| 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。 |
首先要考虑的是电感量的设计。一般情况下设计准则是首先设定一个预期比例因子ki，保证在满载下最大电流开关纹波保持在电流基波峰值的ki倍以内。根据选取铁芯材料的不同，这个ki一般在0.2～0.4之间。例如在逆变应用中，开关纹波电流在输出电压为0时最大，此时有：
对于相同功率的高频机型和工频机型UPS，虽然输出电压设置有差异，但是可以使用同样的铁芯来实现。根据前面的等式，可以得到不同电压条件下所需要的匝数：
其中f是开关频率，f=1/T，N是电感线圈的匝数，Ae是电感铁芯的截面积。对于铁芯的磁滞损耗，在磁性材料选定之后主要和磁感应强度的峰峰值Bpp有关。Bpp的计算式是：
其中t是电压加载在电感两端的时间。把占空比的计算数据带入，可以得到：
另一方面，在开关频率固定的情况下，铁芯单位体积损耗的大小Ecore和Bpp的关系有，即：
这里m随着不同厂家和不同的材料有所不同，一般在2～3之间。假设这里是损耗比较小的材料，取m=2，那么对于一整个市电周期的损耗可以通过累加和平均估算出来。同样的没如果开关频率比较高的话，平均的结果是：
式中括号内的项目可以作为比较电感磁滞损耗大小的一个标志。根据上一个公式，当在Uin能够实现的范围内使Uo尽量大，则磁损会比较小，表3是对于高频机型UPS计算出来的括号内的数值。
表3根据高频机型UPS计算出来的式（16）括号内的数值
对于工频机型UPS而言，就有如表4给出的数值。
表4根据工频机型UPS计算出来的式（16）括号内的数值
从数据对比来看，与开关损耗的对比类似，高频机型UPS的主要优势是可以通过控制直流母线电压，维持Uin/Uo比例，从而总体上维持比较低的磁滞损耗；工频UPS由于直流母线电压是不可控的，那么当直流母线电压比较高的时候磁损就会大幅增加。另外，以上等式计算的是对于不同的Vin和Vo条件都重新设计匝数来得到最优的损耗数据，而实际上在逆变中只能选择一个工作点来进行设，而其他的工作点就不能达到这里的最优磁损。根据桥臂输出电压设置的不同，实际磁损会有10%～30%的增幅。
再来看铜损的情况。从通俗一点的角度来说，当逆变桥臂的输出电压设定降低时，电流就会增大，所需要的感值减小，而线圈的匝数减少，导线截面积增加。在使用相同的铜材料的约束下，可以同样推导出铜导线的电阻：
这里又出现了这个关键的Uin/Uo。也就是说如果Uin/Uo比较小的话总的铜损也比较小。前面在开关损耗方面也已经对此进行了比较。另外一个很大的差异是在工频机型UPS里面带有一个隔离变压器。由于这个变压器工作在工频，一般使用硅钢片进行设计，效率不会太高。虽然在光伏逆变器方面已经有达到99%效率的隔离变压器产品，但是在UPS产品上，出于成本考虑没有产品应用。在工频机型UPS里面比较好的隔离变压器满载效率最高会达到98%~98.5%，但是多数还是在97%以下，而一些厂商为了控制成本，使用的变压器效率甚至只有95%。还有一个要注意的因素，就是虽然这个变压器工作在工频，但是逆变开关频率的电流还是要经过这个变压器的，这些高频量作用在硅钢片上的结果是会产生很大的涡流损耗，导致变压器效率进一步下降。
综合来看，在逆变部分，决定效率差异的有三个部分。其一是工频机型UPS为了适应电池直接挂在直流母线上的原因，需要把逆变桥臂输出电压调低，从而导致逆变桥臂输出电流变大，从而引起逆变IGBT和二极管的通态损耗增加90%～150%；其二是由于工频UPS的直流母线电压不受控，存在比较宽的范围，导致在大部分工作条件下Uin/Uo数值都偏离比较小的区域，使得逆变器的开关损耗、逆变电感的磁滞损耗以及铜导线的损耗在大多数情况下都偏离最优损耗点比较远；其三就是工频变压器带来额外的2%～5%的效率损失。
在高频机型UPS设计里面，经过良好优化设计的逆变部分效率可以达到97%，但是工频UPS的逆变器通常无法工作在损耗较小的区域，所以效率指标会有比较大的损失，再加上工频变压器的损耗，工频UPS逆变部分效率综合起来比高频UPS会低3～6个百分点。
如果工频机型UPS在输入端使用了SCR导通角控制，那么也可以通过直流母线电压控制来使用600V半导体器件，以及优化直流母线电压来尽量接近比较好的Uin/Uo。如此的话在逆变桥臂与电感上可以有类似于高频UPS的损耗水平，但是变压器损耗还是照样存在的。另一方面在这种情况下SCR导通角控制在大多数场合下都是在工作的，这样的设备不能直接连入电网，前面必须配备一个很大功率的APF滤波装置，在效率方面必须把APF的损耗考虑进来。目前多数UPS厂商都不选择这样做。
5.UPS的输入级损耗
在电池模式下，高频UPS表面上看多了一个DC/DC环节，存在额外的效率损失，但是这个DC/DC环节只需要一个Boost电路或者三电平Boost电路，而Boost电路是非常容易进行优化设计的电路结构，而且对于电池这种比较稳定的直流电源来说也有比较成熟的软开关方案来减小开关损耗，因此这一级DC/DC效率做到98%以上是很正常的，因此相对于选择了效率不到98%的隔离变压器的工频UPS产品来说，由DC/DC带来的损耗还没有工频UPS的隔离变压器带来的损耗多。在电池模式下高频机型UPS还是有更高的效率。
在市电模式下，最简单的工频机型UPS的输入级就是一个整流桥，只有二极管或者SCR上的通态损耗，而其他损耗几乎可以忽略，效率还是很高的。通过仿真可以发现，当选取不同容量的直流母线电容时对于输入电流的波形影响非常大。选择比较小的电容，则直流BUS电压的纹波变大，输入电流的峰值和有效值相对小一些；如果选择的BUS电容比较大，则BUS电压的纹波变小，而输入电流的峰值和有效值都变大。BUS电容容量的选择是受到保持时间和电解电容寿命两方面因素制约的。对于基本的整流桥设计，输入电流波形如图5所示。此时的仿真结果输入电流峰值高达230A，有效值达到88A。这也就说明了工频机UPS为什么需要强调SCR的过载能力，因为这是工频机本身输入结构造成的。
图5三相整流时的电压电流波形
基于这一结果，在整流桥的选择上要留出足够的裕量，例如选择英飞凌的整流桥器件TDB6HK124N16RR。经过估算，此时整流桥的通态损耗在240W左右，相对于40kVA的功率等级来说，似乎此时整流桥效率很高，超过99%，但是另外一个方面是输入功率因数只有0.6，电流THD达到了130%，对于越来越严的电力法规来说这是完全不可接受的。通常在书本上都会写6脉波整流功因在0.95，这里的结果完全不同，实际上是因为6脉波整流功因0.95是基于负载为线性载的假设，而这里有非线性存在，使得整个UPS成为一个非线性整流负载。这个电容越大，就会使得输入的特性越差。同样的，对于12脉波整流，一般的文献都会将功因可以达到0.99，但是如果考虑到直流母线上的电容，结果就会完全不同。基于下面一个基本的12脉波整流电路进行仿真，仿真出来的电流波形如图6所示。
图612脉冲整流器电路和电压电流仿真图
此时输入电流的峰值达为188A，有效值68A，功率因数在0.8，而输入电流的谐波失真THD也在80%。同样的，由于直流母线上电容的存在，这里也无法做到一般所述的12脉波整流的优良性能。虽然相对于6脉波整流来说已经有很大进步，但还是是无法达到法规要求。而且12脉波整流导致整流桥数量加倍，同时增加一个隔离变压器，对成本和效率的影响非常大，因为这个变压器同样会带来1%～3%的效率下降。
为了改善输入电流波形和功率因数，在工频机型UPS里面必须加入电抗器。对于6脉波整流，仿真计算表明，在前面加入一个300uH～450uH的交流电抗器可以有明显改善，这个电抗器工作在工频段，铁芯材料一般使用硅钢片。此时仿真得到的电流波形如图7所示。功率因数可以改善到0.8989，谐波失真THD可以改善到43%。
图7工频机型UPS里面加入电抗器后的功因与谐波改善情况
由于电流有效值减小，整流桥的通态损耗也会降低，在这样的波形下可以降低到180W左右，而交流电抗器的损耗在200W左右，再考虑到整流部分的其他因素如线路电阻，漏感等引起的损耗，输入级效率会低于99%。
不管是采用前面的6脉波整流加入电抗器还是12脉波整流，相对于越来越严格的电力法规来说，所得到的结果还是无法达到要求，必须再增加滤波环节。如果要达到能够和高频UPS竞争的规格指标，只有在前面添加APF或者采用特定次谐波消除的方式。如果单独使用APF来处理，相对于这里产生的谐波来说，此APF的功率也要达到10kVA的级别，在APF上产生的损耗也是相当可观的。如果把APF的损耗与工频机型UPS的输入级损耗合并计算，那么6脉波整流下工频机型UPS的输入级效率会降到97%～98%左右，而12脉波由于存在额外的变压器损耗的原因，效率就更低。使用特定次谐波进行选择性谐波消除，或者更复杂的方式，用特定次谐波滤波器结合APF的有源/无源混合谐波治理方案，确实可以做到需要的谐波规格，但是单独使用特定次谐波消除带来的负面影响是这些滤波器会带来工频段的相移，而且电感上也会带来额外损耗。有源/无源混合方案太过复杂，而且效率同样不高，综合来看还不如直接使用PFC结构更为理想。
反过来再看高频机型UPS，在输入级上常用的拓扑有上面示例中使用的PWM整流方式以及双Boost/UVienna结构。PWM整流桥的好处是具有能量双向流动的能力，可以扩展出更多的功能，在损耗上和逆变的损耗比较接近。通过良好的优化设计，其效率也一样可以达到97%。双Boost/Vienna结构虽然没有能量双向流动的能力，但是由于具有三电平的效果，效率上比PWM整流桥更高，甚至可以做到接近98%。而且这几种拓扑都可以做到功率因数校正，谐波和功因都有非常好的表现。
再一个影响效率的因素就是前面提到的直流母线电容。在高频机型UPS的设计中，理想情况下直流母线电压是直流，由开关引起的高频分量可以通过合理布局，使用高频特性好的薄膜电容进行吸收，从而电解电容上面的损耗比较小。但是在工频UPS里面，如果输入是6脉波整流，那么直流母线电容上就存在比较大的6次脉动波，而使用12脉波整流，就会存在12次脉动波，这些波动在直流母线电容上就会对应的产生损耗。
下面以6脉波整流为例来看。这里使用的是前面带有交流电抗器的方案，更接近真实的情况。当选择很小的直流母线电容时，比如470uF，那么直流母线电压波形如图8所示。
此时电压纹波的峰峰值是154V。比较不同母线电容大小情况下的电压峰峰值，以及在电容上带来的损耗，可以得到下表5的结果。
表5不同母线电容量的影响
图86脉波整流输出前带交流电抗器并470uF电容时的支流母线上的电压波形
选择比较大的电解电容，对于工频UPS来说可以得到比较小的电流纹波损耗。虽然这个损耗相对于整机来说不大，但是高频UPS本身在线性负载下没有这个纹波，因此也就没有这部分损耗。把整流和逆变两级的损耗综合起来，可以看到，高频机型UPS两级变换一般会带来5%～6%的效率损失，而工频UPS根据选择方案不同，一般会带来5.5%～10%的效率损失。对比来看，工频UPS要在谐波治理方面花很大的代价，把此部分的损耗也算进来，那么整机就会增加到7%～9%的效率损失。如果是12脉波整流，根据选择方案的不同，还会再带来1%～4%的效率损失。实际上在市场上的典型新一代高频UPS产品，其效率规格普遍可以达到94%，甚至有的可以达到95%，但是反观工频UPS产品，虽然最好的产品可以达到93%～94%，但是很多产品甚至低至90%以下。
7.结论
本文通过对工频UPS与高频UPS在同等条件下做效率优化计算，得到了两者在电力损耗上的对比。最终结果表明，高频UPS具有非常明显的效率优势，也更加绿色环保。随着市场对于电源产品节能环保要求的提升，以高频UPS技术取代工频UPS是行业的大势所趋。
责任编辑：尕刺
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