權(quán)琳

摘 要：隨著新技術(shù)發(fā)展對(duì)供電質(zhì)量需求的不斷提高，UPS經(jīng)歷了多次技術(shù)變革，特別是將IGBT技術(shù)應(yīng)用于UPS領(lǐng)域，使UPS發(fā)生了一次巨大的變革，使得整機(jī)性能發(fā)生了非常大的變化，并為下階段的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：UPS電源；IGBT技術(shù)；維護(hù)管理

近年來(lái)，我國(guó)廣播電視、通訊、網(wǎng)絡(luò)等行業(yè)發(fā)展迅速，覆蓋了全國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)，已經(jīng)成為人們現(xiàn)代生活密不可分的重要組成部分。電源對(duì)保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。為了確?？煽康墓╇姡薪涣麟娫垂╇姷脑O(shè)備需要采用交流不間斷電源（UPS），在電源系統(tǒng)中引入U(xiǎn)PS是為了以?xún)?yōu)良的供電質(zhì)量向負(fù)載連續(xù)供電，從而提高供電系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量。

1 UPS電源的構(gòu)成原理

1.1 UPS電源的功能及主要構(gòu)成

UPS實(shí)際上就是一個(gè)大容量蓄電池，它的原理是外電網(wǎng)為其供電，由它再給我們的設(shè)備供電，平時(shí)它處于不斷充放電的狀態(tài)，它主要作用有兩個(gè)，第一當(dāng)斷電時(shí)它起到一個(gè)蓄電池的作用，為設(shè)備提供一定時(shí)長(zhǎng)的供電，保證設(shè)備斷電后仍然能正常工作；第二就是起到穩(wěn)壓作用，由于它能提供穩(wěn)定的電壓輸出，從而避免因外電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損壞設(shè)備。通俗的講他就好比一個(gè)蓄水池，在有水的時(shí)候把水存起來(lái)，一旦斷水它就提供給我們水。

UPS（Uninterruptible Power System ）即不間斷電源是一種儲(chǔ)備能量的裝置，它是一種恒頻、恒壓的以逆變器為主要組成部分的電源。在廣播電影電視領(lǐng)域，主要用于給發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、天饋線(xiàn)系統(tǒng)、衛(wèi)星上行系統(tǒng)、車(chē)載發(fā)射系統(tǒng)及直播系統(tǒng)提供不間斷優(yōu)質(zhì)電源的設(shè)備。當(dāng)外接市電正常供電時(shí)，UPS電源將市電進(jìn)行凈化整定后供應(yīng)給后端負(fù)載使用，此時(shí)UPS即是一臺(tái)交流市電的穩(wěn)壓設(shè)備，同時(shí)它還負(fù)責(zé)向附屬的12V，60AH蓄電池充電；當(dāng)市電意外中斷時(shí)，在線(xiàn)式的UPS能夠立即通過(guò)逆變器使用平時(shí)蓄電池儲(chǔ)備的電能給負(fù)載供應(yīng)220V的純凈、恒定交流電，避免負(fù)載在突然斷電的情況下，電路板等設(shè)備受到?jīng)_擊、flash等存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)丟失，但后備式的UPS不能夠?qū)崿F(xiàn)零秒切換，因此其使用受到了一定程度的限制。

1.2 UPS電源工作原理

1.2.1 整流（AC-DC變換）

將電網(wǎng)來(lái)的交流電經(jīng)自耦變壓器降壓、全波整流、濾波變?yōu)橹绷麟妷?，供給逆變電路，同時(shí)給蓄電池提供充電電壓。直流與交流電的輸入可以通過(guò)軟啟動(dòng)電路來(lái)完成，這樣開(kāi)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓給電網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)就會(huì)減小或被抑制掉。

1.2.2 逆變（DC-AC電路）

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置，主要由逆變橋、控制邏輯、濾波電路組成。使用高功率可控硅或者IGBT全橋逆變電路模塊，使功率的富余量大大提升，在輸出允許范圍內(nèi)輸出的動(dòng)態(tài)阻抗變的很小，提高了響應(yīng)速度。因?yàn)槭褂昧塑泦?dòng)技術(shù)及瞬間沖擊保護(hù)技術(shù)，使逆變器無(wú)論是市電供電波動(dòng)還是負(fù)載沖擊造成短路，都能夠穩(wěn)定地工作。

1.2.3 控制驅(qū)動(dòng)

控制驅(qū)動(dòng)部分是完成主機(jī)控制部分的核心，它不但能夠提供保護(hù)功能、檢測(cè)功能、同步功能同時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)信息，還能夠完成SPWM正弦波脈寬調(diào)制控制，因?yàn)槭褂渺o態(tài)、動(dòng)態(tài)雙電壓源反饋，最大程度地改善了直流交流變換電路的動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定度。

1.2.4 電源工作過(guò)程

當(dāng)市電正常380VAC時(shí)，UPS電源將輸入的交流市電先通過(guò)整流器變成直流電，對(duì)電池充電，然后通過(guò)DC-AC交流逆變器將直流電逆變成交流電，輸出標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定的純凈的220VAC交流電。當(dāng)任何時(shí)候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)向直流回路供電，在線(xiàn)式的UPS從市電切換到電池供電能夠?qū)崿F(xiàn)零秒切換。當(dāng)電池供電達(dá)到設(shè)定的下限時(shí)，絕大多數(shù)UPS均會(huì)報(bào)警，最后停止工作，長(zhǎng)鳴報(bào)警。當(dāng)所帶負(fù)載過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到旁路工作，并在負(fù)載恢復(fù)至正常帶載范圍后自動(dòng)返回。當(dāng)嚴(yán)重超載時(shí)，UPS立即切換到旁路工作，主機(jī)開(kāi)關(guān)會(huì)跳開(kāi)。UPS主機(jī)開(kāi)機(jī)前應(yīng)計(jì)算好負(fù)載容量，使其負(fù)載在設(shè)定的工作范圍內(nèi)，有利于延長(zhǎng)電池工作壽命。

2 IGBT技術(shù)介紹

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極型晶體管，是由GTR管和MOS管組合而成的電壓驅(qū)動(dòng)式器件， 既具備了絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的高輸入阻抗又有雙極型晶體管的低導(dǎo)通壓降雙重特性。雙極型晶體管的飽和壓降較其他晶體管低，雖載流密度大，但同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流也大，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)功率較小，開(kāi)關(guān)速度相對(duì)就快，載流密度小，但其導(dǎo)通壓降較大。絕緣柵雙極型晶體管綜合了這兩種晶體管的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小同時(shí)兼顧了飽和壓降低的要求。絕緣柵雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)作用可概括為在正向柵極加電壓以便形成溝道，給晶體管基極提供正向電流，使絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通。如果想消除溝道，加反向門(mén)極電壓即可使基極流過(guò)反向電流，使絕緣柵雙極型晶體管關(guān)斷。

絕緣柵雙極型晶體管的驅(qū)動(dòng)方法和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管基本相同，只需控制基極電流的流向形成溝道即可。

N溝道IGBT示意圖

GTR是由三層半導(dǎo)體材料兩個(gè)PN結(jié)組成的，三層半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)形式可以是PNP，也可以是NPN。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重?fù)劫|(zhì)的N+硅襯底上，用外延生長(zhǎng)法在N+上生長(zhǎng)一層N漂移層，然后在漂移層上擴(kuò)散P基區(qū)，接著擴(kuò)散N+發(fā)射區(qū)，因此稱(chēng)之為三重?cái)U(kuò)散?；鶚O與發(fā)射極在一個(gè)平面上做成叉指型以減少電流集中和提高器件電流處理能力。

3 IGBT技術(shù)應(yīng)用

IGBT的開(kāi)關(guān)速度非常快，它的中頻電源為一種恒功率輸出電源，逆變頻率時(shí)刻跟蹤負(fù)載變化，達(dá)到完全諧振，加少量調(diào)整即可達(dá)到滿(mǎn)功率輸出，并且始終保持不變；因逆變部分采用串聯(lián)諧振，并且逆變電壓高，比普通可控硅節(jié)能；IGBT中頻采用調(diào)頻調(diào)功，整流部分采用全橋整流，電感和電容濾波，所以IGBT中頻產(chǎn)生高次諧波小，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染更低。

節(jié)能型IGBT晶體管中頻電源與傳統(tǒng)可控硅中頻電源相比可節(jié)能達(dá)10%-20%，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

3.1 由于節(jié)能型IGBT晶體管逆變電壓較傳統(tǒng)晶體管高，載流密度小，因此線(xiàn)路損耗小，其中頻電源逆變電壓大約為傳統(tǒng)可控硅中頻電源逆變電壓的4倍，線(xiàn)路損耗也因此有很大降低。

3.2 由于節(jié)能型絕緣柵雙極型晶體管中頻電源使用了半可控整流技術(shù)，整流不再通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，因此功率因數(shù)能夠保持在0.98以上，無(wú)功損耗小。

3.3 IGBT 復(fù)合型器件，是GTR和MOS的混合也具有通態(tài)壓降低，電流容量大的優(yōu)點(diǎn)，更具有輸入阻抗高，響應(yīng)速度快，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。SCR 頻率最高只能達(dá)到十的四次方，IGBT頻率可達(dá)到十的八次方。

4 采用IGBT技術(shù)UPS的性能提升

4.1 在IGBT整流器電源部件上使用創(chuàng)新的控制算法而不是標(biāo)準(zhǔn)濾波器來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的清潔輸入性能需求。

4.2 超級(jí)電池管理對(duì)UPS的電池系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)和監(jiān)視，確保需要時(shí)充分運(yùn)行。

4.3 滿(mǎn)載和部分負(fù)載情況下均具極高效率，節(jié)省了能源消耗。

4.4 空間矢量調(diào)制（SVM）是新一代脈沖寬度調(diào)試逆變器控制技術(shù)。它采用先進(jìn)的PWM轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管，SVM 是使用較簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換形式組合來(lái)生成輸出電壓矢量，在傳統(tǒng)的PWM中，三角波還與基準(zhǔn)正弦波進(jìn)行比較結(jié)果是經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)試的矩形波，用于為IGBT提供閘控信號(hào)。IGBT整流控制單元的DSP產(chǎn)生多路高頻調(diào)制脈沖，控制整流器的IGBT開(kāi)通和關(guān)斷，它的開(kāi)通和關(guān)斷與輸入電抗器共同作用產(chǎn)生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，消除了輸入市電的諧波含量，提高輸入功率因數(shù)，輸出功率因數(shù)高達(dá)0.9以上。減少非線(xiàn)性負(fù)載情況下的諧波總畸變，提高對(duì)階躍型負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，使輸出電壓諧波畸變極低，有良好的輸出波形。

4.5 功能強(qiáng)大的輸入范圍整流器，可編程軟啟動(dòng)，Pure Pulse是應(yīng)用于IGBT整流器的新型控制算法，這種電流型整流器確保輸入諧波總畸變率小于2%，輸入功率因數(shù)PF=0. 99，并從電網(wǎng)中吸收純正弦波形。滿(mǎn)載和部分負(fù)載情況下諧波量可忽略，性能恒定。

4.6 精確地并聯(lián)系統(tǒng)性能：可并聯(lián)不間斷電源模塊，實(shí)現(xiàn)真正的沉余，借助RPA，無(wú)需使用外部電子裝置或開(kāi)關(guān)控制并聯(lián)系統(tǒng)中的UPS模塊，系統(tǒng)中的UPS模塊之一隨機(jī)擔(dān)任主導(dǎo)角色，其他UPS模塊可以訪(fǎng)問(wèn)所以控制參數(shù)。如果一個(gè)UPS無(wú)法運(yùn)行，負(fù)載將在其他UPS之間自動(dòng)重新分配。如果主導(dǎo)UPS無(wú)法運(yùn)行，其他UPS將自動(dòng)接管主導(dǎo)角色。RPA系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不存在單點(diǎn)故障，確保關(guān)鍵負(fù)載獲得最高級(jí)電源保護(hù)。

5 UPS電源的有效管理

5.1 UPS的防反灌技術(shù)

為了避免旁路輸入端在沒(méi)有市電或市電斷電的情況下還存有高壓的現(xiàn)象，保證人身安全而采用UPS的旁路反灌保護(hù)電路。包括反灌電流檢測(cè)電路、反灌電流采樣電路和旁路反灌保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路等的應(yīng)用。反灌電流檢測(cè)電路設(shè)有電流互感器和假負(fù)載一、假負(fù)載二和假負(fù)載三。假負(fù)載一連接在UPS旁路的空開(kāi)第一相輸出端與UPS系統(tǒng)主路的中線(xiàn)之間，假負(fù)載二連接在UPS旁路的空開(kāi)第二相輸出端與UPS系統(tǒng)主路的中線(xiàn)之間，假負(fù)載三連接在UPS旁路的空開(kāi)第三相輸出端與UPS系統(tǒng)主路的中線(xiàn)之間。電流互感器的兩端與旁路開(kāi)關(guān)輸出端和旁路的晶閘管相連接，電流互感器的輸出端與防反灌電流采樣電路的輸出端相連接，從而實(shí)現(xiàn)在市電消失后，旁路輸入端仍有高壓存在的現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)人身安全的作用。

5.2 應(yīng)用在UPS上的NMC技術(shù)

隨著UPS在供電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，大多數(shù)UPS電源及其蓄電池都是免維護(hù)的。而正因?yàn)槭敲饩S護(hù)的，才需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)對(duì)UPS電源進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理，從而避免值班人員在UPS電源機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)巡機(jī)、手動(dòng)操作控制設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)"無(wú)人值班，有人留守"的工作模式。那么如何實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS電源狀態(tài)的實(shí)時(shí)查詢(xún)、故障的聲光報(bào)警呢？

容量較大的UPS均配備有NMC卡，也可以單獨(dú)配置。安裝有NMC卡的UPS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與安裝有管理軟件的遠(yuǎn)端管理終端相連接，登陸管理軟件通過(guò)身份驗(yàn)證后便可遠(yuǎn)程控制機(jī)房?jī)?nèi)的UPS電源。功能強(qiáng)大的NMC卡可以擴(kuò)展接入多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)門(mén)禁、紅外線(xiàn)入侵檢測(cè)，甚至可以實(shí)現(xiàn)煙感、漏水檢測(cè)和環(huán)境溫濕度檢測(cè)等功能。此類(lèi)NMC卡的技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）支持TCP/IP協(xié)議，一般通過(guò)RJ45網(wǎng)線(xiàn)與交換機(jī)連接

（2）支持80端口，采用B/S方式，通過(guò)安裝有管理軟件的終端便可查詢(xún)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

（3）支持簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，可支持多個(gè)NMC卡用于多功能模塊的選取。

（4）如果網(wǎng)絡(luò)中存在GPS校時(shí)系統(tǒng)，可以自動(dòng)進(jìn)行校時(shí)。

（5）可以通過(guò)多個(gè)指示燈，了解設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

總之，采用IGBT技術(shù)的UPS電源在使用效率、節(jié)約能源、保護(hù)負(fù)載等方面都比傳統(tǒng)的UPS有很大的提升，是未來(lái)UPS發(fā)展的趨勢(shì)；在日常維護(hù)和檢修工作中注意UPS對(duì)環(huán)境的要求及使用注意事項(xiàng)有利于提高其使用壽命，降低維護(hù)成本。