| 摘要：本文从硬件优化设计观点对工频与高频UPS效率方面进行对比，通过不同的优化设计方式，高频UPS可以得到更好的效率优化结果。 |
为了节约能源以及降低客户在电力设备上的开支，电源产品必须追求更高的效率和更小的体积。在最近十年来电源开关频率的显著提升已经是大势所趋，在模块电源方面开关频率已经提升到MHz量级，而在UPS方面，虽然没有这么迅捷，但是高频UPS也已经在逐渐替换传统的工频UPS。本文试图从硬件设计角度出发，对工频UPS和高频UPS从效率优化的角度进行对比，来分析两者的差异。
2.UPS的结构
传统的工频UPS可以看作是从变频器衍生过来的一个产品，其结构可以见下面图1（a）中所示。而高频UPS有比较多的电路拓扑，其中一种典型的结构图如图1（b）所示。
图1两类UPS的主电路原理图
从原理图上机型进行比较，工频机型UPS和高频机型UPS的差异主要有三点：
其一是工频机型UPS在逆变器部分具有一个D/Y变压器，而高频机型UPS没有；
其二是工频机型UPS在输入端使用了一个整流桥或者SCR桥进行整流，而高频机型UPS使用的是全控IGBT桥；
其三是工频机型UPS把电池直接通过整流管挂到直流母线上，而高频机型UPS要通过一个DC/DC才能挂到BUS上。
从表面上看，工频UPS多出一个工频变压器，而省去了输入整流桥与电池DC/DC的损耗，效率似乎没有太大差异，但是实际上从器件优化的角度考虑，两者在设计上存在有很大的区别。
3.UPS的直流母线电压
影响到整机效率一个关键的影响因素就是直流母线上的电压。工频UPS的母线电压特性和变频器是一样的，由于使用不控整流或者相控的方案，母线电压是低于输入电压的峰值的，而且随着负载的变化，母线电压也会变化。负载越大，电压也就越低。在380V市电系统里，工频UPS的母线电压会在400～600伏之间进行变化。在400V时，逆变器无法输出380V的电压，所以工频UPS逆变结构中必须插入一个D/Y的升压变压器，把比较低的逆变输出电压升到市电电压。
这个升压变压器的匝比设计必须考虑到逆变在直流母线电压最低的情况下能够输出的电压。在市电模式下，如果直流母线电压最低是400V，那么逆变桥臂输出的电压最高可以设定在260V，这是考虑到可以使用三次谐波注入技术的情况。变压器匝比设计就是260V/380V的升压变压器。如果不使用谐波注入技术，逆变桥臂输出电压最高就只能设计到240V，而变压器就要换用240V/380V的匝比。
电池电压的高低同样会影响到逆变桥臂输出电压的设计。在工频机型UPS里面，电池是直接挂接到直流母线上的，所以必须保证电池放电结束前逆变桥臂仍然可以输出设定的电压。假如电池使用高频UPS常用的32节，那么当电池放电结束前直流母线电压会在320V附近，逆变桥臂输出电压最高可以设到210V。如果还是希望逆变桥臂输出电压达到260V，那么电池节数必须加到40节以上。
高频机型UPS则是另外一种情况，由于输出部分是全控的，所以可以通过控制算法把BUS电压保持在最合适的范围，而且可以针对不同的输入输出电压情况动态地进行调整。在380V电压的情况下，可以把BUS电压设定在700V而有非常好的输出波形，而对于目前更先进的7桥臂拓扑高频机型UPS，在此情况下甚至可以把BUS电压设定低至600V。
4.UPS逆变损耗
逆变桥臂输出电压的设计会影响到逆变部分的效率，首先是在同样的半导体器件条件下，逆变桥臂的输出电压越低，相同功率下的输出电流越大，通态损耗就越大。考虑一个简单的示例，假设直流母线电压是Uin，输出相电压电压有效值是Uo，那么逆变桥臂的占空比在一个市电周期内的变化曲线是
从中可以看到，当设定的桥臂输出电压一定时，BUS电压越高，则IGBT电流平均值越小，而二极管电流平均值越大，两者之和是固定的。因此在桥臂输出电压固定时BUS电压的变化对通态损耗的影响并不是太大。但是另一方面，可以看到，设定的桥臂输出电压越低，对应于IGBT和二极管的电流就越大，说明通态损耗就也越大。
作一个简单的示例，假设一台40kVA的UPS，负载功率因数为0.9，桥臂输出电压设定在380V，那么对于高频机型UPS来说，其中IGBT的平均电流Iigbt与二极管平均电流Idiode随BUS电压变化的曲线如图2（a）所示。对于工频UPS来说，根据电池节数选取的不同，逆变桥臂输出的电压就会在208V～260V之间。下面对比一下BUS为500V时不同桥臂输
图2两类UPS的效率比较
出电压下的平均电流，从图中可以看到，桥臂输出电压设定的越低，在IGBT和二极管上的电流也就越大，这就意味着使用相同半导体器件时通态损耗也越大。即使是电流最小的260V输出的情况，其IGBT平均电流也有30A，比高频UPS高出50%，而208V的设计IGBT平均电流要比高频UPS高出75%，二极管电流高出100%。再考虑到IGBT和二极管随着电流的增大，饱和导通压降也会增加，这就意味着实际的通态损耗高出的比例要比电流高出的比例更高。
在这里有一点要指出，由于高频机型UPS的直流母线电压设定在700V～800V，所以逆变桥臂需要选择1200V的器件。对于工频UPS，则存在不同的情况。假如在输入端使用了SCR导通角控制，那么可以把直流母线电压控制到500V或者450V以下，这样就可以使用600V的器件。如果不使用这种方法，那么直流母线电压会在600V～300V之间进行变化，那就必须考虑到在输入电压比较高的情况下直流母线电压会达到600V左右的的情况，IGBT模块就不能使用600V的器件，还是要选择1200V的为好。SCR导通角控制的缺陷在于会在输入端对市电产生非常严重的干扰，在很多场合下都会被禁止使用。在这里对逆变器的比较中考虑的是输入采用不控整流的情况。图3中是Infineon（英飞凌）的IGBT模块FF100R12YT3中的IGBT与Diode的导通压降损耗情况。
图3英飞凌IGBT和二极管整流器的导通特性
当IGBT电流由20A增长到30A时，IGBT的导通压降也从1V增长到了1.2V，这就意味着IGBT的通态损耗实际上是增长了90%。如果是平均电流增长到35A时，IGBT的导通压降会增长到1.25V，相当于IGBT的通态损耗增长了120%。同样的，二极管电流从5A增长到10A，导通压降也从0.7V增长到了0.8V，那么二极管的通态损耗也会增长105%。因此在逆变桥臂的通态损耗一项上，对于同样的半导体器件，根据逆变输出电压设计的不同，工频机型UPS的通态损耗会比高频机型UPS高出90%～120%左右。以上只是根据平均电流概念做的粗略估计，事实上根据每个开关周期电流波形进行计算可以发现实际的通态损耗增长还要大，在90%～150%之间。
图4IGBT开关过程中损耗示意图
另一方面是要考虑到不同桥臂输出电压设置对开关损耗的影响。开关损耗是受到多方面的因素影响的，比如IGBT的开关速度，直流母线的电压高低，IGBT的电流大小，以及杂散电感的感值。二极管的损耗也会受到电流下降斜率的影响。图4表示的是IGBT开关过程中损耗产生的示意图。其中阴影部分的大小就相应表征了开关损耗的大小。在IGBT开关速度相同的情况下，直流母线电压高和电流大的器件相对来说就有比较高的开关损耗。假设使用相同的开关频率，对于不同的逆变器设计，可以选择一个表征IGBT开关损耗的量E=Uce×Ice，并对一整个市电周期的平均值进行对比。假设一个市电周期内有M个开关周期，对于其中某一个IGBT来说，只有半个周期是进行开关的，所以对应开关时刻电流大小是：
其中T表示的是开关周期。那么在M比较大的时候，对于一个市电周期的平均损耗Eavg功率就是：
其中P表示的是UPS的输出功率。所以开关损耗主要受到直流母线电压和输出电压的比例影响。如果由于BUS电压比较低，需要注入三次谐波，假设三次谐波相对基波的比例为k3，那么可以计算得到上面的平均功耗值就成为：
由于先决条件是假设固定的UPS的输出功率P，那么主要影响开关损耗的量就是Uin/Uo（如果出现三次谐波注入，就要在附加上k3这个修正因子）。先看高频机型UPS在不同直流母线电压下的计算结果，如表1所示。
表1高频机型UPS在不同直流母线电压下的功耗计算结果
可以看出，在能够满足输出电压规格要求的情况下，使用比较低的直流母线电压可以减小半导体的开关损耗。
再看对于工频UPS在不同直流母线电压和桥臂输出相电压设定下的结果
表2工频机型UPS在不同直流母线电压和桥臂输出相电压设定下的功耗计算结果
从表格的数据比较可以看出，如果工频机型UPS的BUS电压维持在最低水平，实际上对减小开关损耗是有利的，但是如果不是这样，而是典型的情况，比如直流母线电压为500V，那么开关损耗就会比较高。特别是市电电压偏高时，工频UPS的直流母线电压会上升比较多，导致开关损耗变大很多。因此在市电电压正好达到UPS设计的低点的时候工频UPS才能得到比较好的开关损耗，在其他情况下损耗会高出比较多。
高频UPS的优势是BUS电压是可控的，因此可以通过维持BUS在允许的最低水平，得到最优的开关损耗。
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