摘 要：本文通過對大容量工頻UPS和高頻UPS進行原理分析、拓撲對比、實測數(shù)據(jù)分析和性能對比，全面總結了大功率UPS工頻機和高頻機的優(yōu)缺點和選配原則。 關鍵詞：UPS工頻機 高頻機 IGBT
1 工頻機和高頻機的定義和原理分析
（1）工頻機
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拓撲如圖1所示。
圖1 典型工頻UPS拓撲
三相交流電輸入經(jīng)過換相電感接到3個SCR橋臂組成的整流器后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導通角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開通點，一旦SCR導通之后，即使門極驅(qū)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(jīng)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(tǒng)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300V～500V之間，可直接掛接30多節(jié)電池，不需要另外增加電池充電器。
按整流SCR管數(shù)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SCR組成的全橋整流，由于有6個開關脈沖對6個SCR分別控制，所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓撲如圖2所示。
圖2 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SCR整流完成，因此又稱為12脈沖整流。
下圖所示兩個3相整流電路就是通過變壓器的不同聯(lián)結構成12相整流電路。
圖3 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(qū)別》。
（2）高頻機
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(qū)動信號來控制IGBT的開通與關斷，IGBT整流器開關頻率通常在幾kHz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圖4所示。
圖4 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，在常規(guī)市電情況下一般典型值為800V左右。如果電池直接掛接母線，所需要的標配電池節(jié)數(shù)達到67節(jié)，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 800V的母線電壓降到電池組電壓;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(xiàn)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。
2 工頻機和高頻機的性能對比
隨著電力電子技術的發(fā)展和高頻功率器件的不斷問世，中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化，高頻UPS具有功率密度大、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）UPS輸入缺零線無法正常工作
某型號大容量三相高頻UPS拓撲如圖5所示。
圖5 某型號四橋臂高頻機拓撲
從圖5可知，UPS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(fā)生在市電和發(fā)電機切換過程，此種拓撲的高頻機因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作，在特定工況下（電壓過零點，非同步切換）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4和圖5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(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖6 某型號高頻UPS電池變換器現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)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為325V，斷開電池架接地，電池架與大地間有大于100V的浮置電壓。接通電池架與大地，電池架與大地漏電流高達110mA（見圖6）。按照行業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)，使電池電壓監(jiān)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(xiàn)稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎上問世，至今SCR已歷時半個多世紀的發(fā)展和革新，耐受高電壓，大電流SCR技術已非常成熟，其抗電流沖擊能力非常強。SCR是半控器件，不會出現(xiàn)直通，誤觸發(fā)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(yōu)點，其開關頻率可在幾kHz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(qū)域，抗沖擊能力有限。在可靠性方面，IGBT一直比SCR差。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SCR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(yōu)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(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑，并通過了長時間和復雜電網(wǎng)的實際驗證。
高頻大功率UPS存在諸多缺點，詳見附件。
3 結語
通過以上分析可知，UPS工頻機和高頻機各有其優(yōu)缺點。就目前技術發(fā)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(yōu)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。
