浅谈应用于特种环境下的船载方舱UPS电源

浅谈应用于特种环境下的船载方舱UPS电源

刘梦菲

安徽博微智能电气有限公司  安徽省合肥市  231200

摘要：近年来，随着电力电子技术，半导体技术，数字技术等快速发展，电源产业得到了大力的发展，其中数字阵列电源系统不断追求客户需求，向可靠，高效，易用易维护等方向发展，船载、船载设备的更新换代也势在必行。本文从几个方面探讨了特种环境下，方舱用UPS电源系统在可靠性设计方面需要注意的问题，帮助促进船载方舱用UPS电源设计工作顺利开展。

关键字：特种环境、船载UPS电源、可靠性设计

0引言

随着我国国力的提升，我国越来越重视海洋政策和海洋产业的发展，包括海洋渔业，海洋环境保护，海洋运输安全，海洋资源开发利用，以及国家建设强大海军，维护海洋领土和国家安全的需要，不管是民用还是特种的各类船只舰艇，特种船只，比如民用渔船，商业运营船只，政府海监、渔政、海关、海警，以及钻探，科考，海军舰船，水上平台等均会出现大规模的高质量的增长。

1 应用于特种环境下的船载方舱UPS电源的需求

船载数字阵列电源模块要适应船只舰艇高质量的供电需求：

①体积小，重量轻

目前受船载设备空间狭小，不易搬运和维护，高功率密度数字阵列电源供电系统一直是舰船设备的追求方向。更高功率密度的船载数字阵列电源将更方便地与通讯、存储等设备实现一体化部署，系统实现高度集成。

②国产化

信息安全和国产化已经是国家战略，各种国产化的政策相续出台，要求核心单位优先使用安全可控的国产化电源系统产品，因此专门针对电源系统的国产UPS电源应运而生，而国产化产品种类繁多，包括CPU、单片机、功率管、DSP等多种类型，因此器件级的100%国产化已刻不容缓。

③可靠性

可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。

耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性；

可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性；

设计可靠性：由于人&机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性。

2 研究的重点方向

①元器件的100%国产替代，实现硬件自主可控

UPS系统中，有90%的元器件都涉及半导体产业，因此，找到功能匹配度较高且稳定的国产半导体器件替代品是当前的重点方向，而要做到零部件100%国产化替代，首先得解决关键元器件的替代，主要是功率器件及DSP芯片的替代，功率器件承担了AC到DC、DC到DC和DC到AC的变换，是UPS电源系统的心脏，它的性能和质量是决定UPS电源可靠性的首要因素，DSP芯片是整个系统控制的大脑，负责整机系统的各种信号处理和逻辑控制。

图 1 国产化产业链

②研究开源嵌入式操作系统软件架构及数字化控制技术，实现软件自主可控

由于UPS电源的功能很多，结合实际的控制芯片和产品功能，则需要在FreeRTOS进行裁剪工作以满足实际需要。FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。 FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。 FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。

③研究特种产品的可靠性

船载特种环境UPS电源系统使用环境恶劣，严重威胁电源系统的可靠运行。电源可在工作温度-40℃～+60℃、相对湿度95%（35℃±3℃）、海拔高度5000m环境下长期稳定工作，空气湿度大，因此必要的环境防护设计是必备的。盐雾试验是产品设计时保障可靠性的又一重大举措。振动和冲击试验是测试产品在外界强烈的振动和冲击下是否能够完好无损。

3 可靠性设计方向探讨

相比于传统通信用模块化UPS电源设计，特种环境下的船载UPS电源系统需要注意的更多，尤其是针对可靠性设计，有较大的的不同。

①器件选型方面的应用

船载特种环境UPS电源系统的可靠性还与其内部元器件的选择有关。元器件的选择均降额使用，在最恶劣的工作情况下，元器件的工作应力低于预期规定的额定值，从而达到降低故障率，提高产品寿命的目的。特别是功率开关管，电解电容等，均加大降额且采用冗余设计。

②特殊结构设计方面的应用

船载使用的UPS电源往往对于重量要求较高，越轻越好。汽船载重量有限，除去供电系统的重量，剩余的重量越大意味着可以在车上存放的设备越多。传统模块化UPS支持热插拔，但是由于功率的要求，重量都不是轻。拿一个20K的模块来举例，一般一个3U20kVA的模块，重量在70斤左右。因此，结构设计往往考虑选用铝洗的方式。一方面，铝导热，对于散热问题不影响；另一方面，铝壳能满足振动及冲击，方便装配。模块化的设计不可名避免带有导轨槽，结构设计师在设计时，既要考虑导轨称重能力，又要减小导轨摩擦力，因此，需要选用特殊材料聚四氟乙烯作为支撑的塑料。结构顶端需增加吊环等方便装配的设计。

③PCB板级设计方面的应用

船载使用环境需满足船载振动，盐雾，冲击等恶劣环境，电感及变压器等较重的元器件在设计初期就需要考虑增加较多的引脚，以满足振动试验，在选择电解电容时，也尽量将贴片电解电容换位插件电解电容，焊接完成后，需要增加点胶工艺。设计PCB板时，尽量考虑到重量分布，在满足耐压良好的情况下，增加较多的定位孔。对于自然散热良好的集成电路板，选择灌胶工艺，做成封装好的模块，以适应船载电源易维护、方便维修的需求。

④系统集成方面的应用

UPS电源系统是由旁路模块、功率模块、通信模块及电池包等集成而成。因此，在进行系统集成设计时，需充分考虑振动及冲击带来的影响。模块与模块之间连接需要用到航空插头，对于有防水、涉水要求的机型，还要考虑IP67要求，航插与电缆配合的部分进行防水处理。

4 研究意义和应用前景

船载UPS电源解决了船载面临的节省空间、提升容量的问题，提高性能和高功率密度技术，为进一步小型化、微型化问题提供了契机。不仅能提高产品的电气性能、可靠性、稳定性及利用率目的，同时还可以实现配电系统不断向“小型化、集成化、多功能化、智能化”等方向发展，推动了电力电子行业的升级及智能制造的进步，逐步成为不间断电源的主流发展方向。综上，本文浅谈了船用UPS电源的意义以及在设计初期就要考虑可靠性相关设计，希望可以给有关技术人员一些值得参考的内容。