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1、大功率 UPS 工频机和高频机性能对比摘要：本文通过大容量工频UPS和高频UPS进行原理分析、拓扑对比、实测数据分析 和性能对比，全面总结了大功率工频UPS和高频UPS的优缺点和选配原则。一、工频机和高频机的定义和原理分析UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路 和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工 频 UPS。典型的工频 UPS 拓扑如下：图 1 ：典型工频 UPS 拓扑C主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。 通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于
2、SCR属于半控器件，控制系统只 能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为 零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断 控制。由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压 低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。 同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆 变高频谐波给输出零线带来的干扰。同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为 300V500V之间，可直接挂接三十几节电池
3、，不需要另外增加电池充电器。按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。 6脉冲指以 6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以 叫 6 脉冲整流。 6 脉冲整流拓扑如下：图二、典型 6 脉冲拓扑12 脉冲是指在原有6 脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6 脉 冲整流器，使直流母线由12 个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。下图所示两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12 相整流电路。图三：典型12 脉冲整流器示意图6 脉冲和 12 脉冲的详细技术分析可参见大功率 UPS 6 脉冲与 12 脉冲可控硅整
4、流器原 理与区别。高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制 加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz, 甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频，称之为高频UPS。典型的高频机拓扑如下：炉炉护0图 2 ：高频 UPS 拓扑图高频 UPS 整流属于升压整流模式，其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰峰值 高，一般典型值为800V左右，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到67节， 这样给实际应用带来极大的限制。因此一般高频 UPS 会单独配置一个电池变换器，市电正常 的时候电池变换器把母线800V的
5、母线电压降压到电池组电压；市电故障或超限时，电池变 换器把电池组电压升压到800V的母线电压。从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线 电压为800V左右，所以逆变器输出相电压可以直接达到220V，逆变器之后就不再需要升压 变压器。二、工频机和高频机的性能对比随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世。中小功率段的UPS产品正逐步高 频化，高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向中大功率过 渡推进的过程中。高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点，并影响到UPS的安全使 用和运行。1）零偏故障。某型号大容量三相高频UPS拓扑如下:观他A.图 3: 某型号四桥臂
6、高频机拓扑从图3可知，UPS主路输入是三相四线（相线 +零线），整流器为四桥臂变换器。A、B、 C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷：零线在主路工作时不能断开。 当A、B、C三相闭合，零线断开时。如果UPS输出端接不平衡负载，当零点参考点突然消失， 将造成严重的UPS输出零偏故障，进而导致UPS后端负载设备的损坏，输出闪断等重大故障。 如果A、B、C、零线同时中断。这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程，此种拓扑的 高频机因零线缺失而必须转旁路工作，在特定工况下（电压过零点，非同步切换时）可能造 成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作，在零线断开时，UPS
7、可以 保持正常供电。2）零地电压抬升和电池架带电问题。从图2和图3可以看到，大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性 点，此种结构不可避免的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上，抬升零地电压，造成 负载端零地电压抬高，很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小于IV的场地需求。某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑结构，变换器缺少必要的滤波 装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量，在现场实测数据如下图：可以明显看到频率12.5KHZ的高频分量，实测电池正极与大地浮置电压有325V，断开 电池架接地，电池架与大地间有100多伏浮置电压。接通电池架与大地，电
8、池架与大地漏电流高达110mA。按照行业标准（GB13870.1-93电流通过人体的效应），50mA的电流就 可以致人死亡。该型号 UPS 在电池架未与大地短接时，人体触摸到电池架有明显被电击的感 觉。原因是充电回路中高频分量通过人体与大地形成通路，造成人体触电。同时，此高频谐 波严重干扰了外置的 UPS 电池单体电压监控系统，使电池电压监控测试仪无法正常工作。3）可靠性降低。自1947年底首个晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器（SCR，现称晶闸管）在 晶体管渐趋成熟的基础上问世，至今晶阐管已历时半个多世纪的发展和革新，耐受高电压， 大电流晶阐管技术已非常成熟，其抗电流冲击能力非常强。晶阐
9、管是半控器件，不会出现直 通，误触发等故障。相比而言，80年代初问世的IGBT （绝缘栅双极晶体管）有许多优点， 其开关频率可在几K至几百KHz之间，是目前高频UPS主要功率器件。但是，IGBT工作时 有严格的电压，电流工作区域，抗冲击能力有限。在可靠性方面，IGBT 直比晶阐管差。 根据大量的数据统计，采用晶阐管的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率，前者大 约为后者的 1/4。工频机通常采用SCR整流器，而高频机多采用IGBT整流器。因此，工频机在可靠性方 面优于高频机。而大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素。目前市面上销售的多款国际知 名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑。并通
10、过了长时间和复杂电网的实际验证。高频大功率 UPS 还有诸多缺点，详见附件：附：大功率工频UPS和高频UPS技术对比表:咼频机工频机1米用IGBT整流技术，根据统计数据，IGBT整流故障率远高于可控制硅 整流米用可控硅整流技术，系统可靠性咼2输出有咼次谐波，咼频谐波耦合在零 线上，可能抬升零地电压。很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压 小于1V的场地需求输出配置隔离变压器，零地电压增量 为零，更可靠保证负载运行3逆变器直接挂接负载，抗负载冲击能 力弱，降低逆变器的可靠性输出隔离变压器自身短路阻抗的作用 及咼频衰减隔离特性，使得工频机具有很好的抗负载冲击能力，降低负载 突变和短路对UPS的
11、影响4逆变器直接带载，带不平衡负载能力 弱通过变压器的负载重新分配，提高了 UPS带不平衡负载的能力。5负载直挂，带非线性负载的能力弱输出变压器具有3N次谐波电流的隔 离能力，带非线性负载的能力强；6无输出隔离变压器，在UPS故障的 情况下存在输出直流电压损坏负载 的风险即使在UPS故障的情况下也不存在输 出直流电压的风险，负载更加安全可 罪；7主路旁路N线必须相同，因此无法实现主旁路不同源配置可以实现主旁路不同输入源的配置方 案，满足咼可靠性场地的配电要求；8某些厂家的高频机输入零线中断时， UPS无法正常工作，当市电和柴油发 电机切换时，因零线短时“缺失”可 能出现“零偏”故障，造成输出闪断， 负载掉电的重大故障隔离变压器重新生成中心点，UPS输 入零线中断时可正常工作。9采用专用充电器，充电能力弱。只能 满足短时间（5-10分钟）后备电池的充电能力，长延时配置时电池充电能 力不足，电池寿命严重缩短电池直接挂接母线，在负载不足满载 时可将剩余的整流器容量用于充电， 特别适应中国客户长延时配置后备电 池的需求10电池与逆变器之间增加了电压变换 电路，降低了电池放电时系统效率， 同等负载时需配置更多的电池。且系 统可靠性降低电池直接挂接母线，逆变效率咼，节 省电池的配置容量
