摘要

低于 5000VA 的 UPS 系統均采用下面兩種基本設計方案：在線互動式和雙轉換在線式。本白皮書將介紹各種拓撲結構的優缺點，并著重陳述人們在實際應用需求方面的一些常見誤區。

簡介

用于判別購買哪種 UPS 的絕大多數因素都很直觀也容易理解：比如電池備用時間、成本、尺寸、制造商、輸出插座數量、可管理性等等。但是，還有一些不很直觀的因素不太容易理解。其中不容易理解的、也是目前討論多的一個因素是拓撲結構。UPS 的拓撲結構（內部設計）影響著 UPS 在各種環境中的工作方式。

由于存在一些言論宣稱某些拓撲結構性能出眾對于任務關鍵應用來說絕必不可少，因此會對選擇正確的拓撲結構造成誤導。因為這些言論通常來自于制造商，以便推銷它們所宣稱的“性能出眾”的拓撲結構，所以很難單獨根據這樣的聲明來作出明智的決策。發布本白皮書的目的就是為了客觀地說明以下兩種常見的拓撲結構的優缺點：在線互動式和雙轉換在線式。

功率范圍的高端和低端，很少有人爭論這兩種拓撲結構的優缺點。 高于 5000VA 時，由于其較大規模和較高成本，在線互動式從經驗來看是不切實際的。在低端（低于 750VA），由于其他拓撲結構（包括在線互動式）對于較小負載更加實用，雙轉換在線很少被考慮。

雙轉換在線與在線互動式拓撲結構的爭論通常集中在 750VA 到 5000VA 功率范圍內。在此范圍內，每種拓撲結構相對于另外一種拓撲結構而言在功能和經濟性方面并不具有突出優勢，要根據具體安裝情況進行分析。雖然在線互動式已經成為此功率范圍內生產數量多、部署廣泛的拓撲結構，但隨著半導體技術和制造技術的發展，雙轉換在線式 UPS 的價格已大幅下降，相對于在線交換式的價格劣勢已不明顯，這就使得在兩者之間做出選擇要比過去困難得多。要在這種“交疊”的局面中選擇佳的拓撲結構就需要對每一種拓撲結構進行綜合評定。

了解您的應用環境

出關于 UPS 拓撲結構的任何決定之前，了解被保護設備的要求以及 UPS 將要安裝的環境至關重要。在得出哪種 UPS 拓撲結構能更好地滿足應用要求的明智結論之前，了解這些基本要求是必不可少的。

IT 設備和 AC 電源：開關式電源 (SMPS)

通常以交流電 (AC) 形式傳輸，無論市電還是備用發電機。AC 電壓在正負之間變換（理想狀態為完美的正弦波），每個周期通過兩次零電壓。雖然肉眼可能注意不到，但是在電壓穿過零點轉變極性時，連接到市電的燈泡實際上會每秒閃爍 100 或 120 次（分別針對于 50 或 60 周波的交流電）。

設備是如何使用交流電為其處理電路提供電源的？在線路電壓轉變極性時它是否同樣會每秒“關閉”100 次（或更多）呢？很明顯，此處存在一個 IT 設備必須解決的問題。實際上所有現代 IT 設備解決此問題的方法等）的 AC 電壓轉換為平穩的 DC（直流）電壓。這個過程會對能量存儲元件（稱為電容）進行充電，電容位于 AC 輸入和其他電源組件之間。該電容在正弦波到達或接近其峰值（正峰值和負峰值）時由 AC 輸入進行充電（每個 AC 周波有兩次脈沖），并且會在下游 IT 處理電路要求的任意值進行放電。在電容的整個設計生命周期中，它都是在吸收這些正常 AC 脈沖以及異常電壓尖峰脈沖。因此，與閃爍的燈泡不同，IT 設備運行在穩定的DC 上，而不是運行在城市電網中脈沖式的 AC 上。

討論還遠沒有結束。微電子電路需要非常低的 DC 電壓（3.3V，5V，12V 等），但是通過剛才提到的電容的電壓高達 400V。SMPS 還會將這種高電壓 DC 精密轉換為低電壓 DC 輸出。在此降壓過程中，SMPS 會執行另一項重要的功能：提供電流隔離。電流隔離是將電路物理隔離，以便實現兩個目的。首要目的是安全 － 防止觸電。第二個目的是防止設備受損，或防止由共模（接地）電壓或噪音所導致的故障。有關接地和共模電壓的信息，請參閱 APC 第 9 號白皮書“計算機的共模磁化系數”和第 21 號白皮書“零線的事實和神話”。 

圖 1 說明了一套由 UPS 保護的 IT 設備（本示例中為一臺服務器）。同時展示了該服務器的內部組件（包括 SMPS）。

SMPS 使 AC 輸入正弦波峰值之間的電壓過渡變得平緩，并以同樣的方式使 AC 供電異常和短暫中斷時的電壓變化變得平緩。這是一項對 IT 設備制造商非常重要的功能，因為制造商不希望其設備不能正常運行僅僅是因為非常細微的AC異常。如果電源的質量或性能使其不能經受微小的 AC 線路異常，IT 設備制造商就等于拿自己的聲譽來冒險。對于更高 級別別的網絡和計算設備更是如此，因此這種設備通常內置有更高質量的電源。

為了說明這種承受能力，通常將計算機電源連接大容量負載，然后斷開 AC 輸入。監控電源的輸出以確定在沒有 AC 輸入后可接受輸出電壓可以繼續提供多長時間。結果如圖 2 所示。顯示的波形分別是電源的輸入電壓、輸入電流和 DC 輸出電壓。

在斷開輸入電壓之前，圖 2 中左側的輸入電壓是正弦波。輸入電流（平滑電壓曲線下的尖峰脈沖軌跡）由輸入電壓正向峰值處的短脈沖和負向峰值處的另一短脈沖組成。只有在這些電流脈沖期間，SMPS 的電容才會進行充電。其余時間，電容會為處理電路供電。

圖2 中的上部軌跡是 SMPS 輸出的 DC 電壓。請注意，輸出電壓還會在 AC 輸入斷開后的 18 毫秒內保持精準調控狀態。APC 已經

對不同計算機和其他 IT 設備制造商的各種電源進行了測試，所得結果類似。電源連接小容量負載時，由于電容放電較慢，承受時間將會長得多

我們已經認識到 SMPS 必須承受短暫的電源擾動從而能夠從正弦 AC 輸入電壓獲得電能。但“短暫”到底是多少？

圖 3 顯示了 IEC 62040-3 的規定。它定義有關 SMPS 負載可以接受的 UPS 輸出電壓擾動的大小和持續時間限制。如下面以陰影表示的“舒適區域”的形狀所示，瞬變電壓的變化幅度越小，UPS輸出可以承受的持續時間就越長。請注意，該標準允許持續存在的電壓變化范圍相當大，標稱為 +10% 到–20%。換句話說，UPS 輸出電壓可以在這個范圍內持續變化（無時間長短限制），而不會破壞 SMPS 的正常運行；這是因為 SMPS 的類似標準要求承受的輸入異常范圍甚至大于允許的 UPS 輸出范圍。

根據圖 3，標稱輸出為 120V 交流電壓的 UPS 的兼容性要求 如下： 如果持續時間大為 1 毫秒，UPS 輸出電壓可以高達 240V。

如果持續時間大為 10 毫秒，UPS 輸出電壓可以為零！

如果持續時間大為 100 毫秒，允許出現輕微的電壓波動（或高或低），允 許的持續時間取決于波動的幅度

如果持續時間超過 100 毫秒（包括持續工作），UPS 輸出電壓必須保持在 96V 到 132V 之間。

在世界上的大多數國家/地區，除了一些新興市場國家/地區，電力都是相對穩定的。人們通常碰到的電壓變化多在標稱值的上下5% 之間，位于圖 3 所示的允許電壓變化范圍內。因為 SMPS 可以從具有這些特性的 AC電源中獲取電能，它為要求使用普通市電電壓的接口穩定性提供了可靠保證。

總結起來，SMPS 具有下列優點：

它們可以接受輸入電壓和頻率的大范圍變化，而不會降低性能。

它們在其 AC 輸入和 DC 輸出之間具有內置的電流隔離裝置，因此不需要采用輸入共模（零線接地）隔離措施。

它們可以接受明顯的輸入電壓失真，而不會降低服務壽命或可靠性。

它們具有內置的“承受”時間，可以容忍短暫的電源中斷。

了解您可以選擇的 UPS 方案

后備式

在線互動式

待機-鐵磁共振

雙轉換在線式

Delta 轉換在線式

在 750VA 到 5000VA 的功率范圍內，幾乎所有已銷售用于當今 IT 應用的 UPS都是在線互動式或雙轉換在線式。其他拓撲結構在此功率段內不常見，其原因不在本文所討論的范圍內。

在線互動式 UPS

在線互動式 UPS 調整來自市電的 AC 電源并使其達到要求，通常只使用一個主要電源轉換器。圖 4 說明了IEC 標準 62040-3對此拓撲結構的標準描述。

當存在 AC 輸入時，圖 4 中的“電源接口”方塊過濾 AC 電源、抑止電壓尖峰脈沖，并提供足夠的電壓調節能力在前面討論的規定范圍內正常運行。這通常都是由無源濾波器組件和抽頭變壓器實現的。主電源轉換器（“逆變器”方塊）會在 AC 線路存在電壓時分流部分 AC 輸入功率以保證電池完全充電。所消耗的功率通常不到 UPS 額定功率的 10%，因此在該工作模式下這些組件會保持較低溫度。例如，在額定功率為 3000 瓦的在線互動式 UPS 中，逆變器方塊在對電池進行充電時所消耗的功率僅為 300 瓦（其容量的1/10）或更小在有 AC 輸入時，針對滿負荷運行而設計的許多組件其工作溫度僅稍高于環境溫度，這也是常用的工作模式。當 AC 線路電壓跌落到電源接口輸入范圍之外時，逆變器利用電池中的電能為 AC 輸出供電。電源接口的輸入電壓范圍通常是固定的，通常為標稱值的 -30% 到 +15%。例如，標稱輸出電壓為 120V 的在線互動式 UPS會在輸入從 84V 到 138V 變化時保持其輸出為 107V 到 127V。

關于在線互動式 UPS 運行的一個很小但卻非常重要的因素是，在過濾并調整提供給負載的電壓時，它并沒有改變負載所獲取電流的波形。因此，如果負載使用帶功率因數校正 (PFC) 功能的 SMPS，在線互動式 UPS 將不會影響或干擾功率因數校正。如果負載SMPS 沒有功率因數校正并在峰值時獲取其電流（如圖 2 所示），在線互動式 UPS 也將不會改變或“校正”該波形。

理論上講，由于組件很少并且主電源轉換器（圖 4 中的“逆變器”方塊）處于冷態運行，這有助于延長使用壽命和提高可靠性。然而，實際上可靠性通常是由其他一些因素決定的，將在后面“可靠性因素”部分中予以說明。由于其低廉的成本和耐用性，在線互動式 UPS 已經在世界范圍內數以百萬計的 IT 安裝環境中成功采用。

要考慮的因素（在線互動式）：

在發展中國家/地區或其他基礎設施不夠發達的國家/地區，由于 AC 線路電壓不穩定，波動很大或者高度失真，在線互動式 UPS可能會在1天內切換到電池供電一到兩次（或更多次）。由于在線互動式設計方案存在一定程度的能力限制，無法阻止大幅度的電源波動和嚴重失真到達負載，因此只能斷開 AC 供電并轉換到電池供電。盡管在線互動式 UPS 可以使用電池提供符合 IEC 限制（圖3）的輸出電壓，但是頻繁使用電池將會降低電池容量，長時間斷電時只能提供較短的運行時間。并且，即使電池沒有由于放電而耗盡，頻繁使用也可能會導致電池需要經常更換。

在線互動式拓撲結構的優點：

較低的電能損耗（運行成本低）— 在存在可接受的 AC 輸入由于無需執行太多的電源轉換，因此效率很高。

理論上講，具有更高的可靠性 — 組件數量較少，工作溫度較低。（請參閱后面的“可靠性因素”部分。）

設備本身的熱負載很小 — UPS 只產生很少的熱量。        

要考慮的因素：

對于下列安裝環境來說，可能并不適合選擇在線互動式UPS

AC 電源不穩定或者高度失真，因為要頻繁使用電池電源以保證 UPS 輸出符  合規范要求。

需要進行功率因數校正 (PFC)，但負載設備不提供此功能。

雙轉換在線式 UPS

正如其名稱所示，雙轉換在線式 UPS 會進行兩次電源轉換。首先，將 AC 輸入（包括所有電壓尖峰脈沖、失真和其他異常）轉換為DC。如前文所述，這一點與 IT 設備中 SMPS 的工作方式非常相似。就像 SMPS 那樣，雙轉換在線式 UPS 使用電容來穩定 DC電壓并存儲從 AC 輸入獲取的電能。然后，在 UPS 的精密調控下將 DC 重新轉換為 AC。這種 AC 輸出甚至可以具有與 AC 輸入不同的頻率，這一點是在線互動式 UPS無法實現的。在存在 AC 輸入時，為負載設備提供的所有電源都經過這種雙轉換過程。

當 AC 輸入超出指定范圍時，UPS 會從電池獲取電能，這樣 UPS 輸出就不會受到影響。在大多數雙轉換在線式設計方案中，這種發生在 UPS 內部的 AC 輸入和電池之間的轉換需要數毫秒的時間。同樣，在這些轉換過程中，也是由“DC 鏈路”（請參閱圖 5）中的電容將存儲的能量提供給逆變器。因此，即使進入“DC 鏈路”的電源出現短暫中斷，UPS 輸出電壓也不會受到影響，可以持續供電。

在現代設計中，幾乎都會在拓撲結構中包含獨立的電池充電電路，因此雙轉換在線式 UPS 通常至少有三個電源轉換過程。圖 5 根據IEC 標準 62040-3 對此拓撲結構進行了說明。

除了執行 AC 到 DC 轉換外，整流器部分還提供了功率因數校正 (PFC) 功能，這意味著它從 AC 線路上以平滑正弦波獲取電流，而不是以脈沖形式（請參閱圖 2 了解非 PFC 輸入電流的情況）。由于 PFC 可以“校正”輸入電流波形，因此獲取較少的電流，同時可以減少高頻諧波。即使由 UPS 供電的 IT 設備以脈沖（非PFC）形式獲取電流也是一樣。有關功率因數校正和零線諧波的詳細信息，請參閱 APC 第 26 號白皮書“諧波和零線過載的危害”。

滿負荷運行時，雙轉換在線式可接受的 AC 輸入電壓范圍與在線互動式可接受的 AC 輸入電壓范圍類似。然而，與在線互動式不同，如果 UPS 沒有滿負荷運行，雙轉換在線式 UPS 可以在更低的輸入電壓下運行。對于典型的 120V 雙轉換 UPS 而言，這意味著即使輸入電壓低至標稱值的 50% (60V)，它也能夠以很小的負載從 AC 電源運行。盡管這是在線式拓撲結構極富吸引力的特性，但是因為這樣的長期擾動極其少見，并且實際負載條件變化多端，所以很少使用（更多的是用于演示）。對于任何給定的電源容量，在線式 UPS 通常比在線互動式 UPS 的體積要小。盡管它具有更多的組件（通常有三倍之多），但這些組件卻很小。對于高于 2200VA 的大型電源裝置來說更是如此，并且與實時可擴展的在線互動式 UPS 相比也是如此。

在線式拓撲結構通常包含旁路電路，以便在長時間過載或者某個雙轉換電路出現問題時使用。在旁路和逆變器工作模式之間的轉換通常存在數毫秒的輸出下降，與在線互動式 UPS 轉換到電池的情形類似。結果是，大多數在線式裝置依賴于 SMPS 來承受這些UPS 輸出擾動。對于在線互動式裝置，只要 UPS 輸出中斷位于圖3 顯示的規定范圍內就不會出現問題。

要考慮的因素（雙轉換在線式）

在線式電源轉換過程需要連續運行以為其負載提供經精密調控的輸出電壓，高可承載等于其總額定功率的負載大小。但是，這種性能的提高也帶來了相關成本的增長。由于采用了多個供電過程，典型雙轉換在線式 UPS 與典型在線互動式 UPS 相比具有更多的組件。因為這些組件要連續處理負載設備所獲取的全部電能，在存在 AC 輸入的情況下，它們的溫度通常要高于在線互動式 UPS中的組件溫度。理論上講，持續運行模, 式和較高的溫度會降低UPS 中組件的可靠性。然而，實際上可靠性通常是由其他一些因素決定的，將在后面“可靠性因素”部分中予以說明。

要考慮的另一個因素是長期運行雙轉換在線式 UPS 需要消耗額外的能量。與在線互動式 UPS 的 96% 到98% 相比，根據設計方案的不同，雙轉換在線式 UPS 的連續運行效率在 85% 到 92% 之間。例如，效率為 90% 的 1000W UPS，在滿負荷情況下會連續損耗 100W 的電能。平均每年大約需要支付 100 美元的額外電力成本。除了電力成本之外，還必須從環境中去除這 100W 的熱能，從而產生額外的制冷成本，制冷成本因制冷系統的效率而異。這看起來可能不是很多，但考慮到企業中眾多 UPS 的所有損耗總和，甚至單個UPS 在整個生命周期內總的能量損耗時，它將成為影響 UPS 總擁有成本的一個重要因素。比較顯示，相同負載下在線互動式UPS 可減少負載功率三分之一的能量成本。

雙轉換在線式的優點：

當輸入電壓高度失真或大幅波動時，可以減少從電池運行的時間。無論負載類型如何，都提供功率因數校正 (PFC)功能。結構更緊湊、重量更輕，特別是較高功率級別時可以調整輸出頻率，甚至可以執行從 50Hz 到60Hz（或者相反）的頻率轉換無庸置疑，能夠提供精密調控的AC 輸出電壓是在線拓撲結構的一大優點。但是，如前文所述，由于 SMPS 本身能夠提供電壓調控能力，

SMPS 并不需要精密調控的 AC。 

要考慮的因素：

雙轉換在線式包含更多在較高溫度下連續運行的組件，在所有其他條件相同的情況下，這些組件的服務期要短于在線互動式中類似部件的服務期。 雙轉換在線式要比在線互動式消耗更多的電能，因為在存在 AC 輸入時，它需要連續地對輸入的電能進行轉換和逆轉換，然后輸出。雙轉換在線式會產生更多的熱量，并將這些熱量釋放到 IT 環境中。必須采取有效措施去除這些熱量，以減小對其他系統甚至 UPS 自己電池使用壽命的影響。

可靠性因素

在這兩種拓撲結構中，從理論上說，某些設計因素會提高或降低運行壽命和可靠性。對于在線互動式，較少的組件數量和主供電過程的冷態運行模式都有助于提高運行壽命和可靠性。對于雙轉換在線式，持續執行轉換操作和較高的工作溫度都會導致運行壽命和可靠性的降低。

然而，實際上可靠性通常由制造商設計方案的合理性、UPS 生產工藝規范性以及所使用組件的質量決定，與拓撲結構無關。因為質量取決于供應商，所以就有可能出現高質量的雙轉換在線設計和低質量的在線互動式設計，反之亦然。

比較總結

下表總結了在線互動式和雙轉換在線式 UPS 拓撲結構的主要優缺點。

結論

在功率范圍 750VA 到 5000VA 之間，兩種類型的 UPS 都能夠充分保護 IT 設備不受電源中斷的影響，因此決定使用哪一種拓撲結構主要, 取決于客戶應用的具體環境。

因為初始成本、運營費用、熱量產生情況和可靠性是所有應用都必須考慮的主要因素，這樣看來，我們理所當然應該選擇在線互動式。事實也是如此，在線互動式設備已成為典型 IT 環境廣泛采用的高效、可靠設備。

但是，在特定環境下，選擇雙轉換在線式可能更為合適。特別是在 AC 電源高度失真和/或具有極大電壓變化的地理區域，雙轉換在線式 UPS 無需頻繁轉換到電池供電即可維持正常輸出。較低的電池使用率可以保存電池容量以應對長時間的斷電事故，并延長電池使用壽命。此外，降低電池更換成本可以抵消在線互動式 UPS 低初始成本和低運營成本的優勢。在某些特殊的情況下可能需要使用雙轉換在線式 UPS，比如對于某些醫療設備或儀器，需要進行功率因數校正 (PFC)、要求較小的物理尺寸或需要進行頻率轉換等等。