五、无输出变压器UPS可输出的功率等级和可靠性问题

尽管无输出变压器UPS的电路技术已经很成熟，但能否形成工业化产品，输出功率能达到多大，可靠性水平如何，却与器件水平和性能有直接的关系。

1、无输出变压器UPS可输出的功率等级

下面以500KVA无输出变压器UPS为例，看它对开关功率器件IGBT的耐压和工作电流有什么样的要求。

根据图14可知，在UPS直流母线电压为稳定的±400V的情况下，每个桥臂的一支IGBT导通时，另一支截止的IGBT承受的电压将是800Vdc。
IGBT的工作电流可根据输出功率和直流母线的最低电压计算出来。
在无输出变压器UPS中，以输出半桥逆变器对IGBT的性能要求最高，图20表示了半桥逆变器中各种电流参数的关系。

逆变器输出功率：500KVA；
单相输出功率：500KVA/3=166.7KVA；
单相输出满负载电流有效值：166.7KVA/220V=757.75A；
在无输出变压器UPS中，前级PFC整流是稳定的±400V，但是当市电停电而转入电池放电时，就要考虑电池放电下限电压（-11.25%额定电压），所以逆变器单相输出满负载电流有效值应该是：757.75A ×（1+0.1125）= 843A；

逆变器工作在正弦脉宽调制（SPWM）状态下，假定在输出电流峰值期间最大的占空比为4:1，则IGBT工作峰值电流是：843A×1.414×1.20=1430.4A，在工作频率5-15KHZ情况下，峰值电流的宽度为0.15ms~0.05ms.

选用器件时，通常的做法是，在可能的最大的耐压和电流值基础上再增加50%的安全余量，即器件耐压（VCES）：
800V×1.5=1200V

器件输出电流有效值能力：843A×1.5=1264.5A
器件输出电流峰值能力：1430.4A×1.5=2145.6A（0.15ms~0.05ms）
考虑到工作频率和价格等因素，选用器件时常常是用低容量的器件进行并联，这时存在并联均流的问题，所选并联器件应降容5%使用，也就是说，做500KVA无输出变压器UPS时所选用的IGBT并联后的总输出电流有效值和峰值电流应大于：

器件输出有效值能力： 1264.5A /0.95=1331A
器件输出峰值能力： 2145.6A /0.95=2258.52（0.15ms-0.05ms）
把以上推算结果列表在表4中。

就目前器件水平而言，满足上述要求的IGBT器件有多种型号和规格，再考虑IGBT并联工作，可选择的余地就更大了。

表5是日本富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50）的主要性能参数。
表5：2MBI450U4J-120-50的主要参数

在使用表5数据设计电路参数时，以下考虑是符合实际情况的：

（1） 连续工作电流可理解为PWM工作时的输出电流有效值，即正弦电流最大值可达到600A×1.414=848.4A（TC=25ºC）和450A×1.414=636.3A（TC=80ºC）；

（2）当逆变器工作在PWM模式时，IGBT管中的峰值电流是有效值×1.414（峰值系数）×1.25（假定电流峰值时占空比为4：1，宽度为0.15ms- 0.05ms）=1.767倍。而表中峰值电流（1ms）可达到连续工作电流的2倍。所以用有效（连续）值是不影响器件的安全性的。

（3） 考虑到设备管壳温度通常控制在<70ºC，所以可认为连续电流可达到500A，峰值电流>900A。设计时，用三只并联总有效值=500A×3×0.95（并联降容）=1425A，峰值电流>900A×3×0.95=2565；

把设计要求和选用器件的实际最大输出能里比较一下。

上面设计举例选用的是富士公司的IGBT（2MBI450U4J-120-50），实际上满足和高于上述要求的器件很多，而且有些管子的电流容量也远大于本例所用的数值，管子组装也有单管、单桥臂、6管集成等形式。
总的结论是，当前的IGBT功率开关管的输出能力和电器性能使无输出变压器UPS的输出能力达到400-500KVA是不存在问题的。

2、关于无输出变压器UPS工作可靠性的讨论

设备的可靠性与多种因素有关，包括：电路研制定型水平、技术人员技术水平和经验、器件选用差别、生产工艺水平、质量管理流程等。电路结构变化有个技术成熟的过程，当然还包括所选用的器件性能和可靠性对新电路结构的适应能力。所以说电路结构的变化对设备可靠性是有影响的，影响大小最终取决于两个因素：电路技术成熟程度和器件水平。

（1）、技术成熟是毋庸置疑的

无变压器UPS采用的新技术主要有两点：一是AC/DC高频整流（PFC）技术，二是输出半桥逆变技术。这两项技术产生由来已久，已成为电力电子设备的经典技术，应用也非常广泛，所以技术成熟程度是毋庸置疑的。虽然把这两项技术集成起来用于无变压器UPS中仅是最近十年的事情、因电路定型水平和参数选择的差异也可能存在设备可靠性问题，但出现可靠性的根本原因却不是电路结构和新技术的应用造成的。

（2）、当前器件性能水平完全能够满足新电路结构提出的更高要求

在无变压器UPS中，对器件性能要求高的环节主要是半桥式逆变器，而关键的参数又是功率开关器件IGBT的耐压（Vces）和输出电流（有效值和峰值）能力，从表4、表5和表6可以看出，当前的IGBT的输出能力可以完全满足400-500KVA的大功率无输出变压器UPS。

值得注意的是，在无变压器UPS的输出半桥逆变电路中，输出电压是由±400V直流母线电压直接形成的，输入电流有效值等于输出电流有效值。而传统的带输出变压器UPS是通过输出变压器升压形成的，在升压比为1:1.9或 1:1.78（见本文第二节第2点和图8）时，同时考虑三角型/星型接法输出电流有效值是输入有效值的1.73倍，所以全桥逆变器输入电流有效值是输出电流有效值的1.9/1.73=1.1（或1.78/1.73=1.03倍）倍。数据说明，对同样输出功率的UPS，无输出变压器UPS对IGBT的电流输出能力的要求并不比比传统的带输出变压器UPS高。也就是说，从IGBT的电流输出能力来看，能做多大功率的带输出变压器UPS，就可以做到多大输出功率的无输出变压器UPS。

与带输出变压器UPS相比，无输出变压器UPS的输出逆变器对IGBT的耐压提出了更高的要求。在带输出变压器UPS的输出
全桥逆变器中，IGBT的耐压就是直流母线电压，一般在400多伏，而在无输出变压器UPS的输出半桥逆变器中，直流母线电压是±400V，要求IGBT的耐压要大于800V。虽然当前的器件耐压1200V已不成问题，但此要求不仅仅是静态耐压问题，更严重的是IGBT的开关电压变化率（dv/dt）和开关损耗问题，因而这是电路设计和器件选择时必须重视和解决的问题。

（3）、输出隔直流问题

由于控制环节故障使一个IGBT连续导通时，或在一个IGBT或二极管短路的情况下，400V直流母线电压会直接输出到负载端（此时电感变成阻抗很小的导线）。单相负载输入整流后的直流母线额定电压是311V，考虑负载输入允许的+15%的上限，直流母线额定电压是357V，并联在整流电路输出端的滤波电容耐压通常是 400V。当UPS发生这种故障时输出直流电压会接近400V，滤波电容和DC/DC变换器都会因输入电压过高而受到影响。

出现这种情况在理论上是有可能的。然而，如果出现这一危险情况，即使缺少了专门的直流分量检测电路（例如，检测电路故障或参数飘移等），也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知，直流电压可能发生短路，从而立即终止逆变器的工作，同时断开逆变器与后面负载的连接。通常逆变器的输出端配备有一个静态旁路开关，它可在逆变器停止工作时迅速将负载切换到旁路市电供电，以保证负载供电的持续进行。逆变器保护和转旁路供电的动作时间很短，可在输出电压上升过程中完成，因而不会对负载安全造成影响。在大量设备的实际运行中，这种故障几乎没有出现过。

（4）、无输出变压器UPS的可靠性指标

如果不知道平均故障间隔时间MTBF，或者厂商提供的MTBF数据是不可信的，那么可用UPS的效率和输出能力各项指标来衡量它的可靠性，这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和输出功率因数等。

以下是已推向市场的500KVA无输出变压器UPS的可量化的可靠性指标：

输出功率因数能力：0.9；

逆变器短路能力：150 ms：2.5 - 3 In（输出400 V）

逆变器过载能力：125% In ：10分钟；135% In：1 分钟；150% In：30秒

额定电压下的峰值因数：≥3 :1

动态性能：± 2%，从0到100%或从100到0%的负载阶跃变化效率：94.5%（50到100%负载率）

这些数据说明，无输出变压器UPS的输出能力和可靠性指标与传统带输出变压器UPS一样，都达到了很高的水平。可靠性已再不是无输出变压器UPS设备的关键问题。