UPS技术趋势：无变压器技术分析

摘要

功率电子设备的技术进步与功率器件的性能提高、新器件的不断出现有着密切的关系。50年来，随着功率半导体器件的进步，UPS设备经历了由多输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程，而性能更好的大功率IGBT器件和更先进的控制技术的出现，为UPS设备从根本去掉输出隔离变压器创造了物质条件，使其在高频化、小型化、节能化和绿色环保化方面取得了长足的进展，这就是人们所说的“高频机”。这种机型集中体现了UPS电路技术的进步，代表着UPS技术的发展方向。与传统的带输出变压器的UPS相比，它在进一步缩小体积、减轻重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面，都取得了明显的改善和进步。 
     
   
一、 UPS电路的演变史反映了UPS电路技术的发展历程 
   
最初的UPS输出逆变器都是带有输出变压器的。应该说，采用输出变压器是UPS逆变器输出电路形式所决定的，而变压器的存在却是弊大于利。逆变器电路技术演变过程的一个显著的表现形式是：是否必须用变压器，如何配置变压器，是否可能去掉变压器。 
    
图1是20世纪70年代生产的第一代三相UPS的典型电路结构形式。
   
图1所示的UPS包括一个由降压式自耦变压器绕组供电的二极管全波整流器和一个与整流器相并联的、由自耦变压器的辅助二次侧绕组供电的可控硅电池充电器。当电网停电时静态开关可将电池组连接到直流母线上供电。
   
逆变器由4个三相逆变器以全波方式运行（按照基波频率进行换向），每一个三相逆变器都与变压器的一次侧绕组相连接（三角形连接），再把这些二次侧绕组开放式变压器(Open Phase Transformers)的二次侧以一定方式进行连接，以获得合成的输出电压。这4个变压器被分为两组，每一组都包含一个星形和一个Z形（曲折星形）的二次侧绕组，这两个二次侧绕组之间具有30°相位差。这一特殊的连接可消除n=6k±1（k为奇数）次的电压谐波，这等效于12脉冲整流器中的两个移相式绕组在变压器一次侧中可抵消5、7次谐波。对于在变压器一次侧绕组中每相可能出现的3次和3n次电流谐波，由一次侧绕组的三角形接线方式来抵消。因此，输出端首先需要滤除的谐波为第11次谐波。输出电压的调整是通过移动两组变压器之间的相位（0<φ<180°）来完成的。由于首先需要滤除的是第11次谐波，所以输出滤波器的尺寸较小，这使得逆变器对负载变化的动态响应特性加快。
   
以可控硅（晶闸管）为基本功率器件的电路存在着换相安全和功率损耗的问题，为减少电路的能量损失和改善控制功能，下一代系统开始使用一种新的脉冲电路，每个晶闸管都有其相应的灭弧电路。整个设备仅需两个变压器，如图2所示。为消除n=6k±1（k为奇数）次的谐波，只需要一组相位相差30°的逆变器，而这30°的相移是预先设置好的，并在每台变压器一次侧以“脉冲宽度调节”的方式（PWM）来实现对电压的调整。为达到预期的输出电压，可以将上述换向电路应用于每周期6次固定换向的基本脉宽调制电路(PWM)。 
         
变压器的数量从4个减少到2个，但为了能进一步减少变压器的数量，就不得不提高逆变电路的性能，以便通过优化PWM就能达到目的，而无需再使用两组变压器的耦合方式。以前使用两组移相30°的变压器是为了减小低次谐波（5、7次），因为他们的幅值较大，要滤除他们比较困难。只用一个变压器的UPS如图3所示。电路中，变压器的二次侧绕组为曲折星形连接，每个逆变器以基波的7倍频率来斩波直流电压。这种斩波方式称为固定频率斩波，在设计时以尽可能减小输出电压的失真度以及减小滤波器的尺寸为目标。输出电压的调整是通过移动两组逆变器桥之间的相位进行的。 
    
自20世纪80年代起，UPS逆变器开始只含有一个变压器。同时，随着功率半导体器件的革新，双极型功率晶体管以及电子控制级的IGBT等功率半导体器件的出现，逆变电路中的可控硅器件被取代（见图4和图5），但UPS带输出变压器的这种情况仍在继续且一直持续到二十一世纪伊始，其间虽然在1995年出现了无变压器的逆变器结构，然而此类产品仅适用于功率小于等于30kVA的UPS。造成这一情形的主要原因是功率半导体器件换向时的损耗较大，而较高的耐压要求又使得人们很难在不用变压器的条件下成功地制作出大容量的逆变器。
   
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图4的逆变器采用IGBT器件，变压器二次侧绕组采用星形连接。每个一次侧绕组都连接到两个逆变器支路的中点，组成实际上是三个单相全控制的逆变器桥。因此，在二次侧绕组上得到的电压是独立进行调节的，这可有效地确保输出电压的良好平衡，而不管三相负载电流是否处于平衡状态。使用桥式组件的连接方式可使每个支路的变换频率相对于标称变换频率减小1/2，这样每个支路都只在正弦波的1/2个周期内工作。
   
图5只有一个逆变器（三相全桥），此变压器的耦合方式采用一次侧三角形/二次侧曲折星形连接。这种连接方式可实现两个额外的功能。首先，它可以实时（即刻、瞬间）地调节每相的输出电压，而各相输出电压都与逆变器的逆变支路相对应。此外，变压器二次侧的Z形连接所吸收的负载3n次谐波电流传送到变压器的一次侧绕组，使这些谐波电流只在一次侧绕组内流动，这样，可降低IGBT的换向电流，从而减少了换向损耗。
  
 以上所述就是逆变器中的变压器是如何逐步发展演变的过程。 
    
二、 UPS输出隔离变压器的功能 
   
了解传统UPS输出隔离变压器的功能是非常重要的，因为只有当用电路措施能够完全实现它的功能时，才有可能在新一代设备中替代并取消它。实际上对这个问题是存在一些误解的，诸如：逆变器输出隔离变压器“有隔离的作用”、能够“抗干扰”、能够“缓冲负载的突变”，还能“提高UPS的可靠性”等等，甚至于认为无变压器的UPS就不能可靠的工作，好像这个变压器是为了这些目的而专门设计的。持有这种看法的人要么是对UPS逆变器工作原理不太了解，要么是对隔离变压器的功能和在逆变器电路中的作用不甚了解。应该说这个变压器是工频机全桥逆变器不可分离的构成部分，而且它的作用也很简单：升压和产生三相四线输出的零线。 
   
1、输出变压器的功能之一是为单相负载提供所需要的零线 
   
传统双转换UPS输出变压器的一个重要功能是在UPS输出端产生为单相负载供电时所需要的中性线（通常称之为零线）。
   
带输出变压器的UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路组成，如图6和图7所示。输出端必须加变压器，否则就完不成输出单相或三相四线交流电压的功能。所以此变压器应视为产生输出零线的变压器。
   
图6为单相UPS输出DC/AC逆变器主电路图，它是一个全桥逆变电路，每个桥臂有两个串联的IGBT（VT1——VT4），输出交变电压UAB由两个桥臂的中点A和B引出。

当VT1和VT4同时通导（VT2和VT3截止）时，由直流电压E形成的电流回路是电压E的正端—VT1—负载A端—负载B端—VT4—电压E的负端；而VT2和VT3同时导通（VT1、VT4截止）时，由直流电压E形成的电流回路是电压E正端—VT2—负载B端—负载A端—VT3—电压E的负端。如果VT1和VT4与VT2和VT3交替导通的周期是50Hz，则加在负载上的电压UAB是幅值为直流电压E的50Hz方波或者准方波，如果VT1和VT4以及VT2和VT3都以高频正弦波脉宽调制（SPWM）规律导通和截止，则负载端电压UAB是幅值可调整的正弦波。
   
值得注意的是，通常单相负载的输入电压要求有一根零线，而且这根零线在系统中（供电系统输入变压器的输出端）是要接大地的，显然，如果把图6单相电路中的A或者B任一点做输出零线接地，都会使输入电压通过导通的半导体功率器件对零线短路而立即烧毁逆变器。
   
图7为三相UPS输出的全桥DC/AC逆变器电路框图。为了满足负载必须有零线的要求，于是就增加一个输出隔离变压器，变压器的初级做三角型连接，由三相全桥的三个桥臂中点做三相线电压输入，变压器次级星型连接，产生新的零线按三相四线制向负载供电。

这里不仅需要输出隔离变压器产生零线，为了UPS转旁路时也能正常供电，输出变压器产生的零线还必须与系统输入的零线连接在一起。 
    
2、输出变压器的功能之二是对输出电压的匹配作用 
   
传统大中型UPS主回路结构采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电，电池直接挂在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流可控硅的调节对电池充电，同时为IGBT结构的桥式逆变器供电。从系统结构可以看出，从整流到逆变的过程中，每个环节都是降压环节：可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式，由于可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压，所以其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节，从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出正弦交流电的过程中通常采用的是脉宽调制（PWM）方法，其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因，在此种结构的UPS逆变器中，输出变压器起着电压匹配和提升的作用，将逆变器输出的电压升至到合理的输出范围。
   
在实际应用中，输出变压器通常采用图8的接法，变压器初级是三角型，对于没有升降压作用的隔离变压器，三个初级线圈的电压都是380V，次级是星型，三个次级线圈的电压都是220V，那么初次级线圈的匝比应该是：N1:N2=1:0.577。
   
当要求输出相电压为稳定的220V时，变压器原边的峰值电压（即直流电压E）应该是：220V×1.414×1.732=538.8V。
   
考虑到逆变器PWM工作方式，为逆变器供电的直流电压要高于变压器原边的峰值电压，最小极限值通常取变压器原边峰值电压1.2倍左右，即：538.8V×1.2=646.56V。
   
但是，当考虑输入电压下限变化10%时，输入三相线电压全波整流的最高直流电压的理论值是：380V×1.414×0.9=483V。
  
实际上考虑到AC/DC转换过程的降压因素，大中型UPS的电池（直接跨接在直流母线上）通常配置32-34节，额定电压为384V-408V，浮充电压（即AC/DC变换后的直流母线电压）为432V-459V，电池放电下线电压为340V-362V。
  
UPS直流母线电压的下限值（340V-362V）与输出电压要求的变压器原边的峰值电压（646.56V）之间的差别就应该由输出变压器采用升压方法来解决，所以，输出变压器的升压比应该是：646.56V/（340V-362V），即1.9~1.78。
   
也就是说，输出变压器的实际匝比应该是：1:1.9或1:1.78。 
 

 
以上数据是按一般情况推算的，实际情况与不同的电路结构形式有直接的关系，输出变压器的参数和接法也不尽相同，但不管电路差别有多大，输出变压器总是通过原付边匝比的变化起着匹配逆变器输入电压与UPS输出电压的作用。 
    
3、输出变压器是隔离变压器，但在系统中没有隔离功能

在UPS供电系统中，UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时，自动转静态旁路供电，另外，在系统中还设置了维护旁路，当UPS需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时，都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电，所以系统的零线与负载端的零线必须短接在一起。这就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线必须连接到输入电源系统的零线上，如图9所示。也就是说，UPS机内的变压器没有电源系统隔离的功能，如果系统存在零-地电压差较大的问题，UPS机内的逆变器输出变压器对此电压差是无能为力的。
   
在实际应用中，当零-地电压差过大而需要降低时，就必须额外配置专门的隔离变压器，如图10和图11所示。
   
隔离变压器的配置方法有两种： 
   
第一种方法：在旁路输入端配置与UPS同功率的隔离变压器，这样UPS内置的输出变压器的输出零线和旁路隔离变压器输出零线都可以接在系统地线上（重新组成接地系统），这就实现了UPS输出与供电系统的真正隔离，并使这点的零-地电压差等于零。用这种接法的优点是，在UPS正常工作模式下，旁路隔离变压器空载运行，不影响UPS的输出性能和系统效率。缺点是，当UPS转旁路时，变压器突然带载工作，其输出电压瞬间会低于转换前UPS检测到的电压（变压器空载电压），如果转换前UPS检测到的电压已经处于UPS同步运行（限定的可以转旁路运行）的下限，那么转换后因变压器的压降（电压调整率）而使输出电压低于负载供电电压的下限，负载可能会因此而间断或宕机。 
    
第二种方法：把变压器配置在UPS的输出端，此方法可使UPS供电系统与负载做到理想的、完全的电气隔离，特别是当UPS供电系统在物理位置上与负载距离较长时，可把变压器放在接近负载端，例如一些大型数据中心，在负载列头柜输入端加装隔离变压器。此方法的缺点是变压器的阻抗会影响到UPS对负载供电的稳定精度、供电能力和动态特性。 
    
4、关于隔离变压器的抗干扰功能 
   
由于变压器的阻抗有一定的感性成分，因而说这个变压器具有一定的抗干扰作用是可以理解的。但是逆变器输出变压器却不是为抗干扰而设置的，它的抗干扰能力也是有限的。
   
常常会有人简单地认为：当系统中设置有隔离变压器时，其抗干扰功能就一定会很强。这种认识并不完全正确。在供电系统中，产生干扰的原因和干扰现象是多种多样的，其中包括诸如高压脉冲、尖峰毛刺、电涌、暂态过电压、射频干扰（EFI）和电磁干扰（EMI）等等。但是，就其干扰形式和传输途径而言，大体可分为两类：一是共模干扰，二是差模干扰。共模干扰存在于电源任一相线和零线与大地之间，共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，是由于辐射或串扰耦合到电路中的，是载流体与大地之间的干扰。而差模干扰存在于电源相线与零线之间及相线与相线之间，差模干扰有时也称常模干扰、横模干扰或对称干扰，是载流导体之间的干扰。
   
目前，人们通常采用的抑制干扰的措施主要有给被保护的设备并联瞬变干扰抑制器和在电子设备的输入端安装电源滤波器两种方式。采用变压器提高抗干扰能力是有一定作用的，但这里讲的变压器应是特殊的“超级隔离变压器”，而非普通的线性变压器。
   
并不是隔离变压器就能抗干扰，普通变压器的抗干扰能力是有限的。对于输入电压中存在的低频干扰和电压畸变，变压器不可能也不允许“抗干扰”。否则通过变压器传输的电压波形就会失真。对由地线环路带来的设备间的相互高频干扰有一定的抑制作用，但因绕组间存在的分布电容，使它对共模干扰的抑制效果随干扰频率的升高而下降。
   
变压器是靠磁耦合实现原边和副边的电压变换的，因而它不具备抗差模干扰的功能。在1kHz~100MHz的干扰频率范围内，普通隔离变压器对共模和差模干扰的衰减能力都微乎其微。对普通隔离变压器的共模抑制能力的分析表明，要提高对共模干扰的抑制能力，关键是减小变压器绕组的匝间耦合电容，为此在变压器初、次级间加设屏蔽层，如图12所示。

图12中，C1为初级绕阻与屏蔽层之间的分布电容，C2为次级绕阻与屏蔽层之间的分布电容，Z1为屏蔽层接地阻抗，Z2为负载的对地阻抗，E1为初级干扰（共模型）电压，E2为E1通过偶合传导到次级的干扰（共模型）电压。如果C1和C2的阻抗远大于屏蔽层接地阻抗，则偶合传导到次级的干扰电压E2就会远小于E1。
   
要使隔离变压器同时具有较好抗差模干扰与共模干扰的功能，必须把它制作成超级隔离屏蔽变压器。超级屏蔽隔离变压器是性能较完善的多重屏蔽的隔离变压器，对差模和共模都有较强的抑制功能，如图13所示。 
   

超级屏蔽隔离变压器有3屏蔽层，靠近初级绕阻的屏蔽层连接在初级中性线上，可以滤掉初级出现的高频差模干扰。而对50Hz的工频电压则不产生任何影响，靠近次级绕阻的屏蔽层连接在次级中性线上，可以滤掉次级出现的高频差模干扰。中间屏蔽层则与变压器外壳连在一起，再接大地，主要用来滤掉共模干扰。 
     
   
三、 无输出变压器UPS的电路形式 
   
无输出变压器UPS视设计功率的大小，所用的具体电路形式也不尽相同，这里仅就大功率无输出变压器UPS的主电路结构形式（见图14）来讨论它是如何完成三相四线输出和系统升压功能的，因为要求三相四线输出和系统升压是传统UPS必须带输出变压器的两个根本理由。当新的电路拓朴结构本身具备这两个功能时，输出变压器也就自然没有存在的必要了。 
   
图14主要表示了与是否需要变压器这一论题有关的电路框图，输入部分是IGBT-PFC整流电路，后面部分是三相半桥逆变电路，中间是电池配置示意图。这里电池组用了两组400V电池组，串联后直接跨接在直流母线上。当然也可用一组400V电池组，那么就需要在直流母线和电池组之间配置一个独立的可双向工作的DC/DC变换器，市电正常时，由800V降压给电池组充电，当市电停电时，反向升压给半桥逆变器提供800V工作电压。
   
下面主要叙述IGBT-PFC整流电路和三相半桥逆变电路的工作状态。 
    
1、无输出变压器UPS是如何向负载提供三相四线制电压的 
   
图14中，输出半桥逆变电路由三组IGBT桥臂组成，每组与公用电容（电池）电路组成单相半桥逆变器。三个半桥电路可独立输出功率，由他们形成的三个50Hz单相正弦波电压彼此相差120º，所以只要看一下一个半桥电路的工作过程，就可了解三相电路的工作状态。
   
如图15所示，假定桥臂的上面的IGBT用VT1和VD1表示，下面的IGBT用VT2和VD2表示,与电池并连的电容分别是C1和C2，续流电感为L。

   
 图15所示为主逆变器逆变状态等效电路及工作过程。我们分析其工作过程时，先按输出电压正半周和负半周把它分解为两个降压型开关电路（Buck）。在输出电压的正半周时，降压开关电路由开关管VT1、续流二极管VD2和电感L组成。VT1导通时电容C1上的正电压（400V）通过电感L向负载输出功率，电感L中的电流线性上升；当VT1由导通转为截止后，由于电感L的续流作用，感应电压使VD2导通，续流电流流经电容C2，其电流方向实际上是给电容C2充电。在输出电压的负半周时，降压开关电路由开关管VT2、续流二极管VD1和电感L组成。VT2导通时，电容C2上的负电压（-400V）通过电感L形成输出电压的负半周，电感L中电流线性上升，VT2由导通转为截止后，由于电感的续流作用使二极管VD1导通，其电流方向实际上是给电容C1充电。在电路中，输出电容C是容量不大的交流滤波电容器，设置它的主要目的是与电感L一起滤除逆变器高频（15KH左右）开关脉动电压和干扰成分，当开关管的控制波形按正弦规律变化（SPWM）时，输出电压肯定是平滑的正弦波。
   
由图15所示的工作过程和输出电压波形可知，三个半桥电路可分别输出三个稳定的正弦波电压，控制电路使三个稳定的正弦波电压相位差为120º，于是就形成了三相四线制输出，公共零线则是由直流母线的电容中点引出，而无需再配置输出隔离变压器。 
     
   
2、PFC技术可同时完成输入功率因数校正和升压功能 
   
采用高频整流技术（IGBT-PFC）同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能，是无输出变压器UPS电路技术的另一重要的标志性的特点。PFC技术已经很成熟，根据不同的应用场合和不同的性能要求，其电路拓扑形式也不尽相同，但其基本原理是是相同的，具有功率校正功能的电路有降压式、升/降压式、反击式、升压式（Boost）四种形式，在UPS设备中，为了同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能，自然就采用了升压式（Boost）电路。 
   
图16是单相升压式（Boost）电路原理。图中的C1为高频小容量电容器，用以消除开关管在高频开关时产生的传向电网的干扰。C2是大容量直流电解电容器。与一般AC/DC整流变换所不同的是，在桥式整流与大容量直流电容之间加入了PFC电路环节，其目的是使输入电流跟随输入电压按正弦规律同相位变化。PFC环节由电感L、开关管VT和二极管VD以及相应的控制电路组成，控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值、输出直流电压幅值3种反馈信号，并以PWM方式控制开关管的导通和截止，其工作过程如下：功率开关管VT导通时，二极管VD因反向偏置而截止，输入电压通过开关管VT向电感L充磁，电感电流（即此时的输入电流）IL的变化规律直接取决于电感L值和此时的输入电压瞬时值，其增加值则同时与L值、此时刻输入电压的瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时，由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上，使二极管VD正向导通，电感L将贮存的磁能转化为电能向电容C2充电并向负载输出，输入电流IL下降，IL下降速率与电感L值、此时刻输入电压瞬时值，以及负载（即直流电压U2的输出负载）大小有关，其减小值除取决于以上因素外，还与开关管VT的截止时间有关。显然，当输入电压U1以正弦规律变化时，控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制，当工作频率足够高（例如15~20kHz）时，输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。

   
对于三相输入的大功率传统双变换UPS，其输入电路是三相整流形成统一的直流母线（同时配备一组蓄电池），输入功率因数校正和升压原理与单相相似，电路形式有由三个单相PFC组合式、单开关三相PFC、三开关三相PFC、六开关三相PFC等多种拓扑结构形式。图14中的输入电路就是六开关（IGBT）三相PFC原理电路。
   
六开关三相PFC是由六只开关功率器件组成的三相PWM整流电路，图17是其原理电路。每个桥路由上下两只开关管及与其反向并联的二极管组成，每相电流可通过该相桥臂上的这两只开关管控制。如A相电压为正时，VT4导通使电感La上电流ia增大，电感La充电储能；VT4关断时，电感La感应电压叠加在输入电压UA上（升压），使与VT1并联的二极管VD1导通，电流ia通过VD1流向负载，在电感能量释放过程中电流ia逐渐减小。同样A相电压为负时，可通过VT1和VT4反并联的二极管VD4对电流ia进行控制。
   
六开关三相PFC原理电路的输入电压是380V，峰值是537V，所以此电路的输出直流电压可升至800V（±400V），此值正是UPS输出三相半桥电路所需要的直流母线电压。 
    
四、无变压器UPS的性能优势 
   
这里的讨论仅限于是否带输出变压器这两种电路结构的不同而带来的设备性能的差异，不包括下列与产品研制定型和生产水平有关的因素而造成的性能差别：
    •电路研制定型水平：与技术人员技术水平、经验和定型流程管理有关；
    •器件选用差别：与电路定型、成本控制和质量管理流程有关；
    •产品质量和稳定性：取绝于生产工艺水平，与人员技术水平、生产和质量控制流程有关；
    •产品功能差别：包括是否有并机功能、是否模块化、系统管理与通讯功能、电池配置和管理水平、电路控制差别
    （CPU还是DSP）、软启动、冷启动、物理结构与可维护性水平等；这些差别与厂商决策人员对设备的研发方向、市场定位、商业取向、成本控制等指道思想有直接的关系。
   
无变压器UPS的性能优势是针对带输出变压器UPS由于自身的电路结构而不可能达到的固有的缺点相对而言，包括成本、效率、重量和体积等，当然还包括在设备电气性能方面的改进和提高。这些对当前社会提倡的降低能源消耗、节省资源消耗、绿色产品是至关重要的。 
   
1、高输入功率因数低输入电流失真度 
   
为了完成系统升压功能，PFC整流环节成为“高频机”的重要组成部分和必要条件，但它同时又把UPS输入功率因数提高到理想的数值：0.99，把输入电流总谐波失真度THDI降低到5%以下，所以说输入功率因数高、电流失真度低是“高频机”的主要优点之一，这不仅消除了UPS对电网的谐波污染，它还可明显地降低前端设备和线缆的容量。表1为两种结构UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求。
   
表1：UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求比较表 
     
   
从表1中数据可以看出，由于带输出变压器UPS（例如12脉冲整流）的输入功率因数低，输入电流谐波大，其输入电流明显地大于无输出变压器的UPS，增加量在27%左右。前端变压器、断路器和线缆的规格都要相应的增大，其中线缆的截面要增加接近一倍。特别是当输入端有备用柴油发电机时，由于谐波电流和12脉冲移相变压器、无源滤波器的影响，UPS
   
与油机容量的配比从无输出变压器UPS的1:1.3增大到1:2~4。
   
表1是输出满负载时的数据，当实际应用中负载减轻时，12脉冲（+11次无源滤波）的输入功率因数会明显地减小，输入电流谐波成分明显增大（见图18），对电网污染和要求系统前端设备容量增大的影响也就更严重。 
      
   
2、工作效率高 
   
无变压器UPS的整机效率之所以比带变压器UPS的效率高一些，主要来自两个方面，一是去掉了变压器的损耗，大功率变压器的损耗通常在2%左右；二是系统直流母线电压的提高减少电路工作损耗0.5%左右，如果排除电路设计和生产水平差异因素，电路结构的变化可使整机工作效率提高2.5%左右。表2是一组典型的测试数据。
   
表2：UPS工作效率比较表（按照输出功率因数0.9计算） 
    
   
整机效率的提高，不仅可有效的降低能源损耗，还意味着设备本身损耗小，以500KVA的UPS的满载效率相比，无输出变压器UPS的效率提高了2.0%，就相当于机内减少了10KW的发热量。这对提高设备运行的可靠性和降低对环境的要求是有利的。
   
表2数据仅仅考虑了设备本身的效率的提高，如果把因输入功率因数的提高，而使输入设备（滤波器、开关、线缆等）容量和损耗的降低，以及12脉冲整流时的输入变压器的损耗计算在内的话，那么无变压器UPS对整个系统效率的贡献应超过4%。
   
值得注意的是，在实际使用中，特别是在（1＋1）冗余并机和双总线的配置系统中，UPS的实际输出负载率只有30-40%，这时的UPS的工作效率更有实际意义。在这方面无输出变压器UPS同样显示了它的优势，如图19所示。
   
从图19可看出，在25%至100%负载范围内，工作效率基本都恒定的保持在94%以上。 
     
   
3、重量和体积 
   
数据中心基础设施是一项费用昂贵的固定资产投资，机房内设备对承重的要求和占用空间越来越受到人们的重视。同时，重量轻体积小的设备还可以减少对运输和安装难度的要求，当然在这方面费用的降低也是可观的。
   
表3给出了两种结构UPS在功率密度、体积和重量等方面的比较数据。
   
表3：UPS功率密度、体积和重量比较表 
    
   
从表3具体数据可以看出，与带输出变压器UPS相比，无输出变压器UPS在功率密度、占地面积、重量等方面的贡献是：
   
功率密度（kW/mā）可提高40%左右；
   
占地面积（mā）可减少25%左右；
   
重量减少50-80%。

   
4、成本 
   
与带输出变压器UPS相比，无输出变压器UPS去掉的环节包括：输出隔离变压器；输入12脉冲移相变压器及11次无源滤波器。所以无输出变压器的UPS可降低成本是不言而喻的事实。讨论成本时，应考虑以下四个方面：
    •生产和购置成本；
    •能源运行成本（工作效率高，包括空调费用的降低）；
    •占地少、承重要求小和运输安装成本；
    •资源浪费成本。
   
第四点实际上是很重要的，为了减少资源浪费，以半导体代替铜和钢铁资源早已成为工业和电子设备发展的趋势，是具有重大经济意义和社会意义的基本策略。 
     
   
5、对电性能指标的改进 
   
无输出变压器UPS的各项电性能指标绝大多数都相当于带输出变压器UPS，而有些指标却显示出无输出变压器UPS更优越的性能。除以上讲到的输入功率因数、工作效率、体积重量和成本外，以下指标也有明显地改善：
    （
1）输入电压范围更宽：带输出变压器UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易，而无输出变压器UPS可在25-30%范围内正常工作，不仅表现出对电网很强的适应能力，还可延长电池的使用寿命。
   
（2）输出能力强：这体现在两个方面，一是输出半桥逆变器三相独立输出功率，提高了三相负载不平衡的适应能力；二是去掉了工频变压器，逆变器工作频率又较高，输出滤波环节阻抗更小，所以输出动态性能更好，负载阶跃从100到0%或从0到100%变化时，输出电压变化都可限制在±2%，并在20-40毫秒内返回到±1%的容限范围以内。

   
五、无输出变压器UPS可输出的功率等级和可靠性问题 
   
尽管无输出变压器UPS的电路技术已经很成熟，但能否形成工业化产品，输出功率能达到多大，可靠性水平如何，却与器件水平和性能有直接的关系。 
   
1、无输出变压器UPS可输出的功率等级 
   
下面以500KVA无输出变压器UPS为例，看它对开关功率器件IGBT的耐压和工作电流有什么样的要求。
   
根据图14可知，在UPS直流母线电压为稳定的±400V的情况下，每个桥臂的一支IGBT导通时，另一支截止的IGBT承受的电压将是800Vdc。
   
IGBT的工作电流可根据输出功率和直流母线的最低电压计算出来。
   
在无输出变压器UPS中，以输出半桥逆变器对IGBT的性能要求最高，图20表示了半桥逆变器中各种电流参数的关系。

    逆变器输出功率：500KVA；
    单相输出功率：500KVA/3=166.7KVA；
    单相输出满负载电流有效值：166.7KVA/220V=757.75A；
    在无输出变压器UPS中，前级PFC整流是稳定的±400V，但是当市电停电而转入电池放电时，就要考虑电池放电下限电压（-11.25%额定电压），所以逆变器单相输出满负载电流有效值应该是：757.75A×（1+0.1125）=843A；
    逆变器工作在正弦脉宽调制（SPWM）状态下，假定在输出电流峰值期间最大的占空比为4:1，则IGBT工作峰值电流是：843A×1.414×1.20=1430.4A，在工作频率5-15KHZ情况下，峰值电流的宽度为0.15ms~0.05ms.
    选用器件时，通常的做法是，在可能的最大的耐压和电流值基础上再增加50%的安全余量，即器件耐压（VCES）：800V×1.5=1200V
    器件输出电流有效值能力：843A×1.5=1264.5A
    器件输出电流峰值能力：1430.4A×1.5=2145.6A（0.15ms~0.05ms）
    考虑到工作频率和价格等因素，选用器件时常常是用低容量的器件进行并联，这时存在并联均流的问题，所选并联器件应降容5%使用，也就是说，做500KVA无输出变压器UPS时所选用的IGBT并联后的总输出电流有效值和峰值电流应大于：
    器件输出有效值能力：1264.5A/0.95=1331A
    器件输出峰值能力：2145.6A/0.95=2258.52（0.15ms-0.05ms）
    把以上推算结果列表在表4中。
    表4：500KVA无输出变压器UPS输出逆变器对IGBT器件的要求 
    
   
就目前器件水平而言，满足上述要求的IGBT器件有多种型号和规格，再考虑IGBT并联工作，可选择的余地就更大了。
   
表5是日本富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50）的主要性能参数。
  
表5：2MBI450U4J-120-50的主要参数 
    
   
在使用表5数据设计电路参数时，以下考虑是符合实际情况的：
    （1）连续工作电流可理解为PWM工作时的输出电流有效值，即正弦电流最大值可达到600A×1.414=848.4A（TC=25ºC）和450A×1.414=636.3A（TC=80ºC）；
    （2）当逆变器工作在PWM模式时，IGBT管中的峰值电流是有效值×1.414（峰值系数）×1.25（假定电流峰值时占空比为4：1，宽度为0.15ms-0.05ms）=1.767倍。而表中峰值电流（1ms）可达到连续工作电流的2倍。所以用有效（连续）值是不影响器件的安全性的。
    （3）考虑到设备管壳温度通常控制在<70ºC，所以可认为连续电流可达到500A，峰值电流>900A。设计时，用三只并联总有效值=500A×3×0.95（并联降容）=1425A，峰值电流>900A×3×0.95=2565；
   
把设计要求和选用器件的实际最大输出能里比较一下，如表6所示。
    表6：设计要求和实际最大输出能力 
    
   
上面设计举例选用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），实际上满足和高于上述要求的器件很多，而且有些管子的电流容量也远大于本例所用的数值，管子组装也有单管、单桥臂、6管集成等形式。
   
总的结论是，当前的IGBT功率开关管的输出能力和电器性能使无输出变压器UPS的输出能力达到400-500KVA是不存在问题的。 
     
   
2、关于无输出变压器UPS工作可靠性的讨论 
   
设备的可靠性与多种因素有关，包括：电路研制定型水平、技术人员技术水平和经验、器件选用差别、生产工艺水平、质量管理流程等。电路结构变化有个技术成熟的过程，当然还包括所选用的器件性能和可靠性对新电路结构的适应能力。所以说电路结构的变化对设备可靠性是有影响的，影响大小最终取决于两个因素：电路技术成熟程度和器件水平。
   
（1）、技术成熟是毋庸置疑的
   
无变压器UPS采用的新技术主要有两点：一是AC/DC高频整流（PFC）技术，二是输出半桥逆变技术。这两项技术产生由来已久，已成为电力电子设备的经典技术，应用也非常广泛，所以技术成熟程度是毋庸置疑的。虽然把这两项技术集成起来用于无变压器UPS中仅是最近十年的事情、因电路定型水平和参数选择的差异也可能存在设备可靠性问题，但出现可靠性的根本原因却不是电路结构和新技术的应用造成的。
   
（2）、当前器件性能水平完全能够满足新电路结构提出的更高要求
   
在无变压器UPS中，对器件性能要求高的环节主要是半桥式逆变器，而关键的参数又是功率开关器件IGBT的耐压（Vces）和输出电流（有效值和峰值）能力，从表4、表5和表6可以看出，当前的IGBT的输出能力可以完全满足400-500KVA的大功率无输出变压器UPS。
   
值得注意的是，在无变压器UPS的输出半桥逆变电路中，输出电压是由±400V直流母线电压直接形成的，输入电流有效值等于输出电流有效值。而传统的带输出变压器UPS是通过输出变压器升压形成的，在升压比为1:1.9或1:1.78（见本文第二节第2点和图8）时，同时考虑三角型/星型接法输出电流有效值是输入有效值的1.73倍，所以全桥逆变器输入电流有效值是输出电流有效值的1.9/1.73=1.1（或1.78/1.73=1.03倍）倍。数据说明，对同样输出功率的UPS，无输出变压器UPS对IGBT的电流输出能力的要求并不比比传统的带输出变压器UPS高。也就是说，从IGBT的电流输出能力来看，能做多大功率的带输出变压器UPS，就可以做到多大输出功率的无输出变压器UPS。
   
与带输出变压器UPS相比，无输出变压器UPS的输出逆变器对IGBT的耐压提出了更高的要求。在带输出变压器UPS的输出
   
全桥逆变器中，IGBT的耐压就是直流母线电压，一般在400多伏，而在无输出变压器UPS的输出半桥逆变器中，直流母线电压是±400V，要求IGBT的耐压要大于800V。虽然当前的器件耐压1200V已不成问题，但此要求不仅仅是静态耐压问题，更严重的是IGBT的开关电压变化率（dv/dt）和开关损耗问题，因而这是电路设计和器件选择时必须重视和解决的问题。
   
（3）、输出隔直流问题
   
从图14和图15可以看出，由于控制环节故障使一个IGBT连续导通时，或在一个IGBT或二极管短路的情况下，400V直流母线电压会直接输出到负载端（此时电感变成阻抗很小的导线）。单相负载输入整流后的直流母线额定电压是311V，考虑负载输入允许的+15%的上限，直流母线额定电压是357V，并联在整流电路输出端的滤波电容耐压通常是400V。当UPS发生这种故障时输出直流电压会接近400V，滤波电容和DC/DC变换器都会因输入电压过高而受到影响。
   
出现这种情况在理论上是有可能的。然而，如果出现这一危险情况，即使缺少了专门的直流分量检测电路（例如，检测电路故障或参数飘移等），也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知，直流电压可能发生短路，从而立即终止逆变器的工作，同时断开逆变器与后面负载的连接。通常逆变器的输出端配备有一个静态旁路开关，它可在逆变器停止工作时迅速将负载切换到旁路市电供电，以保证负载供电的持续进行。逆变器保护和转旁路供电的动作时间很短，可在输出电压上升过程中完成，因而不会对负载安全造成影响。在大量设备的实际运行中，这种故障几乎没有出现过。
   
（4）、无输出变压器UPS的可靠性指标
  
 如果不知道平均故障间隔时间MTBF，或者厂商提供的MTBF数据是不可信的，那么可用UPS的效率和输出能力各项指标来衡量它的可靠性，这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和输出功率因数等。
  
 以下是已推向市场的500KVA无输出变压器UPS的可量化的可靠性指标：
     输出功率因数能力：0.9；
    逆变器短路能力：150ms：2.5-3In（输出400V）
    逆变器过载能力：125%In：10分钟；135%In：1分钟；150%In：30秒
    额定电压下的峰值因数：≥3:1
    动态性能：±2%，从0到100%或从100到0%的负载阶跃变化效率：94.5%（50到100%负载率）
    这些数据说明，无输出变压器UPS的输出能力和可靠性指标与传统带输出变压器UPS一样，都达到了很高的水平。可靠性已再不是无输出变压器UPS设备的关键问题。

六、结论
图21定性的表达了本文论述的观点和内容。

1，随着电路技术和半导体器件的发展和创新，UPS电路技术经历了由多输出变压器到单输出变压器再到0输出变压器的变化过程。反映了去掉输出变压器是UPS电路技术进步的必然趋势。

2，定性的表达了无变压器UPS在效率、体积、重量、输入功率因数等指标的优势。
  
3，人们最关心的是可靠性问题。事实上在UPS产品推出的初期，带输出变压器的UPS的可靠性也是不高的，一般连续几千小时不发生故障就算可靠了。所以在讨论一个产品是否可靠时，关键是使用者对这个产品可靠性要求的期望值是多大。下面的例子或许可以说明这一问题：马车与飞机相比，谁都知道马车的安全性永远比飞机高。但是，当今的社会人们还是选择了飞机，难道是人们为了舒适和效率而不顾生命安全吗？不是的，人们所以选择飞机是因为飞机的安全系数已经超过了人们对安全要求的期望值。当前的器件和电路技术决定了带输出变压器UPS和不带输出变压器UPS的可靠性都达到了很高的水平，都超过了人们的期望值，尽管我们不能说不带输出变压器UPS的可靠性比带输出变压器UPS的可靠性还高，但我们有充分的根据说，不带输出变压器UPS的可靠性已经不是问题，而它在效率、体积、重量、输入功率因数等方面的优势却代表着UPS技术的发展趋势。■