关键词:无输出变压器;高频机型UPS;功率半导体

　　隔离变压器的配置方法有两种:

　　(1)在旁路输入端配置与UPS同等容量的隔离变压器，这样UPS内置的输出变压器的输出零线和旁路隔离变压器输出零线都可以接在系统地线上(重新组成接地系统)，这就实现了UPS输出与供电系统的真正隔离，并使这点的零-地电压差等于零。用这种接法的优点是：在UPS正常工作模式下，旁路隔离变压器空载运行时不影响UPS的输出性能和系统效率。缺点是：当UPS转旁路时，变压器突然带载工作，其输出电压瞬间会低于转换前UPS检测到的电压(变压器空载电压)，如果转换前UPS检测到的电压已经处于UPS同步运行(限定可以转旁路运行)的下限，那么转换后因变压器的压降(电压调整率)而使输出电压低于负载供电电压的下限，负载可能会因此而间断或宕机。

　　(2)把变压器配置在UPS的输出端，此方法可使UPS供电系统与负载做到理想的、完全的电气隔离，特别是当UPS供电系统在物理位置上与负载距离较长时，可把变压器放在接近负载端，例如一些大型数据中心,在负载列头柜输入端加装隔离变压器。此方法的缺点是变压器的阻抗会影响到UPS对负载供电的稳压精度、供电能力和动态特性。

　　2.4 关于隔离变压器的抗干扰功能

　　由于变压器的阻抗有一定的感性成分,因而说这个变压器具有一定的抗干扰作用是可以理解的。但是逆变器输出变压器却不是为抗干扰而设置的,其抗干扰能力也是有限的。

　　常常会有人简单地认为:当系统中设置有隔离变压器时,其抗干扰功能就一定会很强。这种认识并不完全正确。在供电系统中,产生干扰的原因和干扰现象是多种多样的,其中包括诸如高压脉冲、尖峰毛刺、电涌、暂态过电压、射频干扰(EFI)和电磁干扰(EMI)等等。但是,就其干扰形式和传输途径而言,大体可分为两类:一是共模干扰,二是差模干扰。共模干扰存在于电源任一相线和零线与大地之间,共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰,是由于辐射或串扰耦合到电路中的,是载流体与大地之间的干扰。而差模干扰存在于电源相线与零线之间及相线与相线之间,差模干扰有时也称常模干扰、横模干扰或对称干扰,是载流导体之间的干扰。

　　目前,人们通常采用的抑制干扰的措施主要有给被保护的设备并联瞬变干扰抑制器和在电子设备的输入端安装电源滤波器两种方式。采用变压器提高抗干扰能力是有一定作用的,但这里讲的变压器应是特殊的“超级隔离变压器”,而非普通的线性变压器。

　　并不是隔离变压器就能抗干扰,普通变压器的抗干扰能力是有限的。对于输入电压中存在的低频干扰和电压畸变，变压器不可能也不允许“抗干扰”,否则通过变压器传输的电压波形就会失真。对由地线环路带来的设备间的相互高频干扰有一定的抑制作用，但因绕组间存在的分布电容，使它对共模干扰的抑制效果随干扰频率的升高而下降。

　　变压器是靠磁耦合实现原边和副边的电压变换的,因而它不具备抗差模干扰的功能。在1kHz～100MHz的干扰频率范围内,普通隔离变压器对共模和差模干扰的衰减能力都微乎其微。对普通隔离变压器的共模抑制能力的分析表明,要提高其对共模干扰的抑制能力,关键是减小变压器绕组间的耦合电容,为此在变压器初、次级之间加设屏蔽层,如图12所示。

　　图12中,C1为初级绕阻与屏蔽层之间的分布电容,C2为次级绕阻与屏蔽层之间的分布电容,Z1为屏蔽层接地阻抗,Z2为负载的对地阻抗,E1为初级的干扰(共模型)电压,E2为E1通过耦合传导到次级的干扰(共模型)电压。如果C1和C2的阻抗远大于屏蔽层接地阻抗,则耦合传导到次级的干扰电压E2就会远小于E1。

　　要使隔离变压器同时具有较好的抗差模干扰与共模干扰的功能,必须把它制作成超级隔离屏蔽变压器。超级屏蔽隔离变压器是性能较完善的多重屏蔽的隔离变压器,对差模和共模都有较强的抑制功能,如图13所示。

　　超级屏蔽隔离变压器有三个屏蔽层,靠近初级绕阻的屏蔽层连接在初级中性线上,可以滤掉初级出现的高频差模干扰。而对50Hz的工频电压则不产生任何影响,靠近次级绕阻的屏蔽层连接在次级中性线上,可以滤掉次级出现的高频差模干扰。中间屏蔽层则与变压器外壳连在一起,再接大地,主要用来滤掉共模干扰。

　　3 无输出变压器 UPS的电路形式

　　无输出变压器UPS视设计功率的大小,所用的具体电路形式也不尽相同,这里仅就大功率无输出变压器UPS的主电路结构形式(见图14)来讨论它是如何完成三相四线输出和系统升压功能的,因为要求三相四线输出和系统升压是传统UPS必须带输出变压器的两个根本理由。当新的电路拓朴结构本身具备这两个功能时,输出变压器也就自然没有存在的必要了。

　　图14示出了与是否需要变压器这一论题有关的电路图,输入部分是IGBT-PFC整流电路,后面部分是三相半桥逆变电路,中间是电池配置示意图。这里电池组用了两组400V电池组,串联后直接跨接在直流母线上。当然也可用一组400V电池组,那么就需要在直流母线和电池组之间配置一个独立的可双向工作的DC/DC变换器,市电正常时,由800V降压给电池组充电。当市电停电时,反向升压给半桥逆变器提供800V工作电压。

　　以下主要叙述IGBT-PFC整流电路和三相半桥逆变电路的工作原理。

　　3.1 无输出变压器型UPS是如何向负载提供三相

　　四线制电压的

　　图14中,输出半桥逆变电路由三组IGBT桥臂组成,每组与公用电容(电池)电路组成单相半桥逆变器。三个半桥电路可独立输出功率,由它们形成的三个50Hz单相正弦波电压彼此相差120°,所以只要看一下一个半桥电路的工作过程,就可了解三相电路的工作状态。

　　假定桥臂的上面的IGBT用VT1和VD1表示(见图15),下面的IGBT用VT2和VD2表示,与电池并联的电容分别是C1和C2,续流电感为L。

　　图15所示为主逆变器逆变状态的等效电路及其工作过程。在分析其工作过程时,先按输出电压正半周和负半周把它分解为两个降压型开关电路(Buck)。在输出电压的正半周时,降压型开关电路由开关管VT1、续流二极管VD2和电感L组成。VT1导通时电容C1上的正电压(400V)通过电感L向负载输出功率,电感L中的电流线性上升;当VT1由导通转为截止后,由于电感L的续流作用,感应电压使VD2导通,续流电流流经电容C2,其电流方向实际上是给电容C2充电。在输出电压的负半周时,降压型开关电路由开关管VT2、续流二极管VD1和电感L组成。VT2导通时,电容C2上的电压(-400V)通过电感L形成输出电压的负半周,电感L中电流线性上升,VT2由导通转为截止后,由于电感的续流作用使二极管VD1导通,其电流方向实际上是给电容C1充电。在电路中,输出电容C是容量不大的交流滤波电容器,设置它的主要目的是与电感L一起滤除逆变器高频(15kHz左右)开关脉动电压和干扰成分,当开关管的控制波形按正弦规律变化(SPWM)时,输出电压肯定是平滑的正弦波。

　　由图15所示的工作过程和输出电压波形可知,三个半桥电路可分别输出三个稳定的正弦波电压,控制电路使三个稳定的正弦波电压相位差为120°,于是就形成了三相四线制输出,公共零线则是由直流母线的电容中点引出,而无需再配置输出隔离变压器。（游米儿）