論應用IGBT新技術的UPS電源

權琳

摘 要：隨著新技術發(fā)展對供電質量需求的不斷提高，UPS經(jīng)歷了多次技術變革，特別是將IGBT技術應用于UPS領域，使UPS發(fā)生了一次巨大的變革，使得整機性能發(fā)生了非常大的變化，并為下階段的發(fā)展打下了堅實的基礎。

關鍵詞：UPS電源；IGBT技術；維護管理

近年來，我國廣播電視、通訊、網(wǎng)絡等行業(yè)發(fā)展迅速，覆蓋了全國絕大多數(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。電源對保障系統(tǒng)安全可靠運行起著至關重要的作用。為了確保可靠的供電，有交流電源供電的設備需要采用交流不間斷電源（UPS），在電源系統(tǒng)中引入UPS是為了以優(yōu)良的供電質量向負載連續(xù)供電，從而提高供電系統(tǒng)的可靠性和質量。

1 UPS電源的構成原理

1.1 UPS電源的功能及主要構成

UPS實際上就是一個大容量蓄電池，它的原理是外電網(wǎng)為其供電，由它再給我們的設備供電，平時它處于不斷充放電的狀態(tài)，它主要作用有兩個，第一當斷電時它起到一個蓄電池的作用，為設備提供一定時長的供電，保證設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)的電壓波動損壞設備。通俗的講他就好比一個蓄水池，在有水的時候把水存起來，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。在廣播電影電視領域，主要用于給發(fā)射機系統(tǒng)、天饋線系統(tǒng)、衛(wèi)星上行系統(tǒng)、車載發(fā)射系統(tǒng)及直播系統(tǒng)提供不間斷優(yōu)質電源的設備。當外接市電正常供電時，UPS電源將市電進行凈化整定后供應給后端負載使用，此時UPS即是一臺交流市電的穩(wěn)壓設備，同時它還負責向附屬的12V，60AH蓄電池充電；當市電意外中斷時，在線式的UPS能夠立即通過逆變器使用平時蓄電池儲備的電能給負載供應220V的純凈、恒定交流電，避免負載在突然斷電的情況下，電路板等設備受到?jīng)_擊、flash等存儲器數(shù)據(jù)丟失，但后備式的UPS不能夠實現(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，同時給蓄電池提供充電電壓。直流與交流電的輸入可以通過軟啟動電路來完成，這樣開機時產(chǎn)生的瞬時電壓給電網(wǎng)帶來的波動就會減小或被抑制掉。

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，在輸出允許范圍內輸出的動態(tài)阻抗變的很小，提高了響應速度。因為使用了軟啟動技術及瞬間沖擊保護技術，使逆變器無論是市電供電波動還是負載沖擊造成短路，都能夠穩(wěn)定地工作。

1.2.3 控制驅動

控制驅動部分是完成主機控制部分的核心，它不但能夠提供保護功能、檢測功能、同步功能同時顯示驅動信息，還能夠完成SPWM正弦波脈寬調制控制，因為使用靜態(tài)、動態(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態(tài)范圍和穩(wěn)定度。

1.2.4 電源工作過程

當市電正常380VAC時，UPS電源將輸入的交流市電先通過整流器變成直流電，對電池充電，然后通過DC-AC交流逆變器將直流電逆變成交流電，輸出標準的穩(wěn)定的純凈的220VAC交流電。當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離開關向直流回路供電，在線式的UPS從市電切換到電池供電能夠實現(xiàn)零秒切換。當電池供電達到設定的下限時，絕大多數(shù)UPS均會報警，最后停止工作，長鳴報警。當所帶負載過大時，系統(tǒng)會自動切換到旁路工作，并在負載恢復至正常帶載范圍后自動返回。當嚴重超載時，UPS立即切換到旁路工作，主機開關會跳開。UPS主機開機前應計算好負載容量，使其負載在設定的工作范圍內，有利于延長電池工作壽命。

2 IGBT技術介紹

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動式器件， 既具備了絕緣柵型場效應管的高輸入阻抗又有雙極型晶體管的低導通壓降雙重特性。雙極型晶體管的飽和壓降較其他晶體管低，雖載流密度大，但同時驅動電流也大，絕緣柵型場效應晶體管驅動功率較小，開關速度相對就快，載流密度小，但其導通壓降較大。絕緣柵雙極型晶體管綜合了這兩種晶體管的優(yōu)點，驅動功率小同時兼顧了飽和壓降低的要求。絕緣柵雙極型晶體管的開關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通。如果想消除溝道，加反向門極電壓即可使基極流過反向電流，使絕緣柵雙極型晶體管關斷。

絕緣柵雙極型晶體管的驅動方法和絕緣柵型場效應管基本相同，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是由三層半導體材料兩個PN結組成的，三層半導體材料的結構形式可以是PNP，也可以是NPN。大多數(shù)雙極型功率晶體管是在重摻質的N+硅襯底上，用外延生長法在N+上生長一層N漂移層，然后在漂移層上擴散P基區(qū)，接著擴散N+發(fā)射區(qū)，因此稱之為三重擴散?；鶚O與發(fā)射極在一個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技術應用

IGBT的開關速度非?？欤闹蓄l電源為一種恒功率輸出電源，逆變頻率時刻跟蹤負載變化，達到完全諧振，加少量調整即可達到滿功率輸出，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中頻采用調頻調功，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10%-20%，具體體現(xiàn)在如下幾個方面：

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，整流不再通過調節(jié)可控硅的導通角，因此功率因數(shù)能夠保持在0.98以上，無功損耗小。

3.3 IGBT 復合型器件，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，更具有輸入阻抗高，響應速度快，控制簡單的優(yōu)點。SCR 頻率最高只能達到十的四次方，IGBT頻率可達到十的八次方。

4 采用IGBT技術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準濾波器來滿足日益增長的清潔輸入性能需求。

4.2 超級電池管理對UPS的電池系統(tǒng)進行定期維護和監(jiān)視，確保需要時充分運行。

4.3 滿載和部分負載情況下均具極高效率，節(jié)省了能源消耗。

4.4 空間矢量調制（SVM）是新一代脈沖寬度調試逆變器控制技術。它采用先進的PWM轉換技術來驅動絕緣柵雙極型晶體管，SVM 是使用較簡單的轉換形式組合來生成輸出電壓矢量，在傳統(tǒng)的PWM中，三角波還與基準正弦波進行比較結果是經(jīng)過脈沖寬度調試的矩形波，用于為IGBT提供閘控信號。IGBT整流控制單元的DSP產(chǎn)生多路高頻調制脈沖，控制整流器的IGBT開通和關斷，它的開通和關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0.9以上。減少非線性負載情況下的諧波總畸變，提高對階躍型負載的瞬態(tài)響應，使輸出電壓諧波畸變極低，有良好的輸出波形。

4.5 功能強大的輸入范圍整流器，可編程軟啟動，Pure Pulse是應用于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。滿載和部分負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，實現(xiàn)真正的沉余，借助RPA，無需使用外部電子裝置或開關控制并聯(lián)系統(tǒng)中的UPS模塊，系統(tǒng)中的UPS模塊之一隨機擔任主導角色，其他UPS模塊可以訪問所以控制參數(shù)。如果一個UPS無法運行，負載將在其他UPS之間自動重新分配。如果主導UPS無法運行，其他UPS將自動接管主導角色。RPA系統(tǒng)設計為不存在單點故障，確保關鍵負載獲得最高級電源保護。

5 UPS電源的有效管理

5.1 UPS的防反灌技術

為了避免旁路輸入端在沒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的旁路反灌保護電路。包括反灌電流檢測電路、反灌電流采樣電路和旁路反灌保護驅動電路等的應用。反灌電流檢測電路設有電流互感器和假負載一、假負載二和假負載三。假負載一連接在UPS旁路的空開第一相輸出端與UPS系統(tǒng)主路的中線之間，假負載二連接在UPS旁路的空開第二相輸出端與UPS系統(tǒng)主路的中線之間，假負載三連接在UPS旁路的空開第三相輸出端與UPS系統(tǒng)主路的中線之間。電流互感器的兩端與旁路開關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，最終實現(xiàn)保護人身安全的作用。

5.2 應用在UPS上的NMC技術

隨著UPS在供電系統(tǒng)中的廣泛應用，大多數(shù)UPS電源及其蓄電池都是免維護的。而正因為是免維護的，才需要通過網(wǎng)絡管理技術對UPS電源進行遠程監(jiān)控、管理，從而避免值班人員在UPS電源機房現(xiàn)場巡機、手動操作控制設備，最終實現(xiàn)"無人值班，有人留守"的工作模式。那么如何實現(xiàn)對UPS電源狀態(tài)的實時查詢、故障的聲光報警呢？

容量較大的UPS均配備有NMC卡，也可以單獨配置。安裝有NMC卡的UPS通過網(wǎng)絡交換機與安裝有管理軟件的遠端管理終端相連接，登陸管理軟件通過身份驗證后便可遠程控制機房內的UPS電源。功能強大的NMC卡可以擴展接入多個傳感器，實現(xiàn)門禁、紅外線入侵檢測，甚至可以實現(xiàn)煙感、漏水檢測和環(huán)境溫濕度檢測等功能。此類NMC卡的技術特點如下：

（1）支持TCP/IP協(xié)議，一般通過RJ45網(wǎng)線與交換機連接

（2）支持80端口，采用B/S方式，通過安裝有管理軟件的終端便可查詢運行狀態(tài)，進行遠程管理。

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

（4）如果網(wǎng)絡中存在GPS校時系統(tǒng)，可以自動進行校時。

（5）可以通過多個指示燈，了解設備實時運行狀態(tài)。

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