数据中心UPS高压直流的发展和展望

交流输出电压的U/A(简称AG-UPS)供电系统存在的主要问题是如何有效地提高系统的可靠性，可靠性不高是AG-UPS设计理念造成的，而AG-UPS设计理念的结症又可归结为备职能源配置方法问题，备用能源(蓄电池)要经过UPS设备中最薄弱环节——逆变器才能向负载供电，这是造成UPS系统必须经过两次变换能源、系统中存在着负载和UPS本身两个谐波源、系统过于复杂、结构臃肿、成本不断攀升、效率较低、可靠性难以有效提高的根本原因，文中从UPS技术发展过程讲述为什么早期的IT设备要交流电压供电：AC—UPS系统结构存在的问题;UPS直流输出的可行性和性能优势以及直流电压输出的UPS(简称DC—UPS)设计和应用中面临的技本难题等。

1 IT设备供电系统结构的变化

电网电压提供的是交流380V/220V，50Hz，而IT设备逻辑电路用的是直流低电压，这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备自然是完成两种制式电压的转换。计算机开始产业化至今已有60多年历史，在这漫长的过程中，供电电源也经历了几个变化阶段，促成并决定这些变化的最根本的因素是组成电源设备的功率半导体器件的技术进步。图1显示了这个过程。

1.1 20世纪60、70年代

如图1(a)所示。此时计算机是由电网(市电)直接供电的，机内电源担负着高压交流电到低压直流电的转换任务，稳压功能以可控整流和线性调节稳压电路为主，70年代才出现开关电源。由于稳压电路结构和当时半导体器件性能限制，线性调节和开关电源都只能是低压输入。所以在输入端都必须配置工作在交流状态的工频降压变压器。

1.2 20世纪70、80年代开始使用UPS设备为计算机供电

如图1(b)所示。此时开始为计算机供电系统配置不间断供电设备——UPS。但是由于计算机电源输入端都配置有工频变压器，所以UPS设备只能输出交流。殊不知，最初的这一要求固定了UPS设备的电路结构，并沿用到50年后的今天。

1.3 20世纪80、90年代计算机开关电源去掉了输入变压器

如图1(c)所示。在20世纪70年代，由于功率半导体器件性能的进步，电源技术界开始了一场“20kHz的革命”，无输入变压器的开关电源进入研制和试用阶段，到20世纪80年代末和90年代初，计算机机内电源基本上都使用了无输入变压器的高频开关电源，也就是说，计算机设备是可以由高压交流市电(无需降压)直接供电的，当然也是可以直接用高压直流供电的。

但是，现行的设备标准和人们的观念决定了计算机还是必须由交流电压供电，当然，作为输入电源的前级设备UPS，也就必须输出交流电源。既然UPS只提供交流电源，所以，计算机开关电源也必须保留输入级的AC/DC变换，整个供电就形成了UPS设备的AC/DC→DC/AC两级变换和计算机内开关电源的AC/DC→DC/DC两级变换。

2 AC-UPS供电系统的现状与存在的问题

半导体器件和电路技术为AC-UPS的技术进步和体系结构的变革提供了条件，而AC-UPS的现状和存在的问题又促使其必须进行变革。技术的发展有着它自身的发展规律，UPS输出直流化将是一次数据中心供电系统的重大变革。

这里讲的AC-UPS供电系统不包括交流输入环节，如图2所示。它由AC/DC转换器、DC/AC逆变器、各级配电柜、滤波器、电池组等设备和环节组成。

图2是AC-UPS供电系统的基本结构形式。从它的基本结构可以看出这种系统在有效地提高可靠性、提高运行效率、降低成本、减少污染、标准化和提高适应性等方面存在着不可逾越的困难。