件应降容5%使用,也就是说,生产500kVA无输出变压器UPS时所选用的IGBT并联后的总输出电流有效值和峰值电流应大于:器件输出有效值为1264.5A/0.95=1331A;器件输出峰值为2145.6A/0.95=2258.52A(0.15～0.05ms)。

　　把以上推算结果列在表4中。

　　就目前器件水平而言,满足上述要求的IGBT器件有多种型号和规格,再考虑IGBT并联工作,可选择的余地就更大了。

　　把设计要求和选用器件的实际最大输出能力比较一下,如表5所示。

　　总的结论是,当前的IGBT功率开关管的输出能力和电气性能使无输出变压器UPS的输出能力达到400～500kVA是不存在问题的。

　　5.2 关于无输出变压器UPS工作可靠性的讨论

　　设备的可靠性与多种因素有关,包括电路研制定型水平、技术人员技术水平和经验、器件选用差别、生产工艺水平、质量管理流程等。电路结构变化有个技术成熟的过程,当然还包括所选用的器件性能和可靠性对新电路结构的适应能力。所以说电路结构的变化对设备可靠性是有影响的,影响大小最终取决于电路技术成熟程度和器件水平这两个因素。

　　(1)技术成熟是毋庸置疑的

　　无变压器UPS采用的新技术主要有两点:一是AC/DC高频整流(PFC)技术,二是输出半桥逆变技术。这两项技术产生由来已久,已成为电力电子设备的经典技术,应用也非常广泛,所以技术成熟程度是毋庸置疑的。虽然把这两项技术集成起来用于无变压器UPS中仅是最近十年的事情,因电路定型水平和参数选择的差异也可能存在设备可靠性问题,但出现可靠性的根本原因却不是电路结构和新技术的应用造成的。

　　(2)当前器件性能水平完全能够满足新电路结构提出的更高要求

　　在无变压器UPS中,对器件性能要求高的环节主要是半桥式逆变器,而关键的参数又是功率开关器件IGBT的耐压(UCES)和输出电流(有效值和峰值)能力,从表4和表5可以看出,当前的IGBT的输出能力完全可以满足400～500kVA的大功率无输出变压器UPS。

　　值得注意的是,在无变压器UPS的半桥逆变电路中,输出电压是由±400V直流母线电压直接形成的,输入电流有效值等于输出电流有效值。而传统的带变压器UPS是通过输出变压器升压形成的,在升压比为1:1.9或1:1.78时,同时考虑三角形/星形接法输出电流有效值是输入有效值的1.73倍,所以全桥逆变器输入电流有效值是输出电流有效值的1.9/1.73=1.1(或1.78/1.73=1.03)倍。数据说明,对同样输出功率的UPS,无输出变压器UPS对IGBT的电流输出能力的要求并不比传统的带输出变压器UPS高。也就是说,从IGBT的电流输出能力来看,能做多大功率的带输出变压器UPS,就可以做多大输出功率的无输出变压器UPS。

　　与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS的逆变器对IGBT的耐压提出了更高的要求。在带输出变压器UPS的全桥逆变器中,IGBT的耐压就是直流母线电压,一般为400多伏,而在无输出变压器UPS的输出半桥逆变器中,直流母线电压是±400V,要求IGBT的耐压要大于800V。虽然当前的器件耐压1200V已不成问题,但此要求不仅仅是静态耐压问题,更严重的是IGBT的开关电压变化率(du/dt)和开关损耗问题,因而这是电路设计和器件选择时必须重视和解决的问题。

　　(3)输出隔直流问题

　　从图14和图15可以看出,由于控制环节故障使一个IGBT连续导通时,或在一个IGBT或二极管短路的情况下,400V直流母线电压会直接输出到负载端(此时电感变成阻抗很小的导线)。单相负载输入整流后的直流母线额定电压是311V,考虑负载允许输入的+15%的上限,直流母线额定电压是357V,并联在整流电路输出端的滤波电容耐压通常是400V。当UPS发生这种故障时输出直流电压会接近400V,滤波电容和DC/DC变换器都会因输入电压过高而受到影响。

　　出现这种情况在理论上是有可能的。然而,如果出现这一危险情况,即使缺少了专门的直流分量检测电路(例如,检测电路故障或参数漂移等),也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知,直流电压可能发生短路,从而立即终止逆变器的工作,同时断开逆变器与后面负载的连接。通常逆变器的输出端配备有一个静态旁路开关,它可在逆变器停止工作时迅速将负载切换到旁路市电供电,以保证负载供电的持续进行。逆变器保护和转旁路供电的动作时间很短,可在输出电压上升过程中完成,因而不会对负载安全造成影响。在大量设备的实际运行中,这种故障几乎没有出现过。

　　(4)无输出变压器UPS的可靠性指标

　　如果不知道平均故障间隔时间MTBF,或者厂商提供的MTBF数据不可信的话,那么可用UPS的效率和输出能力各项指标来衡量其可靠性,这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和负载功率因数等。

　　以下是已推向市场的500kVA无输出变压器UPS的可量化的可靠性指标。

　　负载功率因数：0.9;逆变器短路能力为150ms：2.5～3In(输出400V);逆变器过载能力:

　　125%In:10min;135%In:1min;150%In:30s;额定电压下的峰值因数:≥3:1;动态性能:±2%。

　　这些数据说明,无输出变压器UPS的输出能力和可靠性指标与传统带输出变压器UPS一样,都达到了很高的水平。可靠性已不再是无输出变压器UPS设备的关键问题。

　　6 结束语

　　图21定性地表达了文中论述的观点和内容。

　　(1)随着电路技术和半导体器件的发展和创新,UPS电路技术经历了由多输出变压器到单输出变压器再到无输出变压器的变化过程。反映了去掉输出变压器是UPS电路技术进步的必然趋势。

　　(2)定性地表达了无输出变压器UPS在效率、体积、重量、输入功率因数等指标的优势。

　　(3)人们最关心的是可靠性问题。事实上在UPS产品推出的初期,带输出变压器UPS的可靠性也是不高的,一般连续几千小时不发生故障就算可靠了。所以在讨论一个产品是否可靠时,关键是使用者对这个产品可靠性要求的期望值是多大。当前的器件和电路技术决定了带输出变压器UPS和不带输出变压器UPS的可靠性都达到了很高的水平,都超过了人们的期望值,尽管我们不能说不带输出变压器UPS的可靠性比带输出变压器UPS的可靠性还高,但我们有充分根据地说,不带输出变压器UPS的可靠性已经不是问题,而它在效率、体积、重量、输入功率因数等方面的优势却代表着UPS技术的发展趋势。

　　作者简介

　　张广明,男,1939年生。中国科学院计算技术研究所研究员,自20世纪60年代开始从事大型计算机供电设备和供电系统的研究,曾任中国电源学会副理事长,现任中国电源学会专家委员会主席、中国计算机用户协会UPS分会副理事长、《UPS应用》编委会主任。

　　当前的主要研究方向是UPS设备和数据中心UPS供电系统,特别是在系统可靠性和可用性研究领域有较深的造诣。