UPS技术趋势：无变压器技术分析

3、重量和体积

数据中心基础设施是一项费用昂贵的固定资产投资，机房内设备对承重的要求和占用空间越来越受到人们的重视。同时，重量轻体积小的设备还可以减少对运输和安装难度的要求，当然在这方面费用的降低也是可观的。

表3给出了两种结构UPS在功率密度、体积和重量等方面的比较数据。

表3：UPS功率密度、体积和重量比较表


从表3具体数据可以看出，与带输出变压器UPS相比，无输出变压器UPS在功率密度、占地面积、重量等方面的贡献是：

功率密度（kW/mā）可提高40%左右；

占地面积（mā）可减少25%左右；

重量减少50-80%。

4、成本

与带输出变压器UPS相比，无输出变压器UPS去掉的环节包括：输出隔离变压器；输入12脉冲移相变压器及11次无源滤波器。所以无输出变压器的UPS可降低成本是不言而喻的事实。讨论成本时，应考虑以下四个方面：
•生产和购置成本；
•能源运行成本（工作效率高，包括空调费用的降低）；
•占地少、承重要求小和运输安装成本；
•资源浪费成本。

第四点实际上是很重要的，为了减少资源浪费，以半导体代替铜和钢铁资源早已成为工业和电子设备发展的趋势，是具有重大经济意义和社会意义的基本策略。

5、对电性能指标的改进

无输出变压器UPS的各项电性能指标绝大多数都相当于带输出变压器UPS，而有些指标却显示出无输出变压器UPS更优越的性能。除以上讲到的输入功率因数、工作效率、体积重量和成本外，以下指标也有明显地改善：
（
1）输入电压范围更宽：带输出变压器UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易，而无输出变压器UPS可在25-30%范围内正常工作，不仅表现出对电网很强的适应能力，还可延长电池的使用寿命。

（2）输出能力强：这体现在两个方面，一是输出半桥逆变器三相独立输出功率，提高了三相负载不平衡的适应能力；二是去掉了工频变压器，逆变器工作频率又较高，输出滤波环节阻抗更小，所以输出动态性能更好，负载阶跃从100到0%或从0到100%变化时，输出电压变化都可限制在±2%，并在20-40毫秒内返回到±1%的容限范围以内。

五、无输出变压器UPS可输出的功率等级和可靠性问题

尽管无输出变压器UPS的电路技术已经很成熟，但能否形成工业化产品，输出功率能达到多大，可靠性水平如何，却与器件水平和性能有直接的关系。

1、无输出变压器UPS可输出的功率等级

下面以500KVA无输出变压器UPS为例，看它对开关功率器件IGBT的耐压和工作电流有什么样的要求。

根据图14可知，在UPS直流母线电压为稳定的±400V的情况下，每个桥臂的一支IGBT导通时，另一支截止的IGBT承受的电压将是800Vdc。

IGBT的工作电流可根据输出功率和直流母线的最低电压计算出来。

在无输出变压器UPS中，以输出半桥逆变器对IGBT的性能要求最高，图20表示了半桥逆变器中各种电流参数的关系。

逆变器输出功率：500KVA；
单相输出功率：500KVA/3=166.7KVA；
单相输出满负载电流有效值：166.7KVA/220V=757.75A；
在无输出变压器UPS中，前级PFC整流是稳定的±400V，但是当市电停电而转入电池放电时，就要考虑电池放电下限电压（-11.25%额定电压），所以逆变器单相输出满负载电流有效值应该是：757.75A×（1+0.1125）=843A；
逆变器工作在正弦脉宽调制（SPWM）状态下，假定在输出电流峰值期间最大的占空比为4:1，则IGBT工作峰值电流是：843A×1.414×1.20=1430.4A，在工作频率5-15KHZ情况下，峰值电流的宽度为0.15ms~0.05ms.
选用器件时，通常的做法是，在可能的最大的耐压和电流值基础上再增加50%的安全余量，即器件耐压（VCES）：800V×1.5=1200V
器件输出电流有效值能力：843A×1.5=1264.5A
器件输出电流峰值能力：1430.4A×1.5=2145.6A（0.15ms~0.05ms）
考虑到工作频率和价格等因素，选用器件时常常是用低容量的器件进行并联，这时存在并联均流的问题，所选并联器件应降容5%使用，也就是说，做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：
器件输出有效值能力：1264.5A/0.95=1331A
器件输出峰值能力：2145.6A/0.95=2258.52（0.15ms-0.05ms）
把以上推算结果列表在表4中。
表4：500KVA无输出变压器UPS输出逆变器对IGBT器件的要求


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。

表5是日本富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50）的主要性能参数。

表5：2MBI450U4J-120-50的主要参数


在使用表5数据设计电路参数时，以下考虑是符合实际情况的：
（1）连续工作电流可理解为PWM工作时的输出电流有效值，即正弦电流最大值可达到600A×1.414=848.4A（TC=25ºC）和450A×1.414=636.3A（TC=80ºC）；
（2）当逆变器工作在PWM模式时，IGBT管中的峰值电流是有效值×1.414（峰值系数）×1.25（假定电流峰值时占空比为4：1，宽度为0.15ms-0.05ms）=1.767倍。而表中峰值电流（1ms）可达到连续工作电流的2倍。所以用有效（连续）值是不影响器件的安全性的。
（3）考虑到设备管壳温度通常控制在70ºC，所以可认为连续电流可达到500A，峰值电流>900A。设计时，用三只并联总有效值=500A×3×0.95（并联降容）=1425A，峰值电流>900A×3×0.95=2565；

把设计要求和选用器件的实际最大输出能里比较一下，如表6所示。
表6：设计要求和实际最大输出能力


上面设计举例选用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），实际上满足和高于上述要求的器件很多，而且有些管子的电流容量也远大于本例所用的数值，管子组装也有单管、单桥臂、6管集成等形式。

总的结论是，当前的IGBT功率开关管的输出能力和电器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。