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  前言：

為了保證計算機的工作穩定可靠、數據安全準確，越來越多的 UPS 電源被使用在計算機機房中，有的還稱 UPS 電源為計算機的保護神，UPS 電源的安全運行也成了重中之重，下面本文分享 UPS 電源技術分類與應用以及 UPS 電源必須要檢測的 AC/DC 變換技術、集成穩壓器、電源技術功率變換電路。

（一）UPS 電源技術分類與應用

(1)平時把能量以某種形式儲存起來，使用時再變成電能供給負載，典型的設備就是人們常見的各種蓄電池。

(2)把其他能量轉換成電能，例如水力、火力、風力及核能發電等，一般稱這種電游、為一次電源(俗稱電網或市電)。

(3)在電能傳輸過程中，在一次電源與負載之間對電能進行轉換或穩定處理，一般稱這種電源為二次電源(即對已有的電源進行控制)。

這里敘述的主要是二次電源，即把輸入電源 (由電網供電等) 變換成在電壓、電流、頻率、波形及在穩定性、可靠性 (含電磁兼容、絕緣、散熱、不間斷供電、智能監控) 等方面符合要求的電能供給負載，這是目前應用最廣泛的電源技術領域，主要研究如何利用電子技術對電功率進行轉換及控制，它廣泛運用電磁技術、電子技術、計算機技術和材料技術等學科理論，具有較強的綜合性，在工程上一般稱此領域的技術為 電源技術。

為了與其他方式相區別，通常把利用電子技術構成的電源設備稱為 電子電源，電子電源的工作頻率由低頻 (幾赫) 到高頻(兆赫級)，輸出電壓從幾伏到幾十千伏，輸出電流從微安級到萬安級，隨著科學技術的發展，對電源技術的要求越來越高，規格品種越來越多，技術難度越來越大，涉及的學術領域也越來越廣。就其技術本身而言，可分成三類:

(1)直流電源: 輸入電源可以是交流電或直流電，可以是單相交流或三相交流，輸出量是直流電(含穩壓或穩流)，包括線性控制和開關控制兩種。

(2)交流電源: 輸入電源多為單相或三相交流電，輸出量仍為交流電(單相或三相，當輸人量為直流電時稱為逆變器)，含穩壓、穩、流、穩頻、不間斷供電等類型。

(3)特種電源(或稱工業電源): 例如電鍍、電解、電焊、激光、高壓等類型電源，輸入量多為交流市電，輸出量有直流、交流或脈沖形式。

電源技術的基本內容：一般情況下，電源技術的主要內容包括以下幾個部分: 電力電子器件、功率變換電路、電源整機及系統等，電力電子器件：

(1)不控型器件: 主要是各種功率二極管，包括工頻下工作的整流管、整流橋模塊、快速恢復二極管、功率肖特基二極管等。

(2)半控型器件: 主要是晶閘管(亦稱可控硅)，普通晶閘管其控制端在器件導通后即失去控制作用(故稱半控型)，為了關斷這類器件必須借助外部條件。

(3)全控型器件: 其控制端不但具有控制器件導通的能力，還有控制其關斷的能力。例如大功率晶體管 (GTR)、功率場效應晶體管(M05FET)、門極關斷(GTO) 晶閘管、M05 控制晶閘管 (M sigma;)，還有新型的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、靜電感應晶體管(5) 等。

（二）AC/DC 變換技術

將交流電變換成直流電稱為 AC/DC 變換，這種變換的功率流向由電源傳向負載電路，一般稱為整流。對于要求改變直流輸出電壓的場合，可以采用相控整流方案，也可以采用其他調控方案，整流電路的種類繁多，并各具特色，其基本電路可大致分為:

(1)按整流相數分:

①單相電路: 單脈波或雙脈波;

②三相電路:3 脈波、6 脈波或 12 脈波;

③多相電路:P 脈波。

(2)按電路控制特點分:

①不控型整流電路;

②半控型整流電路;

③全控型整流電路。

DC/AC，DC/DC，AC/AC 變換技術，本節簡要敘述直流 (DC)I 交流(AC)、直流(DC)I 直流(DC)、交流(AC)I 交流(AC) 三種變換技術。

DC/AC 變換技術

將直流電變換成交流電稱之為 DC/AC 變換，也就是通常所說的 逆變。在某些特殊場合，例如衛星、飛機、艦船、潛艇等沒有工頻交流電源(50 或 omega;Hz)，僅有蓄電池或太陽能電池可供使用，這些都是直流電源，當需要由這種電源向交流負載供電時，便需要 DC/AC 變換。此外，工頻交流電對某些負載來說并不適用，例如飛機或相關的地面設備使用 4 infin;Hz 交流電，感應加熱需要使用中頻或高頻交流電，感應電動機變頻調速需要在一定范圍內可以任意變頻、變壓的交流電等。在有工頻交流電源的情況下，先將工頻交流電變成直流電，再經過逆變器變成所需頻率和電壓的交流電，這些應用都需要 DC/AC 變換技術。

隨著電力半導體器件的發展，逆變技術在應用范圍得到進一步拓寬，它幾乎滲透到國民經濟的各個領域。尤其是高壓、大電流、高頻三者功能兼備的場控器件的開發成功，為簡化逆變電路、提高逆變器的性能及高頻脈寬調制 (PWM) 技術的廣泛應用奠定了基礎。

DC/AC 變換器的分類：

DC/AC 變換器(以下簡稱逆變器)，基本上可分為單相和三相兩大類，單相逆變器適用于中、小功率，三相逆變器適用于中、大功率。這兩類又可按下面特點進行分類:

(1)按輸入直流電源性質分: 電壓型逆變電路(輸入電源為恒壓源); 電流型逆變電路(輸人電驚為恒流源)。

(2)按電路結構特點分: 半橋電路; 全橋電路; 推挽電路; 其他形式。

(3)按組成電路的器件分: 普通晶閘管逆變電路; 大功率晶體管 (GTR) 逆變電路; 門極關斷 (GTO) 晶閘管逆變電路;MOSFET(MOS 場效應晶體管)逆變電路;IGBT 逆變電路等。

(4)按輸出波形分: 正弦波逆變電路; 非正弦波逆變電路。

（三）集成穩壓器

集成穩壓器，就是用半導體工藝和薄膜工藝將穩壓電路中的二極管、三極管、電阻、電容等元件制作在同一半導體或絕緣基片上，形成具有穩壓功能的固體電路，集成穩壓器在近十多年發展很快，目前國內外已發展到幾百個品種。按電路的工作方式分，有線性集成穩壓器和開關式集成穩壓器。按電路的結構方式分，有單片式集成穩壓器和組合式集成穩壓器。按管腳的連接方式分，有三端式集成穩壓器和多端式集成穩壓器。按制造工藝分，有半導體集成穩壓器、薄膜混合集成穩壓器和厚膜混合集成穩壓器。

集成穩壓器是在半導體硅片上使用外延、氧化、光刻、擴散和金屬蒸發等工藝制作而成的穩壓電路。這種集成穩壓器的各種元件在同一工序中制成，可靠性高，也有利于提高穩壓精度，縮小體積，減輕重量。

常見的集成穩壓器有下列幾種:

(1)多端可調式集成穩壓器。這種穩壓器采樣電阻和保護電路的元件需要外接，它的外接端比較多，便于適應不同的用法。它的輸出電壓可調，以滿足不同輸出電壓的要求。

(2)三端固定式集成穩壓器。這類穩壓器有輸入、輸出和公共端 3 個端子，輸出電壓固定不變(一般分為若干等級)。這類產品具有使用方便、性能穩定、價格低廉等優點，得到了廣泛應用，已基本上取代了由分立器件組成的穩壓電路。

(3)三端可調式集成穩壓器。它有 3 個接線端: 輸入端、輸出端和調節端。在調節端外接兩個電阻可對輸出電壓作連續的調節。在要求穩壓精度較高，并且輸出電壓需在一定范圍內做任意調節的場合，可選用這種集成穩壓器。它也有正、負輸出電壓以及輸出電流大小之分，選用時應注意各系列集成穩壓器的電參數特性。

1、芯片電路原理

集成穩壓器的電路原理與分立晶體管穩壓器基本相同，也是由調整元件、誤差放大器、基準電壓、比較、采樣等幾個主要部分組成，但是集成穩壓器充分利用集成技術的優點，在線路結構和制造工藝上采用了很多模擬集成電路的方法，諸如偏置電路、電流源電路、基本電壓源電路、各種形式的誤差放大器和集成穩壓器所特有的啟動電路、保護電路等，與分立元件穩壓器相比，集成穩壓器具有體積小、成本低、使用方便、性能指標較高等優點。

2、高頻開關電源

目前空間技術、計算機、通信及家用電器中的電源多采用高頻開關電源。開關電源的效率、體積、重量等指標均優于線性穩壓電源。開關電源的調整管工作在開關狀態，損耗小，效率可達 75-95; 穩壓電源體積小，重量輕; 調整管功耗小，相應散熱器的體積也小。另外，開關頻率工作在幾十千赫，濾波電感及電容可用較小數值的元件; 允許的環境溫度也可以大大提高。但由于調整器件的控制電路比較復雜，輸出紋波電壓較高，所以開關電源的應用也受到一定的限制。

電子設備小型輕量化的關鍵是供電電源的小型化，因此需要盡可能地降低電源電路中的損耗。開關電源中的調整管工作在開關狀態，也必然存在開關損耗，而且損耗隨開關頻率成比例地增加。另一方面，開關電源中的變壓器、電抗器等磁性元件以及電容元件，隨著頻率的提高，這些元件上的損耗也隨之增加。

目前市場上開關電源中的功率管采用雙極型晶體管的，開關頻率可達 1 infin; 旺如; 采用 MOSFET 的開關頻率可達 5 infin;kHz。為提高開關頻率必須減小開關損耗，需要采用高速開關器件。對于兆赫以上的開關頻率可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關方式。這種方式可以極大地提高開關速度，原理上開關損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關電源工作頻率的一種有效方式。采用諧振開關方式的幾兆赫變換器已經實用化。

開關電源的集成化與小型化正在變為現實，目前正在研制功率開關管與控制電路集成于同一芯片上的集成模塊。然而，把功率開關管與控制電路包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須解決電氣隔離與熱絕緣等問題，目前，世界各國正在大力研制新型開關電源，不斷地向高頻化、線路簡單化和控制電路集成化方向發展。

3、源側功率因數校正技術

源側 (亦稱輸入側) 功率因數 (A) 校正技術是針對由整流、電容濾波構成的非線性負載的電力電子設備提出來的，主要目的是減少用電設備產生的高次諧波對電網的危害。這種負載電流中的高次諧波不僅使輸電線上損耗增加，浪費大量電能，而且影響鄰近其他用電設備的正常工作。為此國際上制訂了與此相關的一些標準，如 IEC552-2。這些標準對用電裝置的輸入功率因數和波形失真都做了具體限制。

功率因數校正簡寫為 PFC，改善源側功率因數的方法主要有兩種: 一種是元源功率因數校正技術，另一種是有源功率因數校正技術。前者主要針對供電系統和較大的廠礦企業，由眾多的電機感性負載造成的低功率因數問題。校正的方法是在電網人口處并聯適當的電容器，使 lambda; 值盡量接近 1，以達到節能目的，也就是我們常說的無功補償。后者主要針對開關電源負載，由于近年來計算機、程控電話交換機等迅速發展，開關電源及不間斷電源 (UPS) 被廣泛采用，而這些電源設備的輸入側多為直接整流和電容濾波的非線性工作方式，這樣就使 PFC 技術得到了人們的廣泛重視，并且被普遍應用。

功率因數的校正方法：有源功率因數校正的基本思想是: 將輸入交流電壓進行全波整流，對其整流電壓進行直流 - 直流變換，通過適當控制使輸入電流自動跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，雖然 PFC 也是開關電源，但與傳統的開關電源有明顯的區別。

（四）電源技術功率變換電路

在變換過程中，除了使功率器件工作在線性狀態以外，經常工作在開關狀態，按設定的時序，在控制信號作用下實現電能的變換。在器件的工作過程中將伴隨著各個支路間電流的轉移，故有時簡稱為 換流。對于由半控型器件組成的電路，由于器件本身無關斷能力，常常在換流過程中借助外部條件來關斷處于導通狀態的器件。換流成功是半控型電路正常工作的必要條件，因而換流過程是這類電路分析的主要內容，換流技術便是這類變換技術的核心。

1、功率變換電路

從電能變換功能來看，有下列四類:

(1)將交流電變為直流電，即 AC/DC 變換。實現這一功能的變換電路，一般稱為整流電路或整流器。

(2)將直流電變為交流電，即 DC/AC 變換。實現這一功能的變換電路，一般稱為逆變電路或逆變器。

(3)將一種直流電變為另一種直流電，即 DC/DC 變換。通過這種變換實現直流電壓 (電流) 的幅值或極性的改變，一般稱為直流 / 直流變換電路或 DC/DC 變換器。

(4)將一種交流電變為另一種交流電，即 AC/AC 變換。通過這種變換實現交流電壓(電流)、頻率的變換，前者稱為交流調壓電路(例如穩壓器、穩流器)，后者稱為變頻電路(或變頻器)，有時也需要改變相數(例如單相變三相或三相變單相等)。

上述四種變換電路就其技術而言統稱為 變流技術，其電路可以單一使用，也可以組合使用，例如常用的一種變換形式，將工頻市電 (單相或三相) 直接進行整流變成直流電，通過逆變電路使其變成高頻交流電(脈沖寬度可調的正負矩形脈沖或脈沖頻率可調的準正弦脈沖)，再通過整流變成直流電供給負載。在高頻變換環節，通過脈寬調制實現輸出直流電壓的穩定。這就是目前常用的高頻開關電源的電路模式，采用的是組合變換方式(內有兩次整流和一次逆變)。

2、控制方式  

在變換過程中，除了使功率器件工作在線性狀態以外，經常工作在開關狀態，按設定的時序，在控制信號作用下實現電能的變換。在器件的工作過程中將伴隨著各個支路間電流的轉移，故有時簡稱為 換流。對于由半控型器件組成的電路，由于器件本身無關斷能力，常常在換流過程中借助外部條件來關斷處于導通狀態的器件。換流成功是半控型電路正常工作的必要條件，因而換流過程是這類電路分析的主要內容，換流技術便是這類變換技術的核心。

在 Ac/OC 變換過程中常常引人高頻變換環節，達到縮小電源設備體積、減輕重量、提高效率、改善動態特性等目的，轉換頻率一般為幾十千赫至幾百千赫。m 世紀 70 年代將由 50Hz 交流市電供電的直流線性穩壓電源發展到開關頻率為卻證 b 的直流開關穩壓電源，被譽為 卻 kHz 革命，然而僅僅經過 10 多年的時間，開關電源的轉換頻率已經達到劃出以上。

對于各種變換電路的控制方式，可以歸納為下列三種:

(1)相 (位) 控(制)方式: 指控制信號幅度的變化轉換成變流器件觸發脈沖相位的變化，在整流電源或交流穩壓電源中常用這種控制方式。

(2)頻 (率) 控(制)方式: 指控制信號幅度的變化轉換成變流器件觸發脈沖頻率的變化，在逆變電源中常用這種控制方式。

(3)斬 (波) 控(制)方式: 指控制信號幅度的變化轉換成變流器件 導通時間比 的變化，在直流變換電路中常用這種控制方式。

上述三種控制方式也可以組合使用，例如斬波與頻率控制同時采用時，構成正弦波脈沖寬度調制方式(Sinewave-PWM 簡稱 SPWM)，在交流變換器中常用這種控制方式。

3、電源系統的組成  

一般電源系統的組成情況，由市電 (電網) 或蓄電池或太陽能或燃油發電機提供能源; 整流設備將市電或發電機發出的交流電變換成直流電，或把蓄電池的直流電變換成其他電壓的直流電送至直流配電屏; 將市電或發電機發出的交流電通過穩壓設備送至交流配電屏; 為了提高供電的可靠性，在電源系統中設有不間斷電源(ups)，在市電中斷時，它的能源由蓄電池或燃油發電機供給，其輸出送至交流配電屏; 為了安全供電，設有雷電防護裝置，它對整流設備、交流穩壓設備、ups 及發電機均起保護作用。圖中整流設備、ups 及太陽能均能對蓄電池進行充電。

這個系統圖較好地說明了各種設備之間的關系，當然，為了進一步提高供電的可靠性，還可以設置備用設備、智能監控、顯示報警等環節，電源技術對科學技術及工農業生產具有明顯的促進作用，世界各國都很重視這一技術的發展。我國的電源技術緊跟國際先進水平，近 20 年來已有長足的進步。總的發展趨勢是:

(1)功率半導體器件: 重點發展全控型功率器件，目前功率 MOSFET 和 1GBT 等器件在迅速發展，因為這種器件具有自關斷能力，可以取消原來半控型器件采用的換流電路，從而具有簡化電路、提高可靠性、增加效率、降低成本等優點，同時還能提高開關工作頻率，取得進一步減小體積重量、改善輸出波形、降低噪聲等良好效果，功率半導體器件，繼續向提高容量、改善動態性能，向模塊式、組合式方向發展。

(2)功率變換電路: 目前廣泛采用的全控型器件和脈寬調制 (PWM) 方式，并且采用源側功率因數校正 (PFC) 電路，使輸入電流正弦化，從而節約電能、減小對電網的干擾，克服了相控方式輸入功率因數較低的缺點。

目前推廣采用的諧振型軟開關等新型電路，使開關電源的工作頻率由百千赫級發展到兆赫級，進一步提高效率，使電源設備小型化，顯著降低紋波電壓，從而提高了電源性能，從控制手段來看，由原來的分立元件和中小規模集成電路組成的硬件電路發展為由微處理器和單片機組成的軟件控制方式，從而達到較高的數字化和智能化程度，并且進一步提高電源設備的可靠性，由上述可見，電源技術在迅速發展，它將為生產和科學技術進步作出更大的貢獻。

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