摘要：本文通過大容量工頻UPS和高頻UPS進行原理分析、拓撲對比、實測數據分析和性能對比，全面總結了大功率工頻UPS和高頻UPS的優缺點和選配原則。 一、工頻機和高頻機的定義和原理分析 UPS通常分為工頻機和高頻機兩種。工頻機由可控硅SCR整流器，IGBT逆變器，旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz，顧名思義叫工頻UPS。 典型的工頻UPS拓撲如下： 圖1：典型工頻UPS拓撲 主路三相交流輸入經過換相電感接到三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導通角來調節輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件，控制系統只能夠控制開通點，一旦SCR導通之后，即使門極驅動撤消，也無法關斷，只有等到其電流為零之后才能自然關斷，所以其開通和關斷均是基于一個工頻周期，不存在高頻的開通和關斷控制。 由于SCR整流器屬于降壓整流，所以直流母線電壓經逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低，要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓，就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時，由于增加了隔離變壓器，系統輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離，顯著減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。 同時，工頻機的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機典型母線電壓通常為300V500V之間，可直接掛接三十幾節電池，不需要另外增加電池充電器。 按整流器晶闡管數量的不同，工頻機通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個可控硅（晶閘管）組成的全橋整流，由于有6個開關脈沖對6個可控硅分別控制，所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓撲如下： 圖 典型6脈沖拓撲 12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線由12個可控硅整流完成，因此又稱為12脈沖整流。 下圖所示兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同聯結構成12相整流電路。 圖 典型12脈沖整流器示意圖 6脈沖和12脈沖的詳細技術分析可參見大功率UPS6脈沖與12脈沖可控硅整流器原理與區別。 高頻機通常由IGBT高頻整流器，電池變換器，逆變器和旁路組成，IGBT可以通過控制加在其門極的驅動來控制IGBT的開通與關斷，IGBT整流器開關頻率通常在幾K到幾十KHz,甚至高達上百KHz，相對于50Hz工頻,稱之為高頻UPS。典型的高頻機拓撲如下： 圖2：高頻UPS拓撲圖 高頻UPS整流屬于升壓整流模式，其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰峰值高，一般典型值為800V左右，如果電池直接掛接母線，所需要的標配電池節數達到67節，這樣給實際應用帶來極大的限制。因此一般高頻UPS會單獨配置一個電池變換器，市電正常的時候電池變換器把母線800V的母線電壓降壓到電池組電壓；市電故障或超限時，電池變換器把電池組電壓升壓到800V的母線電壓。從而實現電池的充放電管理。由于高頻機母線電壓為800V左右，所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V，逆變器之后就不再需要升壓變壓器。 二、工頻機和高頻機的性能對比 隨著電力電子技術的發展和高頻功率器件不斷問世。中小功率段的UPS產品正逐步高頻化，高頻UPS有功率密度大、體積小、重量輕的特點。但在高頻UPS功率段向中大功率過渡推進的過程中。高頻拓撲UPS在使用過程中暴露出一些固有缺點，并影響到UPS的安全使用和運行。 1）零偏故障。 某型號大容量三相高頻UPS拓撲如下： 圖3:某型號四橋臂高頻機拓撲 從圖3可知，UPS主路輸入是三相四線（相線+零線），整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時不能斷開。當A、B、C三相閉合，零線斷開時。如果UPS輸出端接不平衡負載，當零點參考點突然消失，將造成嚴重的UPS輸出零偏故障，進而導致UPS后端負載設備的損壞，輸出閃斷等重大故障。如果A、B、C、零線同時中斷。這種情況往往會發生在市電和發電機切換過程，此種拓撲的高頻機因零線缺失而必須轉旁路工作，在特定工況下（電壓過零點，非同步切換時）可能造成負載閃斷的重大故障。而工頻機因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開時，UPS可以保持正常供電。 2）零地電壓抬升和電池架帶電問題。 從圖2和圖3可以看到，大功率三相高頻機零線會引入整流器并做為正負母線的中性點，此種結構不可避免的造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，抬升零地電壓，造成負載端零地電壓抬高，很難滿足IBM,HP等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。 某型號高頻UPS的電池變換器采用高頻Buck/Boost拓撲結構，變換器缺少必要的濾波裝置。因此充電電壓和電流耦合大量高頻分量，在現場實測數據如下圖： 可以明顯看到頻率12.5KHz的高頻分量，實測電池正極與大地浮置電壓有325V，斷開電池架接地，電池架與大地間有100多伏浮置電壓。接通電池架與大地，電池架與大地漏電流高達110mA。按照行業標準（GB13870.1-93電流通過人體的效應），50mA的電流就可以致人死亡。該型號UPS在電池架未與大地短接時，人體觸摸到電池架有明顯被電擊的感覺。原因是充電回路中高頻分量通過人體與大地形成通路，造成人體觸電。同時，此高頻諧波嚴重干擾了外置的UPS電池單體電壓監控系統，使電池電壓監控測試儀無法正常工作。 3）可靠性降低。 自1947年底首個晶體管問世，隨后不到十年，可控硅整流器（SCR，現稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎上問世，至今晶闡管已歷時半個多世紀的發展和革新，耐受高電壓，大電流晶闡管技術已非常成熟，其抗電流沖擊能力非常強。晶闡管是半控器件，不會出現直通，誤觸發等故障。相比而言，80年代初問世的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）有許多優點，其開關頻率可在幾K至幾百KHz之間，是目前高頻UPS主要功率器件。但是，IGBT工作時有嚴格的電壓，電流工作區域，抗沖擊能力有限。在可靠性方面，IGBT一直比晶闡管差。根據大量的數據統計，采用晶闡管的整流器故障率遠遠低于IGBT整流器的故障率，前者大約為后者的1/4。 工頻機通常采用SCR整流器，而高頻機多采用IGBT整流器。因此，工頻機在可靠性方面優于高頻機。而大功率UPS可靠性是用戶關注的第一要素。目前市面上銷售的多款國際知名品牌工頻機產品在用戶端都有很好的口碑。并通過了長時間和復雜電網的實際驗證。 高頻大功率UPS還有諸多缺點，詳見附件： 附：大功率工頻UPS和高頻UPS技術對比表： 高頻機工頻機高頻機工頻機1采用IGBT整流技術，根據統計數據，IGBT整流故障率遠高于可控制硅整流采用可控硅整流技術，系統可靠性高2輸出有高次諧波，高頻諧波耦合在零線上，可能抬升零地電壓。很難滿足IBM,HP等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求輸出配置隔離變壓器，零地電壓增量為零，更可靠保證負載運行3逆變器直接掛接負載，抗負載沖擊能力弱，降低逆變器的可靠性輸出隔離變壓器自身短路阻抗的作用及高頻衰減隔離特性，使得工頻機具有很好的抗負載沖擊能力，降低負載突變和短路對UPS的影響4逆變器直接帶載，帶不平衡負載能力弱通過變壓器的負載重新分配，提高了UPS帶不平衡負載的能力。5負載直掛，帶非線性負載的能力弱輸出變壓器具有3N次諧波電流的隔離能力，帶非線性負載的能力強；6無輸出隔離變壓器，在UPS故障的情況下存在輸出直流電壓損壞負載的風險即使在UPS故障的情況下也不存在輸出直流電壓的風險，負載更加安全可靠；7主路旁路N線必須相同，因此無法實現主旁路不同源配置可以實現主旁路不同輸入源的配置方案，滿足高可靠性場地的配電要求；8某些廠家的高頻機輸入零線中斷時，UPS無法正常工作，當市電和柴油發電機切換時，因零線短時“缺失”可能出現“零偏”故障，造成輸出閃斷，負載掉電的重大故障隔離變壓器重新生成中心點，UPS輸入零線中斷時可正常工作。9采用專用充電器，充電能力弱。只能滿足短時間(5-10分鐘)后備電池的充電能力，長延時配置時電池充電能力不足，電池壽命嚴重縮短電池直接掛接母線，在負載不足滿載時可將剩余的整流器容量用于充電，特別適應中國客戶長延時配置后備電池的需求10電池與逆變器之間增加了電壓變換電路，降低了電池放電時系統效率，同等負載時需配置更多的電池。且系統可靠性降低電池直接掛接母線，逆變效率高，節省電池的配置容量 不可否認，高頻UPS有一些優點，但目前就技術發展和成熟度而言，大功率高頻機有許多缺點還需要進一步技術優化和升級。某些廠商推出的大功率高頻UPS仍在試用階段。在可靠性第一原則下，使用在重要場合的大功率UPS，仍然以工頻機為首選。高頻機工頻機概念解析隨著UPS技術的不斷發展，很多計算機、電力電子領域的新技術、新理念引入到UPS行業。與IT行業的其他產品類似，現在的UPS與從前的產品相比較，無論在主要性能上、外觀尺寸上、對現場環境的適應性及可靠性方面，都有了顯著的進步，有些指標甚至是質的飛躍，對于大中型UPS來說更是如此。 目前比較流行的大中型UPS結構由原來的老式結構逐漸轉向更為合理的新型結構,傳統老式結構UPS的基本結構(工頻機)如下,基本結構：可控硅整流+電池直接直流母線+ IGBT逆變器+升壓變壓器新型全IGBT UPS結構(高頻機)如下，基本結構：不控整流+DC/DC倍壓環節+獨立充電器+逆變器從圖中可以看出，工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言，工頻機是可控整流，傳統技術最好可做到12拍整流；而高頻機的整流是二極管不控整流+IGBT的高頻直流升壓環節。對逆變器而言都是IGBT的SPWM高頻逆變工作方式(除早期的可控硅逆變工作模式UPS，目前已經淘汰)。另外，工頻機的輸出變壓器必不可少，由于其整流逆變等環節均為降壓環節，因此在輸出側必須有升壓變壓器作為電壓的調整。而高頻機由于具有DC/DC升壓環節，其輸出側不必要加升壓環節(升壓變壓器)，對于需要加裝隔離變壓器的現場，高頻機也可按照要求加裝隔離變壓器選件，其作用也由原來的必要配置轉變為可選配置。UPS的電氣結構所以發生了更新變化，主要是由于元器件的發展，IGBT作為UPS的主要功率元件技術更加成熟，無論從容量、結構、或是可靠性都大大地提高了，加之UPS數字化程度地不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結構由原來的工頻機轉向高頻機(正如當年可控硅逆變器被大功率晶體管GTR取代，之后又被IGBT逆變器取代一樣)。UPS電氣結構的更新最直接的效果就是UPS主機體積的縮小，重量的下降，而更重要的是電氣性能的提高。下面具體分析兩種結構UPS的電氣原理及電氣性能： 早期大中型UPS主回路結構采用可控硅整流將輸入的交流電整為直流，電池直接掛在直流母線上，當輸入市電正常時，靠整流可控硅的調節對電池充電，同時為GTR或IGBT結構的橋式逆變器供電，逆變器將直流逆變為交流，最后經過輸出變壓器的升壓及濾波，提供純正的交流輸出。從其結構中可以看出，從整流（從交流變為直流）到逆變（在從直流變為交流）的過程中，每個環節都是降壓環節：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（可通過可控整流的導通角調整來適應輸入電壓變化，確保輸入交流電壓變化時整流輸出直流電壓的恒定），由于可控硅整流只能斬掉一部分輸入電，所以其恒定輸出電壓的代價是將輸出電壓恒定在低于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交流的過程中同樣采用的是斬波的做法，其結果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由于上述的原因，在此種結構的UPS中，必須在輸出測加入升壓變壓器，將逆變輸出的較低恒定電壓升致合理的輸出范圍，最終提供了恒定的220/380V輸出。目前較為先進的UPS主回路結構采用不控整流加升壓環節，將交流輸入通過整流橋全波整流為直流后，采用IGBT元件組成的DC/DC電路直流升壓到一個較高的恒定直流電壓（與可控硅整流的效果相反，通過這種IGBT整流可以得到一個高于全波整流輸出電壓的恒定直流電。并將其作為直流母線，為電池充電電路（充電電路也采用IGBT充電技術，可實現電池直接掛母線方式所無法作到的充電效果）及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高，經過IGBT高頻逆變調整后，可直接得到恒定的逆變輸出電壓。此時無須在加一個升壓環節，完全可以省掉輸出升壓變壓器。在上述的兩種UPS結構中，后者在所有功率環節均采用了IGBT技術，因此此種結構的UPS又為全IGBT UPS。由于數字技術的引入，大大提高了IGBT元件的開關頻率，與前者相比，在很多方面具有顯著的優勢： 可控硅整流的最大缺點就是對電網的干擾問題，由于輸入斬波產生的回潰污染，通常只能采用附加的輸入功率因數補償環節，如有源濾波器等。不但增加了購買UPS的費用，同時效果也不理想，無形中又增加了一個故障點。而新型的全IGBT整流可輕易地將功率因數提高到接近1。從根本上解決了對電網回潰干擾的問題。 由于從前的UPS采用GTR作為逆變輸出功率元件，因此其開關特性較差，即使采用了IGBT元件，由于控制上沒有相應的改善，其開關頻率也較低，因此輸出波形不很平滑，或需要變壓器等大電感元件平波。而目前的UPS