不间断电源专利技术综述

王亚丽 刘 侠

（国家知识产权局专利局 专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

1 不间断电源的基本概念

电源供电的可靠性是保证整个硬件计算机及通信网络正常安全稳定运行的关键因素，因而不间断电源（UPS）通常是一些核心机房、数据中心等重要负荷必须考虑设计的问题［1-2］。UPS（Uninterruptable Power System）是不间断、不断电电源的含义，其硬件电路通常包含有储能装置、整流装置、逆变装置、变压部分、稳压部分和控制部分，共同实现为负载提供不断电的电力供给［3-4］。UPS的工作过程主要是：当市电正常接入时，由市电经UPS给负荷供电，并且同时对UPS内的储能设备进行充电，该储能设备优选为电池，当市电供电异常故障或中断时，控制部分监测该异常并实现电源的自动切换，此时由UPS内部的电池经相应的电力变换为负载供电，保证负载的不断电正常运行［5-6］。

UPS主要特性：高供电可靠性，UPS通常包括冗余的两套供电系统，可分主、备用供电，而备用又可以分为冷备用和热备用，这两套系统通过切换开关进行自动切换，该切换开关可采用晶体管、固态切换开关或静态开关等，开关的切换时间比较短，为负载提供了有力的供电［7］。高电能质量，利用数字计算机控制和带有功率因数校正（PFC）的升压模块输出电能，能够获得较好的电压质量，并且采用石英晶体振荡来控制逆变器的频率，输出频率稳定度高，电压失真度较小。高供电效率，低损耗，UPS的逆变器采用脉宽调制技术，比如PWM、SVPWM等，可以实现稳定的功率输出，同时采用软开关技术，器件自身损耗也比较少，供电效率可达到90%以上。发生故障的可能性小，维修比较容易，采用先进的可控IGBT驱动型SPWM技术，单机的年平均无故障工作时间超过20万h。

2 不间断电源的技术发展路线

近年来，对不间断电源技术的研究主要集中在以下几个方面：主电路的拓扑结构；输出波形、功率；运行方式；功率器件；后备时间。UPS不间断电源起源于美国，1903年第一台艾默生UPS不间断电源在美国洛杉矶问世，我国第一台生产的UPS不间断电源在1978年下线，随着经济的发展，UPS电源慢慢在国内市场发展，至今有30多年的历史。 通常我们把静态UPS按照主电路拓扑结构分为后备式（后备式）、在线式、delta变换型和双变换式。

1983年，美国专利申请号为US19830548944A（申请日：1983年11月07日）中提出了后备式不间断电源的主电路及其方案，在市电故障时，利用备用电池通过变压器来提供直流输出，实现备用供电，这是比较早的后备式不间断电源。

1990年，英国专利申请号为GB9005516A（申请日：1990年3月12日）中提出了在线式不间断电源的主电路及其方案，在后备式不间断电源的基础上加入了在线逆变器，当市电工作时，市电通过整流器和逆变器向负载供电，同时利用充电器对电池充电；当市电故障时，电池通过直流变换和逆变器对负载供电，逆变器在线工作并引入脉冲宽度调制控制，提高了电能质量。

1995年，德国专利申请号为DE19546420A（申请日：1995年12月12日）提出了delta变换型不间断电源的主电路及其方案，在在线不间断电源的基础上加入了主电路静态开关及旁路静态开关，市电可通过主电路和旁路向负载供电，同时由于补偿变压器和输入滤波器的加入，使得其在供电质量和可靠性上更有优势。

2000年，美国爱克赛公司在专利申请US200005633462A（申请日：2000年5月2日）中提出了带功率因数校正的不间断电源，即双变换式不间断电源，主电路通过加入开关管使其具有功率因数校正的功能，提高了电源功率因数，消除电网谐波，易于实现UPS的智能化和网络化。

3 不间断电源技术重要申请人的技术路线

目前，国外一些重要的做UPS的电气公司有：美国伊顿山特、艾默生、爱克赛、意大利雷诺士、先控、德国百纳德、西门子、法国梅兰日兰、日本东芝和日立等。例如山特推出了在线式Castle系列的不间断电源，该电源属于双变换在线式型，且通过数字化主动式PFC使其在稳压输出范围、频率范围、输入杂讯的滤除和市电模式与电池模式零转换时间等方面有大幅度提高；西门子推出了在线式E系列的不间断电源，该电源也属于双变换在线式型，采用双变换技术，具有多机并联功能，主要针对环境比较差的场合，能够提高高质量的电能质量。

国内不间断电源的发展稍晚于国外，其主要的UPS电气公司有：广东易事特电源股份有限公司、华为技术有限公司、广东志成冠军集团有限公司、合肥阳光电源和科华不间断电源等。广东易事特电源推出的智能高频UPSEA900系列采用高频逆变控制技术和DSP数字化控制技术，使不间断电源更小型化；志成冠军推出了CPTH系列高频数字化不间断电源，采用了PFC功能保证了电能质量且使用了A+X完全并联的方式进行了扩容，增强了可靠性。目前，国内外不间断电源技术朝着技术高频化、冗余并联化、数字化和智能网络化等方向发展。

技术发展的创新来源于专利，有关不间断电源的专利也不断增加。其中，重要的申请人伊顿山特的申请量有190篇：US4751606A（申请日：1987年2月22日）给出了简单的带固态开关的电池后备的不间断电源拓扑；随着技术的发展和对电能质量的要求，US6069412A（申请日：1993年3月29日）给出了进行功率因数校正的不间断电源；US5745356A（申请日：1996年 6月 25日）和US6396170B1(申请日：2000年3月29日)给出了有关不间断电源并联冗余技术；US2002122322A1（申请日：2001年3月2日）、US2004085785A1（申请日：2002年11月1日）、US2004148547A1（申请日2003年1月28日）给出了不间断在计算机设备上的应用；US2005201127A1（申请日：2004年3月9日）、US2007216228A1（申请日：2006年3月17日）、US2007210652A1（申请日：2006年11月20日）和US2009158056A1（申请日：2007年12月14日）给出了多模式、嵌套式和并联式冗余不间断电源。

而国内广东易事特电源股份有限公司有关不间断电源的专利申请有175件：最早的专利申请CN300891227A（申请日：2007年11月16日）给出了在线式不间断电源UPSEA900R的外观设计；CN102005811A（申请日：2010年12月28日）和CN201904642U（申请日：2010年12月28日）给出了利用磷酸铁锂电池的不间断电源；CN102790418A（申 请 日 ：2012年 8月 10日）、CN102856976A（申 请 日 ：2013年 1月 2日）、CN102890461A（申请日：2013年1月23日）给出了多机并联、多充电器，多电池情况下控制的不间断电源等。深圳市华为电气技术有限公司有关不间断电源的专利申请有154件：比较早的专利申请CN1281290A（申请日：2000年6月9日）给出了一种调制比的瞬时值比例积分微分控制方法的不间断电源，实现对输出电压波形的实时控制，使低成本、高性能的数字控制成为可能；专利申请CN104539042A给出了一种带有双向功率变换单元的UPS，该双向功率变换单元只有在切换装置动作的过程中短时间支撑直流母线的母线电压，可以降低体积和成本。广东志成冠军集团有限公司有关不间断电源的专利申请有59件，主要关于不间断电源不同型号的外观设计及多制式模块化的不间断电源：最早的专利申请CN1360381A（申请日：2000年12月22日）给出了一种大容量UPS，逆变单元的控制引入了微处理器和可编程控制芯片，并利用SPWM信号进行驱动控制，在一定程度上，简化了电路结构，提高了控制精度和可靠度；专利申请CN1423389A（申请日：2003年6月11日）给出了一种总线控制的并联不间断电源，实现N+1冗余并联运行，提高了UPS系统实时性和可靠性；专利申请CN203788027U（申请日：2014年4月24日）给出了一种利用光伏能源实现节能的在线UPS系统，利用光伏能源和蓄电池的综合供电，克服了UPS单一依赖电网的缺点，实现了能源优化利用。

4 总结

由专利申请的脉络可以看出，国内外对UPS的研究非常活跃，并且未来UPS技术发展方向将朝着智能化控制、高频小型化、高变换效率、模块化和人性化发展，其应用领域将更加广泛。

［1］刘钱希森.小型UPS原理及应用［M］.北京：科学出版社，2000.

［2］李成章.新型UPS不间断电源原理与维修技术［M］.北京：电子工业出版社，1995.

［3］王其英.UPS不间断电源剖析与应用［M］.北京：科学出版社，1996.

［4］张乃国.UPS供电系统应用手册［M］.北京：电子工业出版社，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］舒为亮.并联型数字化不间断电源系统研究［D］.华中科技大学，2005.

［7］颜哓河，施三保，夏泽中.不间断电源技术综述［J］.煤矿机械，2006（9）：6-8.