1.UPS不間斷電源類型

目前有多種方法來設計UPS不間斷電源系統，不同方法設計的UPS不間斷電源系統有截然不同的性能特點。最常用的設計方案如下所示：

離線式

在線互動式

離線式-鐵磁共振式

雙變換在線式

Delta轉換在線式

離線式UPS

離線式UPS不間斷電源是用于個人電腦的最常見類型。在圖A1所示的結構圖中，轉換開關設置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源（圖A1中的實線路徑），一旦主電源出現故障，就會切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發生這種狀況，轉換開關必須進行操作將負載切換到電池/逆變器備用電源上（圖A1的虛線路徑）。逆變器只在電源出現故障時才啟動，因此稱為“離線式”。這種設計的主要優點是效率高，尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和突波電路，這些系統還可以提供適當的噪音和突波抑制功能。

在線互動式UPS

圖B1所示的在線互動式UPS適用于小企業、網站、部門伺服器的最常見設計。在此設計方案中，電池到交流電源的轉換器（逆變器）始終連接到UPS的輸出端。如果輸入交流電源正常時反向操作逆變器，就會給電池充電。

一旦輸入電源出現故障，轉換開關就會打開，并透過電池向UPS輸出端供電。與離線式UPS拓撲結構相比，由于逆變器始終打開且與輸出端保持連接，這種設計進一步增強了濾波效果，并降低了轉換瞬間過載電壓。

另外，在線互動式設計方案通常會加入一個分接頭轉換變壓器。這樣，當輸入電壓發生變化時，透過調整變壓器分接頭可以更好的調整電壓。在電壓較低的情況下，電壓調節是一項重要功能，否則UPS將轉換到電池并最終無法供電。由于這種情況而頻繁的使用電池可能會導致電池過早地損壞。然而也可以按如下方式設計逆變器，即當它出現故障時，仍然允許電源從交流輸入流向輸出，這樣就消除了發生單點故障的可能性，并有效地提供兩條獨立的電源路徑。在線互動式UPS的設計方案具有效率高、體積小、成本低和可靠性高的特點，并可校正過低或過高的市電電壓，因此在功率范圍0.5KVA-5KVA的應用領域占有絕對優勢。

離線式-鐵磁共振式UPS

離線式-鐵磁共振式UPS曾經是功率范圍3-15KVA的應用領域中使用最廣泛的UPS類型。此設計依賴于一個特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個線圈（電源連接）。主電源路徑透過交流電輸入、轉換開關和變壓器，最終連接輸入端。當電源出現故障時，轉換開關將打開，逆變器輸出將向負載供電。

鐵磁共振設計方案中，逆變器處于離線式模式，當輸入電源出現故障且轉換開關打開時，逆變器才被啟動。這種變壓器具有特殊的“鐵磁共振”功能，它能夠提供有限的電壓調節和輸出波形“修正”功能。鐵磁共振變壓器提供的對交流電源瞬時過載電壓的保護與任何濾波器一樣，甚至更好。但鐵磁共振變壓器本身會產生嚴重的輸出電壓失真和瞬時過載電壓，這可能造成比交流電源連接不當更嚴重的后果。即使這種UPS被設計為離線式UPS,鐵磁共振變壓器也會由于其本身的低效率而產生大量的熱量。另外，這些變壓器比常規的隔離變壓器體積大，因此離線式-鐵磁共振式UPS通常非常龐大和笨重。

離線式-鐵磁共振式UPS系統常被視為在線裝置，即使該類設備具有轉換開關，逆變器在離線式模式下工作，并且在交流電源出現故障時表現了轉換特征。圖C1說明了離線式-鐵磁共振拓撲結構。

高可靠性和極好的線路濾波功能是這種設計的優勢。但是，這種設計的效率非常低，而與某些發電機和新型的帶功率因數校正的電腦一起使用時，還存在不穩定的問題，因此導致這種設計的普及性大大降低。

離線式-鐵磁共振式UPS系統不在普遍使用的主要原因是在承載現代電腦電源負載時，這種系統很不穩定。所有大型伺服器和路由器均使用“功率因數校正”電源，這類電源從市電中只獲取正弦波電流（非常類似于白熾燈泡）。獲取這種平穩電流是透過電容器（“獲得”適用電壓的設備）實現的，鐵磁共振UPS系統采用重型的鐵芯變壓器，這些變壓器具有電感式特性，即電流“滯后于”電壓。這兩種裝置組合起來形成了“儲能”電路。儲能電路中的共振可能會產生高電流，而這種電流會危及所連接的負載的安全。

雙變換在線式UPS

這是1-10KVA及以上20KVA以內功率范圍的電源最常用的UPS類型，國產品牌直接跳過在線式互動式拓撲結構，20K主力機型全部為雙變換在線式拓撲。圖D1所示的雙變換在線式UPS的結構中，除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與離線式設計相同。

在雙變換在線式設計中，輸入交流電發生故障并不會啟動轉換開關，因為交流電一直再給備用電池充電，而由備用電池想輸出逆變器供電。所以，在輸入交流電源出現故障時，無需時間進行在線式運行狀態轉換。在這一設計中，整流器和逆變器將轉換全部的負載功率。

這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。但功率元件的持續工作，與其他設計方案相比，其降低了可靠性。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線性的，可能對建筑供電系統產生干擾或導致備用發電機發生事故。

Delta轉換在線式UPS

圖E1所示的UPS不間斷電源拓撲是一種較新的設計，這種十年前引入的技術，它克服了雙轉換在線式設計的缺點，適用于功率范圍5KVA到1.6MW的應用領域。與雙變換在線式設計相似，Delta轉換在線式UPS始終由逆變器提供負載電壓。然而附加的Delta轉換器也向逆變器輸出供電。在交流電源出現故障或受到干擾的情況下，這種設計所表現出的行為與雙變換在線式設計完全相同。

了解Delta轉換拓撲功能結構能量效率的一種簡單方法，是類似從大樓的第4層向第5層運送包裹時所需的能量，如圖E2所示。Delta轉換技術運送包裹所經過的路程只是起點與終點之間的差異量（Delta），因為大大節省了能量。雙變換在線式UPS將交流電源轉換為直流，然后又從直流電能轉換為交流；而Delta轉換器將功率差值從輸入移到輸出。

在Delta轉換的在線式設計中，Delta轉換器具有雙重作用。第一個作用是控制輸入電力特性。運行時，它的輸入端獲取的電力呈正弦波形，從而最大程度的減少回饋到市電上的諧波。這就確保了市電和發電機系統的相容性，同時減少了配電系統中的發熱和系統損耗。Delta轉換器的第二個作用是控制輸入電流來為電池系統充電提供控制。

Delta轉換在線式UPS提供了與雙轉換在線式設計完全相同的輸出特性。然而這兩種設計的輸入特性通常并不相同。Delta轉換在線式設計提供了動態控制的、功率因數校正的輸入，而不會出現傳統解決方案低效利用的濾波器組的問題。它最大的優點是能量損失大為降低。此外，輸入功率控制功能也使得UPS能夠與所有發電機組相容，從而減少對線纜和發電機的超選型。

Delta轉換在線式技術是目前唯一一種受專利保護的核心UPS技術，因此大量的UPS供應商還無法應用該技術。

2.UPS不間斷電源類型總結

下表介紹了不同UPS類型的部分特征。UPS的某些特性（如效率）是由客戶選擇的UPS類型決定的。由于技術應用和生產品質對于例等特性影響更大，如可靠性，因此，除了考慮這些設計特性之外，還必須對以下因素進行評估。

3.各類型UPS不間斷電源的應用場景

隨著時間的推移，目前行業內的UPS產品逐漸包括上述各類型的設計。不同類型的UPS不間斷電源具有不同的特性，這使得它們能夠應用于不同的領域。施耐德電氣旗下APC品牌的產品系列反映了這種多樣性，如下表所示。能效也是UPS不間斷電源設計方案中的一個重要考慮因素。舉例來說，當前大多數UPS不間斷電源不再像以往的設計一樣采用內置變壓器設計。這種變化使UPS不間斷電源的效率升高，重量和體積下降，而且所需的原材料也大大降低。UPS不間斷電源的節能運行模式也可以改善能效，但是需要權衡成本和收益之間的利弊。

不同類型的UPS不間斷電源適合不同的用途，沒有一種類型的UPS適合所有的應用領域。本文的目的是比較目前市場上不同UPS拓撲結構的優點和缺點。

UPS設計方面的重大差異針對不同目標提供了理論上和實際應用方面的優勢。而且基本的設計實施品質和制造品質對于客戶在實際應用中所獲得的最終性能起著決定性作用。