，電池電壓會很快地脫離開關電源允許的輸入電壓下限范圍，IT設備因欠壓報警或關機，使電池容量得不到充分的發揮。

(4)盡可能減少電源轉換級數，降低系統復雜性，提高設備可靠性和系統工作效率。單相交流輸入電壓為220V，簡單的全波整流后的直流電壓是300V，PFC整流后的直流電壓是380V，如果直流UPS輸出電壓不是這兩個值，那末在AC/DC變換后必然還要加一級DC/DC變換。

(5)要重視高壓直流配電問題。直流UPS的輸出配電和IT設備開關電源的輸入開關和繼電保護都必須采用專為直流電路設計的器件。

(6)UPS的直流化變革有一個較長的過渡時期，在此期間兩種輸出制式的UPS是共存的，所以在確定直流UPS輸出電壓和配電方案時，要盡可能做到負載對兩種制式的兼容。

(7)研制和應用初期是定制化產品，最終要歸結到標準化產品。

圖8是中達電通股份有限公司根據DC-UPS基本配置原理開發的數據中心HD-1系列DC-UPS供電系統。圖8(a)為系統結構圖，這是一個集成一體化產品，包含交流輸入系統、AC-DC系統、直流配電系統、機架PDU配電、系統管理等組成。圖8(b)為產品的外形物理結構。系統部件、連接和系統管理等，具備其標準化和模塊化。

①交流輸入冗余系統

交流輸入部分配置了兩路交流能源：主用能源市電和備用能源柴油發電機。兩路能源冗余備份，并通過ATS進行轉換，可同時滿足高密度數據中心制冷系統的要求。

②DC-UPS系統

DC-UPS系統并不是一臺簡單的AC/DC模塊電源。這里包括了AC/DC模塊電源的輸入配電、輸出配電以及輸入電壓適配和系統隔離變壓器。AC/DC系統的配置：AC/DC系統主要由監控模塊、電池總開關、模塊輸出分路開關、整流模塊、輸入交流配電與輸出直流配電等。

系統配置功能包括:

·單系統模塊冗余并機功能:單系統可安裝9個模塊,實現8+1冗余并機功能;

·多機并聯工作功能:可以實現多個單系統并聯,目前單個DSP支持32個功率模塊,使整個系統可以擴容到960kw,同時可以使各個模塊的均衡度在±5%以內;可以滿足大、中、小型數據中心不同容量的需求;

·模塊熱插拔功能:AC/DC系統具有多處可熱插拔的模塊,功率模塊、監視模塊、熔絲隔離開關都可以實現在線快速更換;

·人性化界面: 采用大型屏幕設計,中文界面,樹型菜單結構,操作簡單方便;

·蓄電池配置:可以兩組電池分別接入,方便實現電池故障更換和互備功能。

③直流輸出配電

圖9為直流配電示意圖,由輸出總配電柜、列頭柜和機架PDU三部分組成。

·輸出總配電柜:每系統一個;輸入不設開關;輸出多路,每路可向10個列頭柜供電;每路輸出配置開關和保險;

·列頭柜:輸入不設開關和保險;輸出10路,每路設開關和保險;可向10個機架供電;每路輸出32A;每個開關 (熔斷保險)32A;

·機架PDU:每個機架1個(負載單路供電);每個機架2個(負載雙路供電,來自不同的直流冗余配電系統);每個輸出24個插座;每個插座2A熔斷保險;每個插座開關規格5A;

6 直流UPS供電系統的展望

當前IT設備機內普遍配置的開關電源,該設備的基本功能和性能指標是:

(1)輸入電源:AC 220V/380V,50Hz(在數據中心系統中通常是由傳統交流輸出UPS提供的);

(2)允許輸入電壓范圍:±(20%～25%);

(3)輸出電壓:DC 12V,IT組件(不包括部分臺式機及某些工作站)所需要的5V/3.3V等DC/DC轉換電路環節通常不包括在開關電源中;

(4)體積小,重量輕,容量/體積比可達到20W立方英寸左右,例如某機功率3kw(12V/250A), 尺寸:400×130×42.4mm3;

(5)效率高,在20%/50%/100%負載的情況下,效率可分別達到90%/94%/91% ;

(6)輸入功率因數高,在50%～100%負載情況下,輸入功率因數可達到0.98;

(7)輸出可均流并聯,直流輸出均流并機簡單易行;

(8)該設備在可靠性、電磁兼容性及輸出電性能指標等方面都表現出良好的性能;

從以上數據可以看出,當前開關電源的各種電性能指標(包括輸入電壓和允許變化范圍、輸出電壓穩定精度、工作效率、電磁兼容性能等)和系統配置能力(包括體積和重量、輸入功率因數和諧波成分、輸出均流并機和容量擴充能力等)都完全滿足數據中心IT設備對供電的要求,如果以開關電源為核心,并在12V輸出端配置相應電壓和容量的備用電池,那么這實際上就是一種新的低壓輸出的直流UPS。

這種新的供電系統結構設想實際上又回到最初的計算機供電系統結構,如本文圖1(a)(20世紀60、70年代計算機設備供電)所示。其變化情況表示在圖10中。

其變化包括：

①用高性能的現代的開關電源取代由輸入變壓器和可控整流(或線性穩壓器)組成的AC/DC穩壓供電系統;

②輸出由多組低壓改為一組12V;

③在12V輸出端配置備用電池，完成不間斷供電(UPS)功能;于是就形成了如圖11所示的低壓直流UPS系統。該系統有很多新的特點和優勢：

·能源AC/DC和DC/DC兩次轉換(原IT設備內開關電源);

·電池直接對IT設備供電，充分發揮電池可預見非突發性故障的特點，系統可用性接近1;

·由3kW的開關電源模塊組成冗余系統，容量可達3～20kW;

·系統簡單，AC-UPS供電系統只剩下配電和線纜，成本低，成本可降低90%;

·效率高，由PUE定義的供電系統(不包括IT設備內部開關電源)只需要配電和線纜，效率可提高到99%;

·系統中沒有直流配電問題;

·IT設備中不再有熱量集中的可靠性相對較低的高壓大功率開關電源;值得注意的是，由于低壓大電流配電傳輸的困難，低壓直流UPS只能以IT設備機架為單元供電，在系統配置和維護工作方面還有很多有待研究的問題。