工频机全桥逆变器UPS输出变压器简介

一、问题的提出

UPS已朝高频化发 展，因为高频化结构的UPS具有很多优点，比如它比目前所谓工频机结构UPS的效率高、体积小、输入功率因数高、允许输入电压变化范围大、不需要输出隔离 变压器和价格低等，是当前信息中心机房节能高效的理想选择。但由于高频机结构UPS相对于工频机UPS而言，制造困难，对制造工艺、生产手段要求较高，一 般手工方式很难实现规模化和一致性。因此，也就推迟了工频机UPS的“退休”时间，再加之工频机UPS不论对一般生产者还是一些用户而言都有些恋恋不舍。 以手工为主要生产方式的厂家一时还很难上规模，再加之这两方面个别的也存在一些误解，使工频机UPS不能顺利代之以高频机UPS。比如对输出隔离变压器的 误解就是一个例子。由于高频机结构UPS取消了用漆包线绕在矽钢片铁心上这种方式的隔离变压器，而工频机UPS就没取消，反而成了工频机结构UPS的优 点。这就引出了好多不能取消这个变压器的说法，比如说这个变压器：

* 可以在逆变器故障时切断直流电压到负载的通路，防止负载损坏，

* 可以抗干扰，

* 可以缓冲负载端的短路和突然变化，

* 可以提高UPS的可靠性，

* 可以耐电网电压的大范围变化，

等等。将它的作用说得神乎其神，几十年都没发现的这些变压器“特点”在即将被淘汰时突然被发掘出来了。实际的情况如何呢 在这里不妨将这些所谓特点逐条加以讨论。

　　二、工频机结构全桥逆变器UPS输出变压器的必要性

　　1.工频机UPS输出变压器的功能

在上个世纪七十年代，由于半导体器件的水平和品种所限，比如通流能力小和耐压能力差，不得不在输入端加一个降压变压器，经逆变器后再把电压升上去，如图1所示。所以

图1 工频机UPS电原理方框图

这种早期的工频机UPS输入端是降压变压器，输出端是升压变压器;另一个特点是输入整流器和后面的逆变器都工作在工业频率，即50Hz(或60Hz)。 在一些中小功率UPS中，输入整流器和充电器是分开的。这主要是因为在这些UPS中的输入整流器都是采用的没有任何调整能力的整流二极管，而电池电压的电 平必须是稳定的，需要严格控制的，所以一般需另设具稳压功能的充电器电路，如图2所示。在小功率中，早期的充电器一般用一个稳压块，到后来才采用了PWM 开关电源，提高了充电速度和充电效率。由于中小功率UPS中采用的电池电压很低，所以输出还要加升压变压器。后来由于器件的发展才取消了输入降压变压器， 成了今天的样子。

到底工频机UPS的输出变压器还有多少功能 没有它行不行 是工频机产品不可缺少的部分还是专门为了实现上面所宣传的优越功能而专门加上去的呢 只有搞清楚这个问题才可以谈它是否优越的问题。

图2 中小功率UPS的一般电路原理结构图

(1)工频机输出隔离变压器的第一作用---产生隔离接地点

图3给出了一个单相UPS的主电路图，它的输出端不接地，输入电压正半波(L为正压)的情况。此时的电路中无变压器，逆变器输出与输入端的电压同步锁 相，锁相的含义是:全桥逆变器几个功率管的导通情况是根据输入电压的相位要求而决定的，如3所示的浅色二极管和IGBT是在电压正半波(L为正压)的情况 下电流的经过路径。这时的电流路径是：

L+→VD2→VT2→R→VT3→VD3→N-

图3 UPS负载端不接地时L为正压情况下电流的流动路径

从路径上可以看出，电流在形成一个回路的流动中经过了两个整流器二极管和两个逆变器IGBT。此时UPS的工作是正常的。

当输入电压为负半波时的情况也一样，不过在负半波时电流流过的是另外两只整流器二极管和逆变器的IGBT。

在此情况下供电是没有问题的，不过这时输出的是不接地的悬空电压，如果负载机器没有输入接地的要求，一切均无问题。然而偏偏有一些电子设备要求其 输入电压(UPS的输出电压)零点接地，不接地就不给用户开机。这样一来使得原来悬空电压的一端必须接地。要知道，在我国的用电制度中，变电站将11kV 的高压经 -Y变压器变成低压(3X389V/220V)后，当即就把次级绕组Y的中点接地，然后再由这一点引出两条线：一条中线N和一条地线E，如图4 所示。

图4 零线和地线连接的情况

因此，在UPS输出端有一点接地也就和输入端电压的零线接到了一起，如图5中粗灰线所示。如果还是按照图3假设的条件，即输出电压和输入电压同步锁相， 在输入为正半波时，如图5(a)所示，虽然逆变器功率管的导通和整流器二极管都按照输入的要求开通，但由于如图示的短路中线电阻远远小于电路内几个功率管 和导线的电阻，所以电流在流过

(a) UPS负载端接地时L为正压情况下电流的流动路径

(b) UPS负载端接地时L为负压情况下电流的流动路径

图5 UPS负载端接地时电流的流动路径[p]

负载以后再也不经过VT3和VD3，而是经短路线B N直接回到负端N。这样一来，电流就只经过了两只管子：一只整流二极管和一只逆变管IGBT，即规定的路线没走完。图5(b)示出了UPS负载端接地时L 为负压情况下电流的流动路径，也同样少经过两只管子。这会出现什么问题呢 假如一个人到正规商店买东西，要分几步走：选货、开票、交款、取货。如果是少了 两个步骤，比如只选货和交款肯定不行，不开票就无法交款，结果什么也买不到东西;如果只进行交款和取货，这不是正规商店的做法，也不行。总之，少一个步骤 也买不回东西。UPS也一样，少一个步骤就是电路失去了原来的功能，使负载得不到应得的洁净的和稳定的输入电压，UPS反而成了累赘。这还是乐观的情况， 因为输入输出同步，不会出大问题。但在实际应用中就不这么幸运了，几乎100%的UPS在启动瞬间都不是同步的，必需要经过一段时间的跟踪才能达到同步的 目的。

　　以上是理想的同步情况，实际上启动的时机几乎都不是同步的，几乎在100%的场合都是爆炸。为什么会爆炸呢 这是因为在电源起动 瞬间，功率管的开通顺序几乎都不是按照设定的顺序工作，这时的开通顺序是随机的，如图6所示，不但不同步还不同相位，几乎100%情况下的功率管导通是图 6(a)的样子，即当N为正L为负时电流的路径应该是：

　　N→VD1→VT2→R→VT3→VD4→L

　　(a) 输出与输入不同步时的电流路径

　　(b)输出与输入不同步时电流路径的等效电路

　　图6 UPS负载端接地而输出又和输入不同步的情况

　　但由于接地线的加入改变了电流的路径：电流由N出发就直接到了负载R的下端，又由于逆变器功率管VT3的开启，使电流不能经过负载R，而是直接经过 整流管VD4回到L。这样一来，电流没有经过任何负载，两个管子的导通形成短路状态，如图6(b)的等效电路所示，即使管子的内阻和导线电阻不为零，但已 远远小于1 ，而且管子的功率越大则内阻也越小，加粗后的导线电阻也越小。比如一台1kVA的UPS，逆变器的效率为90%，即消耗100W，取五倍的功 率管，即500W/50A，设短路电阻为0.1 (实际上比这个值小得多)，这时的短路电流就是2200A，强大的电流在管子的PN结上会产生强烈的焦耳 热量，一方面会使截面积不相称的引线起火甚至烧断，一方面在PN结上的剧烈高度焦耳热也会使管子像炸弹那样炸裂。在上个世纪90年代由某公司进口品牌为 Vlctron的小功率UPS，由于没有输出隔离变压器，在用户输入端接地时几乎都形成爆炸。后来不得不外加输出变压器BT，这才保证了正常使用，如图7 所示，这时的电流路径是：

　　L+→VD2→VT2→BT初级绕组→VT3→VD3→N-

　　恢复了无地线时的状态。原来的负载R换成了变压器初级绕组，这时的初级绕组就是负载R。不过是换了一种吸取功率的方式。换言之，变压器就是一个具有物理 隔离性的、不失真传递电功率的中间环节。这样一来，在变压器的次级绕组端就可以连接接地线了，如图7所示。当然，在有的供电环境下零地线之间的电压过高， 使用户感到不安，此时也可将此变压器的次级绕组接地。

　　图7 全桥变换器输出加隔离变压器的情况

　　(2)工频机输出隔离变压器的第二作用——变压

　　在一般小功率UPS中，为了节省成本，一般用的电池电压不高，图8就是一个电池电压用60V的例子，当然常用的电池电压规格很 多，24V，36V，48V，192V，240V，等等。对于单相UPS来说输出电压有效值多为220V，分正负半波，半波的峰值是有效值的1.414 倍，即220VX1.414=310V，正负半波的峰峰值就是620V，如图8所示。由60V到620 V有10倍之差，不用变压器是无法实现的，所以这个输出变压器的第二功能是变压。

　　图8 3-25 变压器的升压作用原理图

　　所以UPS输出变压器的功能就是两个：产生隔离接地点和变压。

　　2.UPS变压器不具备抗(抑制)干扰和缓冲短路的功能

　　那么，上述变压器是否有抗干扰的功能呢 回答是否定的，而且也不允许其抗干扰。这里所谓的干扰只能来自负载，UPS的逆变器是不产生干扰的。负载对电压 源的要求是：输出端动态性能一定要好，即动态内阻一定要小，这样电源的输出才能适应负载的变化，不允许有惯性。只有惯性环节才有抗干扰能力，变压器不是电 抗器，在正常工作时是线性的，不失真地传递信号，所以不具备抗干扰能力。那么从结构原理上又如何解释呢 图9示出了这种变压器的结构原理图。从图9(a) 的变压器原理图可以看出，普通电源变压器都有初级和次级，而且都是一层层用漆包线绕成的，如图9(b)的变压器结构剖面图所示。就是说，变压器是由绕在铁 芯上的一层层铜漆包线构成，初级和次级也是这样，两层漆包线之间都垫有绝缘层，这样一来，每层绕组就构成一个导体平板，两层绕组之间就构成了一个平板电容 器，进而在初次级绕组之间就形成了一个等效电容器C，如图9(b)所示。在初次级绕组之间也就形成了一个容抗XC，其数值的大小为：

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　　(a)变压器原理图 (b)变压器结构剖面图

　　图9 变压器结构原理图

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