高频机型UPS的几个“致命弱点”论值得商榷

前言

目前已进入高频机UPS逐步代替工频机UPS的年代，当然替代的过程并不是一帆风顺。人们使用了几十年的工频机UPS，已经熟悉了这种电源形式，突然要换机型还不能一下子适应，所以对那些为工频机UPS的赞歌听着比较顺耳，同时对高频机UPS的一些指责也容易接受，就这样一拍即合。岂不知在一定程度上损害了用户的利益，也有勃于当今的国策。常常会听到这样的说法：高频机UPS是好东西，但由于我们的系统非常重要，要求供电的可靠性非常高，所以还是用工频机UPS可靠。言下之意，高频机UPS不可靠。岂不知可靠性是设计出来的，即一台机器的可靠性如何取决于采用了哪一级可靠性标准。举一个简单的例子，一个UPS中常用的120120的轴流风机，有十几元一只的，也有上百元一只的，价格差了近10倍，哪一个可靠性高呢？不言而喻，当然是上百元一只的可靠性高。又如某品牌的9315系列UPS，人称“标王”，意思说每次投标它的价格最高，但运行起来可靠性也最高，被人称为“铁机”——就是不出故障；而同一品牌的同功率PB4000系列就便宜得多，而故障也多。当然用户对高频机型UPS的这种担心不是没根据，其根据就是来自某些方面的误导宣传。甚至有的将这些宣传材料上升为“高频机结构UPS的致命弱点”。虽然问题的提出者只是少数，但影响颇大，在网上粘来粘去，就好像写此文章的人很多，确实影响了不少用户，甚至有些技术人员也受了传染。为了将这些问题搞清楚，使人们对产品有一个科学的看法，下面就这几个方面进行讨论。

（一）IGBT整流器可靠性偏低

持这种看法的“根据”有两个：

1. 认为IGBT器件的过载能力不如可控硅（SCR）高

为了证明这个论点，有的就举出两种器件过载能力的例子：SCR可过载到10倍额定电流20ms，而IGBT过载到10倍额定电流时只能坚持20ms，就是说过载能力差了1000倍。就根据这一点说IGBT器件的可靠性不如SCR是不是公平呢？这要追索到它们的过载能力为什么不同，难道说IGBT的过载能力只能是10倍20ms吗？当然不是。器件设计者是根据其必要性而选定的。SCR不是全控器件，即一般在交流电路中只能控制其开启而不能控制其关断，可控硅一旦开启只有等到电压或电流过零时才自动关断，如图1（a）下图所示。这种器件的工作原理就决定了其过载能力不但要强，而且还必须能承受过载较长的时间。比如在图1（a）中SCR在时间t2被触发而开启，假如此处对应的时间t2 =1ms，而正好此时输出端正好出现过流甚至于超过10倍，由于在此处无关断机制，那么它必须在t3（50Hz的半周）之前的大约10ms的时间内能承受这种过流而不损坏。否则，若这种器件耐过载时间短，比如是1ms，器损坏的几率就太高了，就没法用了。但IGBT就不同了，因为它不但可以随时开启而且也可以随时被关断，如图1 （b）所示，它在t1被打开而在t2又被关断。目前IGBT的工作频率最高可到达150kHz，即一个开启与关断周期约7ms，所以20ms对IGBT从发现过载到关断的时间而言已经足够长了。就是说IGBT的过载时间不需要做得那麽长，即使厂家再将它的过载时间延长上1000倍又有何用！对于从北京南站30分钟即可抵达天津站已开动的城际列车来说，非要给它10h的运行时间余量，有这个必要吗。

图1 整流器中的SCR和IGBT工作比较

目前大功率UPS的调制频率大都在15 kHz 以下，比如10kHz 就是每半周100个脉冲，每个脉冲的宽度0ms T100ms出现过流或短路时IGBT可在任何一点随时关断。既然可以随时关断又何必将过载时间做的那么长。比如两列往返于北京与天津之间的火车，一列是蒸汽机车，一列是电气动车。为了安全，规定蒸汽机车4h检修一次，而作为电气机车的动车2h检修一次。是否可以说蒸汽机车的可靠性比动车大一倍呢？从时间上看好像是这样，但在2h之内动车已跑了4个往返，而蒸汽机车则在2h之内仅仅跑了一个单程！到底哪个可靠性更高呢？同样道理，拿两个关断机制与性能不一样器件的过载能力作比较是不是有些牵强。

2. 据说：由于高频机结构UPS至今还没找到大磁通量的材料，以致使其“升压电感”温度过高，使可靠性降低。甚至还断言：正因为如此（指没找到大磁通量的材料），导致UPS产业迟迟未能制造出可靠性足够高的大功率高频机型UPS。

他的原意说的是“升压电感”的质量问题，为了提高该电感的可靠性所提出的材料指标却又是变压器的。这个基本概念问题把人们搞糊涂了：到底说的是电感还是变压器？因为这二者所选材料的主要参数是完全不一样的，变压器需要大磁通量的材料，这从变压器绕组计算公式可以看出：