變壓器為什么不能作為區(qū)分兩種UPS的標(biāo)志（一）

——輸出變壓器是當(dāng)代UPS的“身外之物”

王其英

    在電的領(lǐng)域內(nèi)命名的有線電和無線電，高壓電器和低壓電器，電壓源和電流源，交流電和直流電，硬件和軟件，等等的命名都有其唯一性。工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS的區(qū)分也一樣，顧名思義，那就是以頻率不同為根據(jù)的。就應(yīng)該從頻率的角度去看，而不是另辟途徑。

    因?yàn)閁PS的輸入和輸出都是50Hz的正弦波標(biāo)準(zhǔn)電壓，眾所周知這沒有什么好討論的，所以這里所討論的都是UPS內(nèi)部的工作情況。在當(dāng)代工頻機(jī)UPS中，輸出變壓器并不是該機(jī)所必需的配套裝置。在2008年上海國際電源論壇會(huì)議上，與會(huì)專家們也一致認(rèn)為“變壓器今后并不是電子設(shè)備的必然配套裝置”，電子變壓器會(huì)將其替代。但在上個(gè)世紀(jì)70至80年代，由于技術(shù)和元器件的水平還沒達(dá)到一定程度，UPS的主要器件是還靠可控硅，這是一種半控器件，即開通是可控的，而關(guān)斷是不可控的，只有等到電壓過零點(diǎn)才可關(guān)斷。因此其工作頻率受市電頻率約束，只能與市電頻率同步工作。而且當(dāng)時(shí)的逆變器輸出也只能是單方波。可惜的是當(dāng)時(shí)負(fù)載設(shè)備電源的輸入幾乎都有變壓器，而UPS輸出的方波電壓平頂部分會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵心飽和，從而造成故障。所以負(fù)載對(duì)UPS的輸出要求必須是正弦波。這樣一來，從方波中濾出正弦波就需要龐大的LC濾波器，不但耗材驚人，噪聲煩人，而且效率也大幅度降低，尤其是中大功率更是如此。

圖1 四階梯波輸出的UPS電路原理方框圖

    為此人們又為大功率設(shè)計(jì)出一種接近於正弦波的階梯波，以減小LC濾波器的尺寸。但又出現(xiàn)了新的問題：一個(gè)階梯就是一套逆變器，比如1972年美國總統(tǒng)尼克松訪華時(shí)帶來的UPS就是四套逆變器疊加而成的四階梯波結(jié)構(gòu)，然后再由濾波器濾出正弦波電壓，如圖1所示。從圖中可以看出，四階梯波的構(gòu)成就需要變壓器將其串聯(lián)起來。這里的變壓器一般是不可少的。小功率由于造價(jià)太高，一般還是由方波濾波后輸出。

    上世紀(jì)70年代美國庫伯博士實(shí)驗(yàn)成功了一種高頻脈寬調(diào)制（PWM）電路，使原來龐大的線性電源起了革命性的變化。可惜當(dāng)時(shí)晶體三極管只是低壓小功率水平，無法被UPS采用。一直到1980年前后高頻技術(shù)才被陸續(xù)應(yīng)用到UPS逆變器上，這時(shí)使用大功率高壓晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的逆變器調(diào)制頻率可以做到50Hz工業(yè)頻率的數(shù)百倍，因此LC濾波器的體積也有了本質(zhì)的變化，可以做的非常小。圖2示出了脈寬調(diào)制輸出被檢波出正弦波的情況。

圖2 當(dāng)代一般UPS的PWM輸出過程

    從該圖中可以看出，其輸出波形已被濾波器濾出正弦波電壓，如果電壓值合適的話就可以直接給負(fù)載使用。1998年至2001年期間，我國進(jìn)口了一批荷蘭Victron品牌的UPS，就是圖2的結(jié)構(gòu)，沒有輸出變壓器。雖然由于采用了傳統(tǒng)的全橋結(jié)構(gòu)逆變器，使得兩條輸出線都是火線，但并不妨礙負(fù)載的正常使用，在很多用戶機(jī)器上的實(shí)際運(yùn)行中證明了這一點(diǎn)。遺憾的是：當(dāng)時(shí)有的計(jì)算機(jī)廠家不知出于什么目的，竟提出了UPS輸出端接地的要求，否則就不給負(fù)載計(jì)算機(jī)開機(jī)！暫不談這種要求是否值得商榷，但為了能給用戶開機(jī)，也只好將UPS輸出的一端接地。但這樣一來，接地以后的UPS一啟動(dòng)，逆變器就炸機(jī)。無奈只好在UPS輸出端加了一個(gè)隔離變壓器才算穩(wěn)住了局面。換言之，如果UPS輸出一端不接地，不用變壓器也可為計(jì)算機(jī)正常供電，這是其一。其二，因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)畢竟使用的都是220V，一根火線和一根零線就足夠了，和地線并沒有什么關(guān)系…

    80年代前后由于絕緣柵晶體管（IGBT）的出現(xiàn)，又為UPS技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件，在脈寬調(diào)制波形和頻率基本不做改變的情況下，IGBT就可以順利地取代晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管。但鑒于以前的接地要求，這個(gè)變壓器就這樣很自然地沿用下來了，當(dāng)然這也和電池電壓不符合交流電輸出值的要求，需要變壓也有關(guān)系。

（a）工頻機(jī)UPS輸出正弦波的原理電路 （b）高頻機(jī)UPS輸出正弦波的原理電路

圖3 兩種UPS輸出正弦波時(shí)的電路結(jié)構(gòu)

    1980年中后期，UPS的逆變器推出了半橋結(jié)構(gòu)電路，和多數(shù)工頻機(jī)UPS采用的全橋逆變器相比，它的兩條輸出線就是一條火線和一條零線。這樣一來，在滿足負(fù)載輸入接地的條件下就可以不用變壓器隔離了，如圖3的（a）和（b）所示。如果工頻機(jī)UPS的逆變器也采用半橋結(jié)構(gòu)，也可省去了這個(gè)輸出變壓器。目前已有幾個(gè)品牌的工頻機(jī)UPS采用了半橋逆變器結(jié)構(gòu)電路而取消了輸出隔離變壓器。

    從上面的討論可以看出，所謂輸出隔離變壓器并不是當(dāng)代工頻機(jī)UPS必然配套的裝置，更不是工頻機(jī)UPS的什么“法寶”，而是可有可無：用半橋逆變器就可以不要輸出變壓器，用全橋逆變器，如果輸出值合適且不要求接地時(shí)也可不要輸出變壓器。目前已有的工頻機(jī)型UPS就取消了輸出變壓器。至于還有的工頻機(jī)UPS生產(chǎn)廠家繼續(xù)仍保留此裝置，那是制造廠家的考慮。并不表示輸出變壓器就是UPS的必配裝置。比如也有的高頻機(jī)型UPS的逆變器仍采用全橋電路結(jié)構(gòu)，后面也加了輸出變壓器，更有的在半橋逆變器后面又加了輸出變壓器的情況，但整流器和逆變器仍然采用了IGBT，其數(shù)千赫茲的工作頻率也沒變，所以仍然屬于高頻機(jī)范疇。既然輸出變壓器是當(dāng)代工頻機(jī)UPS的身外之物，再用它作為區(qū)分兩種類型UPS的標(biāo)志就不是充分的理由了。就像用是否穿高跟鞋作為區(qū)分男性和女性的的條件一樣缺乏唯一性。<