50年来，随着功率半导体器件和电力电子技术的进步，UPS设备经历了由带多个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，成为现代数据中心UPS设备的首选机型。

　　5.1 去掉输出变压器是 UPS电路技术的进步

　　传统双转换在线式UPS电路的特点之一是通过工频隔离变压器输出。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。

　　UPS电路技术的进步取决于功率半导体器件的进步，从可控硅(晶闸管)到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，伴随着UPS输出电路电四个变压器到一个变压器的演变过程，如图5.1所示。自19世纪80年代起，UPS逆变器开始只含有一个变压器。

　　图5.1 UPS逆变电路结构与输出变压器的变化

　　(1)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。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，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输出端产生单相负载供电时所需要的中性线(或零线)。

　　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5.2和图5.3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5.2单相UPS输出DC/AC逆变器 图5.3 三相UPS输出全桥DC/AC逆变器

　　以单相UPS输出DC/AC逆变器为例，它是一个全桥逆变电路，每个桥臂有两个串联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(系统输入变压器的输出端)是要接大地的，显然，如果把图5.2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地线短路而立即烧毁逆变器。但是，在A和B两端接输出隔离变压器，并通过隔离变压器向负载供电，则变压器次级的两个输出端都可做为零线输出。

　　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(或经过DC/DC变换)挂在直流母线上。当输入市电正常时，靠可控硅整流电路的调节为桥式逆变器供电。从系统结构可以看出，从整流输入到逆变输出的过程中，每个环节都是降压环节：可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压，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，逆变器采用脉宽调制(PWM)方法逆变出正弦交流电，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5.4的接法，变压器初级是三角型，如果不考虑该隔离变压器有升降压的作用，当三个初级线圈的电压都是380V时，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=380/220=1∶0.578。此时要求变压器原边的峰值电压应该是：220V ×1.414×1.732=538.8V

　　图5.4 三角形/星形变压器电路参数

　　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的1.2倍以上，即：

　　538.8V×1.2=646.56V

　　但是，当考虑输入电压下限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，输出变压器的实际升压比应该是：1∶1.9~1∶1.78。

　　(2)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，所以系统的零线要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5.5 所示。也就是说，UPS机内的变压器没有系统隔离的功能。当系统需要UPS有隔离功能时，必须额外配置隔离变压器。

　　图5.5 输出变压器零线的连接

　　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。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。