未来UPS技术趋势：无变压器技术解析

了解传统UPS输出隔离变压器的功能是非常重要的，出线电抗器因为只有当用电路措施能够完全实现它的功能时，才有可 能在新一代设备中替代并取消它。实际上对这个问题是存在一些误解的，诸如：逆变器输出隔离变压器"有隔离的作用"、能够"抗干扰"、能够"缓冲负载的突 变"，还能"提高UPS的可靠性"等等，甚至于认为无变压器的UPS就不能可靠的工作，好像这个变压器是为了这些目的而专门设计的。持有这种看法的人要么 是对UPS逆变器工作原理不太了解，要么是对隔离变压器的功能和在逆变器电路中的作用不甚了解。应该说这个变压器是工频机全桥逆变器不可分离的构成部分， 而且它的作用也很简单：升压和产生三相四线输出的零线。

1、输出变压器的功能之一是为单相负载提供所需要的零线

传统双转换UPS输出变压器的一个重要功能是在UPS输出端产生为单相负载供电时所需要的中性线（通常称之为零线）。
带输出变压器的UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路组成，如图6和图7所示。输出端必须加变压器，否则就完不成输出单相或三相四线交流电压的功能。所以此变压器应视为产生输出零线的变压器。

图6为单相UPS输出DC/AC逆变器主电路图，它是一个全桥逆变电路，每个桥臂有两个串联的IGBT（VT1--VT4），输出交变电压UAB由两个桥臂的中点A和B引出。

当 VT1和VT4同时通导（VT2和VT3截止）时，由直流电压E形成的电流回路是电压E的正端-VT1-负载A端-负载B端-VT4-电压E的负端；而 VT2和VT3同时导通（VT1、VT4截止）时，由直流电压E形成的电流回路是电压E正端-VT2-负载B端-负载A端-VT3-电压E的负端。如果 VT1和VT4与VT2和VT3交替导通的周期是50Hz，则加在负载上的电压UAB是幅值为直流电压E的50Hz方波或者准方波，如果VT1和VT4以 及VT2和VT3都以高频正弦波脉宽调制（SPWM）规律导通和截止，则负载端电压UAB是幅值可调整的正弦波。

值得注意的是，通常单相负载的输入电压要求有一根零线，而且这根零线在系统中（供电系统输入变压器的输出端）是要接大地的，显然，如果把图6单相电路中的A或者B任一点做输出零线接地，都会使输入电压通过导通的半导体功率器件对零线短路而立即烧毁逆变器。

图7为三相UPS输出的全桥DC/AC逆变器电路框图。为了满足负载必须有零线的要求，于是就增加一个输出隔离变压器，变压器的初级做三角型连接，由三相全桥的三个桥臂中点做三相线电压输入，变压器次级星型连接，产生新的零线按三相四线制向负载供电。

这里不仅需要输出隔离变压器产生零线，为了UPS转旁路时也能正常供电，输出变压器产生的零线还必须与系统输入的零线连接在一起。

2、输出变压器的功能之二是对输出电压的匹配作用

传 统大中型UPS主回路结构采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电，电池直接挂在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流可控硅的调节对电池充电，同时为 IGBT结构的桥式逆变器供电。从系统结构可以看出，从整流到逆变的过程中，每个环节都是降压环节：可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流 方式，由于可控硅整流要"斩掉"一部分输入电压，所以其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压 环节，从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出正弦交流电的过程中通常采用的是脉宽调制（PWM）方法，其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由 于上述的原因，在此种结构的UPS逆变器中，输出变压器起着电压匹配和提升的作用，将逆变器输出的电压升至到合理的输出范围。

在实际应用中，输出变压器通常采用图8的接法，变压器初级是三角型，对于没有升降压作用的隔离变压器，三个初级线圈的电压都是380V，次级是星型，三个次级线圈的电压都是220V，那么初次级线圈的匝比应该是：N1: N2=1:0.577。
当要求输出相电压为稳定的220V时，变压器原边的峰值电压（即直流电压E）应该是：
220V ×1.414×1.732=538.8V

考虑到逆变器PWM工作方式，为逆变器供电的直流电压要高于变压器原边的峰值电压，最小极限值通常取变压器原边峰值电压1.2倍左右，即：

538.8V×1.2=646.56V

但是，当考虑输入电压下限变化10%时，输入三相线电压全波整流的最高直流电压的理论值是：

380V×1.414×0.9=483V

实际上考虑到AC/DC转换过程的降压因素，大中型UPS的电池（直接跨接在直流母线上）通常配置32-34节，额定电压为384V-408V，浮充电压（即AC/DC变换后的直流母线电压）为432V -459V，电池放电下线电压为340V-362V。
UPS直流母线电压的下限值（340V-362V）与输出电压要求的变压器原边的峰值电压（646.56V）之间的差别就应该由输出变压器采用升压方法来解决，所以，输出变压器的升压比应该是 ：646.56V/（340V-362V），即1.9~1.78。
也就是说，输出变压器的实际匝比应该是：1:1.9或1:1.78。

以上数据是按一般情况推算的，实际情况与不同的电路结构形式有直接的关系，输出变压器的参数和接法也不尽相同，但不管电路差别有多大，输出变压器总是通过原付边匝比的变化起着匹配逆变器输入电压与UPS输出电压的作用。


3、输出变压器是隔离变压器，但在系统中没有隔离功能
在 UPS供电系统中，UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时，自动转静态旁路供电，另外，在系统中还设置了维护旁路，当UPS 需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时，都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电，所以系统的零线与负载端的零线必须短接在一起。这 就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线必须连接到输入电源系统的零线上，如图9所示。也就是说，UPS机内的变压器没有电源系统隔离的功 能，如果系统存在零-地电压差较大的问题，UPS机内的逆变器输出变压器对此电压差是无能为力的。

在实际应用中，当零-地电压差过大而需要降低时，就必须额外配置专门的隔离变压器。

隔离变压器的配置方法有两种：

第 一种方法：在旁路输入端配置与UPS同功率的隔离变压器，这样UPS内置的输出变压器的输出零线和旁路隔离变压器输出零线都可以接在系统地线上（重新组成 接地系统），这就实现了UPS输出与供电系统的真正隔离，并使这点的零-地电压差等于零。用这种接法的优点是，在UPS正常工作模式下，旁路隔离变压器空 载运行，不影响UPS的输出性能和系统效率。缺点是，当UPS转旁路时，变压器突然带载工作，其输出电压瞬间会低于转换前UPS检测到的电压（变压器空载 电压），如果转换前UPS检测到的电压已经处于UPS同步运行（限定的可以转旁路运行）的下限，那么转换后因变压器的压降（电压调整率）而使输出电压低于 负载供电电压的下限，负载可能会因此而间断或宕机。

第二种方法：把变压器配置在UPS的输出端，此方法可使UPS供电系统与负载做到理 想的、完全的电气隔离，特别是当UPS供电系统在物理位置上与负载距离较长时，可把变压器放在接近负载端，例如一些大型数据中心，在负载列头柜输入端加装 隔离变压器。此方法的缺点是变压器的阻抗会影响到UPS对负载供电的稳定精度、供电能力和动态特性。

4、关于隔离变压器的抗干扰功能

由于变压器的阻抗有一定的感性成分，因而说这个变压器具有一定的抗干扰作用是可以理解的。但是逆变器输出变压器却不是为抗干扰而设置的，它的抗干扰能力也是有限的。

常 常会有人简单地认为：当系统中设置有隔离变压器时，其抗干扰功能就一定会很强。这种认识并不完全正确。在供电系统中，产生干扰的原因和干扰现象是多种多样 的，其中包括诸如高压脉冲、尖峰毛刺、电涌、暂态过电压、射频干扰（EFI）和电磁干扰（EMI）等等。但是，就其干扰形式和传输途径而言，大体可分为两 类：一是共模干扰，二是差模干扰。共模干扰存在于电源任一相线和零线与大地之间，共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰，是由于辐射或串扰耦合 到电路中的，是载流体与大地之间的干扰。而差模干扰存在于电源相线与零线之间及相线与相线之间，差模干扰有时也称常模干扰、横模干扰或对称干扰，是载流导 体之间的干扰。

目前，人们通常采用的抑制干扰的措施主要有给被保护的设备并联瞬变干扰抑制器和在电子设备的输入端安装电源滤波器两种方式。采用变压器提高抗干扰能力是有一定作用的，但这里讲的变压器应是特殊的"超级隔离变压器"，而非普通的线性变压器。



并 不是隔离变压器就能抗干扰，普通变压器的抗干扰能力是有限的。对于输入电压中存在的低频干扰和电压畸变，变压器不可能也不允许"抗干扰"。否则通过变压器 传输的电压波形就会失真。对由地线环路带来的设备间的相互高频干扰有一定的抑制作用，但因绕组间存在的分布电容，使它对共模干扰的抑制效果随干扰频率的升 高而下降。
变压器是靠磁耦合实现原边和副边的电压变换的，因而它不具备抗差模干扰的功能。在1kHz~100MHz的干扰频率范围内，普通隔离变 压器对共模和差模干扰的衰减能力都微乎其微。对普通隔离变压器的共模抑制能力的分析表明，要提高对共模干扰的抑制能力，关键是减小变压器绕组的匝间耦合电 容，为此在变压器初、次级间加设屏蔽层，如图12所示。

C1为初级绕阻与屏蔽层之间的分布电容， C2为次级绕阻与屏蔽层之间的分布电容，Z1为屏蔽层接地阻抗，Z2为负载的对地阻抗，E1为初级干扰（共模型）电压，E2为E1通过偶合传导到次级的干 扰（共模型）电压。如果C1和C2的阻抗远大于屏蔽层接地阻抗，则偶合传导到次级的干扰电压E2就会远小于E1。要使隔离变压器同时具有较好抗差模干扰与共模干扰的功能，必须把它制作成超级隔离屏蔽变压器。超级屏蔽隔离变压器是性能较完善的多重屏蔽的隔离变压器，对差模和共模都有较强的抑制功能，如图13所示。超 级屏蔽隔离变压器有3屏蔽层，靠近初级绕阻的屏蔽层连接在初级中性线上，可以滤掉初级出现的高频差模干扰。而对50Hz的工频电压则不产生任何影响，靠近 次级绕阻的屏蔽层连接在次级中性线上，可以滤掉次级出现的高频差模干扰。中间屏蔽层则与变压器外壳连在一起，再接大地，主要用来滤掉共模干扰。