深入剖析UPS電源整流器的工作原理

2020-12-06 電子產品世界

現代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種，降壓型主要用於UPS電池組電壓低於輸入交流峰值電壓一定值的情況，而升壓型主要用於UPS電池組電壓高於輸入交流峰值電壓的情況。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/327313.htm

　　一、 輸入配電系統

　　在數據中心的UPS供電系統中，輸入電路一個最重要的指標就是輸入功率因數。輸入功率因數低會造成成下面的不利影響：

　　(1) 導致輸入供電線路上各環節的早期老畫

　　輸入功率因數低的原因是輸入諧波電流成分含量大，諧波電流經過輸入電纜時，使電纜產生附加發熱量，導致電纜外皮材料長期發熱、變軟、變脆、變酥、變碎;諧波電流經過輸入斷路器(開關)時，開關出點由於長期發熱而導致接觸不良，一個正反饋的效應是開關過早時效;諧波電流經過輸入保險絲時，由於長期的附加發熱而導致熔絲變軟、下垂(使整個保險絲粗細變得不均與)、自然斷裂而引起斷電。

　　(2) 不能充分利用輸入功率

　　由於輸入功率中含有大量的無功分量，有功功率被吸收，無功功率在電纜中往複流動，使正常的有效電流通道變窄，由於線路的「擁擠」而使單位截面積傷的電流密度加大，功耗加大。根據歐姆定律。導線上的功耗P為

　　P=I2R

　　由上式可以看出，線路上的功耗和電流I的平方值成正比，與導線的電阻R成正比，而發熱量又是功耗P和時間T的函數，即

　　Q=0.24Pt

　　這樣一個長期效應造成了電力的浪費。

　　(3) 對供電電網產生幹擾

　　輸入電路是可控矽(閘流管)整流器時，由於可控矽的開啟往往伴隨著高壓電和大電流，不但破壞了輸入電壓波形，而且還形成很強的傳到幹擾和輻射幹擾，應系那個了同一線路上其他用電設備的正常運行。

　　(4) 使前置發電機的裝機功率成幾倍增大

　　輸入功率因數低(一般未經補償的值為功率用單相二極體整流器的0.6，較大功率用三相可控矽全波整流——6脈衝整流的0.8)，可導致前置發電機的裝機功率至少3倍於UPS的額定功率。

　　二、工頻整流器與高頻整流器

　　由前面的討論可以看出，UPS輸入功率因數低的主要原因在於輸入部分的電路結構和工作方式。現代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種，降壓型主要用於UPS電池組電壓低於輸入交流峰值電壓一定值的情況，而升壓型主要用於UPS電池組電壓高於輸入交流峰值電壓的情況。

　　1. 工頻降壓整流器

　　降壓整流器有工頻和高頻之分，而工頻又有穩壓和不穩壓之分。下面以UPS中應用最廣的穩壓工頻電路為例進行討論。一般採用三相整流，是因為三相整流的脈動係數和紋波係數都低。一個三相可控矽全橋整流電路中用了6隻可控矽整流器，需要6個脈衝進行分別控制，也俗稱其為6脈衝整流。三相全橋整流電路是按線電壓工作的，在市電為額定值380V/220V時的最高整數流出電壓可達到

　　UDC=380V×√2=537V

　　一般電池組額定電壓為12V×32隻=384V的浮充電壓(約438V)已足夠了。由於這種電路是按照市電的頻率(所謂工頻)節奏而工作的，成為工頻整流器。由於可控矽的電流容量和耐壓都可以做的很高，因此它在中大功率傳統雙變換UPS中得到了廣泛的應用。又由於這種電路整流器件的開啟(相位)是可控的，因此它就具有了輸出穩壓的功能。但這個輸出穩壓的功能不能作為輸入市電大範圍變化的根據，原因是可控矽存在著在一定條件下失控的隱患。

　　例如，一個電池組額定電壓為384V，在正常情況下的浮充電壓低於440V，如果認為及時是電線電壓額定值Un上升到135%Un時也可保證整流電壓低於450V，就可把這時的輸入電壓(135%Un)作為改UPS的優點提供給用戶，就會給用戶的使用埋下隱患。當然，按照相控原理，即使輸入市電電壓上升到150%Un，在正常情況下也可使電池浮充電壓穩定在440V以下，但萬一在135%Un時可控矽失控，這時可控矽整流器就變成了普通二極體整流器，此時的輸出整流電壓UDC就變成了

　　UDC=380V×1.35×√2=725V

　　這時就出現了兩個危險情況：一種情況是，整流器後面的濾波電容是否可耐此高壓，否則必炸無疑;另一種情況是，原來12V一節的電池，現在變為每節電壓UB=725/32=2.6V，這就意味著電池也因此而報廢!甚至還會帶來其他的危險，如因電池炸裂而噴出的硫酸傷人和傷物。

　　另一方面，由於6脈衝整流電路的工作是脈衝式的，對市電輸入電壓博興的破壞作用非常顯著，使輸入電流諧波成分達到30%以上，輸入功率因數僅為0.8左右，為了實現「綠色」電源的目標，還必須進行功率因數校正。

　　採用普通二極體的整流器就不具備穩壓功能，它一般用於小功率UPS電路中，充電器另外設置。

　　2. 高頻降壓整流器

　　在一般小功率UPS電源中，為了簡化電路的複雜程度而採用了二極體整流器，但二極體整流器無穩壓功能，為了濾波電容和逆變器的安全，有的採用了BUCK型高頻降壓整流器。

　　BUCK(降壓)型高頻降壓整流器工作原理：

　　控制信號以高頻脈衝(一般式20kHz的固定脈衝寬度)

　　加到開關功率管的控制極，當一個控制脈衝到來時，VT打開，電流由整流器二極體經VT流向負載和濾波電容，這是電感L儲能;控制信號結束後，VT截至，電感L產生的反電勢繼續維持原來的電流流向將村能釋放，其路徑是：Lb→C、R→VD→La，使輸入形成連續的電流。電感上的能量釋放完或達到一定程度後，功率管又被下一個觸發脈衝打開，再重複上面的過程。這個電路的有點是簡單，送到負載的電流是連續的，但輸入電流仍然是脈動的。

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