UPS功率等級和可靠性問題 - 未來UPS技術(shù)趨勢：無變壓器技術(shù)解析

　　五、無輸出變壓器UPS可輸出的功率等級和可靠性問題

　　盡管無輸出變壓器UPS的電路技術(shù)已經(jīng)很成熟，但能否形成工業(yè)化產(chǎn)品，輸出功率能達(dá)到多大，可靠性水平如何，卻與器件水平和性能有直接的關(guān)系。

　　1、無輸出變壓器UPS可輸出的功率等級

　　下面以500KVA無輸出變壓器UPS為例，看它對開關(guān)功率器件IGBT的耐壓和工作電流有什么樣的要求。

　　根據(jù)圖14可知，在UPS直流母線電壓為穩(wěn)定的±400V的情況下，每個橋臂的一支IGBT導(dǎo)通時，另一支截止的IGBT承受的電壓將是800Vdc。

　　IGBT的工作電流可根據(jù)輸出功率和直流母線的最低電壓計算出來。

　　在無輸出變壓器UPS中，以輸出半橋逆變器對IGBT的性能要求最高，圖20表示了半橋逆變器中各種電流參數(shù)的關(guān)系。

　　逆變器輸出功率：500KVA；

　　單相輸出功率：500KVA/3=166.7KVA；

　　單相輸出滿負(fù)載電流有效值：166.7KVA/220V=757.75A；

　　在無輸出變壓器UPS中，前級PFC整流是穩(wěn)定的±400V，但是當(dāng)市電停電而轉(zhuǎn)入電池放電時，就要考慮電池放電下限電壓（-11.25%額定電壓），所以逆變器單相輸出滿負(fù)載電流有效值應(yīng)該是：757.75A ×（1+0.1125）= 843A；

　　逆變器工作在正弦脈寬調(diào)制（SPWM）狀態(tài)下，假定在輸出電流峰值期間最大的占空比為4:1，則IGBT工作峰值電流是：843A×1.414×1.20=1430.4A，在工作頻率5-15KHZ情況下，峰值電流的寬度為0.15ms~0.05ms.

　　選用器件時，通常的做法是，在可能的最大的耐壓和電流值基礎(chǔ)上再增加50%的安全余量，即器件耐壓（VCES）：

　　800V×1.5=1200V

　　器件輸出電流有效值能力：843A×1.5=1264.5A

　　器件輸出電流峰值能力：1430.4A×1.5=2145.6A（0.15ms~0.05ms）

　　考慮到工作頻率和價格等因素，選用器件時常常是用低容量的器件進(jìn)行并聯(lián)，這時存在并聯(lián)均流的問題，所選并聯(lián)器件應(yīng)降容5%使用，也就是說，做500KVA無輸出變壓器UPS時所選用的IGBT并聯(lián)后的總輸出電流有效值和峰值電流應(yīng)大于：

　　器件輸出有效值能力： 1264.5A /0.95=1331A

　　器件輸出峰值能力： 2145.6A /0.95=2258.52（0.15ms-0.05ms）

　　把以上推算結(jié)果列表在表4中。

　　表4：500KVA無輸出變壓器UPS輸出逆變器對IGBT器件的要求

　　就目前器件水平而言，滿足上述要求的IGBT器件有多種型號和規(guī)格，再考慮IGBT并聯(lián)工作，可選擇的余地就更大了。

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

　　表5：2MBI450U4J-120-50的主要參數(shù)

　　在使用表5數(shù)據(jù)設(shè)計電路參數(shù)時，以下考慮是符合實(shí)際情況的：

　?。?） 連續(xù)工作電流可理解為PWM工作時的輸出電流有效值，即正弦電流最大值可達(dá)到600A×1.414=848.4A（TC=25oC）和450A×1.414=636.3A（TC=80oC）；

　?。?） 當(dāng)逆變器工作在PWM模式時，IGBT管中的峰值電流是有效值×1.414（峰值系數(shù)）×1.25（假定電流峰值時占空比為4：1，寬度為0.15ms-0.05ms）=1.767倍。而表中峰值電流（1ms）可達(dá)到連續(xù)工作電流的2倍。所以用有效（連續(xù)）值是不影響器件的安全性的。

　?。?） 考慮到設(shè)備管殼溫度通?？刂圃凇?0oC，所以可認(rèn)為連續(xù)電流可達(dá)到500A，峰值電流》900A。設(shè)計時，用三只并聯(lián)總有效值=500A×3×0.95（并聯(lián)降容）=1425A，峰值電流》900A×3×0.95=2565；

　　把設(shè)計要求和選用器件的實(shí)際最大輸出能里比較一下，如表6所示。

　　表6：設(shè)計要求和實(shí)際最大輸出能力

　　上面設(shè)計舉例選用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），實(shí)際上滿足和高于上述要求的器件很多，而且有些管子的電流容量也遠(yuǎn)大于本例所用的數(shù)值，管子組裝也有單管、單橋臂、6管集成等形式。

　　總的結(jié)論是，當(dāng)前的IGBT功率開關(guān)管的輸出能力和電器性能使無輸出變壓器UPS的輸出能力達(dá)到400-500KVA是不存在

　　問題的。

　　2、關(guān)于無輸出變壓器UPS工作可靠性的討論

　　設(shè)備的可靠性與多種因素有關(guān)，包括：電路研制定型水平、技術(shù)人員技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)、器件選用差別、生產(chǎn)工藝水平、質(zhì)量管理流程等。電路結(jié)構(gòu)變化有個技術(shù)成熟的過程，當(dāng)然還包括所選用的器件性能和可靠性對新電路結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力。所以說電路結(jié)構(gòu)的變化對設(shè)備可靠性是有影響的，影響大小最終取決于兩個因素：電路技術(shù)成熟程度和器件水平。

　?。?）、技術(shù)成熟是毋庸置疑的

　　無變壓器UPS采用的新技術(shù)主要有兩點(diǎn)：一是AC/DC高頻整流（PFC）技術(shù)，二是輸出半橋逆變技術(shù)。這兩項技術(shù)產(chǎn)生由來已久，已成為電力電子設(shè)備的經(jīng)典技術(shù)，應(yīng)用也非常廣泛，所以技術(shù)成熟程度是毋庸置疑的。雖然把這兩項技術(shù)集成起來用于無變壓器UPS中僅是最近十年的事情、因電路定型水平和參數(shù)選擇的差異也可能存在設(shè)備可靠性問題，但出現(xiàn)可靠性的根本原因卻不是電路結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用造成的。

　　（2）、當(dāng)前器件性能水平完全能夠滿足新電路結(jié)構(gòu)提出的更高要求

　　在無變壓器UPS中，對器件性能要求高的環(huán)節(jié)主要是半橋式逆變器，而關(guān)鍵的參數(shù)又是功率開關(guān)器件IGBT的耐壓（Vces）和輸出電流（有效值和峰值）能力，從表4、表5和表6可以看出，當(dāng)前的IGBT的輸出能力可以完全滿足400-500KVA的大功率無輸出變壓器UPS。

　　值得注意的是，在無變壓器UPS的輸出半橋逆變電路中，輸出電壓是由±400V直流母線電壓直接形成的，輸入電流有效值等于輸出電流有效值。而傳統(tǒng)的帶輸出變壓器UPS是通過輸出變壓器升壓形成的，在升壓比為1:1.9或1:1.78（見本文第二節(jié)第2點(diǎn)和圖8）時，同時考慮三角型/星型接法輸出電流有效值是輸入有效值的1.73倍，所以全橋逆變器輸入電流有效值是輸出電流有效值的1.9/1.73=1.1（或1.78/1.73=1.03倍）倍。數(shù)據(jù)說明，對同樣輸出功率的UPS，無輸出變壓器UPS對IGBT的電流輸出能力的要求并不比比傳統(tǒng)的帶輸出變壓器UPS高。也就是說，從IGBT的電流輸出能力來看，能做多大功率的帶輸出變壓器UPS，就可以做到多大輸出功率的無輸出變壓器UPS。

　　與帶輸出變壓器UPS相比，無輸出變壓器UPS的輸出逆變器對IGBT的耐壓提出了更高的要求。在帶輸出變壓器UPS的輸出

　　全橋逆變器中，IGBT的耐壓就是直流母線電壓，一般在400多伏，而在無輸出變壓器UPS的輸出半橋逆變器中，直流母線電壓是±400V，要求IGBT的耐壓要大于800V。雖然當(dāng)前的器件耐壓1200V已不成問題，但此要求不僅僅是靜態(tài)耐壓問題，更嚴(yán)重的是IGBT的開關(guān)電壓變化率（dv/dt）和開關(guān)損耗問題，因而這是電路設(shè)計和器件選擇時必須重視和解決的問題。

　?。?）、輸出隔直流問題

　　從圖14和圖15可以看出，由于控制環(huán)節(jié)故障使一個IGBT連續(xù)導(dǎo)通時，或在一個IGBT或二極管短路的情況下，400V直流母線電壓會直接輸出到負(fù)載端（此時電感變成阻抗很小的導(dǎo)線）。單相負(fù)載輸入整流后的直流母線額定電壓是311V，考慮負(fù)載輸入允許的+15%的上限，直流母線額定電壓是357V，并聯(lián)在整流電路輸出端的濾波電容耐壓通常是400V。當(dāng)UPS發(fā)生這種故障時輸出直流電壓會接近400V，濾波電容和DC/DC變換器都會因輸入電壓過高而受到影響。

　　出現(xiàn)這種情況在理論上是有可能的。然而，如果出現(xiàn)這一危險情況，即使缺少了專門的直流分量檢測電路（例如，檢測電路故障或參數(shù)飄移等），也可以根據(jù)從另一個IGBT收到的驅(qū)動信號得知，直流電壓可能發(fā)生短路，從而立即終止逆變器的工作，同時斷開逆變器與后面負(fù)載的連接。通常逆變器的輸出端配備有一個靜態(tài)旁路開關(guān)，它可在逆變器停止工作時迅速將負(fù)載切換到旁路市電供電，以保證負(fù)載供電的持續(xù)進(jìn)行。逆變器保護(hù)和轉(zhuǎn)旁路供電的動作時間很短，可在輸出電壓上升過程中完成，因而不會對負(fù)載安全造成影響。在大量設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，這種故障幾乎沒有出現(xiàn)過。

　?。?）、無輸出變壓器UPS的可靠性指標(biāo)

　　如果不知道平均故障間隔時間MTBF，或者廠商提供的MTBF數(shù)據(jù)是不可信的，那么可用UPS的效率和輸出能力各項指標(biāo)來衡量它的可靠性，這些指標(biāo)包括整機(jī)工作效率、輸出過載能力、輸出電流峰值系數(shù)、啟動負(fù)載時輸出電流浪涌系數(shù)和輸出功率因數(shù)等。

　　以下是已推向市場的500KVA無輸出變壓器UPS的可量化的可靠性指標(biāo)：

　　輸出功率因數(shù)能力：0.9；

　　逆變器短路能力：150 ms：2.5 - 3 In（輸出400 V）

　　逆變器過載能力：125% In ：10分鐘；135% In：1 分鐘；150% In：30秒

　　額定電壓下的峰值因數(shù)：≥3 ：1

　　動態(tài)性能：± 2%，從0到100%或從100到0%的負(fù)載階躍變化效率：94.5%（50到100%負(fù)載率）

　　這些數(shù)據(jù)說明，無輸出變壓器UPS的輸出能力和可靠性指標(biāo)與傳統(tǒng)帶輸出變壓器UPS一樣，都達(dá)到了很高的水平?？煽啃砸言俨皇菬o輸出變壓器UPS設(shè)備的關(guān)鍵問題。