高频UPS存在的问题与技术改革

有人认为高频化是UPS绿色革命不容置疑的发展方向，实际上UPS的高频化只不过是为了减少输入电流谐波而采用的一种方法而已。高频化不但能减少开关损耗，因此高频化不能算是 UPS绿色革命的主要方法。把高频化说成是UPS唯一的发展方向，实质上就是想仿照1973年莫托罗拉对直流电源发动的20kHz革命一样，对UPS也发动一场20kHz革命。但两者的情况并不完全相同，UPS要求输出的是正弦交流电压，其容量比直流开关电源大很多倍。因此用于开关电源的技术在UPS中式不完全适用的，而且还出现了一些新的不能在近期内解决的难题：如大功率隔离变压器的研制，L、C准谐振软开关的应用等。所以要对UPS进行20kHz革命的难度和代价都是很大的，是否有这个必要尚需研究，主要是还存在一些技术问题需要解决。高频化UPS的典型电路像是如图1所示，主要是引入了Boost高频开关整流器和去掉了输出变压器，其特点是：

(1) 采用三相半桥式SPWM逆变器构成输入Boost开关整流器与输出逆变器，这是高频化UPS的典型特征。

(2) 不用(也不能用)输出隔离变压器及ZVS软开关技术。

(3) 用高频IGBT作开关管，开关频率大于或等于20kHz。

1 高频UPS的优缺点及存在的主要问题

高频UPS的基本电路时由三相半桥式逆变器构成的，它是一种采用SPWM控制的两电平逆变器，其输出相电压的双重傅里叶基数表示式为：式中：F=ωc/ω为载波比，ωc为载波三角波角频率，ω为试点角频率;M=Us/Uc为调制度，Us为市电电压幅值，Uc为载波三角波电压幅值，当m为偶数时：sin mπ/2 =0;当m和n同时为偶数时：sin(m+n) π/2=0，当m为偶数，n为奇数时：sin(m+n)π/2=1，所以上式变为：

uA的波形如图1(b)所示，是一种两电平波形，含有奇次载波谐波及偶次载波谐波的奇次上、下边频，其频谱如图1(C)所示。可以看出相电压uA的谐波含量较大，谐波的幅值也大。当M<0.8时，载波谐波的幅值为基波幅值的1.36倍，有可能对负载造成破坏。

由式(2)可知， 的谐波频率或=50(mF+n)，高频化的目的是想透过提高开关频率fs=Fω/2π=50F(实际上是提高载波比F)来提高谐波频率，以减少 uA中的谐波含量。由于高频UPS不能使用软开关电路，所以提高F必然会引起开关损耗，式中 tr 和 tf 为电流上升和下降时间。由此式可知：提高开关频率fs=50F将使开关损耗按比例增加。

1.1 高频化UPS的优缺点

高频化UPS的优点：

(1) 体积小，重量轻，一般只相当于同容量工频UPS重量的60%;由于无输出变压器，所以扩容并机环流小。

(2) 因为Boost开关整流器具有较强的直流输出电压调节能力，所以对市电电压波动的适应能力较强。

(3) 可以使用市电输入功率因数达到0.99以上，使市电输入电流的谐波含量小于5%，对市电电网的污染小，这是高频化UPS的一个突出优点。

(4) 可以消除可闻噪声(包括电噪声和机械噪声)。

高频UPS的缺点：

(1) 必须采用可以在20kHz UPS中工作的高频IGBT,这种IGBT价格贵、货源少，有严格的电压、电流工作区域，抗冲击能力差，可靠性低，故障率高。

(2) 三相半桥式Boost开关整流器的输出直流电压高，一般为800V，需要专门配置充放电管理变换器。

(3) 高频谐波可以耦合到零线上，使输出侧的零地电压升高，不能满足IBM、HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地要求。

1.2 高频化UPS存在的问题

高频化UPS存在以下问题：

　(1) 三相半桥式SPWM逆变器是两电平逆变器，如图1(b)所示，其消谐波能力差，谐波含量大，幅值也高，当M<0.8时谐波幅值是基波幅值的1.36倍，在设置死区时谐波含量会更大，这是高频UPS存在的主要问题之一。

(2) 对于高频化UPS，当开关频率高到某一数值时将会产生集肤效应、临近效应，使当前大功率输出隔离变压器的制造存在材料与工艺上的困难，这是高频化UPS不能使用输出隔离变压器的根本原因。但是输出隔离变压器对于UPS德工作时由诸多正面影响的，例如可以降低零地电压，靠其短路阻抗和高频衰减隔离特性，增强 UPS的抗负载冲击能力，可以隔离零序电流和直流电流的流通，可以增强带非线性负载的不平衡负载的能力等，因此，不能用输出隔离变压器也是高频UPS存在的问题之一。输出隔离变压器可以不用。

(3) 不利于实现软开关，高频效应使电感、电容的性能发生质变，影响软开关电路中谐波电感和谐振电容的准确谐振，无法正确地实现ZVS或ACS无损软开关。所以高频化UPS干脆不用软开关，因此必然会引起开关损耗，开关频率越高，开关损耗越大，所以UPS得高频化是以增大开关损耗为代价的，只注意了环保，而牺牲了节能，不符合绿色UPS的要求，这是高频化UPS存在的另一个主要问题。因此有的厂家为了使节能也达标，不得不降低频率生产，这就出现了中频UPS的说法。

(4) 高频化使UPS电路的分布参数增大，容易引发电路的局部震荡，电磁兼容处理困难，对生产工艺要求增高，结构设计难度增大，一般厂家不易生产，因此会产生成本增大、售价增高的缺点。

2 高频UPS的连级叠加法

由三相半桥式SPWM逆变器的输出相电压双重傅里叶级数表示式可知，谐波频率 fh=50mF或fh=50(mF+n)，除了通过提高开关频率 fs 来提高载波比F的方法之外，还可以通过将m增大N倍的方法来提高谐波频率，也就是说可以通过并联级联叠加的级数。这种方法可以保持F不变，因此不会增加开关损耗，也不会引起高频反应，影响软开关电路中Lr、Cr的准谐振和输出隔离变压器的材料和工艺上的困难等，同时还会带来一些附加的有益效果。高频UPS 的并联级联叠加电路。

它是用N个谐波三角波移相SPWM控制(PSCPWM)的三相半桥式高频UPS进行并联级联叠加而成的，图中L为市电输入Boost储能电感，Lf为输出滤波电感，也是平衡电感，相应的电抗 X=ωLf　。N个三相半桥式USP的载波三角波为uc1，uc2 ，...ucN，其初相位角α依次滞后2π /N，并用相同的三相正弦波进行调制，则各相的输出电压会有相同的基波，以A相为例，其并联叠加的输出电压表示式为。由此式可知：当m为偶数时，sin mπ/2=0，当m和n同时为偶数时，sin(m+n)π/2 =0，因此，载波谐波被完全消除了，只剩下m为偶数，n为奇数的载波谐波的上下边频，同时也说明，并联级联叠加法是一种将m增大N倍的方法来提高谐波频率的，同时还消除了载波谐波，比用提高开关频率 fs 来提高F的办法具有强大5倍的消谐波能力，而且还具有不增加开关损耗的优点。

N=4时并联级联叠加的输出相电压Ua的波形如图3所示。相当于把开关频率提高4倍所能达到的消谐波效果，并可以把UPS的容量提高N=4倍，为采用小功率IGBT生产出大容量的UPS创造了条件。同时用并联级联叠加法，还可以把各个三相半桥式UPS的开关频率限定在不产生集肤效应与邻近效应，不使电路分布参数明显增加，不使电感电容发生质变等负面影响，以保证输出隔离变压器的应用，使电路稳定运行，不产生局部震荡，能保证软开关的实现。这样才能使UPS的绿色革命完全实现。所以说并联级联叠加法是一种一举数得的高频UPS绿色变个法。单纯地高频化是以增加开关损耗为代价的消谐波法，不是UPS 绿色革命的好方法，只有与并联级联法相结合，才是最实用的绿色UPS好方法。

此外采用并联级联叠加法，还可以在保持消谐波与开关损耗不变的条件下把开关器件的成本降到最低。或者对高频UPS进行开关损耗、消除谐波效果、开关元器件与开关频率之间进行优化，以得到最佳设计效果。