变压器为什么不能作为区分两种UPS的标志（一）

——输出变压器是当代UPS的“身外之物”

王其英

    在电的领域内命名的有线电和无线电，高压电器和低压电器，电压源和电流源，交流电和直流电，硬件和软件，等等的命名都有其唯一性。工频机UPS和高频机UPS的区分也一样，顾名思义，那就是以频率不同为根据的。就应该从频率的角度去看，而不是另辟途径。

    因为UPS的输入和输出都是50Hz的正弦波标准电压，众所周知这没有什么好讨论的，所以这里所讨论的都是UPS内部的工作情况。在当代工频机UPS中，输出变压器并不是该机所必需的配套装置。在2008年上海国际电源论坛会议上，与会专家们也一致认为“变压器今后并不是电子设备的必然配套装置”，电子变压器会将其替代。但在上个世纪70至80年代，由于技术和元器件的水平还没达到一定程度，UPS的主要器件是还靠可控硅，这是一种半控器件，即开通是可控的，而关断是不可控的，只有等到电压过零点才可关断。因此其工作频率受市电频率约束，只能与市电频率同步工作。而且当时的逆变器输出也只能是单方波。可惜的是当时负载设备电源的输入几乎都有变压器，而UPS输出的方波电压平顶部分会导致变压器铁心饱和，从而造成故障。所以负载对UPS的输出要求必须是正弦波。这样一来，从方波中滤出正弦波就需要庞大的LC滤波器，不但耗材惊人，噪声烦人，而且效率也大幅度降低，尤其是中大功率更是如此。

图1 四阶梯波输出的UPS电路原理方框图

    为此人们又为大功率设计出一种接近於正弦波的阶梯波，以减小LC滤波器的尺寸。但又出现了新的问题：一个阶梯就是一套逆变器，比如1972年美国总统尼克松访华时带来的UPS就是四套逆变器叠加而成的四阶梯波结构，然后再由滤波器滤出正弦波电压，如图1所示。从图中可以看出，四阶梯波的构成就需要变压器将其串联起来。这里的变压器一般是不可少的。小功率由于造价太高，一般还是由方波滤波后输出。

    上世纪70年代美国库伯博士实验成功了一种高频脉宽调制（PWM）电路，使原来庞大的线性电源起了革命性的变化。可惜当时晶体三极管只是低压小功率水平，无法被UPS采用。一直到1980年前后高频技术才被陆续应用到UPS逆变器上，这时使用大功率高压晶体管和场效应管的逆变器调制频率可以做到50Hz工业频率的数百倍，因此LC滤波器的体积也有了本质的变化，可以做的非常小。图2示出了脉宽调制输出被检波出正弦波的情况。

图2 当代一般UPS的PWM输出过程

    从该图中可以看出，其输出波形已被滤波器滤出正弦波电压，如果电压值合适的话就可以直接给负载使用。1998年至2001年期间，我国进口了一批荷兰Victron品牌的UPS，就是图2的结构，没有输出变压器。虽然由于采用了传统的全桥结构逆变器，使得两条输出线都是火线，但并不妨碍负载的正常使用，在很多用户机器上的实际运行中证明了这一点。遗憾的是：当时有的计算机厂家不知出于什么目的，竟提出了UPS输出端接地的要求，否则就不给负载计算机开机！暂不谈这种要求是否值得商榷，但为了能给用户开机，也只好将UPS输出的一端接地。但这样一来，接地以后的UPS一启动，逆变器就炸机。无奈只好在UPS输出端加了一个隔离变压器才算稳住了局面。换言之，如果UPS输出一端不接地，不用变压器也可为计算机正常供电，这是其一。其二，因为当时计算机毕竟使用的都是220V，一根火线和一根零线就足够了，和地线并没有什么关系…

    80年代前后由于绝缘栅晶体管（IGBT）的出现，又为UPS技术的发展提供了有利条件，在脉宽调制波形和频率基本不做改变的情况下，IGBT就可以顺利地取代晶体管和场效应管。但鉴于以前的接地要求，这个变压器就这样很自然地沿用下来了，当然这也和电池电压不符合交流电输出值的要求，需要变压也有关系。

（a）工频机UPS输出正弦波的原理电路 （b）高频机UPS输出正弦波的原理电路

图3 两种UPS输出正弦波时的电路结构

    1980年中后期，UPS的逆变器推出了半桥结构电路，和多数工频机UPS采用的全桥逆变器相比，它的两条输出线就是一条火线和一条零线。这样一来，在满足负载输入接地的条件下就可以不用变压器隔离了，如图3的（a）和（b）所示。如果工频机UPS的逆变器也采用半桥结构，也可省去了这个输出变压器。目前已有几个品牌的工频机UPS采用了半桥逆变器结构电路而取消了输出隔离变压器。

    从上面的讨论可以看出，所谓输出隔离变压器并不是当代工频机UPS必然配套的装置，更不是工频机UPS的什么“法宝”，而是可有可无：用半桥逆变器就可以不要输出变压器，用全桥逆变器，如果输出值合适且不要求接地时也可不要输出变压器。目前已有的工频机型UPS就取消了输出变压器。至于还有的工频机UPS生产厂家继续仍保留此装置，那是制造厂家的考虑。并不表示输出变压器就是UPS的必配装置。比如也有的高频机型UPS的逆变器仍采用全桥电路结构，后面也加了输出变压器，更有的在半桥逆变器后面又加了输出变压器的情况，但整流器和逆变器仍然采用了IGBT，其数千赫兹的工作频率也没变，所以仍然属于高频机范畴。既然输出变压器是当代工频机UPS的身外之物，再用它作为区分两种类型UPS的标志就不是充分的理由了。就像用是否穿高跟鞋作为区分男性和女性的的条件一样缺乏唯一性。<