一、概述

节能减排一是人人皆知的国策。地下的埋藏资源是有限的，而且对这些资源的利用也伴随着对大气的污染。所以国家花大力气建立核电站、风力发电场、光伏发电厂、光热发电场。并且取得了很大的成绩。能源的利用也有了长足的进步，比如近年国航与波音公司联合成功地将生物航油用在了航空上是一个历史的里程碑。在IT领域也不例外，数据中心如雨后春笋遍地建立，用电量大幅度增加，不改变原来的不顾忌花电费的用电模式已不符合当代的国策。而直接为IT设备供电UPS也必须改变原来的那种不顾效率的习惯，也必须以节能为前提。可喜的高频机UPS的问世和成功利用，已为IT机房节能时代补上了空白，开辟了道路。

二、12脉冲整流+谐波滤波器与IGBT高频整流器

1. 12脉冲整流+谐波滤波器的提出

6脉冲整流是三相可控硅全桥整流的俗称，12脉冲整流是六相可控硅全桥整流的俗称。原因是可控硅的开通需要用脉冲去触发，一只可控硅需要一个脉冲，三相可控硅全桥整流有6只可控硅，当然也就需要6个脉冲，不知何时何人就给取了这样一个名字。这是一个非常不科学的名字，就好像脉冲会整流一样。脉冲只是一个电信号，而整流则需要实实在在的器件，这两者毫无共同之处;12脉冲整流也是这个意思。既然已经习惯了这种叫法，为了分析方便，也只好在称呼上将就用了。

早期的中大功率UPS整流器都是用可控硅整流器，而且是三相全桥整流电路，正式这种整流器破坏了市电电网的输入波形。图示出了市电输入正弦电压波形，当负载是电炉子和电暖气之类的电阻性负载时，由于传输损耗，负载输入端只是幅度略有减小的正弦波，输入

图 市电带不同性质的负载时的情况

功率因数为1;而带具有6个脉冲整流器的UPS时，负载输入端的电压波形出现了畸变，如图中所示。这就是因为可控硅整流器破坏了电网的正常波形。输入功率因数降到了0.8以下，出现了电流谐波分量，产生了无功功率。所以可控硅整流器是天生破坏电网波形的。

以上的负载情形对电网造成了压力，在一定程度上影响了电网能量的有效利用。为了改善这种情况，就希望这种破坏力小一点，于是就提出了12脉冲整流，即6相全波整流器，图表示的就是12脉冲整流电路原理图。从图中可以看出，从6脉冲整流到12脉冲整流结构，比原来增加了一套同容量的6脉冲整流器、一个笨重的移相变压器和两个平衡电抗器等，这样一来，5、7次谐波没有了，但11和13次谐波依然存在。为了进一步减小破坏性，一般又加了一级11次谐波滤波器，这样就可将输入功率因数提高到0.95。但花费的代价是可观的。比如一个品牌的300kVA具有6脉冲整流的UPS，重量是1.2吨，升级到12脉冲整流后，设备量增加了600kg，变成了2.2吨，占资金、占材料、占面积、占空间和增加耗能，不能不说是一个沉重的负担。

图 12脉冲整流电路原理图

究其原因，就是可控硅在59Hz情况下的整流滤波，将原来应该是在整个半周中都导通的正弦电流波形而变为在很短时间内仍供出同样面积电流的脉冲波，使得脉冲波的幅度必须很高。比如在半波全导通的情况下，其平均电流I平均与该正弦波电流对应峰值I峰值的关系就是I平均=0.637I峰值，那么在整流滤波的情况下如果只导通30°，那么此时这个脉冲的峰值就是I  =I平均180/30=6I平均=3.82 I峰值，无形中将正弦波的峰值电流增加了近3倍，而且还是对准电压正弦波峰值的地方，由于传输线的阻抗所致，使电压正弦波峰顶出现了凹陷，如图12左下角所示。12脉冲整流就是将原来6脉冲整流脉冲电流分成了两份，几乎将电流峰值降低了一半，所以对电网的压力也减小了一些，如上例所述还有近2倍的峰值电流，仍有破坏作用，即所花的代价与取得的效果相比实在不划算。若再增加整流相数，所花代价更大，然而取得的效果则微乎其微，所以这条路已经走到头了。

2. IGBT高频整流器终究要淘汰可控硅整流器的理由

(1)IGBT的出现和在逆变器上成功的应用为用于整流器提供了经验

在早期逆变器也是用的可控硅器件，但可控硅逆变器只能输出方波，而用户需要的是和市电一样的正弦波，为了做到这一点就必须用庞大的LC滤波器，重量大、功耗大、占地面积大。为了解决这个问题，就把逆变器输出电压做成接近正弦波的形式，这就是阶梯波。如图所示，阶梯波经LC滤波器后被整形成正弦波。这种方法倒是把LC滤波器的体积减小了，但逆变器的数目增加了，仍然没有从根本上解决问题。

图 可控硅逆变器输出的4阶梯波电原理图

半导体功率三极管和脉宽调制(PWM)技术的出现，使逆变器电路结构和功能有了根本的改变。因为逆变器的高频脉宽调制作用使得输出正弦波非常方便，再也不用几套逆变器组合地方法，又由于调制频率在几千赫兹，使得滤波器容量和尺寸也大为减小，甚至可以把滤波电感和输出变压器集成在一起，只在变压器输出端接一只电容器就可以了。但后来发现晶体三极管有二次击穿弊病和并联均流不容易的缺点，运行中故障率高。而后来出现的MOSFET虽无二次击穿，但不易做到大功率。是IGBT将晶体三极管和MOSFET结合在了一起，为逆变器的电路成功打开了方便之门。IGBT被成功用于逆变器已有二十年之久，至今依然青春常在。

(2)为什么在IGBT用于逆变器的同时不也将整流器的可控硅代替呢？

这不得不看到当时的具体情况。众所周知，由于可控硅开通后不能关断的特性，使得可控硅的控制每半波只有一个触发脉冲。而由于晶体三极管可以通过控制信号自由通关，所以就可以是多脉冲控制，正是这种特性才促成了逆变器的革命性变化。而在IGBT出现时，逆变器已是多脉冲控制，这种控制信号可以直接用于IGBT，甚至电路还可简化。但此时的可控硅整流器还是同步于50Hz的单脉冲控制，如果改为IGBT就等于重新设计，对于一个产品线已成型的工厂而言，在产品销路不衰的情况下，谁又愿意去费力更改呢。

另一方面，在当时一没有对输入功率因数做硬性规定的要求，二也没有像今天这样节能减排的国际国内政策限制，谁又愿意去多这个事呢。即使是把节能减排定为国策的今天推行IGBT整流器还遭到重重阻碍，更何况是那个年代。只有那些具有前瞻性而实力雄厚的公司才肯做这件事情。

(3)在UPS整流器中IGBT取代可控硅已刻不容缓

当前的节能减排国策使得UPS器已无立锥之地。如前所述，首先是可控硅整流滤波对电网的破坏已无法克服，尽管12脉冲整流+11次谐波滤波器被宣传的如何如何好，那也是先破坏后治理。就好像一个人穿着钉子鞋从地毯上走过，将地毯扎了很多洞，然后再请工匠来给补。问题是现在已有无钉子的平底鞋为何不去采用呢？又省功夫又省材料，这双鞋走过后地毯完好无损，难道不好吗!

有的宣传说，IGBT用在整流器上不可靠。IGBT在逆变器上的成功应用20余年难道还不说明问题吗。当然，逆变器的输入电压是稳定的，而整流器的输入电压有时不是稳定的，但这是可以控制的，因为任何一台UPS都对输入电压范围有严格的规定，一旦输入电压超过这个范围，就认为市电故障，切断输入而改由电池供电。

(4)用户的担忧

全IGBT化高频机结构UPS所以让一些用户还不太敢用，其中一个原因是责任问题。采购者如果选用老的工频机结构UPS，即使出了问题也有托词。而采用新技术则不然，机器用得好是应该的，一旦出问题，在领导面前就不好交代。比如某金融单位，数据机房以前几年用的都是400kVA工频机UPS，尽管功耗大、输入功率因数低，运行费用大，单位还是可以承受的。因此本次建设新的机房，仍不敢越雷池一步，尽管5000kVA的容量，如果换成高频机结构UPS，就可减轻重量30T，节省占地面积至少50m2，每年节电250万度。在这样有诱惑力的前提下，在节能减排国策已颁布几年的情况下，该单位还是选用了不节能的工频机UPS。可见新旧交替困难之大。

四、全IGBT主电路结构带来的好处

图示出了全IGBT主电路基本结构原理图。输入电路就完成了整流和变压两个功能，输出电路由于采用了半桥逆变器，本身就可以输出三相四线制电压。由于这些改变，就给UPS也赋予了很多的优秀指标。

图 全IGBT化主电路结构原理图

1. 性能指标的优势

输入功率因数：可做到0.99以上;而工频机结构UPS即使是12脉冲+11次谐波滤波器，尽管理论上可以达到0.95，如果不好好尽心尽力就很难实现这个值。笔者在测试了某知名品牌12脉冲+11次谐波滤波器的400kVA UPS十数台，没有一台达到0.95，甚至这十几台连一台达到0.85的都很少。

效率：在笔者对上述这些工频机UPS测试中，负载量均在80%100%之间，效率均小于90%;而某高频机结构UPS在半载时均可达到94%以上。

2. 结构的优势

比如体积和重量：由于工频机UPS多了移相变压器、多了一套6脉冲整流器、多了两个平衡电抗器和一个输出变压器，使得体积和重量大为增加。比如某品牌300kVA UPS重2200kg，而另一家的300kVA高频机结构UPS才830kg，约为同容量工频机UPS的1/3。

3.运行和维保的优势

运行和维保少不了备件，而整流器和逆变器是最主要的核心备件，也是价格最贵的备件。如果是模块化，对工频机UPS而言这两个模块都要分别购置，而对高频机结构UPS而言，整流器和逆变器统一备一只就可以了，因为此二者是可互换使用的。

4. 工作方式的优势

一些著名的高频机结构UPS生产厂家，即使是大功率(比如200kVA或275kVA)也是做成模块化结构的，这不仅给在线维修、在线更新、在线升级带来了方便，也为高效运行赋予了新的功能。图示出了一个500kVA容量双电源负载供电方式的示意图，这时的UPS

图 双总线例供电方式示意图

采用双总线供电方式。比如每台UPS的容量是550kVA，每台UPS中有两个275kVA的UPS模块。正常情况下，在满负荷运行时，每台UPS只供出1/2负载的容量。如前所述，这时的电源效率在94%以上。一旦负载容量降到50%以下，即小于250kVA，那么此时每台UPS仅仅供出1/4负载的容量，使效率显著下降。为了提高供电效率，此时两台UPS就使其中一个模块自动进入休眠状态，只留一个模块继续供电，这样一来，每台UPS仍然是半载供电状态，保持了最高的效率。迄今为止还没发现哪一款工频机结构UPS具有这种功能。

休眠方式的应用也同时节约了运行功率。（御风）