- 實現(xiàn)UPS高可靠性的技術措施
- 關鍵功率器件IGBT/IPM的選擇
- 電路設計的全數(shù)字化和集成化
- 高超的冗余并機技術
產(chǎn)品長期運行的可靠性，所有用戶都是非常關心的。眾所周知，可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標。尤其是UPS這類特殊產(chǎn)品，作為電腦系統(tǒng)的“保鏢”、“心臟”，其可靠性更顯得重要，也是一些特殊用戶極為關注的。
產(chǎn)品可靠性的內(nèi)容包括固有可靠性及使用可靠性兩個方面。固有可靠性是指產(chǎn)品從設計到制造整個過程所確定的內(nèi)在可靠性，它是產(chǎn)品的固有屬性；使用可靠性是指產(chǎn)品在實際使用過程中的人為因素及環(huán)境因素（包括安裝技巧、維護技術、環(huán)境狀況、操作人員素質(zhì)等）對產(chǎn)品的壽命及功能發(fā)揮產(chǎn)生的重大影響。
產(chǎn)品可靠性的數(shù)量指標有：可靠性、失效率、平均壽命、有效壽命、維修度、有效度、重要度等。對于UPS這類可修復的產(chǎn)品，我們常用平均無故障時間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）和平均維修時間MTTR來表示。MTBF越大越好，不同品牌UPS有不同的MTBF，現(xiàn)有單機的MTBF從10萬小時到330萬小時，因此UPS的可靠性指標是有很大差別的。還有一點需特別指出：是逆變器輸出的MTBF還是加有旁路系統(tǒng)（BYPASS）的MTBF？
這是有很大區(qū)別的。據(jù)有關資料介紹，兩者相差約15倍。例如，加有旁路系統(tǒng)UPS的MTBF為20萬小時，那么僅逆變器輸出的MTBF約1.4萬小時，因此用戶應了解MTBF的含義，避免誤導。另一方面，MTTR數(shù)值越小越好。對于單機運行的UPS來說，當逆變器出現(xiàn)故障時，會轉換至市電旁路供電，雖然是不間斷供電，但此時負載是由市電供電，其市電質(zhì)量如何卻無法保證，因此需要迅速修復逆變器，保證負載由逆變器供電，但修復時間是由售后服務響應時間和現(xiàn)場維修時間決定的。售后服務響應時間，對不同的代理商可以有很大的區(qū)別；現(xiàn)場維修時間一般為1至幾小時之間。如果缺乏維修備件或技術不熟練，MTTR將會延長。
分析UPS的可靠性，必須從產(chǎn)品的設計、研制、生產(chǎn)及使用等過程中去討論。
UPS關鍵功率器件IGBT/IPM
UPS基本原理是AC/DC及DC/AC兩個變換，其變換的核心功率器件，M－UPS（注M—外國某公司代號）從60年代的可控硅（SCR）、70年代的達林頓晶體管（GTR）、80年代的場效應管（MOSFET）到90年代的智能化的絕緣柵雙極型三極管（NEWIGBT，IPM），其實M－UPS的發(fā)展歷史，就是功率器件發(fā)展的歷史，功率器件的優(yōu)劣，直接決定UPS質(zhì)量的高低。
目前M－UPS是采用第三代IGBTA級IPM，它是世界第一品牌的功率器件。該器件模塊內(nèi)置驅(qū)動電路及短路、過流、過溫、控制電源失效等保護，具有高功率、高速開關、低驅(qū)動功率、低運行功耗等優(yōu)點；同時由于是M公司自己獨立開發(fā)生產(chǎn)，對其器件的物理參數(shù)及其性能特點掌握非常清楚，因而在電路設計上能更好匹配，發(fā)揮其更大的功效，并帶來較高的可靠性。
電路設計的全數(shù)字化和集成化
（1）M－UPS不僅DC/AC采用數(shù)字化，而且AC/DC也采用高頻PWM數(shù)字化技術，因而M－UPS從AC→DC→AC全過程皆為數(shù)字化，變換、控制、反饋、測量、顯示、通訊等均采用新穎的數(shù)字技術。
（2）M－UPS采用數(shù)字信號處理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制技術。由于32位數(shù)字器件的出現(xiàn)以及達到10ns的運算速度，因而獲得了極其精確和快速的控制能力。
（3）M－UPSAC→DC及DC→AC分別單獨采用DSP控制，而且輸入部分與輸出部分的系統(tǒng)控制也由DSP控制，它們組成一個非常完善的負反饋系統(tǒng)，不管輸入端市電如何變化及輸出端負載如何變化，都能使UPS保持穩(wěn)定可靠工作。
（4）M－UPS采用大規(guī)模的半導體專用集成電路（ASIC,ApplicationSpecifiedIG,DSP）所構成的直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl），有別于其他品牌UPS所采用的較落后的微機控制技術，因而使M－UPS控制更準確、更精密、更可靠。
（5）M－UPS采用電壓反饋、電流前饋、電流局部循環(huán)等專利技術及采用DSP控制方式，使其UPS在100％非線性負載滿負荷時，輸出電壓波形的失真度仍非常小，明顯優(yōu)于其他品牌只采用電壓反饋的UPS。
（6）全數(shù)字化的設計，使M－UPS具有非常良好的自我診斷功能，能迅速排除故障的征兆，從而提高可靠性。
附表M－UPS檢測結果
[page]（7）大幅度減少零件數(shù)量，從而大大降低了故障發(fā)生率，提高了UPS的可靠性。
M－UPS也曾用過“六脈沖整流”，“十二脈沖整流”的傳統(tǒng)電路，當研制出新型功率器件（NEWIGBT＆PIM）后便迅速把AC→DC的變換從模擬方式變?yōu)閿?shù)字方式，從而使M－UPS擺脫傳統(tǒng)的、落后的技術，而一躍成為世界著名品牌的UPS。
M－UPS制造商的概念是采用最現(xiàn)代技術，使其UPS獲得高性能和高可靠性。全面質(zhì)量管理（TQC循環(huán)）就是UPS產(chǎn)品在開發(fā)設計、生產(chǎn)制造、售后服務三個環(huán)節(jié)上不斷循環(huán)，以求用戶滿意。
優(yōu)異的技術指標
用戶對UPS不外乎要求優(yōu)異的技術指標和高可靠性。M－UPS具有下述優(yōu)異技術指標：
（1）高輸入功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)實測為0.999。這不僅具有減少電網(wǎng)污染及市電無功損耗的環(huán)保與節(jié)能雙重功能，而且還能以1：1的功率比來配備自備發(fā)電機，而其他品牌UPS則可能需要2～2.5倍發(fā)電機功率的配置，這無形提高了M－UPS與自備發(fā)電機匹配運行的可靠性。
另外，由于高輸入功率因數(shù)，不僅可減少UPS配電設備（變壓器、斷路器、電纜、進相電容等）的容量，減少投資，而且更重要的是提高了系統(tǒng)（包括輸入配電）運行的可靠性。
（2）寬輸入電壓范圍。輸入電壓允許范圍為＋15％～－30％，在中大功率UPS當中還未見到另一品牌UPS經(jīng)過權威單位檢測達到此指標，如附表所示。
當市電超出輸入電壓范圍時，將起動電池供電，長期如此，將大大降低蓄電池的使用壽命，不但增加UPS運行成本，而且最重要的是當需要電池供電時，電池可能已“過放”造成停電事故，降低了UPS系統(tǒng)運行的可靠性。
（3）低直流總線（BUS）波紋系數(shù)。“六脈沖整流”是低頻（50Hz）工作，而AC→DC變換器是高頻(8～10kHz)PWM變換，因此直流濾波電容將大大減少。“六脈沖整流”為了降低直流BUS紋波，常采用數(shù)十只大容量電容并聯(lián)，為了降低成本常選用電解電容，但電解電容在長期工作后常發(fā)生電解液干涸及漏電嚴重的現(xiàn)象。這些都是引起UPS不可靠工作的常見原因。M－UPS由于采用“高頻整流”，因而濾波電容容量可降至電解電容的1/10，因此電容故障率可大為降低。
（4）低輸出諧波失真。在100％的非線性負載下，輸出電壓波形失真度為：THD≤3％，而其他品牌一般為THD≤5％。從百分數(shù)看起來相差不大，但這是一個從量變到質(zhì)變的過程，降低THD1％～2％，需要采取多方面電路設計措施。如果沒有全數(shù)字化技術，沒有雙DSP控制是很難達到此指標的。眾所周知，UPS大部分故障是由于非線性負載瞬間變化的沖擊造成的，M－UPS對非線性負載的適應能力是很強的，故可靠性是很高的。
（5）混合型晶閘管開關。M－UPS從逆變器輸出切換至旁路是采用可關斷晶閘管（GTO）的靜態(tài)開關與電流接觸器并聯(lián)方式，既滿足了高速切換，而GTO器件又可以采取自冷方式，因此UPS體積小，而且提高了效率及可靠性。
（6）市電輸入具有軟起動功能。當輸入交流電源恢復時，由于M－UPS設計有軟起動功能，使輸入電流緩慢上升，減少了UPS對輸入電源的沖擊，無論是由市電或自備發(fā)電機供電，都有利于提高轉換的可靠性。
（7）逆變器輸出端無晶閘管靜態(tài)開關。M－UPS由IGBT/IPM功率器件組成的逆變器能夠抑制瞬時大電流沖擊，無需在UPS逆變器輸出端接上其他品牌UPS都必須接入的晶閘管靜態(tài)開關，此技術使M－UPS獲得更高的效率和更高的可靠性。
（8）交流和直流功率分配功能。當UPS由自備發(fā)電機供電時，而自備發(fā)電機容量又不足，則UPS可以將輸入容量限制在自備發(fā)電機的最大輸出容量，不足部分則可由蓄電池供給，這樣可以提高供電系統(tǒng)運行的可靠性。
（9）三相獨立控制功能。M－UPS采用三相獨立，瞬時波形控制，輸出端可適用于單相或三相負載，同樣可以提高供電系統(tǒng)運行的可靠性。
（10）非線性負載適應功能。M－UPS由于采用數(shù)字化及快速反饋技術，負載波峰因數(shù)比CF=3.6，對于100％非線性負載從空載（0％）到滿載（100％）跳變，輸出端電壓的變動也極其微小，從而大大提高其適應任何負載運行的可靠性。
高超的冗余并機技術
大功率UPS雖然可靠性提高，但由于使用環(huán)境的突然變化（如市電電壓超出范圍、負載瞬間故障）、運行人員的錯誤操作、UPS本身零件的老化、個別元器件早期失效等因素都會導致UPS發(fā)生故障，對諸如金融、航空、醫(yī)療、郵電、交通、國防等系統(tǒng)要求供電質(zhì)量很高的負載，還必須進一步提高UPS的可靠性。
近年來世界上發(fā)展了多種方法來擴展大功率UPS系統(tǒng)的平均無故障時間，其中冗余并機技術發(fā)展較為迅速。冗余方法確能提高USP系統(tǒng)的可靠性，但如何實現(xiàn)“冗余”卻是值得研究的問題。M－UPS由于采用全數(shù)字化電路設計，因而具有高超的冗余并聯(lián)運行技術，有別于并機柜、并機板、并機模塊及無線并機等并機方案。
（1）并機運行的UPS配備獨立的電壓與相位控制，沒有公共控制部分，不存在“瓶頸”現(xiàn)象。
（2）并機調(diào)試非常簡單，只須每臺UPS參數(shù)設置好后，即可投入并聯(lián)運行，不需要像有些品牌UPS要在滿負荷運行時調(diào)節(jié)功率均分。
（3）由于M－UPS全數(shù)字化控制及軟件設置參數(shù)，并機運行的每臺UPS輸出波形、相位及電壓值都非常一致，因此并機環(huán)流幾乎為零，這樣除了提高運行效率外，更重要的是提高并聯(lián)聯(lián)運行的可靠性。
（4）在沒在并機柜的條件下，可以多機并聯(lián)運行。理論上不受并機臺數(shù)的限制；目前已投入實際運行的系統(tǒng)為8臺UPS并聯(lián)運行。
（5）在并聯(lián)系統(tǒng)中的一臺UPS發(fā)生故障及正在維修時，負載仍能保證由UPS供電，不像有些品牌UPS需要轉入維修旁路，M－UPS能真正做到脫機維修，這是提高并機系統(tǒng)可靠性的關鍵所在。
（6）超長的平均無故障時間，兩臺UPS并聯(lián)加上靜態(tài)旁路系統(tǒng)，使MTBF數(shù)值大幅度提高。
由于M－UPS采用優(yōu)化的設計、先進的工藝、嚴格的生產(chǎn)管理，使其具有很高的固有可靠性；同時由于M－UPS采用高質(zhì)量、高可靠的功率器件IGBT/IPM，全數(shù)字化的設計，直接數(shù)碼控制技術，使其在世界UPS品牌中脫穎而出。它除了具有高質(zhì)量、高指標、高可靠、多功能等特點外，還兼具節(jié)能、環(huán)保功能，它不僅滿足今日的需要，更是UPS今后發(fā)展的方向。
