终结式不间断电源的制作方法

技术领域

本发明涉及一种终结式不间断电源。

背景技术：

图1是传统不间断电源的电路框图，市电经整流滤波后进行功率因数校正，然后进行逆变，输出正弦波电压，市电还经功率变换降压后对蓄电池进行充电；停电时，蓄电池的直流电压经功率变换器升压后进行逆变，输出正弦波电压。传统不间断电源包括五种功率变换器，总效率75%左右，同时产生强烈的EMI干扰，电路复杂，故障率高。

当今不间断电源的用户设备，都是清一色的计算机及其外设，这些设备都采用了高稳定、高可靠的开关电源，不再一定需要交流供电，用不着把市电交流电压和蓄电池直流电压变来变去，电能几经变换，最后所剩无几，还要集中全世界的精英，来琢磨一些浪费电能的新方法（即不断改进和完善各种功率变换器），因此，功率变换器在不间断电源中的存在，就是对资源、能源和人才的最大浪费。

电力供电系统不断完善，一年之间难得停几次电，但由于传统不间断电源变得越来越复杂，导致不间断电源本身所产生的故障，以及工作人员对复杂操作的人为失误，比电力系统停电的次数还要多，这就意味着，不采用不间断电源，反而比采用不间断电源更安全，采用不间断电源的结果，引进了更多的不安全因素，这是对当今不间断电源业界的最大讽刺。

技术实现要素：

终结式不间断电源的目的旨在消除上述不安全因素，杜绝上述种种浪费，其中不包括任何功率变换器，除了控制电路之外，仅有两只作为开关之用的功率MOS管，市电交流电压和蓄电池直流电压，在控制电路适时、精确的控制之下，由两只功率MOS管直接输出，实现了不间断电源的所有必要功能，电路简单到极至、在产品寿命期内无故障、安全可靠，绿色、节能、环保、不产生EMI干扰，成本、体积、重量、功耗都趋近于零，网侧功率因数100%，总谐波畸变THD为零，是一种取代目前流行的所有不间断电源的换代产品。

图2是终结式不间断电源的电路框图，市电不经任何功率变换，直接输出，同时通过二极管直接对蓄电池充电；停电时，蓄电池的直流电压不经任何功率变换直接输出。

终结式不间断电源的目的是以下述方案实现的：完全去掉传统不间断电源中的五个功率变换器，即去掉市电交流通道中的AC/DC变换器（整流）、AC/DC变换器（PFC）、DC/AC变换器（逆变），去掉蓄电池直流通道中的DC/DC变换器（升压），DC/DC变换器（充电）以及DC/AC变换器（逆变，与交流通道共用），去掉这五种功率变换器后，只剩下静态开关、蓄电池及其充电控制器，在市电正常时，直接输出市电，在市电停电时，直接输出蓄电池直流电压。

终结式不间断电源整机包括功率MOS管Q1、功率MOS管Q2、电压比较器X1、电压比较器X2、光电耦合器U1、光电耦合器U2；

二极管D1-D4接成整流桥B1，整流桥B1的交流输入端接市电V1，其直流输出端的正极接电阻R1的一端，其直流输出端的负极接电阻R7的一端，电阻R1和电阻R7串联，串联的中点接电压比较器X1的同相输入端和电压比较器X2的反相输入端，串联的中点还接电容C1的正极；

二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C1的负极、辅助电压V3的负极、电阻R9的一端、电阻R10的一端、电阻R11的一端、电压比较器X1的负端、电压比较器X2的负端都接地；电阻R2和电阻R10串联，接在辅助电源V3的正负两端，串联的中点接电压比较器X1的反相输入端和电压比较器X2的同相输入端，电阻R3的一端接辅助电源V3的正极，另一端接电压比较器X1的输出端，电阻R8的一端接辅助电源V3的正极，另一端接电压比较器X2的输出端；

光电耦合器U1二极管部分的阳极接电压比较器X1的输出端，其二极管部分的阴极接电阻R9的另一端，光电耦合器U1三极管部分的集电极接辅助电源V2正极，其三极管部分的发射极接功率MOS管Q1的栅极，辅助电源V2的负极接功率MOS管Q1的源极，电阻R4接在功率MOS管Q1的栅极和源极之间；

光电耦合器U2二极管部分的阳极接电压比较器X2的输出端，其二极管部分的阴极接电阻R11的另一端，光电耦合器U2三极管部分的集电极接辅助电源V5正极，其三极管部分的发射极接功率MOS管Q2的源极，辅助电源V5的负极接功率MOS管Q2的栅极，电阻R5接在功率MOS管Q2的栅极和源极之间；

功率MOS管Q1的漏极、功率MOS管Q2的漏极、电阻R6的一端接在一起组成输出电压的火线或正极，市电V1的零线、蓄电池电压V4的负极、电阻的R6另一端接在一起组成输出电压的零线或负极，市电V1的火线接功率MOS管的源极，蓄电池电压V4的正极接功率MOS管的源极；

功率MOS管Q1是NPN型，功率MOS管Q2是PNP型。

附图说明

图1 传统不间断电源的电路框图

图2 终结式不间断电源的电路框图

图3 直流电压和交流电压同时给负载供电

图4 直流电压和交流电压同时给负载供电时电流仿真波形

图5 见证奇迹的发生

图6 奇迹的发生时负载电压仿真波形

图7 实际电路

图8 实际电路输入电压仿真波形

图9 实际电路中Q1栅极电压仿真波形

图10 实际电路中Q2栅极电压仿真波形

图11 实际电路输出电压仿真波形

图12 实际电路中输入电流仿真波形

图13 实际电路中负载电流仿真波形

图14实际电路中电池电流仿真波形

图15 负载特性电路

图16 负载特性电路输入电压仿真波形

图17 负载特性电路输出电压仿真波形

图18 负载特性电路负载电压仿真波形

图19 控制信号产生电路

图20 控制信号G1仿真波菜

图21 控制信号G2仿真波菜

图22 控制信号产生电路输入电压仿真波形

图23蓄电池供电转市电供电电路

图24蓄电池供电转市电供电输入电压仿真波形

图25蓄电池供电转市电供电输出电压仿真波形

图26蓄电池供电转市电供电输入电压仿真波形细节

图27蓄电池供电转市电供电输出电压仿真波形细节

图28市电供电转蓄电池供电电路

图29市电供电转蓄电池供电输入电压仿真波形

图30市电供电转蓄电池供电输出电压仿真波形

图31市电供电转蓄电池供电输入电压仿真波形细节

图32市电供电转蓄电池供电输出电压仿真波形细节

图33 切换时刻电流特性

图34 切换时刻市电输入电流仿真波形

图35 切换时刻蓄电池电流仿真波形

图36 切换时刻输出电流仿真波形

图37交直，直交非过零点多次切换电路的负载特性

图38交直，直交非过零点多次切换时输出电压Vo的仿真波形

图39交直，直交非过零点多次切换时电输入压Vi的仿真波形

图40交直，直交非过零点多次切换时负载电压仿真波形

图41交直，直交非过零点多次切换时负载电压仿真波形细节

图42交直非过零点多次切换时输出电压仿真波形细节

图43直交非过零点多次切换时输出电压仿真波形细节

具体实施方式

1.一个不可逾越的障碍

图3是300V直流电压和220V交流电压同时给负载R3供电，蓄电池（每节500Ah,2V）内阻R1为0.11毫欧，市电内阻R2更小，设为0.11毫欧，电流仿真波形如图4。

由图4的电流仿真波形可以看到,交流电压在负载输出幅值300A的交流电流，同时通过两个内阻R1、R2之和（0.22毫欧）以3百万安的交流对蓄电池充电。如果真有这么大的电流充电，后果将是燃烧、爆炸，或者直接汽化。

现实中并不存在图3所示的电路，实际上也不会产生如此超大的充电电流，但在终结式不间断电源（图2）中却完全有可能发生：当市电（Vi）停电时，为了保证用户设备供电不中断，蓄电池V2必须尽快接入，在接入的瞬间，市电有可能并没有完全切断，恰逢市电的负半周，而且正好是负半周的极小值附近，此时的电路就和图3的电路一样，可能产生的后果，不言而喻。就算事件并不发生在负半周的极小值附近，充电电流不是3百万安，但只要不是发生在正半周或零点附近（概率为50%），就会酿成灾难。

传统不间断电源之所以成功进行市电供电转蓄电池供电、蓄电池供电转市电供电，或者成功进行旁路操作、人工切换市电，那是因为所转换双方都是交流正弦波电压，同时事先进行了复杂的同步。

鉴于上述原因，图2所示终结式不间断电源完全不适用，交流和直流不可能直接在同一个输出端口供电，即必须进行功率变换，使得两种输入电压实现隔离，否则就不能实现不间断电源的最基本的功能：保证用户设备供电不中断。

这的确是一个不可逾越的障碍，除非发生奇迹。

2.见证奇迹的发生

图5是终结式不间断电源的原理电路，两个PNP型MOS功率管Q1、Q2代替图3的两个电阻R1、R2，如图4所示联结。Q1的体二极管阴极向上，Q2的体二极管阴极向上。

前100ms，Q1的栅源驱动电压V1为低电平，Q1截止，Q1体二极阻止蓄电池电压能过，与此同时，Q2的栅源驱动电压V2为高电平，Q2导通。正弦波的正半周从Q2的体二极管通过，其负半周从Q2的漏源极通过，此时输出电压Vo是市电电压V4。

后100ms，Q1的栅源驱动电压V1为高电平，Q1导通，蓄电池电压V3从Q1的漏源极通过；与此同时，Q2的栅源驱动电压V2为低电平，Q2截止，正弦波的正半周从Q2的体二极管通过，其负半周不能从Q2的漏源极通过，此时输出电压Vo是蓄电池电压V3与市电电压V4正半周的叠加。

图6是输出电压Vo的仿真波形，如前所述，前100ms，输出电压Vo是市电电压V4，是正弦波电压；后100ms，输出电压Vo是蓄电池电压V3与市电电压V4正半周的叠加，为了便于观察和说明问题，特地设置蓄电池电压V3为280V，可以清楚观察到在280V蓄电池电压之上叠加有幅度为20V正弦波尖端电压。

图5和图3电路拓朴相同，仅仅把电阻R1、R2更换成作为开关的功率MOS管Q1、Q2，实现了交流和直流直接在同一个输出端口供电，没有进行任何功率变换，就使得两种输入电压实现和谐共处，没有发生3百万安电流对蓄电池充电，不会产生燃烧、爆炸、或者直接汽化的后果。同时实现了不间断电源的基本功能，保证用户设备供电不中断。一个不可逾越的障碍消除了，奇迹终于发生。

3.实际电路

图7是终结式不间断电源的实际电路，整机只包括两个功率MOS管Q1、Q2，如图7所示联结。Q1是NPN型，其体二极管阴极向上，接在Q1源极的市电，其正半周可以通过此体二极管到达输出端，Q2是PNP型，其体二极管阴极向下，此体二极管阻止接在Q2源极的蓄电池电压到达输出端。

当市电V3供电时（前500ms）， Q1的栅源驱动电压V1为高电平，Q1导通。正弦波的正半周从Q1的体二极管通过，其负半周从Q1的漏源极通过；与此同时，Q2的栅源驱动电压V2为低电平，Q2截止，Q2体二极阻止蓄电池电压通过，输出电压Vo是市电电压V3。

当市电V3停电时（后500ms），， Q1的栅源驱动电压V1为低电平，Q1截止，正弦波的正半周从Q1的体二极管通过，其负半周不能从Q1的漏源极通过；与此同时， Q2的栅源驱动电压V2为高电平，Q2导通，蓄电池电压V4从Q2的漏源极通过；输出电压Vo是蓄电池电压V3与市电电压V3正半周的叠加。

市电停电后的这一段叙述听起来很奇怪，既然市电已经停电，怎么还要讲市电正半周和负半周如何通过Q2，这不是画蛇添足吗？其实不然，这里大有文章，整个终结式不间断电源成败之关键和奥密之所在，非此莫属。

一方面，市电停电，蓄电池直流电压必须尽快接入，以确保用户设备供电不中断；另一方面，市电停电时过快接入直流电压，市电并未彻底关断，有可能进入市电的负半周，从而酿成灾难，终结式不间断电源在市电停电时如何既能尽快接入蓄电池直流电压，以确保用户设备供电不中断，又能在市电并未彻底关断时，不进入市电的负半周，避免酿成灾难。

在此期间，市电实际已经停电，但是当成市电并没有停电来进行处理，处理的结果是：输出电压Vo是蓄电池电压V4与市电电压V3正半周的叠加。这里蕴含的意义是：只当市电没有停电，在蓄电池直流电压接入的时刻，尚且不会进入市电负半周，现在实际上市电是停电了，当然更不会进入市电负半周，也就不会酿成灾难。达此目标的物理保证是，市电V3通过PNP功率MOS管Q12进入输出端Vo。V3的正半周通过Q1的体二极管进入，是常开的，V3的负半周通过Q1的漏源极进入，是由市电自身控制的，只要市电停电，其源栅电平为低，Q1关断，彻底阻止了市电的负半周通过，就算市电没有停，负半周同样不能通过，进不了输出端。功率MOS管Q1、Q2的关断时间是40微秒，就算两个功率MOS管同时动作，关断市电在40微秒后完成，接入蓄电池直流电压也在40微秒后完成，蓄电池直流电压和市电的负半周也绝对不会碰到一起。为了确保安全，可以使Q1的栅源控制信号V1延时10微秒。本处切换时间以微秒计，而传统不间断电源的切换时间以毫秒计，其间相差几个数量级。

当市电恢复、蓄电池直流电压关断时的情况与此类似，此处不再赘述。

在市电V3供电期间，其正半周通过功率MOS管Q1的体二极管给负载R1供电的同时，还通过Q2的体二极管对蓄电池充电。在市电V3供电期间，由于Q2体二极管的作用，蓄电池V3只充电，不放电。

图8到 11是终结式不间断电源各点电压仿真波形，模拟500ms停电一次，依次是：输入电压Vi、功率MOS管Q1栅源控制电压V1、功率MOS管Q2栅源控制电压V2、输出电压在Vo。当市电正常供电时，输出电压Vo是市正弦波电压V3，当市停电时，输出电压是蓄电池的直流电压V4，在模拟的多次停电中，蓄电池电压V4设为300V，接入期间，完全看不到市电正半周的尖端电压。

图12到图14是终结式不间断电源各点电流仿真波形，模拟500ms停电一次，依次是：市电电流Ii、蓄电池电流Id、负载电流Io，

在市电供电转蓄电池供电、蓄电池供电转市电供电的多次转换中，负载电流、市电电流、蓄电池电流都正常，市电没有对蓄电池进行超大电流充电。

在市电供电期间，市电电流是正弦波，负载电流也是正弦波，蓄电池电流为零，负载电流在数值上等于市电电流；在停电期间，市电电流为零，负载电流是直流电流，蓄电池输出直流电流，负载电流在数值上等于蓄电池电流。

4.负载特性

图15的终结式不间断电源接容性负载的电路，在7电路的后面接整流桥BR1，负载R1，滤波电容C1。市电V3实际并未停电，只不过是Q1、Q2的栅源驱动电压周期500ms、脉宽250ms的方波电压，模拟多次停电。

图16到图18是终结式不间断电源负载特性仿真波形，依次是：输出电压Vo、输入电压V3、整流滤波输出波形Vd，Vo的波形与图7的仿真波形相同，从负载电压仿真波形Vd可以看到，前250ms输出的是正负幅度600V的正弦波电压，后250ms输出的是幅度300V的直流电压，尽管两者幅度相差300V，但容性负载输出电压Vd仍然是平直的一条线。

从输出电压Vo的仿真波形可以看出，在蓄电池直流电压通过Q1到达输出端的同时，也可以看到市电正半周正弦波的尖顶电压，实际上，整个正弦波的正半周已经通过Q1的体二极管到达了输出端，与蓄电池直流电压同时输出，只不过正弦波正半周小于蓄电池300V以下的部份被蓄电池直流电压复盖，看不出来了。这里蕴含了一个非常重要的事实：终结式不间断电源不用通过任何功率变换，就可以实现市电交流电压和蓄电池直流电压同时、直接对用户设备供电，根本就不存在，也不会产生3百万安电流充电、燃烧、爆炸、直接汽化。

不间断电源的负载都是计算机及其外设，其内部采用的都是开关电源，开关电源的输入部份都是容性负载，作为不间断电源负载的计算机及其外设，完全感觉不到是市电交流电压供电，还是蓄电池直流电压供电，进一步说明，在市电停电期间，用蓄电池直流电压供电对

用户设备并无影响，更进一步说明，蓄电池直流完全没有必要逆变成交流，白白浪费能源、资源、人力、物力。

5.控制信号的产生

图19是终结式不间断电源控制信号的产生电路，V1是市电正弦波电压，X1、X2是两个电压比较器LM339，市电V1整流后的馒头波经电阻R1、R7分压后，接X1的同相端和X2的反相端，辅助电压V3经电阻R2、R10分压后接X1的反相端和X2的同相端。

当市电供电时，整流后的馒头波电压不为零，X1的同相端和X2的反相端高电平，于是X1输出端G1高电平,X2的输出端G2低电平；当市电停电时，整流电压为零，X1的同相端和X2的反相端低电平，于是X1输出端G1低电平,X2的输出端G2高电平。控制信号G1驱动图5中的Q1, 控制信号G2驱动图5中的Q2。

由二极管D1-D4组成的整流桥，其输出端没有接大电容滤波，输出的电压是馒头波，到达比较器X1、X2输入端的是市电V1的瞬时值。从整体讲，控制信号产生电路检测的是输入市电的瞬时值而不是平均值，这样蓄电池供电转市电供电、市电供电转蓄电池供电切换快响应快，没有延时。电容C1是一个20N的小电容，用以调节零点，实际上两个电压比较器LM339 （X1、X2）用作为零比较器。

图20到图22是终结式不间断电源控制信号的仿真波形，依次是：控制电压G2和G1、输入市电V1。市电供电时控制信号G1为高电平，控制信号G2为低电平；市电停电时控制信号G1为低电平，控制信号G2为高电平。

6.蓄电池供电转市电供电

图23是终结式不间断电源的实际电路，为了模拟蓄电池供电转市电供电，市电采用延时400ms的正弦波电压源V1，相当于停电400ms后市电恢复正常。

市电V1进入信号产生电路，产生控制信号G1、G2，G1控制功率MOS管Q1，G2控制功率MOS管Q2，由于Q1、Q2的源极与信号产生电路不共地，其间采用光电耦合器件4N33隔离。

蓄电池供电转市电供电的工作过程如下：

市电V1延时400ms，在此期间没有正弦波输出，相当于停电，控制信号产生电路产生的控制信号G1为低电平，G2为高电平，通过两个光电耦合器件4N33（U1、U2）隔离驱动后，Q1截止，Q2导通，蓄电池直流电压V4通过Q2的源漏极到达输出端，这时输出电压V是蓄电池的直流电压。

市电V1延时400ms后，有正弦波电压输出，相当于市电恢复供电，控制信号产生电路产生的控制信号G1为高电平，G2为低电平，通过两个光电耦合器件4N33（U1、U2）隔离驱动后，Q1导通，Q2截止，市电V1的正半周通过Q1的体二极管到达输出端，其负半周通过Q1的漏源极到达输出端，蓄电池直流电压V4不能通过Q2，这时输出电压Vo是市电交流电压V1。

市电停电400ms后，在（400ms+）时刻，市电的幅值大于零，控制信号G1立即为高电平，Q2立即为低电平，Q1导通，Q2截止，在40微秒内，市电通过Q1到达输出端，同时切断蓄电池的直流电压。比较器4N33检测的是市电的瞬时值，动态响应特别快，市电交流电压和蓄电池直流不会同时出现在输出端，酿成灾能性故障。

至此完成了蓄电池供电转市电供电的操作过程。

图24、图25是蓄电池供电转市电供电各点电压仿真波形，Vi是输入市电,延时400ms，相当于市电停电,于是蓄电池直流电压自动接入，因此输出电压Vo的前400ms是蓄电池的直流电压；输入市电400ms后正常供电,蓄电池直流电压自动关断, 此后输出电压Vo就是市电V1。

图26、图27是蓄电池供电转市电供电各点电压仿真波形的细节，在切换点进行了放大。由于停电400ms，市电进入的切换时机正巧市电过零，在“400ms+”时刻，市电的瞬时值大于零，G1高电平，G2低电平，至使Q1开通，Q2关断，蓄电池直流电压立即被切断,输出电压Vo是市电V1。从仿真波形的细节图可以看到，两种电压切换时，输出电压Vo没有中断，切换时间不是零毫秒，而是零微秒，与传统不间断电源相比，切换时间相差1000倍。

本例只能观察到市电过零时刻（即“400ms+”时刻）的切换过程，无法观察到负半周的切换，因为正弦波仿真电压源V1无论延时多少，都是从零点开始正弦波。

7. 市电供电转蓄电池供电

图28是终结式不间断电源的实际电路，为了模拟市电供电转蓄电池供电，市电采用间歇式正弦波电压源V1,500ms为一周期，200ms输出正弦波电压，间歇300ms,相当于市电供电200ms后停电。

市电V1进入信号产生电路，产生控制信号G1、G2，G1控制功率MOS管Q1，G2控制功率MOS管Q2，由于Q1、Q2的源极与信号产生电路不共地，其间采用光电耦合器件4N33隔离。

市电供电转蓄电池供电的工作过程如下：

从零时刻开始，市电V1有正弦波输出，相当于市供电，控制信号产生电路产生的控制信号G1为高电平，G2为低电平，通过两个光电耦合器件4N33（U1、U2）隔离驱动后，Q1导通，Q2截止，市电V1的正半周通过Q1的体二极管到达输出端，负半周通过Q1的源漏极到达输出端，蓄电池直流电压V4不能通过Q2，这时输出电压Vo是市电交流电压V1。

在“200ms+”时刻，Vi没有电压输出，相当于停电，控制信号产生电路产生的控制信号G1为低电平，G2为高电平，通过两个光电耦合器件4N33（U1、U2）隔离驱动后，Q1截止，Q2导通，蓄电池直流电压V4通过Q2的源漏极到达输出端，这时输出电压Vo是蓄电池的直流电压V4。

至此完成了蓄电池供电转市电供电的操作过程。

图29、图30是市电供电转蓄电池供电各点电压仿真波形，依次是：输入电压V1,输出电压Vo。

本例只能观察到市电过零时刻（即“400ms+”时刻）的切换过程，无法观察到负半周的切换，因为正弦波仿真电压源V1无论延时多少，都是从零点开始正弦波。

市电Vi供电200ms后停电300ms；输出电压Vo在市电供电期间，是正弦波电压Vi，在停电期间，是蓄电池直流电压,因此输出电压Vo的前200ms是正弦波交流电压；后300ms是蓄电池的直流电压。

图31、图32是市电供电转蓄电池供电各点电压仿真波形的细节，由于供电200ms，市电进入的切换时机正巧市电过零，在“200ms+”时刻，使Q1关断，Q2开通，蓄电池直流电压立即接入。从仿真波形的细节图可以看到，两种电压切换时，输出电压Vo没有中断，两种电压切换时，输出电压Vo没有中断，切换时间不是零毫秒，而是零微秒，与传统不间断电源相比，切换时间相差1000倍。

8. 电流特征

如前所述，图2所示终结式不间断电源完全不适用，交流和直流不可能直接在同一个输出端口供电，即必须进行功率变换，使得两种输入电压实现隔离，否则就不能实现不间断电源的最基本的功能：保证用户设备供电不中断。这的确是一个不可逾越的障碍，除非发生奇迹。

到底一个不可逾越的障碍是否消除，奇迹是否发生，关键得看市电支路和蓄电池支路是否会产生几百万安的充电电流。图33是切换时刻各点电流仿真电路，输入市电是延时250ms的正弦波电压源，在市电支路、蓄电池支路、负载支路都接入电流检测器，Ii电流检测器与市电V1串联，Id电流检测器与蓄电池V4串联，Io电流检测器与负载R6串联，观察和测量在蓄电池供电转市电供电时刻各支路的电流。

图34到图36是切换时刻各点电流仿真波形，依次是：市电电流Ii、蓄电池电流Id、负载电流Io，负载电阻R6是10欧，在蓄电池供电期间，负载电流是30安，这与计算结果一致，此时蓄电池支路电流为-30A，按图中所标注电流检测器的方向可知，负载电流30安由蓄电池供电，市电供电电流为零。在250ms+时刻，转为市电供电，负载电流是幅值为30A的正弦波，这显然是市电供电，蓄电池供电电流为零。市电支路和蓄电池支路都没有产生几百万安的充电电流。由此可见，一个不可逾越的障碍真实消除，奇迹果真发生。

9. 交直，直交非过零点多次切换的负载特性

图37是终结式不间断电源的实际电路，在图28电路右边接一个容性负载，观察任意时刻，交直，直交多次非过零点切换的负载特性。最左边是“市电停电模拟器”不是终结式不间断电源的一部份，仅仅只是利用其产生的可停电电压Vi。

SiMetrix/SIMPLIS 8.0电力电子仿真软件的模型库中没有任意幅值开始和停止的正弦波电压源，为了观察和测量在市电负半周极小值附近切换时发生的电流电压的真实情况，于是用功率MOS管Q3、Q4、方波信号V6、V7组成一个任意幅值开始和停止的正弦波电压源，会停电的正弦波电压源，即市电停电模拟器，其原理如下：

图37的最左边，V1是正弦波电压，R13是负载电阻，方波信号V6、V7的周期和脉宽相同，周期是市电供电、市电停电、市电恢复的一个来回，脉宽是市电供电的时间，周期减脉宽是停电时间。

当V6、V7为高电平时，Q3、Q4导通，正弦波电压V1正半周通过Q4的体二极管、Q3的漏源极、负载电阻R13到地，形成回路，市电负半周通过Q4的源漏极、Q3的体二极管、负载电阻R13到地，形成回路，以此时模拟市电供电；当V6、V7为低电平时，Q3、Q4关断，正弦波电压V1不能通过Q3、Q4两个负极对接、串联联接的体二极管，V1被阻断，Vi无输出，此时模拟市电停电。输出电压Vi取自电阻R13。

控制信号电压V6、V7的频率和脉宽可以预先设置，所以输出电压Vi供电、停电的时刻是也是可以预先设置的，亦即找到一个可以任意幅值开始和停止的正弦波电压源，取自负载电阻R13上的正弦波电压Vi就是市电停电模拟器的输出电压。

本例设置V6、V7的周期为500ms,脉宽为265ms,15ms正好在V1的负半周极小值处停电。

组成的容性负载，也不是终结式不间断电源的一部份，终结式不间断电源仅仅只由两个作为开关的功率MOS管组成。

图38到图40是交直，直交非过零点时刻多次切换的负载特性，在容性负载上的直流电压仿真波形，依次是：输出电压Vo、输入电压（停电模拟器输出电压）Vi、容性负载电压Vd，从仿真波形可以观察到，输出电压Vd是一条直线，特别在Vi停电期间，蓄电池的直流电压供电时，容性负载上的输出电压Vd更平坦，对于容性负载说来，蓄电池的直流电压供电更好。

不间断电源的用户设备都是清一色的计算机及其外设，计算机及其外设都无一例外地采用了开关电源，开关电源都是容性负载，图18容性负载Vd的电压仿真波形可以说明：容性负载即计算机及其外设，对于输入的是市电的交流电压，还是蓄电池的直流电压，根本无感觉，完全不能区分；进一步可以说明，蓄电池的直流电压逆变成正弦波电压，完全是多此一举，吃力不讨好；更进一步说明：终结式不间断电源直接输出蓄电池的直流电压是完全合理、恰当、自然的事情。

终结式不间断电源当市电停电时直接输出蓄电池的直流电压，在此时间间隔内不能带感性负载，即不能带由工频变压器组成的线性稳压电源和电动机，但是高损耗、低可靠的线性稳压电源在上世纪早已淘汰，普通电动机在计算机及其外设中是找不到的，万一找到一个电动机，那也是数字化的步进电机，驱动步进电机的还是开关电源。

图41是交直，直交非过零点时刻多次切换的负载特性细节，纵轴电压从100V到310V，放大了容性负载电压仿真波形的波动范围，可以看得更清楚。

在容性负载R12、C2上的直流电压仿真波形上，可以观察到，在265ms、515ms、765ms等多个切换处，容性负载的输出电压非常平稳，电压没有产生过冲。在放大波形上可以看到，在市电供电期间，输出电压Vd有起伏和波动，而在蓄电池供电期间，输出电压Vd没有起伏和波动，完全是一条直线，说明直流供电优于交流供电。

图42是市电供电转蓄电池供电切换时刻输出电压仿真波形的细节,市电停电模拟器的供电、停电时刻是随机的，不再在正弦波过零时切换。图中显示切换时刻发生在负半周的极小值附近，切换发生时刻+，输出电压Vo显示的是蓄电池的直流电压，曲线平直，没有过冲，完成了市电供电转蓄电池供电的切换过程。

前述市电对蓄电池以3百万A电流充电，正是发生在市电供电转蓄电池供电、市电负半周极小值附近，与图42所仿真的切换时刻完全相同，但是这儿什么也没有发生，没有超大电流对蓄电池充电，也没有发生燃烧、爆炸或直接汽化。

图43是蓄电池供电转市电供电切换时刻输出电压仿真波形的细节,市电停电模拟器的供电、停电时刻是随机的，不再在正弦波过零时切换。图中显示切换时刻发生在负半周的极小值附近，切换发生时刻+，输出电压Vo显示的是蓄电池的直流电压，曲线平直，没有过冲，完成了蓄电池供电转市电供电的切换过程。

前述市电对蓄电池以3百万A电流充电，正是发生在蓄电池供电转市电供电、市电负半周极小值附近，与图21所仿真的切换时刻完全相同，但是这儿什么也没有发生，没有超大电流对蓄电池充电，也没有发生燃烧、爆炸或直接汽化。

10. 讨论

1)传统不间断电源的发展方向完全背离了其发明初衷

不间断电源的使命仅仅在于：当市电中断、用户设备中整流后的直流电压下降到额定值的75%之前（一般为10毫秒以内）及时切换到蓄电池供电，确保输出电压不中断。除此以外的所有功能，都是多余的。表1是部标YD/T 1095-2008所规定的通信用在线式不间断电源电气性能，共计21项，其中没有任何一项功能是用户设备所需要的，也不产生任何增值服务。

所包含的不必要的功能越来越多，整机变得越来越复杂，自然就变得越来越不安全。在有的地方，系统使用不间断电源甚至比不使用不间断电源的故障率还要高。

传统不间断电源“功能越来越多，越来越复杂”的代价除了“越来越不安全”外，还伴随着成本、体积、重量、功耗和故障率、EMI干扰的增加，同时浪费能源、资源、人力、物力，不绿色、不节能、不环保，污染电网。

防雷击：如果大楼让雷击劈成两半，不间断电源还在吗？自己在不在都不知道，还能防得了雷吗？大楼都有专业防雷击措施，可确保整个大楼不被雷击，那不间断电源的防雷击还有实际意义吗？

输出频率，波形失真度，频率相位偏差：不间断电源的用户设备只有计算机及其外设，一不与市电并网，二不带频率敏感设备，把频率做得这么准，有实际意义吗？

波形因数：用户设备只吸取不间断电源所提供的电能，即正弦波中的基波分量，并不需要正弦波中的谐波分量，把正弦波的波形做得那么完美，有实际意义吗？

输入功率因数，正是传统不间断电源的引入，这才破坏了网侧功率因数，不间断电源把功率因数提高到95%，只不过把自身的容性电路对网侧功率因数的损害作用减小，并不是对用户设备的功率因数进行校正。

输出电压稳定度：不间断电源的用户设备都是清一色的计算机及其外设，都无一例外采用了开关稳压电源，其工作电压范围是110-240V，把电压稳定度提高到3%,甚至0.1%，有实际意义吗？这正如冲厕所，用自来水、纯净水、超纯水，效果都一样，规定一定要用超纯水冲厕所，在技术上是没有错，但这太也莫明其妙了。

手机的发展方向也完全背离了其发明的初衷，也是“功能越来越多,越来越复杂”，但手机每增加一项功能，都会带来增值服务，方便人们享受生活，比如照相机、手电筒、互联网、游戏机、GPS定位等等，但传统不间断电源完全没有这样的效果。

2)交流供电和直流供电并无区别

传统不间断电源先把输入市电交流电压或蓄电池的直流电压变成高频率的方波电压，然后用电容、电感滤波，再变成交流电压输出，这种事倍功半、吃力不讨好的方法，显然效率低而浪费能源。

采用PWM脉宽调制的方法，高频率、大功率方波的产生过程，也就是强烈EMI干扰产生的过程，大功率直流逆变器相当于一个高频功率发射台，可以想见，所产生的干扰何其严重，功率变换过程中，输入功率的全部必须进行实际的功率变换，所有变换的功率必须通过磁芯变压器或电感传递才能到达输出端，损耗大，效率低。

传统不间断电源设计不合理，造成电能浪费：不间断电源的逆变器好不容易采用各种先进技术，把市电经整流滤波后的300V直流电压逆变成稳频稳压的220V交流电压，但此交流电压一旦进入用户设备，该设备的整流滤波器又立刻进行相反的变换─把220V交流电压变换成300V的直流电压。众所周知，能量从一种形式变换成另一种形式，总会有一部分能量在变换过程中消耗掉，即变换效率恒小于１，这是自然界的客观规律，电能的变换也不例外。在逆变和整流这两个多余的变换环节上，电能损耗约25%。

实际上，计算机及其外设真正需要的是交流电压中的直流分量，而不是其中所包含的各次谐波，把直流逆变成交流，实际上是多此一举。同时，交流电压中所包含的各次谐波对计算机及其外设构成了现实的和潜在的威胁，是数据安全的重大隐患，因此，供给计算机及其外设的最佳电压应该是直流电压。

一个常见的传统观念是：终结式不间断电源在市电停电期间，提供给用户设备的，是蓄电池的直流电压，不能带感性负载，因此在应用上有局限性。实际上，直流供电与交流供电相比，在应用上并无局限性。

对于用户设备而言，直流供电与交流供电并无区别，为什么还要把蓄电池的直流电压逆变成交流电压？

3)恒定电压供电和非恒定电压供电并无区别

另一个常见的传统观念是：终结式不间断电源在市电停电期间，提供给用户设备的，是蓄电池单边下降的直流电压，即一个在区间范围内变化的直流电压，对用户设备的稳定运行有影响。实际上，在一个区间内变化的直流电压，对用户设备的稳定运行并无影响.。

电压随时间的缓慢变化，之所以对计算机及其外设的稳定运行并不产生任何不利影响，是因为这些设备的内部都采用开关稳压电源，并不要求恒定电压供电，在市电正常波动范围内，都能稳定、可靠地工作。使输出电压保持在正常范围之内是不间断电源的必要特征，而使输出电压保持恒定则是多余特征。

第三个常见的传统观念是：使用不间断电源的，都是要求绝对安全、绝对可靠的要害部门的关键设备，既然已经使用了不间断电源，怎么还能用市电或蓄电池的直流电压供电，这既不安全，又不可靠。实际上，采用终结式不间断电源供电，更安全，更可靠。

对于用户设备而言，恒定电压供电和非恒定电压供电并无区别，为什么还要把输出电压稳定度提高到3%,甚至0.1%？

4)平均无故障时间MTBF

电气设备整机平均无故障时间MTBF，为各器件失效率之和的倒数，与整机的零部件、元器件总数成反比，即所包含的器件越多，MTBF越小。

山特系列不间断电源包括无熔丝开关、滤波板、保护电路、整流器、电池组、逆变器、静态开关、旁路开关、隔离变压器、输出滤波板等；一个隔离稳压器就包括旁路隔离变压器、旁路稳压调压器、补偿变压器等；一个交流配电屏包括了控制开关、控制板、仪表等；上述每块电路板都包括了一大堆元器件，电容、电阻、电感及其他器件。

山特不间断电源整机包括5000个器件，其平均无故障时间MTBF为24000小时，合2,74年。终结式不间断电源整机不到100个器件，根据推算，其平均无故障时间MTBF为1200000小时，合137年。

平均无故障时间MTBF与整机所包含的器件总数成反比，这是铁定的，是一个硬指标，增加MTBF的唯一途径就是尽量减少总器件数。传统不间断电源“功能越来越多，越来越复杂”，于是变得“越来越不安全”，这就是原因之所在。

5)传统不间断电源本质上是一个“间断电源”

传统不间断电源MTB不到3年，不可能达到寿命期内无故障，实际是一种“伪不间断电源”。为了“糊弄”用户设备，机内装有两组开关，其中一组开关因不间断电源本身故障时，自动切换到市电供电，另一组开关在不间断电源检修时人工切换到市电供电。无论哪一种切换，也无论切换到市电供电的时间多长，在这一时间间隔内，用户设备相当于完全裸露在宇宙射线之下，没有任何防护。在这惊心动魄的时间间隔内，市电随时都会停电，这种停电都是致命的，整个大数据、银行、证券、国家安全部门、军事决策部门、乃至整个国家民族，都笼罩在危机之中，这完全不是耸人听闻。

不间断电源最为重要、最为核心的使命，就是要保证用户设备供电不中断，不能看其所具备的功能有多少，也不能看这些功能有多强大，更不能看频率稳定度或电压稳定度做得有多完美。机内两组静态开关自动切换或人工启动，切换到市电供电，这样的不间断电源充其量也就是一个“间断电源”。对于用户设备而言，既然传统不间断电源只是一个“间断电源”，为什么还不放弃？

机内两组静态开关切换启动或人工启动，切换到市电供电，固然是传统不间断电源成为“间断电源”的根本原因，但同时也可以得出结论：只要不停电，市电对于用户设备而言，是充分可靠，充分安全的。

时代在进步，科技在发展，但传统不间断电源因发展方向错误，其平均无故障时间MTBF反而越变越小，这是属命的、命中注定的，最终只能退出历史舞台。

6)终结式不间断电源才是用户设备的保护神

终结式不间断电源，除了控制电路之外，仅有两只作为开关之用的功率MOS管，市电交流电压和蓄电池直流电压，在控制电路适时、精确的控制之下，由两只功率MOS管直接输出，实现了不间断电源的所有必要功能，电路简单到极至、在产品寿命期内无故障、安全可靠；绿色、节能、环保、不产生EMI干扰；成本、体积、重量、功耗都趋近于零，是一种取代目前流行的所有不间断电源的换代产品。

不间断电源的真谛是确保用户设备供电不中断，一切貌似华丽的功能都是多余的。家用台式电脑，全部直接市电供电，都运行稳定、可靠，从来没有因为市电直接供电而出现电脑故障。这更进一步说明，市电对于计算机及其外设而言，是充分可靠、充分安全的，无论用什么方法，只要能确保市电供电不中断，就算是一块豆腐，也可称之为不间断电源。

终结式不间断电源主机只十多个器件，加上外围配套部件，整机最多100个器件，根据推算，其平均无故障时间MTBF为1200000小时，合137年，这也是属命的、命中注定的。终结式不间断电源适时、精确地输出市电交流电压和蓄电池直流电压，直接提供给用户设备，这并不是“权宜之计”，也不是“临时凑合”，而是理论研究和科技进步的必然结果，最后终成正果，修炼成用户设备的保护神。

11. 终结式不间断电源的优点

1)终结式不间断电源不包括任何功率变换器，整机只有两个用作电子开关的功率器件，除此电子开关外，整机功耗为零。终结式不间断电源切换时间40us，确保用户设备供电不中断，而且安全可靠，寿命期内无故障，是一个真正意义上的不间断电源。

2)终结式不间断电源与传统不间断电源相比，其成本、体积、重量、功耗都小到忽略不计，趋近于零，电路简单到极至，安全可靠，绿色、节能、环保，不产生EMI干扰，网侧功率因数100%，总谐波畸变THD为零。

3)终结式不间断电源在市电停电期间，直接输出蓄电池的直流电压，不能带变压器或电动机，这并不会产生不方便，因为在开关电源中找不出工频变压器或电动机，在计算机及其外设中找不出没有采用开关电源的设备，对于开关电源而言，输入的是交流电压还是直流电压，毫无区别。如果一定要在200KVA的不间断电源系统接入100VA的工频变压器或电动机，可以选择一个100VA的逆变器直接插入到终结式不间断电源，同样会有不间断功能。

4)终结式不间断电源输出的电压不恒定，这一点完全无关紧要。现代科学技术的发展，已经达到这样一个高水平：找不出有哪一个用电设备不采用开关电源，或者说没有哪一个用电设备仍然采用老式的、带有工频变压器的线性稳压电源。对于开关电源而言，电压从110V到240V都能稳定、可靠工作，输入的是恒定电压还是非恒定电压，毫无区别。如果一定要200KVA的不间断电源系统输出100W的恒定电压，可以选择一个100W的直流或交流稳压器直接插入到终结式不间断电源，同样会有不间断功能。

5)既然交流供电和直流供电并无区别，既然恒定电压供电和非恒定电压供电并无区别，那么继续研究、改进、完善传统不间断电源所包括的五种功率变换器，还有实际意义吗？既然多花费十倍、百倍、千倍的成本、体积、重量、功耗，传统不间断电源仍然还是一个“间断电源”，那么继续生产、销售、使用传统不间断电源，还有实际意义吗？正如我们用LED取代了大行其道几个世纪的白炽灯，为的是节能和环保；为了相同目的，完全可以用终结式不间断电源取代传统不间断电源。

6)终结式不间断电源，顾名思义，就是在这个世界终结了不间断电源的研究。

说明：本发明电路图均由电力电子仿真软件SiMetrix/SIMPLIS 8.0提供，可不加修改直接仿真，获得相同的输出波形。