论应用IGBT新技术的UPS电源

摘 要：随着新技术发展对供电质量需求的不断提高，UPS经历了多次技术变革，特别是将IGBT技术应用于UPS领域，使UPS发生了一次巨大的变革，使得整机性能发生了非常大的变化，并为下阶段的发展打下了坚实的基础。

关键词：UPS电源；IGBT技术；维护管理

近年来，我国广播电视、通讯、网络等行业发展迅速，覆盖了全国绝大多数地区，已经成为人们现代生活密不可分的重要组成部分。电源对保障系统安全可靠运行起着至关重要的作用。为了确保可靠的供电，有交流电源供电的设备需要采用交流不间断电源（UPS），在电源系统中引入UPS是为了以优良的供电质量向负载连续供电，从而提高供电系统的可靠性和质量。

1 UPS电源的构成原理

1.1 UPS电源的功能及主要构成

UPS实际上就是一个大容量蓄电池，它的原理是外电网为其供电，由它再给我们的设备供电，平时它处于不断充放电的状态，它主要作用有两个，第一当断电时它起到一个蓄电池的作用，为设备提供一定时长的供电，保证设备断电后仍然能正常工作；第二就是起到稳压作用，由于它能提供稳定的电压输出，从而避免因外电网的电压波动损坏设备。通俗的讲他就好比一个蓄水池，在有水的时候把水存起来，一旦断水它就提供给我们水。

UPS（Uninterruptible Power System ）即不间断电源是一种储备能量的装置，它是一种恒频、恒压的以逆变器为主要组成部分的电源。在广播电影电视领域，主要用于给发射机系统、天馈线系统、卫星上行系统、车载发射系统及直播系统提供不间断优质电源的设备。当外接市电正常供电时，UPS电源将市电进行净化整定后供应给后端负载使用，此时UPS即是一台交流市电的稳压设备，同时它还负责向附属的12V，60AH蓄电池充电；当市电意外中断时，在线式的UPS能够立即通过逆变器使用平时蓄电池储备的电能给负载供应220V的纯净、恒定交流电，避免负载在突然断电的情况下，电路板等设备受到冲击、flash等存储器数据丢失，但后备式的UPS不能够实现零秒切换，因此其使用受到了一定程度的限制。

1.2 UPS电源工作原理

1.2.1 整流（AC-DC变换）

将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路，同时给蓄电池提供充电电压。直流与交流电的输入可以通过软启动电路来完成，这样开机时产生的瞬时电压给电网带来的波动就会减小或被抑制掉。

1.2.2 逆变（DC-AC电路）

逆变器是将直流电转化为交流电的装置，主要由逆变桥、控制逻辑、滤波电路组成。使用高功率可控硅或者IGBT全桥逆变电路模块，使功率的富余量大大提升，在输出允许范围内输出的动态阻抗变的很小，提高了响应速度。因为使用了软启动技术及瞬间冲击保护技术，使逆变器无论是市电供电波动还是负载冲击造成短路，都能够稳定地工作。

1.2.3 控制驱动

控制驱动部分是完成主机控制部分的核心，它不但能够提供保护功能、检测功能、同步功能同时显示驱动信息，还能够完成SPWM正弦波脉宽调制控制，因为使用静态、动态双电压源反馈，最大程度地改善了直流交流变换电路的动态范围和稳定度。

1.2.4 电源工作过程

当市电正常380VAC时，UPS电源将输入的交流市电先通过整流器变成直流电，对电池充电，然后通过DC-AC交流逆变器将直流电逆变成交流电，输出标准的稳定的纯净的220VAC交流电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离开关向直流回路供电，在线式的UPS从市电切换到电池供电能够实现零秒切换。当电池供电达到设定的下限时，绝大多数UPS均会报警，最后停止工作，长鸣报警。当所带负载过大时，系统会自动切换到旁路工作，并在负载恢复至正常带载范围后自动返回。当严重超载时，UPS立即切换到旁路工作，主机开关会跳开。UPS主机开机前应计算好负载容量，使其负载在设定的工作范围内，有利于延长电池工作寿命。

2 IGBT技术介绍

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极型晶体管，是由GTR管和MOS管组合而成的电压驱动式器件， 既具备了绝缘栅型场效应管的高输入阻抗又有双极型晶体管的低导通压降双重特性。双极型晶体管的饱和压降较其他晶体管低，虽载流密度大，但同时驱动电流也大，绝缘栅型场效应晶体管驱动功率较小，开关速度相对就快，载流密度小，但其导通压降较大。绝缘栅双极型晶体管综合了这两种晶体管的优点，驱动功率小同时兼顾了饱和压降低的要求。绝缘栅双极型晶体管的开关作用可概括为在正向栅极加电压以便形成沟道，给晶体管基极提供正向电流，使绝缘栅双极型晶体管导通。如果想消除沟道，加反向门极电压即可使基极流过反向电流，使绝缘栅双极型晶体管关断。

绝缘栅双极型晶体管的驱动方法和绝缘栅型场效应管基本相同，只需控制基极电流的流向形成沟道即可。

N沟道IGBT示意图

GTR是由三层半导体材料两个PN结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP，也可以是NPN。大多数双极型功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上，用外延生长法在N+上生长一层N漂移层，然后在漂移层上扩散P基区，接着扩散N+发射区，因此称之为三重扩散。基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。

3 IGBT技术应用

IGBT的开关速度非常快，它的中频电源为一种恒功率输出电源，逆变频率时刻跟踪负载变化，达到完全谐振，加少量调整即可达到满功率输出，并且始终保持不变；因逆变部分采用串联谐振，并且逆变电压高，比普通可控硅节能；IGBT中频采用调频调功，整流部分采用全桥整流，电感和电容滤波，所以IGBT中频产生高次谐波小，对电网产生污染更低。

节能型IGBT晶体管中频电源与传统可控硅中频电源相比可节能达10%-20%，具体体现在如下几个方面：

3.1 由于节能型IGBT晶体管逆变电压较传统晶体管高，载流密度小，因此线路损耗小，其中频电源逆变电压大约为传统可控硅中频电源逆变电压的4倍，线路损耗也因此有很大降低。

3.2 由于节能型绝缘栅双极型晶体管中频电源使用了半可控整流技术，整流不再通过调节可控硅的导通角，因此功率因数能够保持在0.98以上，无功损耗小。

3.3 IGBT 复合型器件，是GTR和MOS的混合也具有通态压降低，电流容量大的优点，更具有输入阻抗高，响应速度快，控制简单的优点。SCR 频率最高只能达到十的四次方，IGBT频率可达到十的八次方。

4 采用IGBT技术UPS的性能提升

4.1 在IGBT整流器电源部件上使用创新的控制算法而不是标准滤波器来满足日益增长的清洁输入性能需求。

4.2 超级电池管理对UPS的电池系统进行定期维护和监视，确保需要时充分运行。

4.3 满载和部分负载情况下均具极高效率，节省了能源消耗。

4.4 空间矢量调制（SVM）是新一代脉冲宽度调试逆变器控制技术。它采用先进的PWM转换技术来驱动绝缘栅双极型晶体管，SVM 是使用较简单的转换形式组合来生成输出电压矢量，在传统的PWM中，三角波还与基准正弦波进行比较结果是经过脉冲宽度调试的矩形波，用于为IGBT提供闸控信号。IGBT整流控制单元的DSP产生多路高频调制脉冲，控制整流器的IGBT开通和关断，它的开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的正弦电流波形，消除了输入市电的谐波含量，提高输入功率因数，输出功率因数高达0.9以上。减少非线性负载情况下的谐波总畸变，提高对阶跃型负载的瞬态响应，使输出电压谐波畸变极低，有良好的输出波形。

4.5 功能强大的输入范围整流器，可编程软启动，Pure Pulse是应用于IGBT整流器的新型控制算法，这种电流型整流器确保输入谐波总畸变率小于2%，输入功率因数PF=0. 99，并从电网中吸收纯正弦波形。满载和部分负载情况下谐波量可忽略，性能恒定。

4.6 精确地并联系统性能：可并联不间断电源模块，实现真正的沉余，借助RPA，无需使用外部电子装置或开关控制并联系统中的UPS模块，系统中的UPS模块之一随机担任主导角色，其他UPS模块可以访问所以控制参数。如果一个UPS无法运行，负载将在其他UPS之间自动重新分配。如果主导UPS无法运行，其他UPS将自动接管主导角色。RPA系统设计为不存在单点故障，确保关键负载获得最高级电源保护。

5 UPS电源的有效管理

5.1 UPS的防反灌技术

为了避免旁路输入端在没有市电或市电断电的情况下还存有高压的现象，保证人身安全而采用UPS的旁路反灌保护电路。包括反灌电流检测电路、反灌电流采样电路和旁路反灌保护驱动电路等的应用。反灌电流检测电路设有电流互感器和假负载一、假负载二和假负载三。假负载一连接在UPS旁路的空开第一相输出端与UPS系统主路的中线之间，假负载二连接在UPS旁路的空开第二相输出端与UPS系统主路的中线之间，假负载三连接在UPS旁路的空开第三相输出端与UPS系统主路的中线之间。电流互感器的两端与旁路开关输出端和旁路的晶闸管相连接，电流互感器的输出端与防反灌电流采样电路的输出端相连接，从而实现在市电消失后，旁路输入端仍有高压存在的现象，最终实现保护人身安全的作用。

5.2 应用在UPS上的NMC技术

随着UPS在供电系统中的广泛应用，大多数UPS电源及其蓄电池都是免维护的。而正因为是免维护的，才需要通过网络管理技术对UPS电源进行远程监控、管理，从而避免值班人员在UPS电源机房现场巡机、手动操作控制设备，最终实现"无人值班，有人留守"的工作模式。那么如何实现对UPS电源状态的实时查询、故障的声光报警呢？

容量较大的UPS均配备有NMC卡，也可以单独配置。安装有NMC卡的UPS通过网络交换机与安装有管理软件的远端管理终端相连接，登陆管理软件通过身份验证后便可远程控制机房内的UPS电源。功能强大的NMC卡可以扩展接入多个传感器，实现门禁、红外线入侵检测，甚至可以实现烟感、漏水检测和环境温湿度检测等功能。此类NMC卡的技术特点如下：

（1）支持TCP/IP协议，一般通过RJ45网线与交换机连接

（2）支持80端口，采用B/S方式，通过安装有管理软件的终端便可查询运行状态，进行远程管理。

（3）支持简单网络管理协议，可支持多个NMC卡用于多功能模块的选取。

（4）如果网络中存在GPS校时系统，可以自动进行校时。

（5）可以通过多个指示灯，了解设备实时运行状态。

总之，采用IGBT技术的UPS电源在使用效率、节约能源、保护负载等方面都比传统的UPS有很大的提升，是未来UPS发展的趋势；在日常维护和检修工作中注意UPS对环境的要求及使用注意事项有利于提高其使用寿命，降低维护成本。