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高频UPS存在的问题与技术改革

来源:《UPS应用》杂志 作者:机房360分享 更新时间:2009/11/17 17:29:00

摘要:本文介绍了高频UPS存在的主要问题及技术改革方方法。

    有人认为高频化是UPS绿色革命不容置疑的发展方向,实际上UPS的高频化只不过是为了减少输入电流谐波而采用的一种方法而已。高频化不但能减少开关损耗,因此高频化不能算是UPS绿色革命的主要方法。把高频化说成是UPS唯一的发展方向,实质上就是想仿照1973年莫托罗拉对直流电源发动的20kHz革命一样,对UPS也发动一场20kHz革命。但两者的情况并不完全相同,UPS要求输出的是正弦交流电压,其容量比直流开关电源大很多倍。因此用于开关电源的技术在UPS中式不完全适用的,而且还出现了一些新的不能在近期内解决的难题:如大功率隔离变压器的研制,L、C准谐振软开关的应用等。所以要对UPS进行20kHz革命的难度和代价都是很大的,是否有这个必要尚需研究,主要是还存在一些技术问题需要解决。高频化UPS的典型电路像是如图1所示,主要是引入了Boost高频开关整流器和去掉了输出变压器,其特点是:
    (1) 采用三相半桥式SPWM逆变器构成输入Boost开关整流器与输出逆变器,这是高频化UPS的典型特征。
    (2) 不用(也不能用)输出隔离变压器及ZVS软开关技术。
    (3) 用高频IGBT作开关管,开关频率大于或等于20kHz。

    1 高频UPS的优缺点及存在的主要问题

    高频UPS的基本电路时由三相半桥式逆变器构成的,它是一种采用SPWM控制的两电平逆变器,其输出相电压的双重傅里叶基数表示式为:




    式中:F=ωc/ω为载波比,ωc为载波三角波角频率,ω为试点角频率;M=Us/Uc为调制度,Us为市电电压幅值,Uc为载波三角波电压幅值,当m为偶数时:sin mπ/2 =0;当m和n同时为偶数时:sin(m+n) π/2=0,当m为偶数,n为奇数时:sin(m+n)π/2=1,所以上式变为:


    uA的波形如图1(b)所示,是一种两电平波形,含有奇次载波谐波及偶次载波谐波的奇次上、下边频,其频谱如图1(C)所示。可以看出相电压uA的谐波含量较大,谐波的幅值也大。当M<0.8时,载波谐波的幅值为基波幅值的1.36倍,有可能对负载造成破坏。

    由式(2)可知, 的谐波频率=50(mF+n),高频化的目的是想透过提高开关频率fs=Fω/2π=50F(实际上是提高载波比F)来提高谐波频率,以减少 uA中的谐波含量。由于高频UPS不能使用软开关电路,所以提高F必然会引起开关损耗,式中 tr 和 tf 为电流上升和下降时间。由此式可知:提高开关频率fs=50F将使开关损耗按比例增加。

    1.1 高频化UPS的优缺点

    高频化UPS的优点:
    (1) 体积小,重量轻,一般只相当于同容量工频UPS重量的60%;由于无输出变压器,所以扩容并机环流小。
    (2) 因为Boost开关整流器具有较强的直流输出电压调节能力,所以对市电电压波动的适应能力较强。
    (3) 可以使用市电输入功率因数达到0.99以上,使市电输入电流的谐波含量小于5%,对市电电网的污染小,这是高频化UPS的一个突出优点。
    (4) 可以消除可闻噪声(包括电噪声和机械噪声)。

    高频UPS的缺点:
    (1) 必须采用可以在20kHz UPS中工作的高频IGBT,这种IGBT价格贵、货源少,有严格的电压、电流工作区域,抗冲击能力差,可靠性低,故障率高。
    (2) 三相半桥式Boost开关整流器的输出直流电压高,一般为800V,需要专门配置充放电管理变换器。
    (3) 高频谐波可以耦合到零线上,使输出侧的零地电压升高,不能满足IBM、HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地要求。

    1.2 高频化UPS存在的问题

    高频化UPS存在以下问题:
    (1) 三相半桥式SPWM逆变器是两电平逆变器,如图1(b)所示,其消谐波能力差,谐波含量大,幅值也高,当M<0.8时谐波幅值是基波幅值的1.36倍,在设置死区时谐波含量会更大,这是高频UPS存在的主要问题之一。
    (2) 对于高频化UPS,当开关频率高到某一数值时将会产生集肤效应、临近效应,使当前大功率输出隔离变压器的制造存在材料与工艺上的困难,这是高频化UPS不能使用输出隔离变压器的根本原因。但是输出隔离变压器对于UPS德工作时由诸多正面影响的,例如可以降低零地电压,靠其短路阻抗和高频衰减隔离特性,增强UPS的抗负载冲击能力,可以隔离零序电流和直流电流的流通,可以增强带非线性负载的不平衡负载的能力等,因此,不能用输出隔离变压器也是高频UPS存在的问题之一。输出隔离变压器可以不用。
    (3) 不利于实现软开关,高频效应使电感、电容的性能发生质变,影响软开关电路中谐波电感和谐振电容的准确谐振,无法正确地实现ZVS或ACS无损软开关。所以高频化UPS干脆不用软开关,因此必然会引起开关损耗,开关频率越高,开关损耗越大,所以UPS得高频化是以增大开关损耗为代价的,只注意了环保,而牺牲了节能,不符合绿色UPS的要求,这是高频化UPS存在的另一个主要问题。因此有的厂家为了使节能也达标,不得不降低频率生产,这就出现了中频UPS的说法。
    (4) 高频化使UPS电路的分布参数增大,容易引发电路的局部震荡,电磁兼容处理困难,对生产工艺要求增高,结构设计难度增大,一般厂家不易生产,因此会产生成本增大、售价增高的缺点。

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