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的電路技術已經很成熟，但能否形成工業化產品，輸出功率能達到多大，可靠性水平如何，卻與器件水平和性能有直接的關系。

　　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，看它對開關功率器件IGBT的耐壓和工作電流有什么樣的要求。

　　根據圖14可知，在UPS直流母線電壓為穩定的±400V的情況下，每個橋臂的一支IGBT導通時，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的關系。

　　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整流是穩定的±400V，但是當市電停電而轉入電池放電時，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載電流有效值應該是：757.75A ×（1+0.1125）= 843A；

　　逆變器工作在正弦脈寬調制（SPWM）狀態下，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行并聯，這時存在并聯均流的問題，所選并聯器件應降容5%使用，也就是說，做500KVA無輸出變壓器UPS時所選用的IGBT并聯后的總輸出電流有效值和峰值電流應大于：

　　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格，再考慮IGBT并聯工作，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。

　　表5：2MBI450U4J-120-50的主要參數

　　在使用表5數據設計電路參數時，以下考慮是符合實際情況的：

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

　　（2） 當逆變器工作在PWM模式時，IGBT管中的峰值電流是有效值×1.414（峰值系數）×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）可達到連續工作電流的2倍。所以用有效（連續）值是不影響器件的安全性的。

　　（3） 考慮到設備管殼溫度通常控制在《70oC，所以可認為連續電流可達到500A，峰值電流》900A。設計時，用三只并聯總有效值=500A×3×0.95（并聯降容）=1425A，峰值電流》900A×3×0.95=2565；

　　把設計要求和選用器件的實際最大輸出能里比較一下，如表6所示。

　　表6：設計要求和實際最大輸出能力

　　上面設計舉例選用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），實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大于本例所用的數值，管子組裝也有單管、單橋臂、6管集成等形式。

　　總的結論是，當前的IGBT功率開關管的輸出能力和電器性能使無輸出變壓器UPS的輸出能力達到400-500KVA是不存在

　　問題的。

　　2、關于無輸出變壓器UPS工作可靠性的討論

　　設備的可靠性與多種因素有關，包括：電路研制定型水平、技術人員技術水平和經驗、器件選用差別、生產工藝水平、質量管理流程等。電路結構變化有個技術成熟的過程，當然還包括所選用的器件性能和可靠性對新電路結構的適應能力。所以說電路結構的變化對設備可靠性是有影響的，影響大小最終取決于兩個因素：電路技術成熟程度和器件水平。

　　（1）、技術成熟是毋庸置疑的

　　無變壓器UPS采用的新技術主要有兩點：一是AC/DC高頻整流（PFC）技術，二是輸出半橋逆變技術。這兩項技術產生由來已久，已成為電力電子設備的經典技術，應用也非常廣泛，所以技術成熟程度是毋庸置疑的。雖然把這兩項技術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選擇的差異也可能存在設備可靠性問題，但出現可靠性的根本原因卻不是電路結構和新技術的應用造成的。

　　（2）、當前器件性能水平完全能夠滿足新電路結構提出的更高要求

　　在無變壓器UPS中，對器件性能要求高的環節主要是半橋式逆變器，而關鍵的參數又是功率開關器件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（見本文第二節第2點和圖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。數據說明，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。雖然當前的器件耐壓1200V已不成問題，但此要求不僅僅是靜態耐壓問題，更嚴重的是IGBT的開關電壓變化率（dv/dt）和開關損耗問題，因而這是電路設計和器件選擇時必須重視和解決的問題。

　　（3）、輸出隔直流問題

　　從圖14和圖15可以看出，由于控制環節故障使一個IGBT連續導通時，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載端（此時電感變成阻抗很小的導線）。單相負載輸入整流后的直流母線額定電壓是311V，考慮負載輸入允許的+15%的上限，直流母線額定電壓是357V，并聯在整流電路輸出端的濾波電容耐壓通常是400V。當UPS發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。

　　出現這種情況在理論上是有可能的。然而，如果出現這一危險情況，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飄移等），也可以根據從另一個IGBT收到的驅動信號得知，直流電壓可能發生短路，從而立即終止逆變器的工作，同時斷開逆變器與后面負載的連接。通常逆變器的輸出端配備有一個靜態旁路開關，它可在逆變器停止工作時迅速將負載切換到旁路市電供電，以保證負載供電的持續進行。逆變器保護和轉旁路供電的動作時間很短，可在輸出電壓上升過程中完成，因而不會對負載安全造成影響。在大量設備的實際運行中，這種故障幾乎沒有出現過。

　　（4）、無輸出變壓器UPS的可靠性指標

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

　　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：

　　輸出功率因數能力：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：≥3 ：1

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

　　這些數據說明，無輸出變壓器UPS的輸出能力和可靠性指標與傳統帶輸出變壓器UPS一樣，都達到了很高的水平。可靠性已再不是無輸出變壓器UPS設備的關鍵問題。