UPS（不斷電系統）的硬體類型

紅塵孤鳥

根據IEC 62040-3標準的規定，UPS的內部系統主要有三種，這3種分別是被動待機UPS（Passive Standby UPS），依照此結構設計出來的UPS也就是一般俗稱的離線式（Off-Line）UPS。第2種是雙重電流轉換（Double Conversion）UPS，此架構所設計出來的UPS即為在線式（On-Line）UPS，而最後1種是在線互動式（Line-Interactive）UPS，因為此種UPS類型並非On-Line，以英文原名來看，其實翻譯成市電交互型UPS會比較恰當。而另1種由UPS大廠APC所研發出來的三相供電轉換（Delta conversion）UPS尚未被國際標準所接受，因此獨立為1個分支。

■離線後備式（Off-Line）UPS

在市電正常供電時，市電通過交流旁路通道，再經轉換開關直接向負載提供電源。UPS內的逆流器一般都是處於停止工作狀態，這時的UPS電源實質上相當於一台性能較差的市電穩壓器。它除了對市電電壓的幅度波動有所改善外，對電壓的頻率不穩、波形畸變以及從電網侵入的干擾等不良影響基本上沒有任何改善。只有當市電供電中斷或不穩時，蓄電池才對UPS逆流器供電，並向負載提供穩壓、持續的方波交流電源。

 
圖說：離線後備式UPS架構圖。

Off-line UPS的設計最為原始，也是源自UPS最根本的開發理念。當電力正常供應的時候，除了對電腦系統供電之外，亦會對UPS內的電池充電。當電力中斷之後，電池內的低壓直流電力（多是12VDC） 便會經過逆流器轉換為高壓交流電力，該過程稱為“逆流”，同時輸送到電腦系統作暫時的供電。當市電中斷時，由逆流電力轉換的過程需要時間來進行處理，換言之，由電力中斷至逆流電力的輸出會有一小段時間空隙，因此Offline式UPS對於一些電力敏感的硬體，未夠提供足夠充分的保護。以市場而言，這個類型的UPS產品定位為最低階應用，容量大約介於500~2,000VA之間，價位低廉，適合一般家庭或個人環境。

■在線式（On-Line）UPS

在線式UPS是由整流器、充電器以及逆流器、蓄電池及轉換開關所組成，在市電正常供電時，UPS會將市電所提供的交流電經整流之後變成直流電源，然後進行頻寬調諧、濾波，再將直流電經逆流器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一但市電中斷，立即改由蓄電池提供的直流電經逆流器向負載提供正弦波交流電源。由於在一般市電工作狀態之下，負載所需的功率必須經過2次轉換，因此也稱為雙電流轉換UPS。

 
圖說：在線式UPS架構圖。

因此對在線式UPS電源而言，在正常情況下，無論有無市電，它都是由UPS電源的逆流器對負載供電，這樣就避免了所有由市電電壓波動及干擾而帶來的影響。顯而易見，在線式UPS電源的供電質量明顯優於離線後備式UPS電源。即使輸入電壓變動範圍很大，在線式UPS依然可以實現對負載的頻率穩定以及穩壓供電，而且在由市電供電轉換到蓄電池供電時，其轉換時間為零。此架構UPS能夠提供使用者純淨的正弦波電源。而當在線式UPS蓄電池失效，或者是過負載時，UPS會自動進入旁路模式，此時就是由市電直接對負載進行供電。

On-Line UPS設計，在平時電力正常供應的時候，除了輸入的交流電經穩壓電路輸出對電池充電外，電池亦同時輸出電力到逆流器，繼而滿足設備的用電需求。正因為這種無間斷的電池輸出設計，On-Line UPS在停電的時候，電池繼續如常輸出，幾乎沒有因轉換而中斷供電的時間，也因此在線式UPS理論上反應最快，保護能力最高。可是Online UPS的設計相當複雜，生產成本高，加上負載功率必須進行整流、逆流2次變換，在變換的過程中避免不了會產生功率耗損，因而影響了整個系統的供電效率。

■在線互動式（Line-Interactive）UPS

市電交互UPS的系統由電源端子電路、逆流器、蓄電池、UPS開關等所組成。端子電路包括靜態開關和電感。逆流器是雙向變換器，即有市電時將市電交流電整流為直流電給蓄電池充電；市電停電時將蓄電池的直流電逆變為交流電為負載供電。

 
圖說：在線互動式UPS架構圖。

在線互動式UPS在正常工作模式下，AC電源（市電）與逆流器並聯、彼此進行相互作用，並向負載供電，逆流器進行輸出電壓的調節，AC電源（市電）供給負載電流，並對蓄電池進行充電。系統輸出頻率等於交流輸入電源的頻率。因為逆流器的輸出頻率必須與市電頻率相同，才能通過控制逆流器與市電之間的相位角，讓兩者相互作用，並向系統提供穩定的電源，同時間還要對蓄電池進行充電。因此，就正確的定義來講，在線互動式UPS應該稱為稱為市電交互UPS才對。

當交流輸入電源電壓超出UPS額定的落差時，蓄電池通過逆流器繼續為負載供電。此時電源端子電路中的靜態開關斷開，以防止逆流器電源反饋到市電電源。蓄電池�逆流器組合一直為負載供電到蓄電池放電終止。或者供電到交流輸入電源恢復，負載轉換回由輸入交流電源供電。

而UPS故障或過載時，系統會切換到由旁路電源對負載供電，這時UPS就發生不了作用，等同由市電直接進行供電。市電交互UPS的優點是成本較低，提供了輸出電壓的調節。在線互動式UPS的缺點：首先，負載沒有與市電電源的干擾真正的隔離。其次，不能對輸出頻率進行控制，輸出頻率取決於市電頻率。最後，輸出電壓調節能力並不出色，因為輸出電壓的調節是通過市電與逆流器並聯完成的。

三向電流轉換（Delta Conversion）在線式UPS

美商APC在90年代所發展的三向電流轉換（Delta Conversion）在線式UPS技術，它是針對Double Conversion架構在效率上的缺點而改良的新技術，不過一般業界的看法是認為其與在線互動式UPS技術相當類似，因為其輸出頻率仍要取決於市電電源的頻率，當然，APC本身並不這麼認為。市電異常或中斷時，與一般在線式UPS的做法大同小異，但在市電正常之際，一般在線式UPS問題即浮現出來，因為Double Conversion除了由主迴路的DC/AC變流器輸出電力外，仍會持續不斷地將部分電力輸出至充電迴路上，即使蓄電池充飽亦然，如此做法，勢必會讓UPS的效率大減，也就是輸入與輸出之間會喪失許多不必要的電力瓦數。

 

反之，三向電流轉換架構在市電正常之際，可以直接透過額外設計的三向整流器（Delta Converter），直接跳過充電迴路而將電力透過DC/AC變流器輸出至負載上，因此，Delta Conversion在線式UPS理論上可將電力的非必要消耗降至最低，在效率上可達到97％的水準，一般在線式UPS頂多只能達到80％左右。

UPS可控制化的推手－專用DSP

DSP（數位訊號處理器）最初是被設計於具有密集數學演算的控制程式中，藉由DSP的發展，我們得以提高硬體的效能，並提升系統對程式指令的反應能力。DSP也提供的內嵌的演算單元、定時器、數位�類比轉換器、脈衝寬頻調整輸出、記憶體控制器、網路控制器等等外圍功能，由於UPS在訊號控制上與UPS有著異曲同工之妙，因此將DSP應用於UPS的硬體設計，自然也是合理的結果。

由於DSP的技術越趨成熟，不但性能越來越高，成本也越來越低，高性能低成本的DSP控制器讓UPS設計人員可以可以利用數位電子元件設計出具備同等或更佳功能的UPS，而體積可以大幅的縮小，可控制能力也可以大幅提升。利用DSP控制器，變壓器、繼電器、機械旁路開關等傳統元件都可以被取代掉，進而達到更高的功率效率以及更小的產品體積。

在UPS的應用中，DSP已經融合了其他一些功能，選用這些功能是為了適應日益複雜的嵌入式控制系統的需要。除了外圍DSP功能之外，過去只有價格昂貴的微控制器和外接電路（包括保護電路、時脈產生器和通訊功能）才能提供此類功能。除可以提供DSP和電源電路之間端子的訊號調整和調節器之外，所有控制設備都已經數位化。多種控制算法可以在非常短的週期之內幾乎同時執行，並具備前所未有的動態性能。DSP設備的零件數目更少，可靠性更高，與原先的微控制器設備相比，受雜訊的影響更小。

DSP聯合控制整流器、平衡器和逆變器，提供了無需使用電池電源的優質輸出電壓調節，除非公用電力嚴重惡化，才必須用電池儲備能量維持負載設備。除了便於迅速充電之外，DSP還利用先進的電池充電和監控算法將電池保持在已充電狀態。DSP技術帶來的先進電池管理功能帶來了電池壽命的延長——這或許是UPS全面可靠性中唯一最重要的因素。而一般UPS在過負載或電池失效時，都會進入旁路模式，採用DSP做為電子旁路開關，也較傳統機械旁路開關要來得節省成本，體積也小了許多。

自從DSP回饋和控制回路數位化以來，元件容量和回饋元件溫度差異的補償機制已經不再是必須。數位訊號處理器（DSP）技術為控制多種功率轉換器提供了非常合理的解決方案，藉此也可以滿足未來更先進的電源拓撲結構需求。

UPS的血肉－蓄電池結構

蓄電池是UPS系統中的1個極為重要的組成元件，電池的品質優劣將會直接關係到整個UPS系統的可靠程度。同時，蓄電池的價格相當高，一般佔UPS 系統成本的4分之1至3分之1左右。根據一般使用統計，蓄電池的故障約佔UPS系統總體故障的40％以上，它是整個UPS 系統中平均無故障時間間隔最短的元件之一。

UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時間內輸出大電流的特性。目前仍通行蓄電池基本上有2種，基本上都屬於鉛酸蓄電池。

■防酸隔爆式鉛酸蓄電池

這種電池在早期的UPS系統中使用較多，只要維護得當，使用壽命能夠達到相當長的地步。但由於在使用過程中，大量的電解液水分會隨著時間散失，因此需經常性地測量電解液的溫度、密度，並往電池內部添加蒸餾水，維護工作量非常大，目前的UPS系統中已很少使用。

 
圖說：防酸隔爆式鉛酸蓄電池。

鉛酸蓄電池在放電之後，電解液因與正負極板生成PbSO而耗用硫酸，其結果電解液比重下降。反之充電時，正負極板之硫酸鉛中之硫酸漸漸被釋出，電解液硫酸濃度逐漸加大而比重上升。通常一般鉛酸電池於充電末期，正負極板都已還原成二氧化鉛及海綿狀鉛，此後之充電幾乎是在電解電解液之水而生成氧氣（陽極）及氫氣（陰極）逸出，其結果電解液減少，此之所以一般液式鉛酸電池需要經常補充蒸餾水的原因。

■閥控式密封鉛酸蓄電池



因其體積較小，密封性能好、幾乎不需維護等優點，因此被廣泛應用於各類UPS電源中。閥控式密封鉛酸蓄電池防止內部電解液流動有兩種技術：1種是將硫酸電解液與SiO混合後充滿電池內部，製成膠狀電池（簡稱GEL）。這類產品產量較低，約佔此類電池總量的15％ ；另一種技術是利用超細玻璃棉將電解液不飽和地吸附住，製成吸液式電池或貧液式電池（簡稱AGM）。由於後者具有較好的大電流放電性能，在UPS系統中較多採用，一般廠商也大多生產AGM 蓄電池。

 
圖說：閥控式密封鉛酸蓄電池。

結論

由於UPS的硬體設計講究堅固耐用，除了電池必須要定期更換以外，在主要硬體部分，平均替換率約為7至8年左右，工業用UPS甚至可以使用達十幾年之久，因此市場成長主要來自於新裝置發售與市場需求的增加。根據市調機構Frost & Sullivan統計，2004年全球UPS市場銷售值為49.1億美元，銷售量1,790萬台。相較2003年成長幅度約9％，而在2005年，成長幅度達到11％。而根據IMS Research的統計，2006年的UPS市場更是破紀錄的成長了15％。連續數年的高成長表現，顯示市場對於UPS的需求仍在持續的膨脹，這主要是導因於企業資訊化越來越全面，對於網路服務的需求也越來越大，加上近年來天災頻傳，企業的運作如果只依靠傳統電力來源，風險相對過大，因此不斷電系統的需求也隨之水漲船高。

根據輸出功率大小，UPS可分為︰小於1kVA、1.0-5kVA、5.1-20kVA、20.1-50kVA、50.1-200kVA，以及大於200kVA等功率等級。5kVA以下UPS主要應用於家用電腦、辦公室如印表機、掃描器等、小型工作站、小型伺服器、小型電話交換機等設備。5-50kVA的UPS硬體一般應用於中小型伺服器、醫療設備、工業控制設備等硬體。50kVA以上UPS則是應用於大型電腦、大型WAN伺服器、NT工作站、通訊基地台、工業用PLC、大型醫療設備等。而各功率區段UPS的銷售比重，5kVA以下產品佔銷售比重最大，因此一般PC、辦公設備等是UPS系統的最大宗用戶。

hillabc

這因該不是基本知識了吧
太難了吧   = =

sam17265

工作上用得到，好知識，存下來雖然大致上都知道了
可是用來當教材的基礎不錯，謝謝分享

StevenMax

這是UPS電路圖沒錯吧
的確這要好好研究一番

felix6817

在UPS廠做那麼久的員工了
也沒看過如此詳細的解說
除非像是RD或是工程部維修部門才比較有機會知道這些資訊
一些下面的員工好難知道這其中的作用
只知道On-Line跟Off-Line還有電池包XD

看到這篇解說才知道這其中的奧妙
我們公司目前在生產太陽能系列的商品了
也是未來的趨勢之一

big0204449

目前市售usb,不論是在線不在線..大多具備最基本的防突波,過電壓.過電流的功能,有的還會模擬正弦波的功能..只要市電有任何不穩.ups就會接手.如果沒這些功能.只能說是市電替代設備(沒電時.暫時替代市電).所以版大的資料,有些好像不是很正確