未來UPS技術趨勢：無變壓器技術解析

了解傳統UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的，出線電抗器因為只有當用電路措施能夠完全實現它的功能時，才有可 能在新一代設備中替代并取消它。實際上對這個問題是存在一些誤解的，諸如：逆變器輸出隔離變壓器"有隔離的作用"、能夠"抗干擾"、能夠"緩沖負載的突 變"，還能"提高UPS的可靠性"等等，甚至于認為無變壓器的UPS就不能可靠的工作，好像這個變壓器是為了這些目的而專門設計的。持有這種看法的人要么 是對UPS逆變器工作原理不太了解，要么是對隔離變壓器的功能和在逆變器電路中的作用不甚了解。應該說這個變壓器是工頻機全橋逆變器不可分離的構成部分， 而且它的作用也很簡單：升壓和產生三相四線輸出的零線。

1、輸出變壓器的功能之一是為單相負載提供所需要的零線

傳統雙轉換UPS輸出變壓器的一個重要功能是在UPS輸出端產生為單相負載供電時所需要的中性線（通常稱之為零線）。
帶輸出變壓器的UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成，如圖6和圖7所示。輸出端必須加變壓器，否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應視為產生輸出零線的變壓器。

圖6為單相UPS輸出DC/AC逆變器主電路圖，它是一個全橋逆變電路，每個橋臂有兩個串聯的IGBT（VT1--VT4），輸出交變電壓UAB由兩個橋臂的中點A和B引出。

當 VT1和VT4同時通導（VT2和VT3截止）時，由直流電壓E形成的電流回路是電壓E的正端-VT1-負載A端-負載B端-VT4-電壓E的負端；而 VT2和VT3同時導通（VT1、VT4截止）時，由直流電壓E形成的電流回路是電壓E正端-VT2-負載B端-負載A端-VT3-電壓E的負端。如果 VT1和VT4與VT2和VT3交替導通的周期是50Hz，則加在負載上的電壓UAB是幅值為直流電壓E的50Hz方波或者準方波，如果VT1和VT4以 及VT2和VT3都以高頻正弦波脈寬調制（SPWM）規律導通和截止，則負載端電壓UAB是幅值可調整的正弦波。

值得注意的是，通常單相負載的輸入電壓要求有一根零線，而且這根零線在系統中（供電系統輸入變壓器的輸出端）是要接大地的，顯然，如果把圖6單相電路中的A或者B任一點做輸出零線接地，都會使輸入電壓通過導通的半導體功率器件對零線短路而立即燒毀逆變器。

圖7為三相UPS輸出的全橋DC/AC逆變器電路框圖。為了滿足負載必須有零線的要求，于是就增加一個輸出隔離變壓器，變壓器的初級做三角型連接，由三相全橋的三個橋臂中點做三相線電壓輸入，變壓器次級星型連接，產生新的零線按三相四線制向負載供電。

這里不僅需要輸出隔離變壓器產生零線，為了UPS轉旁路時也能正常供電，輸出變壓器產生的零線還必須與系統輸入的零線連接在一起。

2、輸出變壓器的功能之二是對輸出電壓的匹配作用

傳 統大中型UPS主回路結構采用可控硅整流將輸入的交流電整流為直流電，電池直接掛在直流母線上，當輸入市電正常時，靠整流可控硅的調節對電池充電，同時為 IGBT結構的橋式逆變器供電。從系統結構可以看出，從整流到逆變的過程中，每個環節都是降壓環節：可控硅整流是為了提供恒定的直流電壓而采取的一種整流 方式，由于可控硅整流要"斬掉"一部分輸入電壓，所以其輸出電壓恒定的代價是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個數值上。而逆變環節同樣是一個降壓 環節，從可控整流輸入來的直流電在通過逆變器逆變出正弦交流電的過程中通常采用的是脈寬調制（PWM）方法，其結果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由 于上述的原因，在此種結構的UPS逆變器中，輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用，將逆變器輸出的電壓升至到合理的輸出范圍。

在實際應用中，輸出變壓器通常采用圖8的接法，變壓器初級是三角型，對于沒有升降壓作用的隔離變壓器，三個初級線圈的電壓都是380V，次級是星型，三個次級線圈的電壓都是220V，那么初次級線圈的匝比應該是：N1: N2=1:0.577。
當要求輸出相電壓為穩定的220V時，變壓器原邊的峰值電壓（即直流電壓E）應該是：
220V ×1.414×1.732=538.8V

考慮到逆變器PWM工作方式，為逆變器供電的直流電壓要高于變壓器原邊的峰值電壓，最小極限值通常取變壓器原邊峰值電壓1.2倍左右，即：

538.8V×1.2=646.56V

但是，當考慮輸入電壓下限變化10%時，輸入三相線電壓全波整流的最高直流電壓的理論值是：

380V×1.414×0.9=483V

實際上考慮到AC/DC轉換過程的降壓因素，大中型UPS的電池（直接跨接在直流母線上）通常配置32-34節，額定電壓為384V-408V，浮充電壓（即AC/DC變換后的直流母線電壓）為432V -459V，電池放電下線電壓為340V-362V。
UPS直流母線電壓的下限值（340V-362V）與輸出電壓要求的變壓器原邊的峰值電壓（646.56V）之間的差別就應該由輸出變壓器采用升壓方法來解決，所以，輸出變壓器的升壓比應該是 ：646.56V/（340V-362V），即1.9~1.78。
也就是說，輸出變壓器的實際匝比應該是：1:1.9或1:1.78。

以上數據是按一般情況推算的，實際情況與不同的電路結構形式有直接的關系，輸出變壓器的參數和接法也不盡相同，但不管電路差別有多大，輸出變壓器總是通過原付邊匝比的變化起著匹配逆變器輸入電壓與UPS輸出電壓的作用。


3、輸出變壓器是隔離變壓器，但在系統中沒有隔離功能
在 UPS供電系統中，UPS設備的一個至關重要的功能是當輸出過載或者UPS逆變器故障時，自動轉靜態旁路供電，另外，在系統中還設置了維護旁路，當UPS 需要維護時可手動轉維護旁路向負載供電。執行這兩個操作時，都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負載供電，所以系統的零線與負載端的零線必須短接在一起。這 就決定了帶輸出變壓器的UPS的變壓器次級新產生的零線必須連接到輸入電源系統的零線上，如圖9所示。也就是說，UPS機內的變壓器沒有電源系統隔離的功 能，如果系統存在零-地電壓差較大的問題，UPS機內的逆變器輸出變壓器對此電壓差是無能為力的。

在實際應用中，當零-地電壓差過大而需要降低時，就必須額外配置專門的隔離變壓器。

隔離變壓器的配置方法有兩種：

第 一種方法：在旁路輸入端配置與UPS同功率的隔離變壓器，這樣UPS內置的輸出變壓器的輸出零線和旁路隔離變壓器輸出零線都可以接在系統地線上（重新組成 接地系統），這就實現了UPS輸出與供電系統的真正隔離，并使這點的零-地電壓差等于零。用這種接法的優點是，在UPS正常工作模式下，旁路隔離變壓器空 載運行，不影響UPS的輸出性能和系統效率。缺點是，當UPS轉旁路時，變壓器突然帶載工作，其輸出電壓瞬間會低于轉換前UPS檢測到的電壓（變壓器空載 電壓），如果轉換前UPS檢測到的電壓已經處于UPS同步運行（限定的可以轉旁路運行）的下限，那么轉換后因變壓器的壓降（電壓調整率）而使輸出電壓低于 負載供電電壓的下限，負載可能會因此而間斷或宕機。

第二種方法：把變壓器配置在UPS的輸出端，此方法可使UPS供電系統與負載做到理 想的、完全的電氣隔離，特別是當UPS供電系統在物理位置上與負載距離較長時，可把變壓器放在接近負載端，例如一些大型數據中心，在負載列頭柜輸入端加裝 隔離變壓器。此方法的缺點是變壓器的阻抗會影響到UPS對負載供電的穩定精度、供電能力和動態特性。

4、關于隔離變壓器的抗干擾功能

由于變壓器的阻抗有一定的感性成分，因而說這個變壓器具有一定的抗干擾作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗干擾而設置的，它的抗干擾能力也是有限的。

常 常會有人簡單地認為：當系統中設置有隔離變壓器時，其抗干擾功能就一定會很強。這種認識并不完全正確。在供電系統中，產生干擾的原因和干擾現象是多種多樣 的，其中包括諸如高壓脈沖、尖峰毛刺、電涌、暫態過電壓、射頻干擾（EFI）和電磁干擾（EMI）等等。但是，就其干擾形式和傳輸途徑而言，大體可分為兩 類：一是共模干擾，二是差模干擾。共模干擾存在于電源任一相線和零線與大地之間，共模干擾有時也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾，是由于輻射或串擾耦合 到電路中的，是載流體與大地之間的干擾。而差模干擾存在于電源相線與零線之間及相線與相線之間，差模干擾有時也稱常模干擾、橫模干擾或對稱干擾，是載流導 體之間的干擾。

目前，人們通常采用的抑制干擾的措施主要有給被保護的設備并聯瞬變干擾抑制器和在電子設備的輸入端安裝電源濾波器兩種方式。采用變壓器提高抗干擾能力是有一定作用的，但這里講的變壓器應是特殊的"超級隔離變壓器"，而非普通的線性變壓器。



并 不是隔離變壓器就能抗干擾，普通變壓器的抗干擾能力是有限的。對于輸入電壓中存在的低頻干擾和電壓畸變，變壓器不可能也不允許"抗干擾"。否則通過變壓器 傳輸的電壓波形就會失真。對由地線環路帶來的設備間的相互高頻干擾有一定的抑制作用，但因繞組間存在的分布電容，使它對共模干擾的抑制效果隨干擾頻率的升 高而下降。
變壓器是靠磁耦合實現原邊和副邊的電壓變換的，因而它不具備抗差模干擾的功能。在1kHz~100MHz的干擾頻率范圍內，普通隔離變 壓器對共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明，要提高對共模干擾的抑制能力，關鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電 容，為此在變壓器初、次級間加設屏蔽層，如圖12所示。

C1為初級繞阻與屏蔽層之間的分布電容， C2為次級繞阻與屏蔽層之間的分布電容，Z1為屏蔽層接地阻抗，Z2為負載的對地阻抗，E1為初級干擾（共模型）電壓，E2為E1通過偶合傳導到次級的干 擾（共模型）電壓。如果C1和C2的阻抗遠大于屏蔽層接地阻抗，則偶合傳導到次級的干擾電壓E2就會遠小于E1。要使隔離變壓器同時具有較好抗差模干擾與共模干擾的功能，必須把它制作成超級隔離屏蔽變壓器。超級屏蔽隔離變壓器是性能較完善的多重屏蔽的隔離變壓器，對差模和共模都有較強的抑制功能，如圖13所示。超 級屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層，靠近初級繞阻的屏蔽層連接在初級中性線上，可以濾掉初級出現的高頻差模干擾。而對50Hz的工頻電壓則不產生任何影響，靠近 次級繞阻的屏蔽層連接在次級中性線上，可以濾掉次級出現的高頻差模干擾。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起，再接大地，主要用來濾掉共模干擾。