如何实现大功率UPS的无变压器设计？

　　自从小功率UPS问世以来，无变压器UPS设计经历了20余年的发展。如今30kVA以下的UPS绝大多数都是无变压器的，这意味着UPS并不一定需要市电频率（工频）的磁性部件（变压器或电感）。这种无变压器设计的趋势在向着大功率段发展，因为工频磁性部件是原材料和劳动力密集型工业产品，而高频电力电子设备是技术密集型产品。

　　一般来说，技术发展成熟时可以提高用户价值而不必以牺牲可靠性为代价。一旦实现，技术密集型的设计就成为首选的领先方案，开关电源和个人电脑的发展已经证明了这一点。

　　对于30～200kVA的大功率UPS，目前多家厂商已经有无变压器设计的成熟产品。在过去十年间，大功率的绝缘栅型双极晶体管（IGBT）已经发展得非常成熟，在大功率段采用10kHz以上的频率变换而不会影响效率。

　　另外，一些新的控制技术使得采用无变压器设计的UPS进一步降低了开关损耗，因而比传统UPS整体效率更高。功率范围200～1100kVA的UPS，最大的挑战是在高电压下快速通断大电流，而没有过多的损耗或过高的峰值电压。

　　图1传统UPS与无变压器UPS结构示意图

　　传统UPS的设计原理

　　传统UPS与无变压器设计UPS的基本结构如图1所示。传统UPS采用的晶闸管整流器，考虑到电网电压的波动范围，三相整流输出的直流电压（充电电压）一般为500Vdc以下。UPS电池组中的电池数一般为32～35只。当电池放电时，直流电压更低。再通过IGBT逆变器经过SPWM波形变换后，输出三相交流电压只有二百多V。所以需要输出变压器进行升压以达到输出380V交流电源。

　　图2UPS的典型输入特性

　　为了提高效率和性价比，传统UPS一般采用6脉波晶闸管整流，这会产生很大的输入谐波电流并降低输入功率因数，这在许多场合是不可接受的，并且与一些发电机不兼容。要使谐波THDi低于5%～10%以及功率因数高于0.99，就需要很大的输入电感和谐波滤波器。采用这些元件将增加成本、重量和尺寸。

　　另外，不能在较宽的负载范围内降低谐波和提高功率因数，它们通常在60%以上负载率时才有效，如图2所示。在负载率低于40%时，输入功率因数将变为超前，使得与发电机不兼容。输入功率因数还随市电电压变化，参数表只是标称值。

　　为了提高输入指标，还可以采用12脉波整流器和输入滤波器。但这些将增加尺寸、重量和成本，并降低整体效率。在满载时输入指标可以达到THD《5%，PF》0.95，但在半载或更低负载时输入指标将严重恶化。各种UPS在不同负载时的输入谐波含量如表1所示。

　　对于输入谐波，其影响的严重程度取决于特殊的应用和现场环境。例如，一个10%失真的设备在低频时引起的电压失真比高频时要小。没有合适的输入滤波器，晶闸管（SCR）关断时产生的快速di/dt（电流尖峰）将引起严重的线路电压凹陷，进而影响电网上的邻近设备。

　　图3 6脉波晶闸管整流器输入电流波形

　　典型的6脉波晶闸管整流器的输入电流波形如图3所示（示波器实拍）。通过输入电感限制di/dt，输入谐波THD》30%。