UPS 在二十世紀剛問世時，唯一的用途是在停電時提供應急電源，但由于價格昂貴，應用范圍十分有限。如今，隨著電力電子技術的不斷發展，UPS 可以高效地優化供電質量、過濾線路噪聲、抑制浪涌，并根據需要在任何地點提供更長時間的備用電源。在追求低碳環保的當下，低能耗、高可靠性、小尺寸已成為 UPS 發展的新方向。安森美（onsemi）推出的UPS系統方案指南，對UPS設計進行了全面介紹。本文為第一篇，將聚焦系統用途、市場趨勢展開講解。

系統用途

交流電在發電時是穩定且純凈的。然而，在輸電和配電過程中，交流電容易發生電壓驟降、尖峰和斷電等情況，可能會擾亂計算機運行，造成數據丟失和設備損壞。

不間斷電源可保護所連接設備免受電源問題的影響，并在停電期間提供備用電池。此外，不間斷電源還可以防止昂貴設備遭受損壞、數據丟失和停機。根據類型的不同，不間斷電源還能針對異常電壓提供保護。對任何 UPS 而言，輸出容量都是一個非常重要的屬性。輸出容量是所連接負載可以從 UPS 系統獲得的最大功率，用 VA（伏安）表示。

目前，UPS 系統有三種類型：在線式、離線式和在線互動式。它們各有優點，并且各自都有更合適的應用。

在線式 UPS

在線式 UPS 在提供高可靠性和電源保護方面表現出色，旨在為所連接的負載提供持續的電力。它的顯著特點是雙電源轉換級，能確保盡可能高的可靠性，同時對電源轉換效率提出了極高的要求。負載始終連接到 UPS 的逆變器，從而消除了開關延遲。

得益于功率因數校正級，輸出功率與輸入功率同相，整體效率得以提高。其電池儲能系統與雙向充電器相結合，可以在交流輸入中斷時提供連續、無縫的電力供應。在線式 UPS 最昂貴，但可以有效處理各種電源問題，并提供最高質量的輸出。這使其成為了高靈敏度設備、數據中心和其他關鍵設備的理想選擇。

由于在線式 UPS 是最復雜和最受青睞的方案，因此 UPS 系統的研究和創新往往更多地集中于在線式 UPS，不僅涉及硬件，也涉及軟件。盡管這是一種強調可靠性的應用，但與電動汽車等應用相比，其發展速度相對較慢。不過，隨著對綠色能源的需求不斷增長，以及人工智能、大數據和云計算的不斷發展，我們可以期待未來會有更多新技術和材料應用于該領域，例如 SiC、GaN 等。

圖 1：在線式 UPS

離線式 UPS

離線式 UPS（也稱待機式 UPS）是讓負載直接連接并由輸入電源供電，只有當電源發生故障時才激活備用電源。切換到電池供電時總會出現短暫的中斷（幾十毫秒）。其成本最低，并且不提供額外的安全功能。考慮到切換中的延遲可能引發潛在安全問題，這使得離線式 UPS 不太適合用于保護工業設施。離線式 UPS 最常用于家庭和小型辦公環境，在這些環境中，所需的備用電源相對較小，要求也沒那么嚴格。

圖 2：離線式 UPS

在線互動式 UPS

在線互動式 UPS 與離線 UPS 類似，但它額外配備了有源電壓調節器。它通過提高或降低電壓來調節和補償交流輸出，從而為負載提供更穩定的輸出電壓。在線互動式 UPS 可以充當電壓優化器，并有助于延長電池壽命，因為其激活頻率較低。使用在線互動式 UPS 時，輸入電源的問題在一定程度上得到解決，不像離線式 UPS 在出現異常輸入情況時必須切換到電池模式。在線互動式 UPS 可用于中小型企業以及主電源電壓和質量不太可靠的場所。

圖 3：在線互動式 UPS

市場信息和趨勢

蓬勃發展的全球市場

基于多方面因素的考量，UPS 市場的前景十分樂觀。預計到 2029 年，UPS 市場規模將達到 143 億美元，復合年增長率 (CAGR) 為 4.05%。隨著數字化轉型的不斷推進，各行各業都離不開可靠、穩定的電力供應，對電力供應的需求一直在持續增長。物聯網、智能建筑和數據中心都在不斷增多，再加上快速發展的云計算行業，這些共同推動了電力供應市場的增長。

云計算和大數據等關鍵性應用對電力的效率和穩定性提出了嚴格的要求。制造業和醫療保健等行業需要全天候運營，因此可靠的備用電源必不可少。此外，不斷演變的環境保護需求促進了能源管理的發展，提高能源效率和減少排放已成為首要的社會目標。

在線式 UPS 系統普及的最大障礙是其高昂的成本。此外，由于需要更換電池，維護成本可能也會增加。UPS 單元的容量有限，因此可能不足以支持高功率應用。

電網異常

針對特定應用選擇合適的 UPS 方案時，重要的是考慮其用途、功率輸出要求和總體預算。了解電網的質量以及可能出現哪些電力異常非常重要。有些功能是必不可少的，但在某些情況下，一些高級功能可能并不需要。各類型 UPS 的性能特點如表 1 所示。

表 1：UPS 針對不同異常情況提供的保護

模塊化 UPS

當前對模塊化 UPS 的需求日益增長。模塊化可提高系統的可擴展性、冗余性和適應性，降低維修成本，節約空間，并增強故障隔離能力。這些特點使模塊化 UPS 成為各種應用的首選，尤其是那些需要可靠靈活的電源方案的應用。

更高的功率密度和效率

模塊化設計的采用在一定程度上加速了高功率密度產品的開發。面對空間有限、輸出容量不斷增加、散熱環境更加苛刻等挑戰，下一代 UPS 產品需要轉向更高功率密度的設計。這就需要在提高輸出能力的同時實現更緊湊的物理尺寸。高開關頻率仍然是一個重要考量因素。

不可否認的是，提升效率是所有電源轉換器的首要發展方向，特別是在線式 UPS 這類連續進行電源轉換的產品。提升效率可以改善成本效益，同時也是應對緊迫的可持續發展要求的重要途徑。采用更先進的電力電子器件和拓撲，可以有效減少能量損耗，特別是在輕載條件下，效率提升尤為顯著。

電池系統

電池和電池管理系統是 UPS 的關鍵組成部分。UPS 主要使用鉛酸電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。鉛酸電池可靠、性價比高、內阻低。另外，鉛酸電池堅固耐用，適合不受重量和空間限制的環境。鋰離子電池在一些方面擁有顯著的優勢，包括更高的功率密度（因而可以更小更輕）和高可靠性（得益于集成的電池監測系統），但成本仍然較高。采用更先進、更緊湊的電池技術，目的是提供更長久的備用電力和更高的能量密度。

表 2：UPS 系統的優點和缺點

未完待續，下一篇文章將講解方案概述，歡迎持續關注我們。