UPS技術(shù)趨勢(shì)：無(wú)變壓器技術(shù)分析

摘要

功率電子設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與功率器件的性能提高、新器件的不斷出現(xiàn)有著密切的關(guān)系。50年來(lái)，隨著功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步，UPS設(shè)備經(jīng)歷了由多輸出工頻變壓器到單個(gè)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(jìn)的控制技術(shù)的出現(xiàn)，為UPS設(shè)備從根本去掉輸出隔離變壓器創(chuàng)造了物質(zhì)條件，使其在高頻化、小型化、節(jié)能化和綠色環(huán)?；矫嫒〉昧碎L(zhǎng)足的進(jìn)展，這就是人們所說(shuō)的“高頻機(jī)”。這種機(jī)型集中體現(xiàn)了UPS電路技術(shù)的進(jìn)步，代表著UPS技術(shù)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的帶輸出變壓器的UPS相比，它在進(jìn)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(jìn)步。 
     
   
一、 UPS電路的演變史反映了UPS電路技術(shù)的發(fā)展歷程 
   
最初的UPS輸出逆變器都是帶有輸出變壓器的。應(yīng)該說(shuō)，采用輸出變壓器是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于利。逆變器電路技術(shù)演變過程的一個(gè)顯著的表現(xiàn)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(jì)70年代生產(chǎn)的第一代三相UPS的典型電路結(jié)構(gòu)形式。
   
圖1所示的UPS包括一個(gè)由降壓式自耦變壓器繞組供電的二極管全波整流器和一個(gè)與整流器相并聯(lián)的、由自耦變壓器的輔助二次側(cè)繞組供電的可控硅電池充電器。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)靜態(tài)開關(guān)可將電池組連接到直流母線上供電。
   
逆變器由4個(gè)三相逆變器以全波方式運(yùn)行（按照基波頻率進(jìn)行換向），每一個(gè)三相逆變器都與變壓器的一次側(cè)繞組相連接（三角形連接），再把這些二次側(cè)繞組開放式變壓器(Open Phase Transformers)的二次側(cè)以一定方式進(jìn)行連接，以獲得合成的輸出電壓。這4個(gè)變壓器被分為兩組，每一組都包含一個(gè)星形和一個(gè)Z形（曲折星形）的二次側(cè)繞組，這兩個(gè)二次側(cè)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(shù)）次的電壓諧波，這等效于12脈沖整流器中的兩個(gè)移相式繞組在變壓器一次側(cè)中可抵消5、7次諧波。對(duì)于在變壓器一次側(cè)繞組中每相可能出現(xiàn)的3次和3n次電流諧波，由一次側(cè)繞組的三角形接線方式來(lái)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(diào)整是通過移動(dòng)兩組變壓器之間的相位（0<φ<180°）來(lái)完成的。由于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(duì)負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性加快。
   
以可控硅（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(tǒng)開始使用一種新的脈沖電路，每個(gè)晶閘管都有其相應(yīng)的滅弧電路。整個(gè)設(shè)備僅需兩個(gè)變壓器，如圖2所示。為消除n=6k±1（k為奇數(shù)）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(yù)先設(shè)置好的，并在每臺(tái)變壓器一次側(cè)以“脈沖寬度調(diào)節(jié)”的方式（PWM）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)整。為達(dá)到預(yù)期的輸出電壓，可以將上述換向電路應(yīng)用于每周期6次固定換向的基本脈寬調(diào)制電路(PWM)。 
         
變壓器的數(shù)量從4個(gè)減少到2個(gè)，但為了能進(jìn)一步減少變壓器的數(shù)量，就不得不提高逆變電路的性能，以便通過優(yōu)化PWM就能達(dá)到目的，而無(wú)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?yàn)樗麄兊姆递^大，要濾除他們比較困難。只用一個(gè)變壓器的UPS如圖3所示。電路中，變壓器的二次側(cè)繞組為曲折星形連接，每個(gè)逆變器以基波的7倍頻率來(lái)斬波直流電壓。這種斬波方式稱為固定頻率斬波，在設(shè)計(jì)時(shí)以盡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(biāo)。輸出電壓的調(diào)整是通過移動(dòng)兩組逆變器橋之間的相位進(jìn)行的。 
    
自20世紀(jì)80年代起，UPS逆變器開始只含有一個(gè)變壓器。同時(shí)，隨著功率半導(dǎo)體器件的革新，雙極型功率晶體管以及電子控制級(jí)的IGBT等功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，逆變電路中的可控硅器件被取代（見圖4和圖5），但UPS帶輸出變壓器的這種情況仍在繼續(xù)且一直持續(xù)到二十一世紀(jì)伊始，其間雖然在1995年出現(xiàn)了無(wú)變壓器的逆變器結(jié)構(gòu)，然而此類產(chǎn)品僅適用于功率小于等于30kVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導(dǎo)體器件換向時(shí)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制作出大容量的逆變器。
   
APC的解決方案配備了自動(dòng)檢測(cè)斷路器大小、PDU電路位置和分支電流監(jiān)控功能，為用戶帶來(lái)更多實(shí)用的好處。這些功能與英飛解決方案的容量和變化管理模塊兼容，更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分支電流設(shè)置、調(diào)整和平衡功能。 
   
圖4的逆變器采用IGBT器件，變壓器二次側(cè)繞組采用星形連接。每個(gè)一次側(cè)繞組都連接到兩個(gè)逆變器支路的中點(diǎn)，組成實(shí)際上是三個(gè)單相全控制的逆變器橋。因此，在二次側(cè)繞組上得到的電壓是獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)的，這可有效地確保輸出電壓的良好平衡，而不管三相負(fù)載電流是否處于平衡狀態(tài)。使用橋式組件的連接方式可使每個(gè)支路的變換頻率相對(duì)于標(biāo)稱變換頻率減小1/2，這樣每個(gè)支路都只在正弦波的1/2個(gè)周期內(nèi)工作。
   
圖5只有一個(gè)逆變器（三相全橋），此變壓器的耦合方式采用一次側(cè)三角形/二次側(cè)曲折星形連接。這種連接方式可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)額外的功能。首先，它可以實(shí)時(shí)（即刻、瞬間）地調(diào)節(jié)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(duì)應(yīng)。此外，變壓器二次側(cè)的Z形連接所吸收的負(fù)載3n次諧波電流傳送到變壓器的一次側(cè)繞組，使這些諧波電流只在一次側(cè)繞組內(nèi)流動(dòng)，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(fā)展演變的過程。 
    
二、 UPS輸出隔離變壓器的功能 
   
了解傳統(tǒng)UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的，因?yàn)橹挥挟?dāng)用電路措施能夠完全實(shí)現(xiàn)它的功能時(shí)，才有可能在新一代設(shè)備中替代并取消它。實(shí)際上對(duì)這個(gè)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“抗干擾”、能夠“緩沖負(fù)載的突變”，還能“提高UPS的可靠性”等等，甚至于認(rèn)為無(wú)變壓器的UPS就不能可靠的工作，好像這個(gè)變壓器是為了這些目的而專門設(shè)計(jì)的。持有這種看法的人要么是對(duì)UPS逆變器工作原理不太了解，要么是對(duì)隔離變壓器的功能和在逆變器電路中的作用不甚了解。應(yīng)該說(shuō)這個(gè)變壓器是工頻機(jī)全橋逆變器不可分離的構(gòu)成部分，而且它的作用也很簡(jiǎn)單：升壓和產(chǎn)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(fù)載提供所需要的零線 
   
傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換UPS輸出變壓器的一個(gè)重要功能是在UPS輸出端產(chǎn)生為單相負(fù)載供電時(shí)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(yīng)視為產(chǎn)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(gè)全橋逆變電路，每個(gè)橋臂有兩個(gè)串聯(lián)的IGBT（VT1——VT4），輸出交變電壓UAB由兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)A和B引出。

當(dāng)VT1和VT4同時(shí)通導(dǎo)（VT2和VT3截止）時(shí)，由直流電壓E形成的電流回路是電壓E的正端—VT1—負(fù)載A端—負(fù)載B端—VT4—電壓E的負(fù)端；而VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通（VT1、VT4截止）時(shí)，由直流電壓E形成的電流回路是電壓E正端—VT2—負(fù)載B端—負(fù)載A端—VT3—電壓E的負(fù)端。如果VT1和VT4與VT2和VT3交替導(dǎo)通的周期是50Hz，則加在負(fù)載上的電壓UAB是幅值為直流電壓E的50Hz方波或者準(zhǔn)方波，如果VT1和VT4以及VT2和VT3都以高頻正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）規(guī)律導(dǎo)通和截止，則負(fù)載端電壓UAB是幅值可調(diào)整的正弦波。
   
值得注意的是，通常單相負(fù)載的輸入電壓要求有一根零線，而且這根零線在系統(tǒng)中（供電系統(tǒng)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(diǎn)做輸出零線接地，都會(huì)使輸入電壓通過導(dǎo)通的半導(dǎo)體功率器件對(duì)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(fù)載必須有零線的要求，于是就增加一個(gè)輸出隔離變壓器，變壓器的初級(jí)做三角型連接，由三相全橋的三個(gè)橋臂中點(diǎn)做三相線電壓輸入，變壓器次級(jí)星型連接，產(chǎn)生新的零線按三相四線制向負(fù)載供電。

這里不僅需要輸出隔離變壓器產(chǎn)生零線，為了UPS轉(zhuǎn)旁路時(shí)也能正常供電，輸出變壓器產(chǎn)生的零線還必須與系統(tǒng)輸入的零線連接在一起。 
    
2、輸出變壓器的功能之二是對(duì)輸出電壓的匹配作用 
   
傳統(tǒng)大中型UPS主回路結(jié)構(gòu)采用可控硅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(dāng)輸入市電正常時(shí)，靠整流可控硅的調(diào)節(jié)對(duì)電池充電，同時(shí)為IGBT結(jié)構(gòu)的橋式逆變器供電。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，從整流到逆變的過程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都是降壓環(huán)節(jié)：可控硅整流是為了提供恒定的直流電壓而采取的一種整流方式，由于可控硅整流要“斬掉”一部分輸入電壓，所以其輸出電壓恒定的代價(jià)是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個(gè)數(shù)值上。而逆變環(huán)節(jié)同樣是一個(gè)降壓環(huán)節(jié)，從可控整流輸入來(lái)的直流電在通過逆變器逆變出正弦交流電的過程中通常采用的是脈寬調(diào)制（PWM）方法，其結(jié)果同樣是輸出電壓等級(jí)的再次降低。正是由于上述的原因，在此種結(jié)構(gòu)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范圍。
   
在實(shí)際應(yīng)用中，輸出變壓器通常采用圖8的接法，變壓器初級(jí)是三角型，對(duì)于沒有升降壓作用的隔離變壓器，三個(gè)初級(jí)線圈的電壓都是380V，次級(jí)是星型，三個(gè)次級(jí)線圈的電壓都是220V，那么初次級(jí)線圈的匝比應(yīng)該是：N1:N2=1:0.577。
   
當(dāng)要求輸出相電壓為穩(wěn)定的220V時(shí)，變壓器原邊的峰值電壓（即直流電壓E）應(yīng)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于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(dāng)考慮輸入電壓下限變化10%時(shí)，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(shí)際上考慮到AC/DC轉(zhuǎn)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(jié)，額定電壓為384V-408V，浮充電壓（即AC/DC變換后的直流母線電壓）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(yīng)該由輸出變壓器采用升壓方法來(lái)解決，所以，輸出變壓器的升壓比應(yīng)該是：646.56V/（340V-362V），即1.9~1.78。
   
也就是說(shuō)，輸出變壓器的實(shí)際匝比應(yīng)該是：1:1.9或1:1.78。 
 

 
以上數(shù)據(jù)是按一般情況推算的，實(shí)際情況與不同的電路結(jié)構(gòu)形式有直接的關(guān)系，輸出變壓器的參數(shù)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(tǒng)中沒有隔離功能

在UPS供電系統(tǒng)中，UPS設(shè)備的一個(gè)至關(guān)重要的功能是當(dāng)輸出過載或者UPS逆變器故障時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路供電，另外，在系統(tǒng)中還設(shè)置了維護(hù)旁路，當(dāng)UPS需要維護(hù)時(shí)可手動(dòng)轉(zhuǎn)維護(hù)旁路向負(fù)載供電。執(zhí)行這兩個(gè)操作時(shí)，都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負(fù)載供電，所以系統(tǒng)的零線與負(fù)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(jí)新產(chǎn)生的零線必須連接到輸入電源系統(tǒng)的零線上，如圖9所示。也就是說(shuō)，UPS機(jī)內(nèi)的變壓器沒有電源系統(tǒng)隔離的功能，如果系統(tǒng)存在零-地電壓差較大的問題，UPS機(jī)內(nèi)的逆變器輸出變壓器對(duì)此電壓差是無(wú)能為力的。
   
在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)零-地電壓差過大而需要降低時(shí)，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(nèi)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(tǒng)地線上（重新組成接地系統(tǒng)），這就實(shí)現(xiàn)了UPS輸出與供電系統(tǒng)的真正隔離，并使這點(diǎn)的零-地電壓差等于零。用這種接法的優(yōu)點(diǎn)是，在UPS正常工作模式下，旁路隔離變壓器空載運(yùn)行，不影響UPS的輸出性能和系統(tǒng)效率。缺點(diǎn)是，當(dāng)UPS轉(zhuǎn)旁路時(shí)，變壓器突然帶載工作，其輸出電壓瞬間會(huì)低于轉(zhuǎn)換前UPS檢測(cè)到的電壓（變壓器空載電壓），如果轉(zhuǎn)換前UPS檢測(cè)到的電壓已經(jīng)處于UPS同步運(yùn)行（限定的可以轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行）的下限，那么轉(zhuǎn)換后因變壓器的壓降（電壓調(diào)整率）而使輸出電壓低于負(fù)載供電電壓的下限，負(fù)載可能會(huì)因此而間斷或宕機(jī)。 
    
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(tǒng)與負(fù)載做到理想的、完全的電氣隔離，特別是當(dāng)UPS供電系統(tǒng)在物理位置上與負(fù)載距離較長(zhǎng)時(shí)，可把變壓器放在接近負(fù)載端，例如一些大型數(shù)據(jù)中心，在負(fù)載列頭柜輸入端加裝隔離變壓器。此方法的缺點(diǎn)是變壓器的阻抗會(huì)影響到UPS對(duì)負(fù)載供電的穩(wěn)定精度、供電能力和動(dòng)態(tài)特性。 
    
4、關(guān)于隔離變壓器的抗干擾功能 
   
由于變壓器的阻抗有一定的感性成分，因而說(shuō)這個(gè)變壓器具有一定的抗干擾作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗干擾而設(shè)置的，它的抗干擾能力也是有限的。
   
常常會(huì)有人簡(jiǎn)單地認(rèn)為：當(dāng)系統(tǒng)中設(shè)置有隔離變壓器時(shí)，其抗干擾功能就一定會(huì)很強(qiáng)。這種認(rèn)識(shí)并不完全正確。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾的原因和干擾現(xiàn)象是多種多樣的，其中包括諸如高壓脈沖、尖峰毛刺、電涌、暫態(tài)過電壓、射頻干擾（EFI）和電磁干擾（EMI）等等。但是，就其干擾形式和傳輸途徑而言，大體可分為兩類：一是共模干擾，二是差模干擾。共模干擾存在于電源任一相線和零線與大地之間，共模干擾有時(shí)也稱縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾，是由于輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，是載流體與大地之間的干擾。而差模干擾存在于電源相線與零線之間及相線與相線之間，差模干擾有時(shí)也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾，是載流導(dǎo)體之間的干擾。
   
目前，人們通常采用的抑制干擾的措施主要有給被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)瞬變干擾抑制器和在電子設(shè)備的輸入端安裝電源濾波器兩種方式。采用變壓器提高抗干擾能力是有一定作用的，但這里講的變壓器應(yīng)是特殊的“超級(jí)隔離變壓器”，而非普通的線性變壓器。
   
并不是隔離變壓器就能抗干擾，普通變壓器的抗干擾能力是有限的。對(duì)于輸入電壓中存在的低頻干擾和電壓畸變，變壓器不可能也不允許“抗干擾”。否則通過變壓器傳輸?shù)碾妷翰ㄐ尉蜁?huì)失真。對(duì)由地線環(huán)路帶來(lái)的設(shè)備間的相互高頻干擾有一定的抑制作用，但因繞組間存在的分布電容，使它對(duì)共模干擾的抑制效果隨干擾頻率的升高而下降。
   
變壓器是靠磁耦合實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的電壓變換的，因而它不具備抗差模干擾的功能。在1kHz~100MHz的干擾頻率范圍內(nèi)，普通隔離變壓器對(duì)共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對(duì)普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明，要提高對(duì)共模干擾的抑制能力，關(guān)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(jí)間加設(shè)屏蔽層，如圖12所示。

圖12中，C1為初級(jí)繞阻與屏蔽層之間的分布電容，C2為次級(jí)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(fù)載的對(duì)地阻抗，E1為初級(jí)干擾（共模型）電壓，E2為E1通過偶合傳導(dǎo)到次級(jí)的干擾（共模型）電壓。如果C1和C2的阻抗遠(yuǎn)大于屏蔽層接地阻抗，則偶合傳導(dǎo)到次級(jí)的干擾電壓E2就會(huì)遠(yuǎn)小于E1。
   
要使隔離變壓器同時(shí)具有較好抗差模干擾與共模干擾的功能，必須把它制作成超級(jí)隔離屏蔽變壓器。超級(jí)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(duì)差模和共模都有較強(qiáng)的抑制功能，如圖13所示。 
   

超級(jí)屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層，靠近初級(jí)繞阻的屏蔽層連接在初級(jí)中性線上，可以濾掉初級(jí)出現(xiàn)的高頻差模干擾。而對(duì)50Hz的工頻電壓則不產(chǎn)生任何影響，靠近次級(jí)繞阻的屏蔽層連接在次級(jí)中性線上，可以濾掉次級(jí)出現(xiàn)的高頻差模干擾。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起，再接大地，主要用來(lái)濾掉共模干擾。 
     
   
三、 無(wú)輸出變壓器UPS的電路形式 
   
無(wú)輸出變壓器UPS視設(shè)計(jì)功率的大小，所用的具體電路形式也不盡相同，這里僅就大功率無(wú)輸出變壓器UPS的主電路結(jié)構(gòu)形式（見圖14）來(lái)討論它是如何完成三相四線輸出和系統(tǒng)升壓功能的，因?yàn)橐笕嗨木€輸出和系統(tǒng)升壓是傳統(tǒng)UPS必須帶輸出變壓器的兩個(gè)根本理由。當(dāng)新的電路拓樸結(jié)構(gòu)本身具備這兩個(gè)功能時(shí)，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(guān)的電路框圖，輸入部分是IGBT-PFC整流電路，后面部分是三相半橋逆變電路，中間是電池配置示意圖。這里電池組用了兩組400V電池組，串聯(lián)后直接跨接在直流母線上。當(dāng)然也可用一組400V電池組，那么就需要在直流母線和電池組之間配置一個(gè)獨(dú)立的可雙向工作的DC/DC變換器，市電正常時(shí)，由800V降壓給電池組充電，當(dāng)市電停電時(shí)，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(tài)。 
    
1、無(wú)輸出變壓器UPS是如何向負(fù)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(gè)半橋電路可獨(dú)立輸出功率，由他們形成的三個(gè)50Hz單相正弦波電壓彼此相差120º，所以只要看一下一個(gè)半橋電路的工作過程，就可了解三相電路的工作狀態(tài)。
   
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,與電池并連的電容分別是C1和C2，續(xù)流電感為L(zhǎng)。

   
 圖15所示為主逆變器逆變狀態(tài)等效電路及工作過程。我們分析其工作過程時(shí)，先按輸出電壓正半周和負(fù)半周把它分解為兩個(gè)降壓型開關(guān)電路（Buck）。在輸出電壓的正半周時(shí)，降壓開關(guān)電路由開關(guān)管VT1、續(xù)流二極管VD2和電感L組成。VT1導(dǎo)通時(shí)電容C1上的正電壓（400V）通過電感L向負(fù)載輸出功率，電感L中的電流線性上升；當(dāng)VT1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止后，由于電感L的續(xù)流作用，感應(yīng)電壓使VD2導(dǎo)通，續(xù)流電流流經(jīng)電容C2，其電流方向?qū)嶋H上是給電容C2充電。在輸出電壓的負(fù)半周時(shí)，降壓開關(guān)電路由開關(guān)管VT2、續(xù)流二極管VD1和電感L組成。VT2導(dǎo)通時(shí)，電容C2上的負(fù)電壓（-400V）通過電感L形成輸出電壓的負(fù)半周，電感L中電流線性上升，VT2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止后，由于電感的續(xù)流作用使二極管VD1導(dǎo)通，其電流方向?qū)嶋H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(shè)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(guān)脈動(dòng)電壓和干擾成分，當(dāng)開關(guān)管的控制波形按正弦規(guī)律變化（SPWM）時(shí)，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(gè)半橋電路可分別輸出三個(gè)穩(wěn)定的正弦波電壓，控制電路使三個(gè)穩(wěn)定的正弦波電壓相位差為120º，于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(diǎn)引出，而無(wú)需再配置輸出隔離變壓器。 
     
   
2、PFC技術(shù)可同時(shí)完成輸入功率因數(shù)校正和升壓功能 
   
采用高頻整流技術(shù)（IGBT-PFC）同時(shí)完成對(duì)輸入功率因數(shù)校正和提升電壓的功能，是無(wú)輸出變壓器UPS電路技術(shù)的另一重要的標(biāo)志性的特點(diǎn)。PFC技術(shù)已經(jīng)很成熟，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和不同的性能要求，其電路拓?fù)湫问揭膊槐M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(shè)備中，為了同時(shí)完成對(duì)輸入功率因數(shù)校正和提升電壓的功能，自然就采用了升壓式（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(guān)管在高頻開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的干擾。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(huán)節(jié)，其目的是使輸入電流跟隨輸入電壓按正弦規(guī)律同相位變化。PFC環(huán)節(jié)由電感L、開關(guān)管VT和二極管VD以及相應(yīng)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(shù)值、輸出直流電壓幅值3種反饋信號(hào)，并以PWM方式控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其工作過程如下：功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，二極管VD因反向偏置而截止，輸入電壓通過開關(guān)管VT向電感L充磁，電感電流（即此時(shí)的輸入電流）IL的變化規(guī)律直接取決于電感L值和此時(shí)的輸入電壓瞬時(shí)值，其增加值則同時(shí)與L值、此時(shí)刻輸入電壓的瞬時(shí)值及開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)。開關(guān)管VT截止時(shí)，由于電感L的續(xù)流作用而感應(yīng)一個(gè)電壓疊加在輸入電壓上，使二極管VD正向?qū)?，電感L將貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能向電容C2充電并向負(fù)載輸出，輸入電流IL下降，IL下降速率與電感L值、此時(shí)刻輸入電壓瞬時(shí)值，以及負(fù)載（即直流電壓U2的輸出負(fù)載）大小有關(guān)，其減小值除取決于以上因素外，還與開關(guān)管VT的截止時(shí)間有關(guān)。顯然，當(dāng)輸入電壓U1以正弦規(guī)律變化時(shí)，控制電路以PWM方式對(duì)開關(guān)管VT進(jìn)行控制，當(dāng)工作頻率足夠高（例如15~20kHz）時(shí)，輸入電流必然是一個(gè)與輸入電壓同相且波形相同的正弦波。

   
對(duì)于三相輸入的大功率傳統(tǒng)雙變換UPS，其輸入電路是三相整流形成統(tǒng)一的直流母線（同時(shí)配備一組蓄電池），輸入功率因數(shù)校正和升壓原理與單相相似，電路形式有由三個(gè)單相PFC組合式、單開關(guān)三相PFC、三開關(guān)三相PFC、六開關(guān)三相PFC等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。圖14中的輸入電路就是六開關(guān)（IGBT）三相PFC原理電路。
   
六開關(guān)三相PFC是由六只開關(guān)功率器件組成的三相PWM整流電路，圖17是其原理電路。每個(gè)橋路由上下兩只開關(guān)管及與其反向并聯(lián)的二極管組成，每相電流可通過該相橋臂上的這兩只開關(guān)管控制。如A相電壓為正時(shí)，VT4導(dǎo)通使電感La上電流ia增大，電感La充電儲(chǔ)能；VT4關(guān)斷時(shí)，電感La感應(yīng)電壓疊加在輸入電壓UA上（升壓），使與VT1并聯(lián)的二極管VD1導(dǎo)通，電流ia通過VD1流向負(fù)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(fù)時(shí)，可通過VT1和VT4反并聯(lián)的二極管VD4對(duì)電流ia進(jìn)行控制。
   
六開關(guān)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(wú)變壓器UPS的性能優(yōu)勢(shì) 
   
這里的討論僅限于是否帶輸出變壓器這兩種電路結(jié)構(gòu)的不同而帶來(lái)的設(shè)備性能的差異，不包括下列與產(chǎn)品研制定型和生產(chǎn)水平有關(guān)的因素而造成的性能差別：
    •電路研制定型水平：與技術(shù)人員技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)和定型流程管理有關(guān)；
    •器件選用差別：與電路定型、成本控制和質(zhì)量管理流程有關(guān)；
    •產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性：取絕于生產(chǎn)工藝水平，與人員技術(shù)水平、生產(chǎn)和質(zhì)量控制流程有關(guān)；
    •產(chǎn)品功能差別：包括是否有并機(jī)功能、是否模塊化、系統(tǒng)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(dòng)、冷啟動(dòng)、物理結(jié)構(gòu)與可維護(hù)性水平等；這些差別與廠商決策人員對(duì)設(shè)備的研發(fā)方向、市場(chǎng)定位、商業(yè)取向、成本控制等指道思想有直接的關(guān)系。
   
無(wú)變壓器UPS的性能優(yōu)勢(shì)是針對(duì)帶輸出變壓器UPS由于自身的電路結(jié)構(gòu)而不可能達(dá)到的固有的缺點(diǎn)相對(duì)而言，包括成本、效率、重量和體積等，當(dāng)然還包括在設(shè)備電氣性能方面的改進(jìn)和提高。這些對(duì)當(dāng)前社會(huì)提倡的降低能源消耗、節(jié)省資源消耗、綠色產(chǎn)品是至關(guān)重要的。 
   
1、高輸入功率因數(shù)低輸入電流失真度 
   
為了完成系統(tǒng)升壓功能，PFC整流環(huán)節(jié)成為“高頻機(jī)”的重要組成部分和必要條件，但它同時(shí)又把UPS輸入功率因數(shù)提高到理想的數(shù)值：0.99，把輸入電流總諧波失真度THDI降低到5%以下，所以說(shuō)輸入功率因數(shù)高、電流失真度低是“高頻機(jī)”的主要優(yōu)點(diǎn)之一，這不僅消除了UPS對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，它還可明顯地降低前端設(shè)備和線纜的容量。表1為兩種結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)可以看出，由于帶輸出變壓器UPS（例如12脈沖整流）的輸入功率因數(shù)低，輸入電流諧波大，其輸入電流明顯地大于無(wú)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(guī)格都要相應(yīng)的增大，其中線纜的截面要增加接近一倍。特別是當(dāng)輸入端有備用柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，由于諧波電流和12脈沖移相變壓器、無(wú)源濾波器的影響，UPS
   
與油機(jī)容量的配比從無(wú)輸出變壓器UPS的1:1.3增大到1:2~4。
   
表1是輸出滿負(fù)載時(shí)的數(shù)據(jù)，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載減輕時(shí)，12脈沖（+11次無(wú)源濾波）的輸入功率因數(shù)會(huì)明顯地減小，輸入電流諧波成分明顯增大（見圖18），對(duì)電網(wǎng)污染和要求系統(tǒng)前端設(shè)備容量增大的影響也就更嚴(yán)重。 
      
   
2、工作效率高 
   
無(wú)變壓器UPS的整機(jī)效率之所以比帶變壓器UPS的效率高一些，主要來(lái)自兩個(gè)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(tǒng)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平差異因素，電路結(jié)構(gòu)的變化可使整機(jī)工作效率提高2.5%左右。表2是一組典型的測(cè)試數(shù)據(jù)。
   
表2：UPS工作效率比較表（按照輸出功率因數(shù)0.9計(jì)算） 
    
   
整機(jī)效率的提高，不僅可有效的降低能源損耗，還意味著設(shè)備本身?yè)p耗小，以500KVA的UPS的滿載效率相比，無(wú)輸出變壓器UPS的效率提高了2.0%，就相當(dāng)于機(jī)內(nèi)減少了10KW的發(fā)熱量。這對(duì)提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和降低對(duì)環(huán)境的要求是有利的。
   
表2數(shù)據(jù)僅僅考慮了設(shè)備本身的效率的提高，如果把因輸入功率因數(shù)的提高，而使輸入設(shè)備（濾波器、開關(guān)、線纜等）容量和損耗的降低，以及12脈沖整流時(shí)的輸入變壓器的損耗計(jì)算在內(nèi)的話，那么無(wú)變壓器UPS對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的貢獻(xiàn)應(yīng)超過4%。
   
值得注意的是，在實(shí)際使用中，特別是在（1＋1）冗余并機(jī)和雙總線的配置系統(tǒng)中，UPS的實(shí)際輸出負(fù)載率只有30-40%，這時(shí)的UPS的工作效率更有實(shí)際意義。在這方面無(wú)輸出變壓器UPS同樣顯示了它的優(yōu)勢(shì)，如圖19所示。
   
從圖19可看出，在25%至100%負(fù)載范圍內(nèi)，工作效率基本都恒定的保持在94%以上。 
     
   
3、重量和體積 
   
數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施是一項(xiàng)費(fèi)用昂貴的固定資產(chǎn)投資，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備對(duì)承重的要求和占用空間越來(lái)越受到人們的重視。同時(shí)，重量輕體積小的設(shè)備還可以減少對(duì)運(yùn)輸和安裝難度的要求，當(dāng)然在這方面費(fèi)用的降低也是可觀的。
   
表3給出了兩種結(jié)構(gòu)UPS在功率密度、體積和重量等方面的比較數(shù)據(jù)。
   
表3：UPS功率密度、體積和重量比較表 
    
   
從表3具體數(shù)據(jù)可以看出，與帶輸出變壓器UPS相比，無(wú)輸出變壓器UPS在功率密度、占地面積、重量等方面的貢獻(xiàn)是：
   
功率密度（kW/m?。┛商岣?0%左右；
   
占地面積（m?。┛蓽p少25%左右；
   
重量減少50-80%。

   
4、成本 
   
與帶輸出變壓器UPS相比，無(wú)輸出變壓器UPS去掉的環(huán)節(jié)包括：輸出隔離變壓器；輸入12脈沖移相變壓器及11次無(wú)源濾波器。所以無(wú)輸出變壓器的UPS可降低成本是不言而喻的事實(shí)。討論成本時(shí)，應(yīng)考慮以下四個(gè)方面：
    •生產(chǎn)和購(gòu)置成本；
    •能源運(yùn)行成本（工作效率高，包括空調(diào)費(fèi)用的降低）；
    •占地少、承重要求小和運(yùn)輸安裝成本；
    •資源浪費(fèi)成本。
   
第四點(diǎn)實(shí)際上是很重要的，為了減少資源浪費(fèi)，以半導(dǎo)體代替銅和鋼鐵資源早已成為工業(yè)和電子設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，是具有重大經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義的基本策略。 
     
   
5、對(duì)電性能指標(biāo)的改進(jìn) 
   
無(wú)輸出變壓器UPS的各項(xiàng)電性能指標(biāo)絕大多數(shù)都相當(dāng)于帶輸出變壓器UPS，而有些指標(biāo)卻顯示出無(wú)輸出變壓器UPS更優(yōu)越的性能。除以上講到的輸入功率因數(shù)、工作效率、體積重量和成本外，以下指標(biāo)也有明顯地改善：
    （
1）輸入電壓范圍更寬：帶輸出變壓器UPS對(duì)于適應(yīng)輸入電壓±15%的變化已很不易，而無(wú)輸出變壓器UPS可在25-30%范圍內(nèi)正常工作，不僅表現(xiàn)出對(duì)電網(wǎng)很強(qiáng)的適應(yīng)能力，還可延長(zhǎng)電池的使用壽命。
   
（2）輸出能力強(qiáng)：這體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是輸出半橋逆變器三相獨(dú)立輸出功率，提高了三相負(fù)載不平衡的適應(yīng)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(huán)節(jié)阻抗更小，所以輸出動(dòng)態(tài)性能更好，負(fù)載階躍從100到0%或從0到100%變化時(shí)，輸出電壓變化都可限制在±2%，并在20-40毫秒內(nèi)返回到±1%的容限范圍以內(nèi)。

   
五、無(wú)輸出變壓器UPS可輸出的功率等級(jí)和可靠性問題 
   
盡管無(wú)輸出變壓器UPS的電路技術(shù)已經(jīng)很成熟，但能否形成工業(yè)化產(chǎn)品，輸出功率能達(dá)到多大，可靠性水平如何，卻與器件水平和性能有直接的關(guān)系。 
   
1、無(wú)輸出變壓器UPS可輸出的功率等級(jí) 
   
下面以500KVA無(wú)輸出變壓器UPS為例，看它對(duì)開關(guān)功率器件IGBT的耐壓和工作電流有什么樣的要求。
   
根據(jù)圖14可知，在UPS直流母線電壓為穩(wěn)定的±400V的情況下，每個(gè)橋臂的一支IGBT導(dǎo)通時(shí)，另一支截止的IGBT承受的電壓將是800Vdc。
   
IGBT的工作電流可根據(jù)輸出功率和直流母線的最低電壓計(jì)算出來(lái)。
   
在無(wú)輸出變壓器UPS中，以輸出半橋逆變器對(duì)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(shù)的關(guān)系。

    逆變器輸出功率：500KVA；
    單相輸出功率：500KVA/3=166.7KVA；
    單相輸出滿負(fù)載電流有效值：166.7KVA/220V=757.75A；
    在無(wú)輸出變壓器UPS中，前級(jí)PFC整流是穩(wěn)定的±400V，但是當(dāng)市電停電而轉(zhuǎn)入電池放電時(shí)，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(fù)載電流有效值應(yīng)該是：757.75A×（1+0.1125）=843A；
    逆變器工作在正弦脈寬調(diào)制（SPWM）狀態(tài)下，假定在輸出電流峰值期間最大的占空比為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(shí)，通常的做法是，在可能的最大的耐壓和電流值基礎(chǔ)上再增加50%的安全余量，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(jià)格等因素，選用器件時(shí)常常是用低容量的器件進(jìn)行并聯(lián)，這時(shí)存在并聯(lián)均流的問題，所選并聯(lián)器件應(yīng)降容5%使用，也就是說(shuō)，做500KVA無(wú)輸出變壓器UPS時(shí)所選用的IGBT并聯(lián)后的總輸出電流有效值和峰值電流應(yīng)大于：
    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(jié)果列表在表4中。
    表4：500KVA無(wú)輸出變壓器UPS輸出逆變器對(duì)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(hào)和規(guī)格，再考慮IGBT并聯(lián)工作，可選擇的余地就更大了。
   
表5是日本富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50）的主要性能參數(shù)。
  
表5：2MBI450U4J-120-50的主要參數(shù) 
    
   
在使用表5數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)，以下考慮是符合實(shí)際情況的：
    （1）連續(xù)工作電流可理解為PWM工作時(shí)的輸出電流有效值，即正弦電流最大值可達(dá)到600A×1.414=848.4A（TC=25ºC）和450A×1.414=636.3A（TC=80ºC）；
    （2）當(dāng)逆變器工作在PWM模式時(shí)，IGBT管中的峰值電流是有效值×1.414（峰值系數(shù)）×1.25（假定電流峰值時(shí)占空比為4：1，寬度為0.15ms-0.05ms）=1.767倍。而表中峰值電流（1ms）可達(dá)到連續(xù)工作電流的2倍。所以用有效（連續(xù)）值是不影響器件的安全性的。
    （3）考慮到設(shè)備管殼溫度通?？刂圃?lt;70ºC，所以可認(rèn)為連續(xù)電流可達(dá)到500A，峰值電流>900A。設(shè)計(jì)時(shí)，用三只并聯(lián)總有效值=500A×3×0.95（并聯(lián)降容）=1425A，峰值電流>900A×3×0.95=2565；
   
把設(shè)計(jì)要求和選用器件的實(shí)際最大輸出能里比較一下，如表6所示。
    表6：設(shè)計(jì)要求和實(shí)際最大輸出能力 
    
   
上面設(shè)計(jì)舉例選用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），實(shí)際上滿足和高于上述要求的器件很多，而且有些管子的電流容量也遠(yuǎn)大于本例所用的數(shù)值，管子組裝也有單管、單橋臂、6管集成等形式。
   
總的結(jié)論是，當(dāng)前的IGBT功率開關(guān)管的輸出能力和電器性能使無(wú)輸出變壓器UPS的輸出能力達(dá)到400-500KVA是不存在問題的。 
     
   
2、關(guān)于無(wú)輸出變壓器UPS工作可靠性的討論 
   
設(shè)備的可靠性與多種因素有關(guān)，包括：電路研制定型水平、技術(shù)人員技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)、器件選用差別、生產(chǎn)工藝水平、質(zhì)量管理流程等。電路結(jié)構(gòu)變化有個(gè)技術(shù)成熟的過程，當(dāng)然還包括所選用的器件性能和可靠性對(duì)新電路結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力。所以說(shuō)電路結(jié)構(gòu)的變化對(duì)設(shè)備可靠性是有影響的，影響大小最終取決于兩個(gè)因素：電路技術(shù)成熟程度和器件水平。
   
（1）、技術(shù)成熟是毋庸置疑的
   
無(wú)變壓器UPS采用的新技術(shù)主要有兩點(diǎn)：一是AC/DC高頻整流（PFC）技術(shù)，二是輸出半橋逆變技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生由來(lái)已久，已成為電力電子設(shè)備的經(jīng)典技術(shù)，應(yīng)用也非常廣泛，所以技術(shù)成熟程度是毋庸置疑的。雖然把這兩項(xiàng)技術(shù)集成起來(lái)用于無(wú)變壓器UPS中僅是最近十年的事情、因電路定型水平和參數(shù)選擇的差異也可能存在設(shè)備可靠性問題，但出現(xiàn)可靠性的根本原因卻不是電路結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用造成的。
   
（2）、當(dāng)前器件性能水平完全能夠滿足新電路結(jié)構(gòu)提出的更高要求
   
在無(wú)變壓器UPS中，對(duì)器件性能要求高的環(huán)節(jié)主要是半橋式逆變器，而關(guān)鍵的參數(shù)又是功率開關(guān)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(dāng)前的IGBT的輸出能力可以完全滿足400-500KVA的大功率無(wú)輸出變壓器UPS。
   
值得注意的是，在無(wú)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，輸入電流有效值等于輸出電流有效值。而傳統(tǒng)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(jié)第2點(diǎn)和圖8）時(shí)，同時(shí)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(shù)據(jù)說(shuō)明，對(duì)同樣輸出功率的UPS，無(wú)輸出變壓器UPS對(duì)IGBT的電流輸出能力的要求并不比比傳統(tǒng)的帶輸出變壓器UPS高。也就是說(shuō)，從IGBT的電流輸出能力來(lái)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(wú)輸出變壓器UPS。
   
與帶輸出變壓器UPS相比，無(wú)輸出變壓器UPS的輸出逆變器對(duì)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(wú)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的耐壓要大于800V。雖然當(dāng)前的器件耐壓1200V已不成問題，但此要求不僅僅是靜態(tài)耐壓?jiǎn)栴}，更嚴(yán)重的是IGBT的開關(guān)電壓變化率（dv/dt）和開關(guān)損耗問題，因而這是電路設(shè)計(jì)和器件選擇時(shí)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，由于控制環(huán)節(jié)故障使一個(gè)IGBT連續(xù)導(dǎo)通時(shí)，或在一個(gè)IGBT或二極管短路的情況下，400V直流母線電壓會(huì)直接輸出到負(fù)載端（此時(shí)電感變成阻抗很小的導(dǎo)線）。單相負(fù)載輸入整流后的直流母線額定電壓是311V，考慮負(fù)載輸入允許的+15%的上限，直流母線額定電壓是357V，并聯(lián)在整流電路輸出端的濾波電容耐壓通常是400V。當(dāng)UPS發(fā)生這種故障時(shí)輸出直流電壓會(huì)接近400V，濾波電容和DC/DC變換器都會(huì)因輸入電壓過高而受到影響。
   
出現(xiàn)這種情況在理論上是有可能的。然而，如果出現(xiàn)這一危險(xiǎn)情況，即使缺少了專門的直流分量檢測(cè)電路（例如，檢測(cè)電路故障或參數(shù)飄移等），也可以根據(jù)從另一個(gè)IGBT收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)得知，直流電壓可能發(fā)生短路，從而立即終止逆變器的工作，同時(shí)斷開逆變器與后面負(fù)載的連接。通常逆變器的輸出端配備有一個(gè)靜態(tài)旁路開關(guān)，它可在逆變器停止工作時(shí)迅速將負(fù)載切換到旁路市電供電，以保證負(fù)載供電的持續(xù)進(jìn)行。逆變器保護(hù)和轉(zhuǎn)旁路供電的動(dòng)作時(shí)間很短，可在輸出電壓上升過程中完成，因而不會(huì)對(duì)負(fù)載安全造成影響。在大量設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，這種故障幾乎沒有出現(xiàn)過。
   
（4）、無(wú)輸出變壓器UPS的可靠性指標(biāo)
  
 如果不知道平均故障間隔時(shí)間MTBF，或者廠商提供的MTBF數(shù)據(jù)是不可信的，那么可用UPS的效率和輸出能力各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量它的可靠性，這些指標(biāo)包括整機(jī)工作效率、輸出過載能力、輸出電流峰值系數(shù)、啟動(dòng)負(fù)載時(shí)輸出電流浪涌系數(shù)和輸出功率因數(shù)等。
  
 以下是已推向市場(chǎng)的500KVA無(wú)輸出變壓器UPS的可量化的可靠性指標(biāo)：
     輸出功率因數(shù)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(shù)：≥3:1
    動(dòng)態(tài)性能：±2%，從0到100%或從100到0%的負(fù)載階躍變化效率：94.5%（50到100%負(fù)載率）
    這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，無(wú)輸出變壓器UPS的輸出能力和可靠性指標(biāo)與傳統(tǒng)帶輸出變壓器UPS一樣，都達(dá)到了很高的水平?？煽啃砸言俨皇菬o(wú)輸出變壓器UPS設(shè)備的關(guān)鍵問題。

六、結(jié)論
圖21定性的表達(dá)了本文論述的觀點(diǎn)和內(nèi)容。

1，隨著電路技術(shù)和半導(dǎo)體器件的發(fā)展和創(chuàng)新，UPS電路技術(shù)經(jīng)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(shù)進(jìn)步的必然趨勢(shì)。

2，定性的表達(dá)了無(wú)變壓器UPS在效率、體積、重量、輸入功率因數(shù)等指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。
  
3，人們最關(guān)心的是可靠性問題。事實(shí)上在UPS產(chǎn)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(xù)幾千小時(shí)不發(fā)生故障就算可靠了。所以在討論一個(gè)產(chǎn)品是否可靠時(shí)，關(guān)鍵是使用者對(duì)這個(gè)產(chǎn)品可靠性要求的期望值是多大。下面的例子或許可以說(shuō)明這一問題：馬車與飛機(jī)相比，誰(shuí)都知道馬車的安全性永遠(yuǎn)比飛機(jī)高。但是，當(dāng)今的社會(huì)人們還是選擇了飛機(jī)，難道是人們?yōu)榱耸孢m和效率而不顧生命安全嗎？不是的，人們所以選擇飛機(jī)是因?yàn)轱w機(jī)的安全系數(shù)已經(jīng)超過了人們對(duì)安全要求的期望值。當(dāng)前的器件和電路技術(shù)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(dá)到了很高的水平，都超過了人們的期望值，盡管我們不能說(shuō)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(jù)說(shuō)，不帶輸出變壓器UPS的可靠性已經(jīng)不是問題，而它在效率、體積、重量、輸入功率因數(shù)等方面的優(yōu)勢(shì)卻代表著UPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?！?br />