UPS技術趨勢:無變壓器技術分析

摘要

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177637.htm

功率電子設備的技術進步與功率器件的性能提高、新器件的不斷出現有著密切的關係。50年來，隨著功率半導體器件的進步，UPS設備經歷了由多輸出工頻變壓器到單個輸出工頻變壓器的演變過程，而性能更好的大功率IGBT器件和更先進的控制技術的出現，為UPS設備從根本去掉輸出隔離變壓器創造了物質條件，使其在高頻化、小型化、節能化和綠色環保化方面取得了長足的進展，這就是人們所說的「高頻機」。這種機型集中體現了UPS電路技術的進步，代表著UPS技術的發展方向。與傳統的帶輸出變壓器的UPS相比，它在進一步縮小體積、減輕重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面，都取得了明顯的改善和進步。


一、 UPS電路的演變史反映了UPS電路技術的發展歷程

最初的UPS輸出逆變器都是帶有輸出變壓器的。應該說，採用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大於利。逆變器電路技術演變過程的一個顯著的表現形式是：是否必須用變壓器，如何配置變壓器，是否可能去掉變壓器。

圖1是20世紀70年代生產的第一代三相UPS的典型電路結構形式。

圖1所示的UPS包括一個由降壓式自耦變壓器繞組供電的二極體全波整流器和一個與整流器相併聯的、由自耦變壓器的輔助二次側繞組供電的可控矽電池充電器。當電網停電時靜態開關可將電池組連接到直流母線上供電。

逆變器由4個三相逆變器以全波方式運行（按照基波頻率進行換向），每一個三相逆變器都與變壓器的一次側繞組相連接（三角形連接），再把這些二次側繞組開放式變壓器(Open Phase Transformers)的二次側以一定方式進行連接，以獲得合成的輸出電壓。這4個變壓器被分為兩組，每一組都包含一個星形和一個Z形（曲折星形）的二次側繞組，這兩個二次側繞組之間具有30°相位差。這一特殊的連接可消除n=6k±1（k為奇數）次的電壓諧波，這等效於12脈衝整流器中的兩個移相式繞組在變壓器一次側中可抵消5、7次諧波。對於在變壓器一次側繞組中每相可能出現的3次和3n次電流諧波，由一次側繞組的三角形接線方式來抵消。因此，輸出端首先需要濾除的諧波為第11次諧波。輸出電壓的調整是通過移動兩組變壓器之間的相位（0φ180°）來完成的。由於首先需要濾除的是第11次諧波，所以輸出濾波器的尺寸較小，這使得逆變器對負載變化的動態響應特性加快。

以可控矽（晶閘管）為基本功率器件的電路存在著換相安全和功率損耗的問題，為減少電路的能量損失和改善控制功能，下一代系統開始使用一種新的脈衝電路，每個晶閘管都有其相應的滅弧電路。整個設備僅需兩個變壓器，如圖2所示。為消除n=6k±1（k為奇數）次的諧波，只需要一組相位相差30°的逆變器，而這30°的相移是預先設置好的，並在每臺變壓器一次側以「脈衝寬度調節」的方式（PWM）來實現對電壓的調整。為達到預期的輸出電壓，可以將上述換向電路應用於每周期6次固定換向的基本脈寬調製電路(PWM)。

變壓器的數量從4個減少到2個，但為了能進一步減少變壓器的數量，就不得不提高逆變電路的性能，以便通過優化PWM就能達到目的，而無需再使用兩組變壓器的耦合方式。以前使用兩組移相30°的變壓器是為了減小低次諧波（5、7次），因為他們的幅值較大，要濾除他們比較困難。只用一個變壓器的UPS如圖3所示。電路中，變壓器的二次側繞組為曲折星形連接，每個逆變器以基波的7倍頻率來斬波直流電壓。這種斬波方式稱為固定頻率斬波，在設計時以儘可能減小輸出電壓的失真度以及減小濾波器的尺寸為目標。輸出電壓的調整是通過移動兩組逆變器橋之間的相位進行的。

自20世紀80年代起，UPS逆變器開始只含有一個變壓器。同時，隨著功率半導體器件的革新，雙極型功率電晶體以及電子控制級的IGBT等功率半導體器件的出現，逆變電路中的可控矽器件被取代（見圖4和圖5），但UPS帶輸出變壓器的這種情況仍在繼續且一直持續到二十一世紀伊始，其間雖然在1995年出現了無變壓器的逆變器結構，然而此類產品僅適用於功率小於等於30kVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導體器件換向時的損耗較大，而較高的耐壓要求又使得人們很難在不用變壓器的條件下成功地製作出大容量的逆變器。

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圖4的逆變器採用IGBT器件，變壓器二次側繞組採用星形連接。每個一次側繞組都連接到兩個逆變器支路的中點，組成實際上是三個單相全控制的逆變器橋。因此，在二次側繞組上得到的電壓是獨立進行調節的，這可有效地確保輸出電壓的良好平衡，而不管三相負載電流是否處於平衡狀態。使用橋式組件的連接方式可使每個支路的變換頻率相對於標稱變換頻率減小1/2，這樣每個支路都只在正弦波的1/2個周期內工作。

圖5隻有一個逆變器（三相全橋），此變壓器的耦合方式採用一次側三角形/二次側曲折星形連接。這種連接方式可實現兩個額外的功能。首先，它可以實時（即刻、瞬間）地調節每相的輸出電壓，而各相輸出電壓都與逆變器的逆變支路相對應。此外，變壓器二次側的Z形連接所吸收的負載3n次諧波電流傳送到變壓器的一次側繞組，使這些諧波電流只在一次側繞組內流動，這樣，可降低IGBT的換向電流，從而減少了換向損耗。

以上所述就是逆變器中的變壓器是如何逐步發展演變的過程。

二、 UPS輸出隔離變壓器的功能

了解傳統UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的，因為只有當用電路措施能夠完全實現它的功能時，才有可能在新一代設備中替代並取消它。實際上對這個問題是存在一些誤解的，諸如：逆變器輸出隔離變壓器「有隔離的作用」、能夠「抗幹擾」、能夠「緩衝負載的突變」，還能「提高UPS的可靠性」等等，甚至於認為無變壓器的UPS就不能可靠的工作，好像這個變壓器是為了這些目的而專門設計的。持有這種看法的人要麼是對UPS逆變器工作原理不太了解，要麼是對隔離變壓器的功能和在逆變器電路中的作用不甚了解。應該說這個變壓器是工頻機全橋逆變器不可分離的構成部分，而且它的作用也很簡單：升壓和產生三相四線輸出的零線。

1、輸出變壓器的功能之一是為單相負載提供所需要的零線

傳統雙轉換UPS輸出變壓器的一個重要功能是在UPS輸出端產生為單相負載供電時所需要的中性線（通常稱之為零線）。

帶輸出變壓器的UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成，如圖6和圖7所示。輸出端必須加變壓器，否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應視為產生輸出零線的變壓器。

圖6為單相UPS輸出DC/AC逆變器主電路圖，它是一個全橋逆變電路，每個橋臂有兩個串聯的IGBT（VT1——VT4），輸出交變電壓UAB由兩個橋臂的中點A和B引出。

當VT1和VT4同時通導（VT2和VT3截止）時，由直流電壓E形成的電流迴路是電壓E的正端—VT1—負載A端—負載B端—VT4—電壓E的負端；而VT2和VT3同時導通（VT1、VT4截止）時，由直流電壓E形成的電流迴路是電壓E正端—VT2—負載B端—負載A端—VT3—電壓E的負端。如果VT1和VT4與VT2和VT3交替導通的周期是50Hz，則加在負載上的電壓UAB是幅值為直流電壓E的50Hz方波或者準方波，如果VT1和VT4以及VT2和VT3都以高頻正弦波脈寬調製（SPWM）規律導通和截止，則負載端電壓UAB是幅值可調整的正弦波。

值得注意的是，通常單相負載的輸入電壓要求有一根零線，而且這根零線在系統中（供電系統輸入變壓器的輸出端）是要接大地的，顯然，如果把圖6單相電路中的A或者B任一點做輸出零線接地，都會使輸入電壓通過導通的半導體功率器件對零線短路而立即燒毀逆變器。

圖7為三相UPS輸出的全橋DC/AC逆變器電路框圖。為了滿足負載必須有零線的要求，於是就增加一個輸出隔離變壓器，變壓器的初級做三角型連接，由三相全橋的三個橋臂中點做三相線電壓輸入，變壓器次級星型連接，產生新的零線按三相四線制向負載供電。

這裡不僅需要輸出隔離變壓器產生零線，為了UPS轉旁路時也能正常供電，輸出變壓器產生的零線還必須與系統輸入的零線連接在一起。

2、輸出變壓器的功能之二是對輸出電壓的匹配作用

傳統大中型UPS主迴路結構採用可控矽整流將輸入的交流電整流為直流電，電池直接掛在直流母線上，當輸入市電正常時，靠整流可控矽的調節對電池充電，同時為IGBT結構的橋式逆變器供電。從系統結構可以看出，從整流到逆變的過程中，每個環節都是降壓環節：可控矽整流是為了提供恆定的直流電壓而採取的一種整流方式，由於可控矽整流要「斬掉」一部分輸入電壓，所以其輸出電壓恆定的代價是輸出電壓恆定在低於全波整流輸出電壓的某個數值上。而逆變環節同樣是一個降壓環節，從可控整流輸入來的直流電在通過逆變器逆變出正弦交流電的過程中通常採用的是脈寬調製（PWM）方法，其結果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由於上述的原因，在此種結構的UPS逆變器中，輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用，將逆變器輸出的電壓升至到合理的輸出範圍。

在實際應用中，輸出變壓器通常採用圖8的接法，變壓器初級是三角型，對於沒有升降壓作用的隔離變壓器，三個初級線圈的電壓都是380V，次級是星型，三個次級線圈的電壓都是220V，那麼初次級線圈的匝比應該是：N1:N2=1:0.577。

當要求輸出相電壓為穩定的220V時，變壓器原邊的峰值電壓（即直流電壓E）應該是：220V×1.414×1.732=538.8V。

考慮到逆變器PWM工作方式，為逆變器供電的直流電壓要高於變壓器原邊的峰值電壓，最小極限值通常取變壓器原邊峰值電壓1.2倍左右，即：538.8V×1.2=646.56V。

但是，當考慮輸入電壓下限變化10%時，輸入三相線電壓全波整流的最高直流電壓的理論值是：380V×1.414×0.9=483V。

實際上考慮到AC/DC轉換過程的降壓因素，大中型UPS的電池（直接跨接在直流母線上）通常配置32-34節，額定電壓為384V-408V，浮充電壓（即AC/DC變換後的直流母線電壓）為432V-459V，電池放電下線電壓為340V-362V。

UPS直流母線電壓的下限值（340V-362V）與輸出電壓要求的變壓器原邊的峰值電壓（646.56V）之間的差別就應該由輸出變壓器採用升壓方法來解決，所以，輸出變壓器的升壓比應該是：646.56V/（340V-362V），即1.9~1.78。

也就是說，輸出變壓器的實際匝比應該是：1:1.9或1:1.78。

以上數據是按一般情況推算的，實際情況與不同的電路結構形式有直接的關係，輸出變壓器的參數和接法也不盡相同，但不管電路差別有多大，輸出變壓器總是通過原付邊匝比的變化起著匹配逆變器輸入電壓與UPS輸出電壓的作用。

3、輸出變壓器是隔離變壓器，但在系統中沒有隔離功能

在UPS供電系統中，UPS設備的一個至關重要的功能是當輸出過載或者UPS逆變器故障時，自動轉靜態旁路供電，另外，在系統中還設置了維護旁路，當UPS需要維護時可手動轉維護旁路向負載供電。執行這兩個操作時，都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負載供電，所以系統的零線與負載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS的變壓器次級新產生的零線必須連接到輸入電源系統的零線上，如圖9所示。也就是說，UPS機內的變壓器沒有電源系統隔離的功能，如果系統存在零-地電壓差較大的問題，UPS機內的逆變器輸出變壓器對此電壓差是無能為力的。

在實際應用中，當零-地電壓差過大而需要降低時，就必須額外配置專門的隔離變壓器，如圖10和圖11所示。

隔離變壓器的配置方法有兩種：

第一種方法：在旁路輸入端配置與UPS同功率的隔離變壓器，這樣UPS內置的輸出變壓器的輸出零線和旁路隔離變壓器輸出零線都可以接在系統地線上（重新組成接地系統），這就實現了UPS輸出與供電系統的真正隔離，並使這點的零-地電壓差等於零。用這種接法的優點是，在UPS正常工作模式下，旁路隔離變壓器空載運行，不影響UPS的輸出性能和系統效率。缺點是，當UPS轉旁路時，變壓器突然帶載工作，其輸出電壓瞬間會低於轉換前UPS檢測到的電壓（變壓器空載電壓），如果轉換前UPS檢測到的電壓已經處於UPS同步運行（限定的可以轉旁路運行）的下限，那麼轉換後因變壓器的壓降（電壓調整率）而使輸出電壓低於負載供電電壓的下限，負載可能會因此而間斷或宕機。

第二種方法：把變壓器配置在UPS的輸出端，此方法可使UPS供電系統與負載做到理想的、完全的電氣隔離，特別是當UPS供電系統在物理位置上與負載距離較長時，可把變壓器放在接近負載端，例如一些大型數據中心，在負載列頭櫃輸入端加裝隔離變壓器。此方法的缺點是變壓器的阻抗會影響到UPS對負載供電的穩定精度、供電能力和動態特性。

4、關於隔離變壓器的抗幹擾功能

由於變壓器的阻抗有一定的感性成分，因而說這個變壓器具有一定的抗幹擾作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗幹擾而設置的，它的抗幹擾能力也是有限的。

常常會有人簡單地認為：當系統中設置有隔離變壓器時，其抗幹擾功能就一定會很強。這種認識並不完全正確。在供電系統中，產生幹擾的原因和幹擾現象是多種多樣的，其中包括諸如高壓脈衝、尖峰毛刺、電湧、暫態過電壓、射頻幹擾（EFI）和電磁幹擾（EMI）等等。但是，就其幹擾形式和傳輸途徑而言，大體可分為兩類：一是共模幹擾，二是差模幹擾。共模幹擾存在於電源任一相線和零線與大地之間，共模幹擾有時也稱縱模幹擾、不對稱幹擾或接地幹擾，是由於輻射或串擾耦合到電路中的，是載流體與大地之間的幹擾。而差模幹擾存在於電源相線與零線之間及相線與相線之間，差模幹擾有時也稱常模幹擾、橫模幹擾或對稱幹擾，是載流導體之間的幹擾。

目前，人們通常採用的抑制幹擾的措施主要有給被保護的設備並聯瞬變幹擾抑制器和在電子設備的輸入端安裝電源濾波器兩種方式。採用變壓器提高抗幹擾能力是有一定作用的，但這裡講的變壓器應是特殊的「超級隔離變壓器」，而非普通的線性變壓器。

並不是隔離變壓器就能抗幹擾，普通變壓器的抗幹擾能力是有限的。對於輸入電壓中存在的低頻幹擾和電壓畸變，變壓器不可能也不允許「抗幹擾」。否則通過變壓器傳輸的電壓波形就會失真。對由地線環路帶來的設備間的相互高頻幹擾有一定的抑制作用，但因繞組間存在的分布電容，使它對共模幹擾的抑制效果隨幹擾頻率的升高而下降。

變壓器是靠磁耦合實現原邊和副邊的電壓變換的，因而它不具備抗差模幹擾的功能。在1kHz~100MHz的幹擾頻率範圍內，普通隔離變壓器對共模和差模幹擾的衰減能力都微乎其微。對普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明，要提高對共模幹擾的抑制能力，關鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電容，為此在變壓器初、次級間加設屏蔽層，如圖12所示。

圖12中，C1為初級繞阻與屏蔽層之間的分布電容，C2為次級繞阻與屏蔽層之間的分布電容，Z1為屏蔽層接地阻抗，Z2為負載的對地阻抗，E1為初級幹擾（共模型）電壓，E2為E1通過偶合傳導到次級的幹擾（共模型）電壓。如果C1和C2的阻抗遠大於屏蔽層接地阻抗，則偶合傳導到次級的幹擾電壓E2就會遠小於E1。

要使隔離變壓器同時具有較好抗差模幹擾與共模幹擾的功能，必須把它製作成超級隔離屏蔽變壓器。超級屏蔽隔離變壓器是性能較完善的多重屏蔽的隔離變壓器，對差模和共模都有較強的抑制功能，如圖13所示。

超級屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層，靠近初級繞阻的屏蔽層連接在初級中性線上，可以濾掉初級出現的高頻差模幹擾。而對50Hz的工頻電壓則不產生任何影響，靠近次級繞阻的屏蔽層連接在次級中性線上，可以濾掉次級出現的高頻差模幹擾。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起，再接大地，主要用來濾掉共模幹擾。


三、 無輸出變壓器UPS的電路形式

無輸出變壓器UPS視設計功率的大小，所用的具體電路形式也不盡相同，這裡僅就大功率無輸出變壓器UPS的主電路結構形式（見圖14）來討論它是如何完成三相四線輸出和系統升壓功能的，因為要求三相四線輸出和系統升壓是傳統UPS必須帶輸出變壓器的兩個根本理由。當新的電路拓樸結構本身具備這兩個功能時，輸出變壓器也就自然沒有存在的必要了。

圖14主要表示了與是否需要變壓器這一論題有關的電路框圖，輸入部分是IGBT-PFC整流電路，後面部分是三相半橋逆變電路，中間是電池配置示意圖。這裡電池組用了兩組400V電池組，串聯後直接跨接在直流母線上。當然也可用一組400V電池組，那麼就需要在直流母線和電池組之間配置一個獨立的可雙向工作的DC/DC變換器，市電正常時，由800V降壓給電池組充電，當市電停電時，反向升壓給半橋逆變器提供800V工作電壓。

下面主要敘述IGBT-PFC整流電路和三相半橋逆變電路的工作狀態。

1、無輸出變壓器UPS是如何向負載提供三相四線制電壓的

圖14中，輸出半橋逆變電路由三組IGBT橋臂組成，每組與公用電容（電池）電路組成單相半橋逆變器。三個半橋電路可獨立輸出功率，由他們形成的三個50Hz單相正弦波電壓彼此相差120º，所以只要看一下一個半橋電路的工作過程，就可了解三相電路的工作狀態。

如圖15所示，假定橋臂的上面的IGBT用VT1和VD1表示，下面的IGBT用VT2和VD2表示,與電池並連的電容分別是C1和C2，續流電感為L。

圖15所示為主逆變器逆變狀態等效電路及工作過程。我們分析其工作過程時，先按輸出電壓正半周和負半周把它分解為兩個降壓型開關電路（Buck）。在輸出電壓的正半周時，降壓開關電路由開關管VT1、續流二極體VD2和電感L組成。VT1導通時電容C1上的正電壓（400V）通過電感L向負載輸出功率，電感L中的電流線性上升；當VT1由導通轉為截止後，由於電感L的續流作用，感應電壓使VD2導通，續流電流流經電容C2，其電流方向實際上是給電容C2充電。在輸出電壓的負半周時，降壓開關電路由開關管VT2、續流二極體VD1和電感L組成。VT2導通時，電容C2上的負電壓（-400V）通過電感L形成輸出電壓的負半周，電感L中電流線性上升，VT2由導通轉為截止後，由於電感的續流作用使二極體VD1導通，其電流方向實際上是給電容C1充電。在電路中，輸出電容C是容量不大的交流濾波電容器，設置它的主要目的是與電感L一起濾除逆變器高頻（15KH左右）開關脈動電壓和幹擾成分，當開關管的控制波形按正弦規律變化（SPWM）時，輸出電壓肯定是平滑的正弦波。

由圖15所示的工作過程和輸出電壓波形可知，三個半橋電路可分別輸出三個穩定的正弦波電壓，控制電路使三個穩定的正弦波電壓相位差為120º，於是就形成了三相四線制輸出，公共零線則是由直流母線的電容中點引出，而無需再配置輸出隔離變壓器。


2、PFC技術可同時完成輸入功率因數校正和升壓功能

採用高頻整流技術（IGBT-PFC）同時完成對輸入功率因數校正和提升電壓的功能，是無輸出變壓器UPS電路技術的另一重要的標誌性的特點。PFC技術已經很成熟，根據不同的應用場合和不同的性能要求，其電路拓撲形式也不盡相同，但其基本原理是是相同的，具有功率校正功能的電路有降壓式、升/降壓式、反擊式、升壓式（Boost）四種形式，在UPS設備中，為了同時完成對輸入功率因數校正和提升電壓的功能，自然就採用了升壓式（Boost）電路。

圖16是單相升壓式（Boost）電路原理。圖中的C1為高頻小容量電容器，用以消除開關管在高頻開關時產生的傳向電網的幹擾。C2是大容量直流電解電容器。與一般AC/DC整流變換所不同的是，在橋式整流與大容量直流電容之間加入了PFC電路環節，其目的是使輸入電流跟隨輸入電壓按正弦規律同相位變化。PFC環節由電感L、開關管VT和二極體VD以及相應的控制電路組成，控制電路接收輸入電壓波形頻率和相位、輸入電流波形和數值、輸出直流電壓幅值3種反饋信號，並以PWM方式控制開關管的導通和截止，其工作過程如下：功率開關管VT導通時，二極體VD因反向偏置而截止，輸入電壓通過開關管VT向電感L充磁，電感電流（即此時的輸入電流）IL的變化規律直接取決於電感L值和此時的輸入電壓瞬時值，其增加值則同時與L值、此時刻輸入電壓的瞬時值及開關管導通時間有關。開關管VT截止時，由於電感L的續流作用而感應一個電壓疊加在輸入電壓上，使二極體VD正嚮導通，電感L將貯存的磁能轉化為電能向電容C2充電並向負載輸出，輸入電流IL下降，IL下降速率與電感L值、此時刻輸入電壓瞬時值，以及負載（即直流電壓U2的輸出負載）大小有關，其減小值除取決於以上因素外，還與開關管VT的截止時間有關。顯然，當輸入電壓U1以正弦規律變化時，控制電路以PWM方式對開關管VT進行控制，當工作頻率足夠高（例如15~20kHz）時，輸入電流必然是一個與輸入電壓同相且波形相同的正弦波。

對於三相輸入的大功率傳統雙變換UPS，其輸入電路是三相整流形成統一的直流母線（同時配備一組蓄電池），輸入功率因數校正和升壓原理與單相相似，電路形式有由三個單相PFC組合式、單開關三相PFC、三開關三相PFC、六開關三相PFC等多種拓撲結構形式。圖14中的輸入電路就是六開關（IGBT）三相PFC原理電路。

六開關三相PFC是由六隻開關功率器件組成的三相PWM整流電路，圖17是其原理電路。每個橋路由上下兩隻開關管及與其反向並聯的二極體組成，每相電流可通過該相橋臂上的這兩隻開關管控制。如A相電壓為正時，VT4導通使電感La上電流ia增大，電感La充電儲能；VT4關斷時，電感La感應電壓疊加在輸入電壓UA上（升壓），使與VT1並聯的二極體VD1導通，電流ia通過VD1流向負載，在電感能量釋放過程中電流ia逐漸減小。同樣A相電壓為負時，可通過VT1和VT4反並聯的二極體VD4對電流ia進行控制。

六開關三相PFC原理電路的輸入電壓是380V，峰值是537V，所以此電路的輸出直流電壓可升至800V（±400V），此值正是UPS輸出三相半橋電路所需要的直流母線電壓。

四、無變壓器UPS的性能優勢

這裡的討論僅限於是否帶輸出變壓器這兩種電路結構的不同而帶來的設備性能的差異，不包括下列與產品研製定型和生產水平有關的因素而造成的性能差別：
•電路研製定型水平：與技術人員技術水平、經驗和定型流程管理有關；
•器件選用差別：與電路定型、成本控制和質量管理流程有關；
•產品質量和穩定性：取絕於生產工藝水平，與人員技術水平、生產和質量控制流程有關；
•產品功能差別：包括是否有並機功能、是否模塊化、系統管理與通訊功能、電池配置和管理水平、電路控制差別
（CPU還是DSP）、軟啟動、冷啟動、物理結構與可維護性水平等；這些差別與廠商決策人員對設備的研發方向、市場定位、商業取向、成本控制等指道思想有直接的關係。

無變壓器UPS的性能優勢是針對帶輸出變壓器UPS由於自身的電路結構而不可能達到的固有的缺點相對而言，包括成本、效率、重量和體積等，當然還包括在設備電氣性能方面的改進和提高。這些對當前社會提倡的降低能源消耗、節省資源消耗、綠色產品是至關重要的。

1、高輸入功率因數低輸入電流失真度

為了完成系統升壓功能，PFC整流環節成為「高頻機」的重要組成部分和必要條件，但它同時又把UPS輸入功率因數提高到理想的數值：0.99，把輸入電流總諧波失真度THDI降低到5%以下，所以說輸入功率因數高、電流失真度低是「高頻機」的主要優點之一，這不僅消除了UPS對電網的諧波汙染，它還可明顯地降低前端設備和線纜的容量。表1為兩種結構UPS的總電流失真度、總電流有效值和線纜配置要求。

表1：UPS的總電流失真度、總電流有效值和線纜配置要求比較表


從表1中數據可以看出，由於帶輸出變壓器UPS（例如12脈衝整流）的輸入功率因數低，輸入電流諧波大，其輸入電流明顯地大於無輸出變壓器的UPS，增加量在27%左右。前端變壓器、斷路器和線纜的規格都要相應的增大，其中線纜的截面要增加接近一倍。特別是當輸入端有備用柴油發電機時，由於諧波電流和12脈衝移相變壓器、無源濾波器的影響，UPS

與油機容量的配比從無輸出變壓器UPS的1:1.3增大到1:2~4。

表1是輸出滿負載時的數據，當實際應用中負載減輕時，12脈衝（+11次無源濾波）的輸入功率因數會明顯地減小，輸入電流諧波成分明顯增大（見圖18），對電網汙染和要求系統前端設備容量增大的影響也就更嚴重。


2、工作效率高

無變壓器UPS的整機效率之所以比帶變壓器UPS的效率高一些，主要來自兩個方面，一是去掉了變壓器的損耗，大功率變壓器的損耗通常在2%左右；二是系統直流母線電壓的提高減少電路工作損耗0.5%左右，如果排除電路設計和生產水平差異因素，電路結構的變化可使整機工作效率提高2.5%左右。表2是一組典型的測試數據。

表2：UPS工作效率比較表（按照輸出功率因數0.9計算）


整機效率的提高，不僅可有效的降低能源損耗，還意味著設備本身損耗小，以500KVA的UPS的滿載效率相比，無輸出變壓器UPS的效率提高了2.0%，就相當於機內減少了10KW的發熱量。這對提高設備運行的可靠性和降低對環境的要求是有利的。

表2數據僅僅考慮了設備本身的效率的提高，如果把因輸入功率因數的提高，而使輸入設備（濾波器、開關、線纜等）容量和損耗的降低，以及12脈衝整流時的輸入變壓器的損耗計算在內的話，那麼無變壓器UPS對整個系統效率的貢獻應超過4%。

值得注意的是，在實際使用中，特別是在（1＋1）冗餘並機和雙總線的配置系統中，UPS的實際輸出負載率只有30-40%，這時的UPS的工作效率更有實際意義。在這方面無輸出變壓器UPS同樣顯示了它的優勢，如圖19所示。

從圖19可看出，在25%至100%負載範圍內，工作效率基本都恆定的保持在94%以上。


3、重量和體積

數據中心基礎設施是一項費用昂貴的固定資產投資，機房內設備對承重的要求和佔用空間越來越受到人們的重視。同時，重量輕體積小的設備還可以減少對運輸和安裝難度的要求，當然在這方面費用的降低也是可觀的。

表3給出了兩種結構UPS在功率密度、體積和重量等方面的比較數據。

表3：UPS功率密度、體積和重量比較表


從表3具體數據可以看出，與帶輸出變壓器UPS相比，無輸出變壓器UPS在功率密度、佔地面積、重量等方面的貢獻是：

功率密度（kW/mā）可提高40%左右；

佔地面積（mā）可減少25%左右；

重量減少50-80%。

4、成本

與帶輸出變壓器UPS相比，無輸出變壓器UPS去掉的環節包括：輸出隔離變壓器；輸入12脈衝移相變壓器及11次無源濾波器。所以無輸出變壓器的UPS可降低成本是不言而喻的事實。討論成本時，應考慮以下四個方面：
•生產和購置成本；
•能源運行成本（工作效率高，包括空調費用的降低）；
•佔地少、承重要求小和運輸安裝成本；
•資源浪費成本。

第四點實際上是很重要的，為了減少資源浪費，以半導體代替銅和鋼鐵資源早已成為工業和電子設備發展的趨勢，是具有重大經濟意義和社會意義的基本策略。


5、對電性能指標的改進

無輸出變壓器UPS的各項電性能指標絕大多數都相當於帶輸出變壓器UPS，而有些指標卻顯示出無輸出變壓器UPS更優越的性能。除以上講到的輸入功率因數、工作效率、體積重量和成本外，以下指標也有明顯地改善：
（
1）輸入電壓範圍更寬：帶輸出變壓器UPS對於適應輸入電壓±15%的變化已很不易，而無輸出變壓器UPS可在25-30%範圍內正常工作，不僅表現出對電網很強的適應能力，還可延長電池的使用壽命。

（2）輸出能力強：這體現在兩個方面，一是輸出半橋逆變器三相獨立輸出功率，提高了三相負載不平衡的適應能力；二是去掉了工頻變壓器，逆變器工作頻率又較高，輸出濾波環節阻抗更小，所以輸出動態性能更好，負載階躍從100到0%或從0到100%變化時，輸出電壓變化都可限制在±2%，並在20-40毫秒內返回到±1%的容限範圍以內。

五、無輸出變壓器UPS可輸出的功率等級和可靠性問題

儘管無輸出變壓器UPS的電路技術已經很成熟，但能否形成工業化產品，輸出功率能達到多大，可靠性水平如何，卻與器件水平和性能有直接的關係。

1、無輸出變壓器UPS可輸出的功率等級

下面以500KVA無輸出變壓器UPS為例，看它對開關功率器件IGBT的耐壓和工作電流有什麼樣的要求。

根據圖14可知，在UPS直流母線電壓為穩定的±400V的情況下，每個橋臂的一支IGBT導通時，另一支截止的IGBT承受的電壓將是800Vdc。

IGBT的工作電流可根據輸出功率和直流母線的最低電壓計算出來。

在無輸出變壓器UPS中，以輸出半橋逆變器對IGBT的性能要求最高，圖20表示了半橋逆變器中各種電流參數的關係。

逆變器輸出功率：500KVA；
單相輸出功率：500KVA/3=166.7KVA；
單相輸出滿負載電流有效值：166.7KVA/220V=757.75A；
在無輸出變壓器UPS中，前級PFC整流是穩定的±400V，但是當市電停電而轉入電池放電時，就要考慮電池放電下限電壓（-11.25%額定電壓），所以逆變器單相輸出滿負載電流有效值應該是：757.75A×（1+0.1125）=843A；
逆變器工作在正弦脈寬調製（SPWM）狀態下，假定在輸出電流峰值期間最大的佔空比為4:1，則IGBT工作峰值電流是：843A×1.414×1.20=1430.4A，在工作頻率5-15KHZ情況下，峰值電流的寬度為0.15ms~0.05ms.
選用器件時，通常的做法是，在可能的最大的耐壓和電流值基礎上再增加50%的安全餘量，即器件耐壓（VCES）：800V×1.5=1200V
器件輸出電流有效值能力：843A×1.5=1264.5A
器件輸出電流峰值能力：1430.4A×1.5=2145.6A（0.15ms~0.05ms）
考慮到工作頻率和價格等因素，選用器件時常常是用低容量的器件進行並聯，這時存在並聯均流的問題，所選並聯器件應降容5%使用，也就是說，做500KVA無輸出變壓器UPS時所選用的IGBT並聯後的總輸出電流有效值和峰值電流應大於：
器件輸出有效值能力：1264.5A/0.95=1331A
器件輸出峰值能力：2145.6A/0.95=2258.52（0.15ms-0.05ms）
把以上推算結果列表在表4中。
表4：500KVA無輸出變壓器UPS輸出逆變器對IGBT器件的要求


就目前器件水平而言，滿足上述要求的IGBT器件有多種型號和規格，再考慮IGBT並聯工作，可選擇的餘地就更大了。

表5是日本富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50）的主要性能參數。

表5：2MBI450U4J-120-50的主要參數


在使用表5數據設計電路參數時，以下考慮是符合實際情況的：
（1）連續工作電流可理解為PWM工作時的輸出電流有效值，即正弦電流最大值可達到600A×1.414=848.4A（TC=25ºC）和450A×1.414=636.3A（TC=80ºC）；
（2）當逆變器工作在PWM模式時，IGBT管中的峰值電流是有效值×1.414（峰值係數）×1.25（假定電流峰值時佔空比為4：1，寬度為0.15ms-0.05ms）=1.767倍。而表中峰值電流（1ms）可達到連續工作電流的2倍。所以用有效（連續）值是不影響器件的安全性的。
（3）考慮到設備管殼溫度通常控制在70ºC，所以可認為連續電流可達到500A，峰值電流>900A。設計時，用三隻並聯總有效值=500A×3×0.95（並聯降容）=1425A，峰值電流>900A×3×0.95=2565；

把設計要求和選用器件的實際最大輸出能裡比較一下，如表6所示。
表6：設計要求和實際最大輸出能力


上面設計舉例選用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），實際上滿足和高於上述要求的器件很多，而且有些管子的電流容量也遠大於本例所用的數值，管子組裝也有單管、單橋臂、6管集成等形式。

總的結論是，當前的IGBT功率開關管的輸出能力和電器性能使無輸出變壓器UPS的輸出能力達到400-500KVA是不存在問題的。


2、關於無輸出變壓器UPS工作可靠性的討論

設備的可靠性與多種因素有關，包括：電路研製定型水平、技術人員技術水平和經驗、器件選用差別、生產工藝水平、質量管理流程等。電路結構變化有個技術成熟的過程，當然還包括所選用的器件性能和可靠性對新電路結構的適應能力。所以說電路結構的變化對設備可靠性是有影響的，影響大小最終取決於兩個因素：電路技術成熟程度和器件水平。

（1）、技術成熟是毋庸置疑的

無變壓器UPS採用的新技術主要有兩點：一是AC/DC高頻整流（PFC）技術，二是輸出半橋逆變技術。這兩項技術產生由來已久，已成為電力電子設備的經典技術，應用也非常廣泛，所以技術成熟程度是毋庸置疑的。雖然把這兩項技術集成起來用於無變壓器UPS中僅是最近十年的事情、因電路定型水平和參數選擇的差異也可能存在設備可靠性問題，但出現可靠性的根本原因卻不是電路結構和新技術的應用造成的。

（2）、當前器件性能水平完全能夠滿足新電路結構提出的更高要求

在無變壓器UPS中，對器件性能要求高的環節主要是半橋式逆變器，而關鍵的參數又是功率開關器件IGBT的耐壓（Vces）和輸出電流（有效值和峰值）能力，從表4、表5和表6可以看出，當前的IGBT的輸出能力可以完全滿足400-500KVA的大功率無輸出變壓器UPS。

值得注意的是，在無變壓器UPS的輸出半橋逆變電路中，輸出電壓是由±400V直流母線電壓直接形成的，輸入電流有效值等於輸出電流有效值。而傳統的帶輸出變壓器UPS是通過輸出變壓器升壓形成的，在升壓比為1:1.9或1:1.78（見本文第二節第2點和圖8）時，同時考慮三角型/星型接法輸出電流有效值是輸入有效值的1.73倍，所以全橋逆變器輸入電流有效值是輸出電流有效值的1.9/1.73=1.1（或1.78/1.73=1.03倍）倍。數據說明，對同樣輸出功率的UPS，無輸出變壓器UPS對IGBT的電流輸出能力的要求並不比比傳統的帶輸出變壓器UPS高。也就是說，從IGBT的電流輸出能力來看，能做多大功率的帶輸出變壓器UPS，就可以做到多大輸出功率的無輸出變壓器UPS。

與帶輸出變壓器UPS相比，無輸出變壓器UPS的輸出逆變器對IGBT的耐壓提出了更高的要求。在帶輸出變壓器UPS的輸出

全橋逆變器中，IGBT的耐壓就是直流母線電壓，一般在400多伏，而在無輸出變壓器UPS的輸出半橋逆變器中，直流母線電壓是±400V，要求IGBT的耐壓要大於800V。雖然當前的器件耐壓1200V已不成問題，但此要求不僅僅是靜態耐壓問題，更嚴重的是IGBT的開關電壓變化率（dv/dt）和開關損耗問題，因而這是電路設計和器件選擇時必須重視和解決的問題。

（3）、輸出隔直流問題

從圖14和圖15可以看出，由於控制環節故障使一個IGBT連續導通時，或在一個IGBT或二極體短路的情況下，400V直流母線電壓會直接輸出到負載端（此時電感變成阻抗很小的導線）。單相負載輸入整流後的直流母線額定電壓是311V，考慮負載輸入允許的+15%的上限，直流母線額定電壓是357V，並聯在整流電路輸出端的濾波電容耐壓通常是400V。當UPS發生這種故障時輸出直流電壓會接近400V，濾波電容和DC/DC變換器都會因輸入電壓過高而受到影響。

出現這種情況在理論上是有可能的。然而，如果出現這一危險情況，即使缺少了專門的直流分量檢測電路（例如，檢測電路故障或參數飄移等），也可以根據從另一個IGBT收到的驅動信號得知，直流電壓可能發生短路，從而立即終止逆變器的工作，同時斷開逆變器與後面負載的連接。通常逆變器的輸出端配備有一個靜態旁路開關，它可在逆變器停止工作時迅速將負載切換到旁路市電供電，以保證負載供電的持續進行。逆變器保護和轉旁路供電的動作時間很短，可在輸出電壓上升過程中完成，因而不會對負載安全造成影響。在大量設備的實際運行中，這種故障幾乎沒有出現過。

（4）、無輸出變壓器UPS的可靠性指標

如果不知道平均故障間隔時間MTBF，或者廠商提供的MTBF數據是不可信的，那麼可用UPS的效率和輸出能力各項指標來衡量它的可靠性，這些指標包括整機工作效率、輸出過載能力、輸出電流峰值係數、啟動負載時輸出電流浪湧係數和輸出功率因數等。

以下是已推向市場的500KVA無輸出變壓器UPS的可量化的可靠性指標：
輸出功率因數能力：0.9；
逆變器短路能力：150ms：2.5-3In（輸出400V）
逆變器過載能力：125%In：10分鐘；135%In：1分鐘；150%In：30秒
額定電壓下的峰值因數：≥3:1
動態性能：±2%，從0到100%或從100到0%的負載階躍變化效率：94.5%（50到100%負載率）
這些數據說明，無輸出變壓器UPS的輸出能力和可靠性指標與傳統帶輸出變壓器UPS一樣，都達到了很高的水平。可靠性已再不是無輸出變壓器UPS設備的關鍵問題。

六、結論
圖21定性的表達了本文論述的觀點和內容。

1，隨著電路技術和半導體器件的發展和創新，UPS電路技術經歷了由多輸出變壓器到單輸出變壓器再到0輸出變壓器的變化過程。反映了去掉輸出變壓器是UPS電路技術進步的必然趨勢。

2，定性的表達了無變壓器UPS在效率、體積、重量、輸入功率因數等指標的優勢。

3，人們最關心的是可靠性問題。事實上在UPS產品推出的初期，帶輸出變壓器的UPS的可靠性也是不高的，一般連續幾千小時不發生故障就算可靠了。所以在討論一個產品是否可靠時，關鍵是使用者對這個產品可靠性要求的期望值是多大。下面的例子或許可以說明這一問題：馬車與飛機相比，誰都知道馬車的安全性永遠比飛機高。但是，當今的社會人們還是選擇了飛機，難道是人們為了舒適和效率而不顧生命安全嗎？不是的，人們所以選擇飛機是因為飛機的安全係數已經超過了人們對安全要求的期望值。當前的器件和電路技術決定了帶輸出變壓器UPS和不帶輸出變壓器UPS的可靠性都達到了很高的水平，都超過了人們的期望值，儘管我們不能說不帶輸出變壓器UPS的可靠性比帶輸出變壓器UPS的可靠性還高，但我們有充分的根據說，不帶輸出變壓器UPS的可靠性已經不是問題，而它在效率、體積、重量、輸入功率因數等方面的優勢卻代表著UPS技術的發展趨勢。■