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数据中心机房UPS电源检测

为了保证计算机的工作稳定可靠、数据安全准确,越来越多的UPS电源被使用在计算机机房中,有的还称UPS电源为计算机的保护神,UPS电源的安全运行也成了重中之重,下面本文分享UPS电源技术分类与应用以及UPS电源必须要检测的AC/DC变换技术、集成稳压器、电源技术功率变换电路。

作者:佚名来源:机房百科|2017-11-22 10:44

开发者大赛路演 | 12月16日,技术创新,北京不见不散


 前言 :

为了保证计算机的工作稳定可靠、数据安全准确,越来越多的UPS电源被使用在计算机机房中,有的还称UPS电源为计算机的保护神,UPS电源的安全运行也成了重中之重,下面本文分享UPS电源技术分类与应用以及UPS电源必须要检测的AC/DC变换技术、集成稳压器、电源技术功率变换电路。

(一)UPS电源技术分类与应用

(1)平时把能量以某种形式储存起来,使用时再变成电能供给负载,典型的设备就是人们常见的各种蓄电池。

(2)把其他能量转换成电能,例如水力、火力、风力及核能发电等,一般称这种电游、为一次电源(俗称电网或市电)。

(3)在电能传输过程中,在一次电源与负载之间对电能进行转换或稳定处理,一般称这种电源为二次电源(即对已有的电源进行控制)。

这里叙述的主要是二次电源,即把输入电源(由电网供电等)变换成在电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性(含电磁兼容、绝缘、散热、不间断供电、智能监控)等方面符合要求的电能供给负载,这是目前应用最广泛的电源技术领域,主要研究如何利用电子技术对电功率进行转换及控制,它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术和材料技术等学科理论,具有较强的综合性,在工程上一般称此领域的技术为"电源技术"。

为了与其他方式相区别,通常把利用电子技术构成的电源设备称为"电子电源",电子电源的工作频率由低频(几赫)到高频(兆赫级),输出电压从几伏到几十千伏,输出电流从微安级到万安级,随着科学技术的发展,对电源技术的要求越来越高,规格品种越来越多,技术难度越来越大,涉及的学术领域也越来越广。就其技术本身而言,可分成三类:

(1)直流电源:输入电源可以是交流电或直流电,可以是单相交流或三相交流,输出量是直流电(含稳压或稳流),包括线性控制和开关控制两种。

(2)交流电源:输入电源多为单相或三相交流电,输出量仍为交流电(单相或三相,当输人量为直流电时称为逆变器),含稳压、稳、流、稳频、不间断供电等类型。

(3)特种电源(或称工业电源):例如电镀、电解、电焊、激光、高压等类型电源,输入量多为交流市电,输出量有直流、交流或脉冲形式。

电源技术的基本内容:一般情况下,电源技术的主要内容包括以下几个部分:电力电子器件、功率变换电路、电源整机及系统等,电力电子器件:

(1)不控型器件:主要是各种功率二极管,包括工频下工作的整流管、整流桥模块、快速恢复二极管、功率肖特基二极管等。

(2)半控型器件:主要是晶闸管(亦称可控硅),普通晶闸管其控制端在器件导通后即失去控制作用(故称半控型),为了关断这类器件必须借助外部条件。

(3)全控型器件:其控制端不但具有控制器件导通的能力,还有控制其关断的能力。例如大功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(M05FET)、门极关断(GTO)晶闸管、M05控制晶闸管(Mσ),还有新型的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(5π)等。

(二)AC/DC变换技术

将交流电变换成直流电称为AC/DC变换,这种变换的功率流向由电源传向负载电路,一般称为整流。对于要求改变直流输出电压的场合,可以采用相控整流方案,也可以采用其他调控方案,整流电路的种类繁多,并各具特色,其基本电路可大致分为:

(1)按整流相数分:

①单相电路:单脉波或双脉波;

②三相电路:3脉波、6脉波或12脉波;

③多相电路:P脉波。

(2)按电路控制特点分:

①不控型整流电路;

②半控型整流电路;

③全控型整流电路。

DC/AC,DC/DC,AC/AC变换技术,本节简要叙述直流(DC)I交流(AC)、直流(DC)I直流(DC)、交流(AC)I交流(AC)三种变换技术。

DC/AC变换技术

将直流电变换成交流电称之为DC/AC变换,也就是通常所说的"逆变"。在某些特殊场合,例如卫星、飞机、舰船、潜艇等没有工频交流电源(50或ωHz),仅有蓄电池或太阳能电池可供使用,这些都是直流电源,当需要由这种电源向交流负载供电时,便需要DC/AC变换。此外,工频交流电对某些负载来说并不适用,例如飞机或相关的地面设备使用4∞Hz交流电,感应加热需要使用中频或高频交流电,感应电动机变频调速需要在一定范围内可以任意变频、变压的交流电等。在有工频交流电源的情况下,先将工频交流电变成直流电,再经过逆变器变成所需频率和电压的交流电,这些应用都需要DC/AC变换技术。

随着电力半导体器件的发展,逆变技术在应用范围得到进一步拓宽,它几乎渗透到国民经济的各个领域。尤其是高压、大电流、高频三者功能兼备的场控器件的开发成功,为简化逆变电路、提高逆变器的性能及高频脉宽调制(PWM)技术的广泛应用奠定了基础。

DC/AC变换器的分类:

DC/AC变换器(以下简称逆变器),基本上可分为单相和三相两大类,单相逆变器适用于中、小功率,三相逆变器适用于中、大功率。这两类又可按下面特点进行分类:

(1)按输入直流电源性质分:电压型逆变电路(输入电源为恒压源);电流型逆变电路(输人电惊为恒流源)。

(2)按电路结构特点分:半桥电路;全桥电路;推挽电路;其他形式。

(3)按组成电路的器件分:普通晶闸管逆变电路;大功率晶体管(GTR)逆变电路;门极关断(GTO)晶闸管逆变电路;MOSFET(MOS场效应晶体管)逆变电路;IGBT逆变电路等。

(4)按输出波形分:正弦波逆变电路;非正弦波逆变电路。

(三)集成稳压器

集成稳压器,就是用半导体工艺和薄膜工艺将稳压电路中的二极管、三极管、电阻、电容等元件制作在同一半导体或绝缘基片上,形成具有稳压功能的固体电路,集成稳压器在近十多年发展很快,目前国内外已发展到几百个品种。按电路的工作方式分,有线性集成稳压器和开关式集成稳压器。按电路的结构方式分,有单片式集成稳压器和组合式集成稳压器。按管脚的连接方式分,有三端式集成稳压器和多端式集成稳压器。按制造工艺分,有半导体集成稳压器、薄膜混合集成稳压器和厚膜混合集成稳压器。

集成稳压器是在半导体硅片上使用外延、氧化、光刻、扩散和金属蒸发等工艺制作而成的稳压电路。这种集成稳压器的各种元件在同一工序中制成,可靠性高,也有利于提高稳压精度,缩小体积,减轻重量。

常见的集成稳压器有下列几种:

(1)多端可调式集成稳压器。这种稳压器采样电阻和保护电路的元件需要外接,它的外接端比较多,便于适应不同的用法。它的输出电压可调,以满足不同输出电压的要求。

(2)三端固定式集成稳压器。这类稳压器有输入、输出和公共端3个端子,输出电压固定不变(一般分为若干等级)。这类产品具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点,得到了广泛应用,已基本上取代了由分立器件组成的稳压电路。

(3)三端可调式集成稳压器。它有3个接线端:输入端、输出端和调节端。在调节端外接两个电阻可对输出电压作连续的调节。在要求稳压精度较高,并且输出电压需在一定范围内做任意调节的场合,可选用这种集成稳压器。它也有正、负输出电压以及输出电流大小之分,选用时应注意各系列集成稳压器的电参数特性。

1、芯片电路原理

集成稳压器的电路原理与分立晶体管稳压器基本相同,也是由调整元件、误差放大器、基准电压、比较、采样等几个主要部分组成,但是集成稳压器充分利用集成技术的优点,在线路结构和制造工艺上采用了很多模拟集成电路的方法,诸如偏置电路、电流源电路、基本电压源电路、各种形式的误差放大器和集成稳压器所特有的启动电路、保护电路等,与分立元件稳压器相比,集成稳压器具有体积小、成本低、使用方便、性能指标较高等优点。

2、高频开关电源

目前空间技术、计算机、通信及家用电器中的电源多采用高频开关电源。开关电源的效率、体积、重量等指标均优于线性稳压电源。开关电源的调整管工作在开关状态,损耗小,效率可达75-95;稳压电源体积小,重量轻;调整管功耗小,相应散热器的体积也小。另外,开关频率工作在几十千赫,滤波电感及电容可用较小数值的元件;允许的环境温度也可以大大提高。但由于调整器件的控制电路比较复杂,输出纹波电压较高,所以开关电源的应用也受到一定的限制。

电子设备小型轻量化的关键是供电电源的小型化,因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作在开关状态,也必然存在开关损耗,而且损耗随开关频率成比例地增加。另一方面,开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件以及电容元件,随着频率的提高,这些元件上的损耗也随之增加。

目前市场上开关电源中的功率管采用双极型晶体管的,开关频率可达1∞旺如;采用MOSFET的开关频率可达5∞kHz。为提高开关频率必须减小开关损耗,需要采用高速开关器件。对于兆赫以上的开关频率可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。这种方式可以极大地提高开关速度,原理上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种有效方式。采用谐振开关方式的几兆赫变换器已经实用化。

开关电源的集成化与小型化正在变为现实,目前正在研制功率开关管与控制电路集成于同一芯片上的集成模块。然而,把功率开关管与控制电路包括反馈电路都集成于同一芯片上,必须解决电气隔离与热绝缘等问题,目前,世界各国正在大力研制新型开关电源,不断地向高频化、线路简单化和控制电路集成化方向发展。

3、源侧功率因数校正技术

源侧(亦称输入侧)功率因数(A)校正技术是针对由整流、电容滤波构成的非线性负载的电力电子设备提出来的,主要目的是减少用电设备产生的高次谐波对电网的危害。这种负载电流中的高次谐波不仅使输电线上损耗增加,浪费大量电能,而且影响邻近其他用电设备的正常工作。为此国际上制订了与此相关的一些标准,如IEC552-2。这些标准对用电装置的输入功率因数和波形失真都做了具体限制。

功率因数校正简写为PFC,改善源侧功率因数的方法主要有两种:一种是元源功率因数校正技术,另一种是有源功率因数校正技术。前者主要针对供电系统和较大的厂矿企业,由众多的电机感性负载造成的低功率因数问题。校正的方法是在电网人口处并联适当的电容器,使λ值尽量接近1,以达到节能目的,也就是我们常说的无功补偿。后者主要针对开关电源负载,由于近年来计算机、程控电话交换机等迅速发展,开关电源及不间断电源(UPS)被广泛采用,而这些电源设备的输入侧多为直接整流和电容滤波的非线性工作方式,这样就使PFC技术得到了人们的广泛重视,并且被普遍应用。

功率因数的校正方法:有源功率因数校正的基本思想是:将输入交流电压进行全波整流,对其整流电压进行直流-直流变换,通过适当控制使输入电流自动跟随全波整流后的电压波形,使输入电流正弦化,虽然PFC也是开关电源,但与传统的开关电源有明显的区别。

(四)电源技术功率变换电路

在变换过程中,除了使功率器件工作在线性状态以外,经常工作在开关状态,按设定的时序,在控制信号作用下实现电能的变换。在器件的工作过程中将伴随着各个支路间电流的转移,故有时简称为"换流"。对于由半控型器件组成的电路,由于器件本身无关断能力,常常在换流过程中借助外部条件来关断处于导通状态的器件。换流成功是半控型电路正常工作的必要条件,因而换流过程是这类电路分析的主要内容,换流技术便是这类变换技术的核心。

1、功率变换电路

从电能变换功能来看,有下列四类:

(1)将交流电变为直流电,即AC/DC变换。实现这一功能的变换电路,一般称为整流电路或整流器。

(2)将直流电变为交流电,即DC/AC变换。实现这一功能的变换电路,一般称为逆变电路或逆变器。

(3)将一种直流电变为另一种直流电,即DC/DC变换。通过这种变换实现直流电压(电流)的幅值或极性的改变,一般称为直流/直流变换电路或DC/DC变换器。

(4)将一种交流电变为另一种交流电,即AC/AC变换。通过这种变换实现交流电压(电流)、频率的变换,前者称为交流调压电路(例如稳压器、稳流器),后者称为变频电路(或变频器),有时也需要改变相数(例如单相变三相或三相变单相等)。

上述四种变换电路就其技术而言统称为"变流技术",其电路可以单一使用,也可以组合使用,例如常用的一种变换形式,将工频市电(单相或三相)直接进行整流变成直流电,通过逆变电路使其变成高频交流电(脉冲宽度可调的正负矩形脉冲或脉冲频率可调的准正弦脉冲),再通过整流变成直流电供给负载。在高频变换环节,通过脉宽调制实现输出直流电压的稳定。这就是目前常用的高频开关电源的电路模式,采用的是组合变换方式(内有两次整流和一次逆变)。 

2、控制方式 

在变换过程中,除了使功率器件工作在线性状态以外,经常工作在开关状态,按设定的时序,在控制信号作用下实现电能的变换。在器件的工作过程中将伴随着各个支路间电流的转移,故有时简称为"换流"。对于由半控型器件组成的电路,由于器件本身无关断能力,常常在换流过程中借助外部条件来关断处于导通状态的器件。换流成功是半控型电路正常工作的必要条件,因而换流过程是这类电路分析的主要内容,换流技术便是这类变换技术的核心。

在Ac/OC变换过程中常常引人高频变换环节,达到缩小电源设备体积、减轻重量、提高效率、改善动态特性等目的,转换频率一般为几十千赫至几百千赫。m世纪70年代将由50Hz交流市电供电的直流线性稳压电源发展到开关频率为却证b的直流开关稳压电源,被誉为"却kHz革命",然而仅仅经过10多年的时间,开关电源的转换频率已经达到划出以上。

对于各种变换电路的控制方式,可以归纳为下列三种:

(1)相(位)控(制)方式:指控制信号幅度的变化转换成变流器件触发脉冲相位的变化,在整流电源或交流稳压电源中常用这种控制方式。

(2)频(率)控(制)方式:指控制信号幅度的变化转换成变流器件触发脉冲频率的变化,在逆变电源中常用这种控制方式。

(3)斩(波)控(制)方式:指控制信号幅度的变化转换成变流器件"导通时间比"的变化,在直流变换电路中常用这种控制方式。

上述三种控制方式也可以组合使用,例如斩波与频率控制同时采用时,构成正弦波脉冲宽度调制方式(Sinewave-PWM简称SPWM),在交流变换器中常用这种控制方式。

3、电源系统的组成 

一般电源系统的组成情况,由市电(电网)或蓄电池或太阳能或燃油发电机提供能源;整流设备将市电或发电机发出的交流电变换成直流电,或把蓄电池的直流电变换成其他电压的直流电送至直流配电屏;将市电或发电机发出的交流电通过稳压设备送至交流配电屏;为了提高供电的可靠性,在电源系统中设有不间断电源(ups),在市电中断时,它的能源由蓄电池或燃油发电机供给,其输出送至交流配电屏;为了安全供电,设有雷电防护装置,它对整流设备、交流稳压设备、ups及发电机均起保护作用。图中整流设备、ups及太阳能均能对蓄电池进行充电。

这个系统图较好地说明了各种设备之间的关系,当然,为了进一步提高供电的可靠性,还可以设置备用设备、智能监控、显示报警等环节,电源技术对科学技术及工农业生产具有明显的促进作用,世界各国都很重视这一技术的发展。我国的电源技术紧跟国际先进水平,近20年来已有长足的进步。总的发展趋势是:

(1)功率半导体器件:重点发展全控型功率器件,目前功率MOSFET和1GBT等器件在迅速发展,因为这种器件具有自关断能力,可以取消原来半控型器件采用的换流电路,从而具有简化电路、提高可靠性、增加效率、降低成本等优点,同时还能提高开关工作频率,取得进一步减小体积重量、改善输出波形、降低噪声等良好效果,功率半导体器件,继续向提高容量、改善动态性能,向模块式、组合式方向发展。

(2)功率变换电路:目前广泛采用的全控型器件和脉宽调制(PWM)方式,并且采用源侧功率因数校正(PFC)电路,使输入电流正弦化,从而节约电能、减小对电网的干扰,克服了相控方式输入功率因数较低的缺点。

目前推广采用的谐振型软开关等新型电路,使开关电源的工作频率由百千赫级发展到兆赫级,进一步提高效率,使电源设备小型化,显著降低纹波电压,从而提高了电源性能,从控制手段来看,由原来的分立元件和中小规模集成电路组成的硬件电路发展为由微处理器和单片机组成的软件控制方式,从而达到较高的数字化和智能化程度,并且进一步提高电源设备的可靠性,由上述可见,电源技术在迅速发展,它将为生产和科学技术进步作出更大的贡献。

【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】


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