2.2高频机型UPS

　　(1)结构

　　由于近10年来,随着功率半导体器件(尤其是IGBT)性能和电力电子技术的进步,为UPS的整流器采用IGBT高频工作方式并为去掉输出隔离变压器创造了物质条件,使其在高频化、小型化和节能化等方面,取得了长足的进展,这就是当前常说的高频机型UPS。

　　实际上,高频整流器有两种电路结构,其一是IGBT降压型高频SPWM整流电路,输出直流电压约为400V,逆变器的输出侧采用变压器升压,以便使UPS输出的交流电压达到额定值(380V/220V)。这种机型目前在国内外有少量生产,供给特殊用户选用。其二是IGBT升压型高频SPWM整流电路,输出直流电压约为800V(以电容分压获得±400V),由于此整流电压较高,使UPS输出的交流电压可以达到额定值的要求,所以逆变器就不需要输出变压器了(但必须在输出侧有串联电感)。人们一般所称的高频机型UPS就是指这种高压整流-无输出变压器型式,其主电路如图2所示^[3]。

　　(2)特点

　　与工频机型UPS相比具有明显的优势:

　　①功率密度高、体积小、重量轻、节省占用的空间;

　　②输入功率因数较高(达到0.99),输入电流失真度较低(小于5%),为节能创造了技术条件;

　　③整机效率高。因为没有了输出变压器损耗,整流电压提高了,可以减少电路工作损耗,一般认为可以提高2.5%以上(应当指出:整流器的高频化,其开关损耗也增加了,所以其变换频率不宜太高,目前约15kHz,算是中频范围,从而限制了开关损耗)^[5];

　　④成本低。因为没有了输出变压器、12脉波移相变压器,也不必采用11次滤波器等设备;

　　⑤改进了电性能指标。譬如输入电压范围宽了(可达±25%),带负载能力强了(适应三相不平衡负载,动态性能较好);

　　⑥易于实现模块化,更便于多机并联工作方式,有利于随时扩充。

　　(3)人们曾经担心的问题

　　由于高频机型UPS的发展时间比工频机型UPS短一些,电路结构的优化有个技术成熟过程,人们主要对高频机型UPS的工作可靠性存在一些顾虑,但是目前已经解决。

　　①技术已完全成熟

　　高频机型UPS的IGBT整流(含PFC)技术和半桥式逆变电路,这两个技术用于无变压器UPS中是近10年左右的事情,但这两项技术本身的产生由来已久,近几年在UPS中应用已非常广泛,其技术是成熟的。

　　②逆变功率管的耐压已达到技术要求

　　由于高频机型UPS的整流输出电压为800V,从而要求逆变电路中的功率管(IGBT)的耐压要大于800V(工频机型UPS逆变功率管一般为400V)。但是,目前IGBT生产厂家制作出耐压大于800V甚至1200V器件的技术已经成熟,完全达到高频机型UPS逆变器的要求。

　　③在UPS故障时向负载输出较高直流电压的问题已经解决

　　由于UPS线路故障时发生逆变功率管IGBT直通(或短路)时,直流母线电压会直接输出到负载端,当前在UPS中已配备了保护电路,在发生上述故障时,UPS会自动转换到旁路以确保安全。

　　④输出端的“零地电压”不会影响负载正常工作

　　由于高频机型UPS没有输出隔离变压器,其高次谐波电流会在UPS的输出端形成较高的“零地电压”,有时会达到几十伏。实践证明,在运行时,因为服务器中的开关电源有高频变压器可以起到隔离作用,零地电压不会窜到负载数字电路中,所以对服务器的正常工作不会产生影响。

　　(4)适用场合

　　可以说,凡是工频机型UPS能使用的场合都可以采用高频机型UPS,尤其是对于体积、重量、效率、输入功率因数、输入交流电压范围等指标要求较高的场合都是适用的。这些优势对于现代数据中心来说,高频机型UPS成为其优选机型。当前,用高频机型UPS构成的模块化UPS,便于冗余并联,显著提高其工作可靠性,现已有专门标准,更具有推广应用价值^[4]。