逆变电路的演变决定着UPS电路技术的发展过程

    在传统双转换逆变电路中，变压器室电路不可或缺的重要组成部分，并在总多方面展现其不容小觑的优势。例如，各种变压器绕组的耦合在但是主要用于弥补大功率半导体性能的不足。可以说，技术上的改进使“硅（IGBT半导体）代铜（变压器绕组）”得以实现，其性能也达到甚至超越了以往各代产品的水平。 

    最初的UPS输出逆变器都是带有变压器的。应该说，带变压器是UPS输出逆变器电路形式所决定的，而变压器的存在却是弊大于利。逆变器电路技术演变过程的一个显著的表现形式是:是否必须用变压器以及如何配置变压器。

    19世纪70年代生产的第一代三相UPS的典型电路结构形式(MGEUPSMG240系列)。这个系列的UPS包括一个由降压式自藕变压器绕组供电的二极管全波整流器和一个与整流器相并联的、由自稍变压器的辅助二次侧绕组供电的电池充电器。当电网停电时静态开关可将电池组连接到直流母线上供电。

    逆变器由4个三相变换器以全波方式运行(按照基波频率进行换向)，每一个三相变换器都与变压器的一次侧绕组相连接(A连接)，把这些二次侧绕组开放式的变压器(OpenPhaseTransformers)以一定方式进行串联，以获得合成的输出电压。这4个变压器被分为两组，每一组都包含一个Y形和一个曲折Y型(Z形)的二次侧绕组，这两个二次侧绕组之间具有30。相位差。这一特殊连接可消除序号为"n=6k±1次的电压谐波，其中K为奇数，这等效于一个具有两组移相式整流桥的变压器一次侧绕组所吸收的电流。对于在变压器一次侧绕组中每相可能出现的3次和3n次谐波，由一次侧绕组的人接线方式来抵消。因此，首先需要滤除的谐波为第11次谐波。输出电压的调整是通过移动两组变压器之间的相位来完成的。由于首先进行滤除的是第11次谐波，所以输出滤波器的尺寸较小，这使得逆变器对负载变化的动态响应特性加快。

    超过90%的逆变器效率，这在当时已经足够让人满意了，这样的输出效率得益于采用较低频率的斩波以降低换向损耗。尽管当时这种换向电路(如图2-21所示)是先进的，但仍然存在不容忽视的损耗。

    在图2-21中，可控硅以交替换向的方式进行工作。一只可控硅的关断电流通过电感的中间抽头和电容组成的振荡电路迫使另外的一只可控硅关断。换向恢复电路可借助与主二极管Db和辅助二极管Da相联接的变压器把电容中存储的一部分能量(1/2*CV2)送回到直流电源。

    这种类型电路的主要缺点为:在某些情况下例如过载时，不可能便所有可控硅立即关断，进而使逆变器完全停止工作。这给设备的安全造成威胁。

    改进的逆变器换向电路，可明显降低此类电路的换向能量损耗并实现所有可控硅的同时关断。图中的每只可控硅都有一个关断电路。每个关断电路包含一只可通过一个电阻做预充电的电容器、一个换向电感L1、一只辅助可控硅Ta和一只辅助二极管Da。Ta导通时关断电流在历Ta、L1和C组成的电路中产生环流，这使得电容两端的电压在振荡的第一个1/2周期末发生反向。对于紧接而来的第二个1/2周期，反相电流流过Da中的电流会使主可控硅Tp中的电流减小，直到完全消失。并通过连接于换向电路的Dp，便Tp上的电压反向。辅助可控硅历上的电压在这个1/2周期中也被通导的Da和Tp反向关断。在此周期的最后，电容器两端的电压被再次反向，且通过与其连接的电阻与直流电源的另一极形成回路，完成充电动作，使电容电压恢复到起始值状态。

    为减少电路的能量损失和改善控制功能，下一代系统开始采用一种新的脉冲电路，每个晶闸管都有相应的灭弧电路。整个设备仅需两个变压器。如图2-23所示(MGEAlpase3000系列)。为消除"n=6k士1次的谐波(如前所述斤为奇数)，只需要一组相位相差30。的逆变器，而这30。的相移是预先设置好的，并在每台变压器一次侧以一种叫做"脉冲宽度调节"的方式(PWM)来实现对电压的调整。为达到预期的输出电压，可以将上述换向电路应用于每周期6次换向的基本脉宽调制电路(PWM)。

    变压器的数量从4个减少到2个，但为了实现只采用一个变压器的目标，就不得不提高逆变器电路的性能以实现只需变化PWM就能达到目的，而无需再采用两组变压器的方式。

    以前用两组移相30。的变压器是为减小低频谐波，因为要滤除他们比较困难。由此，MGE于1980年推出了AIpase4000系列UPS。

    在该系列中，变压器的一次侧绕组之间不做连接，而其二次侧绕组则为Z形连接。Z形连接的变压器可消除谐波次数为3n次的谐波。每个逆变器以基波的7倍频率来斩波直流电压。这种斩波方式是固定频率斩波，在设计时以尽可能减小输出电压的失真度以及减小滤波器的尺寸为目标。输出电压的调整是通过移动两组逆变器之间的相位差进行的。

    滤波电感末在此图上标出，因为它已经被集成在变压器绕组中了。

    在逆变电路结构中开始应用了被称为MacMurray的换向电路。

    此处只用了一个LC电路就可以可靠地关断与其连接的主可控硅Tp。此关断动作发生在LC电路振荡的第一个1/2周期末，这使得在此1/2周期结束时电容器两端的电压被反向，从而电容器也因此准备好了对可控硅历进行关断。在第一个振荡周期的最后，电容C两端的电压稍高于一直流电压，而这也就是为什么要将电阻R安装在两个Da之间，以通过辅助二极管Da把此电压恢复到直流电压的原因。如果没有这一电阻，电容器C两端的电压可能达到图z-2MacMurray纱逆变器换向电路很大的数值因而增加换向损耗。

    自19世纪80年代起，UPS逆变器开始只含有一台变压器。同时，随着功率半导体的革新，双极型晶体管以及电子控制级的IGBT等功率半导体器件的出现，逆变电路中的可控硅器件被取代(图2-26和图2-27)，但带输出变压器这种情况仍在继续且一直持续到21世纪伊始，其间，虽然在1995年出现了无变压器的逆变器结构，然而此类产品仅适用于功率≤3OkVA的UPS。造成这一情形的主要原因是功率半导体器件换向时的损耗较大，而较高的耐压要求又使得人们很难在不用变压器的条件下成功地制造出大容量的逆变器。

    图2-26(MGEGalaxy系列)的逆变器采用1GBT器件，变压器一次侧绕组采用开放式连接，而二次侧绕组采用Y连接。每个一次侧绕组都连接到两个变换器支路的臂上，组成的实际上是一个单相全控制逆变器桥。因此，在二次侧绕组上得到的电压是独立进行调节的，这可有效地确保输出电压的良好平衡，而不管三相电流是否处于平衡状态。应该注意的是，此时逆变器是Y连接于中线而不是A连接。使用桥式组件的连接方式可使每个支路的变换频率相对于标称变换频率减小1/2，这样每个支路都只在1/2个周期内工作。

    无论是否有变压器，此种配置都可使从整流器到逆变器的整机效率提高到94%。

    不仅仅只是一个变换器的事情了，此变压器的藕合方式采用一次侧A/二次侧Z形连接。Z形连接不能消除三次及3n次的电压谐波，谐波抑制是通过一次侧A连接来实现。

    这种连接方式可实现两个额外的功能:首先，它可以实时地调节每相的输出电压，而各相电压都与相应的电压变换器的输出同相;此外，它可以吸收负载的3n次谐波电流，避免这些谐波传输到一次侧绕组，这样，IGBT的换向电流得以减弱，从而减少了换向损耗。■