不間斷電源專利技術綜述

王亞麗 劉 俠

（國家知識產權局專利局 專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

1 不間斷電源的基本概念

電源供電的可靠性是保證整個硬件計算機及通信網絡正常安全穩定運行的關鍵因素，因而不間斷電源（UPS）通常是一些核心機房、數據中心等重要負荷必須考慮設計的問題［1-2］。UPS（Uninterruptable Power System）是不間斷、不斷電電源的含義，其硬件電路通常包含有儲能裝置、整流裝置、逆變裝置、變壓部分、穩壓部分和控制部分，共同實現為負載提供不斷電的電力供給［3-4］。UPS的工作過程主要是：當市電正常接入時，由市電經UPS給負荷供電，并且同時對UPS內的儲能設備進行充電，該儲能設備優選為電池，當市電供電異常故障或中斷時，控制部分監測該異常并實現電源的自動切換，此時由UPS內部的電池經相應的電力變換為負載供電，保證負載的不斷電正常運行［5-6］。

UPS主要特性：高供電可靠性，UPS通常包括冗余的兩套供電系統，可分主、備用供電，而備用又可以分為冷備用和熱備用，這兩套系統通過切換開關進行自動切換，該切換開關可采用晶體管、固態切換開關或靜態開關等，開關的切換時間比較短，為負載提供了有力的供電［7］。高電能質量，利用數字計算機控制和帶有功率因數校正（PFC）的升壓模塊輸出電能，能夠獲得較好的電壓質量，并且采用石英晶體振蕩來控制逆變器的頻率，輸出頻率穩定度高，電壓失真度較小。高供電效率，低損耗，UPS的逆變器采用脈寬調制技術，比如PWM、SVPWM等，可以實現穩定的功率輸出，同時采用軟開關技術，器件自身損耗也比較少，供電效率可達到90%以上。發生故障的可能性小，維修比較容易，采用先進的可控IGBT驅動型SPWM技術，單機的年平均無故障工作時間超過20萬h。

2 不間斷電源的技術發展路線

近年來，對不間斷電源技術的研究主要集中在以下幾個方面：主電路的拓撲結構；輸出波形、功率；運行方式；功率器件；后備時間。UPS不間斷電源起源于美國，1903年第一臺艾默生UPS不間斷電源在美國洛杉磯問世，我國第一臺生產的UPS不間斷電源在1978年下線，隨著經濟的發展，UPS電源慢慢在國內市場發展，至今有30多年的歷史。 通常我們把靜態UPS按照主電路拓撲結構分為后備式（后備式）、在線式、delta變換型和雙變換式。

1983年，美國專利申請號為US19830548944A（申請日：1983年11月07日）中提出了后備式不間斷電源的主電路及其方案，在市電故障時，利用備用電池通過變壓器來提供直流輸出，實現備用供電，這是比較早的后備式不間斷電源。

1990年，英國專利申請號為GB9005516A（申請日：1990年3月12日）中提出了在線式不間斷電源的主電路及其方案，在后備式不間斷電源的基礎上加入了在線逆變器，當市電工作時，市電通過整流器和逆變器向負載供電，同時利用充電器對電池充電；當市電故障時，電池通過直流變換和逆變器對負載供電，逆變器在線工作并引入脈沖寬度調制控制，提高了電能質量。

1995年，德國專利申請號為DE19546420A（申請日：1995年12月12日）提出了delta變換型不間斷電源的主電路及其方案，在在線不間斷電源的基礎上加入了主電路靜態開關及旁路靜態開關，市電可通過主電路和旁路向負載供電，同時由于補償變壓器和輸入濾波器的加入，使得其在供電質量和可靠性上更有優勢。

2000年，美國愛克賽公司在專利申請US200005633462A（申請日：2000年5月2日）中提出了帶功率因數校正的不間斷電源，即雙變換式不間斷電源，主電路通過加入開關管使其具有功率因數校正的功能，提高了電源功率因數，消除電網諧波，易于實現UPS的智能化和網絡化。

3 不間斷電源技術重要申請人的技術路線

目前，國外一些重要的做UPS的電氣公司有：美國伊頓山特、艾默生、愛克賽、意大利雷諾士、先控、德國百納德、西門子、法國梅蘭日蘭、日本東芝和日立等。例如山特推出了在線式Castle系列的不間斷電源，該電源屬于雙變換在線式型，且通過數字化主動式PFC使其在穩壓輸出范圍、頻率范圍、輸入雜訊的濾除和市電模式與電池模式零轉換時間等方面有大幅度提高；西門子推出了在線式E系列的不間斷電源，該電源也屬于雙變換在線式型，采用雙變換技術，具有多機并聯功能，主要針對環境比較差的場合，能夠提高高質量的電能質量。

國內不間斷電源的發展稍晚于國外，其主要的UPS電氣公司有：廣東易事特電源股份有限公司、華為技術有限公司、廣東志成冠軍集團有限公司、合肥陽光電源和科華不間斷電源等。廣東易事特電源推出的智能高頻UPSEA900系列采用高頻逆變控制技術和DSP數字化控制技術，使不間斷電源更小型化；志成冠軍推出了CPTH系列高頻數字化不間斷電源，采用了PFC功能保證了電能質量且使用了A+X完全并聯的方式進行了擴容，增強了可靠性。目前，國內外不間斷電源技術朝著技術高頻化、冗余并聯化、數字化和智能網絡化等方向發展。

技術發展的創新來源于專利，有關不間斷電源的專利也不斷增加。其中，重要的申請人伊頓山特的申請量有190篇：US4751606A（申請日：1987年2月22日）給出了簡單的帶固態開關的電池后備的不間斷電源拓撲；隨著技術的發展和對電能質量的要求，US6069412A（申請日：1993年3月29日）給出了進行功率因數校正的不間斷電源；US5745356A（申請日：1996年 6月 25日）和US6396170B1(申請日：2000年3月29日)給出了有關不間斷電源并聯冗余技術；US2002122322A1（申請日：2001年3月2日）、US2004085785A1（申請日：2002年11月1日）、US2004148547A1（申請日2003年1月28日）給出了不間斷在計算機設備上的應用；US2005201127A1（申請日：2004年3月9日）、US2007216228A1（申請日：2006年3月17日）、US2007210652A1（申請日：2006年11月20日）和US2009158056A1（申請日：2007年12月14日）給出了多模式、嵌套式和并聯式冗余不間斷電源。

而國內廣東易事特電源股份有限公司有關不間斷電源的專利申請有175件：最早的專利申請CN300891227A（申請日：2007年11月16日）給出了在線式不間斷電源UPSEA900R的外觀設計；CN102005811A（申請日：2010年12月28日）和CN201904642U（申請日：2010年12月28日）給出了利用磷酸鐵鋰電池的不間斷電源；CN102790418A（申 請 日 ：2012年 8月 10日）、CN102856976A（申 請 日 ：2013年 1月 2日）、CN102890461A（申請日：2013年1月23日）給出了多機并聯、多充電器，多電池情況下控制的不間斷電源等。深圳市華為電氣技術有限公司有關不間斷電源的專利申請有154件：比較早的專利申請CN1281290A（申請日：2000年6月9日）給出了一種調制比的瞬時值比例積分微分控制方法的不間斷電源，實現對輸出電壓波形的實時控制，使低成本、高性能的數字控制成為可能；專利申請CN104539042A給出了一種帶有雙向功率變換單元的UPS，該雙向功率變換單元只有在切換裝置動作的過程中短時間支撐直流母線的母線電壓，可以降低體積和成本。廣東志成冠軍集團有限公司有關不間斷電源的專利申請有59件，主要關于不間斷電源不同型號的外觀設計及多制式模塊化的不間斷電源：最早的專利申請CN1360381A（申請日：2000年12月22日）給出了一種大容量UPS，逆變單元的控制引入了微處理器和可編程控制芯片，并利用SPWM信號進行驅動控制，在一定程度上，簡化了電路結構，提高了控制精度和可靠度；專利申請CN1423389A（申請日：2003年6月11日）給出了一種總線控制的并聯不間斷電源，實現N+1冗余并聯運行，提高了UPS系統實時性和可靠性；專利申請CN203788027U（申請日：2014年4月24日）給出了一種利用光伏能源實現節能的在線UPS系統，利用光伏能源和蓄電池的綜合供電，克服了UPS單一依賴電網的缺點，實現了能源優化利用。

4 總結

由專利申請的脈絡可以看出，國內外對UPS的研究非常活躍，并且未來UPS技術發展方向將朝著智能化控制、高頻小型化、高變換效率、模塊化和人性化發展，其應用領域將更加廣泛。

［1］劉錢希森.小型UPS原理及應用［M］.北京：科學出版社，2000.

［2］李成章.新型UPS不間斷電源原理與維修技術［M］.北京：電子工業出版社，1995.

［3］王其英.UPS不間斷電源剖析與應用［M］.北京：科學出版社，1996.

［4］張乃國.UPS供電系統應用手冊［M］.北京：電子工業出版社，2003.

［5］H.Pinheiro，P.Jain.Comparison of UPS Topologies Based on High Frequency Transformers for Powering the Emerging Hybrid Fiber-coaxial Networks［C］.IEEE-INTELEC’99，1999：9-12.

［6］舒為亮.并聯型數字化不間斷電源系統研究［D］.華中科技大學，2005.

［7］顏嘵河，施三保，夏澤中.不間斷電源技術綜述［J］.煤礦機械，2006（9）：6-8.