三相UPS电路架构及效率提升-DELTA.PDFVIP

三相 UPS 電路架構及效率提升 廖 仁 詮 郭 朝 龍 台達電子工業股份有限公司 摘要 台灣由於電子科技及半導體產業的進步發展，製程所需之精密儀器設備對電源品質 的要求日益提高 ，也帶動了對三相大容量 UPS 的需求 。在能源危機及溫室效應的議題 下，如何提升 UPS 運轉效率 、減少能耗及降低營運成本 ，變成 UPS 廠商很重要的一 個課題 。因此 ，本文將從介紹三相 UPS 的電路架構開始 ，從 PFC (功率因數校正) 及 Inverter (逆變器) 電路架構的比較 、控制方法的優化 、主要元器件的選擇及高效率的經 濟模式 (ECO mode) 運轉 ，來提高 UPS 的效率 。同時文中亦對現今國際上的 UPS 效 率法規做一簡介 。 一、前 言 不斷電系統 UPS 主要的目的為提供穩定電源，供給重要負載使用，以防止 在電源品質不良的情況下，造成重要資料之損失。影響電力品質的因素包括：電 壓過高或過低、突波及雜訊、電壓閃爍、三相不平衡 、諧波失真、頻率異常及市 電中斷。雖然 UPS 的主要功能是提供穩定的輸出電源，但在能源危機及溫室效 應的議題下，UPS 除了必須提供穩定電源之外 ，也需在不影響可靠度的前提下 ， 儘可能地提高 UPS 的轉換效率。效率提升的優點除了環境議題之外，還包括了 支出較低的電費 ，節省營運成本。以一台200KW 的 UPS 為例子，當效率由 92% 提高至 96% ，在滿載運轉的情況下一年約可省下八萬度的用電。同時，由於UPS 效率的提升造成發熱量的減少，因此亦可節省機房內冷氣空調設備的裝置費及空 調用電電費。所以如何提升 UPS 效率，現今變成一個很重要的課題。 在本文中，第二節將探討三相 UPS 的基本架構，簡單地介紹 UPS 的組成及 工作模式 ，第三節介紹現今國際上UPS 的相關效率法規，第四節則介紹 UPS 雙 級轉換中的 PFC 電路架構，分析其特性並比較其優缺點，第五節介紹常見於 UPS 的逆變器電路架構 ，分別介紹其特性並比較其優缺點 ，第六節則探討UPS 控制 方法與效率間的關係，第七節針對 UPS 中的關鍵零組件:功率開關元件及磁性元 件的選用，作一簡單的探討與比較，第八節則介紹 UPS 的高效率經濟模式運轉 ， 第九節則作一結論。 二 、UPS 之基本架構 UPS 以工作型態來分類的話，可以分成在線式(On Line UPS) ，在線互動式 (Line-Interactive UPS)及離線式(Off Line UPS) 。離線式 UPS 在正常情況下，負 載由市電直接輸出，市電中斷時，負載則由電池透過逆變器供給。在線互動式 UPS 與離線式 UPS 的主要差別為:在線互動式 UPS 在輸入電壓不穩定時 ，能透 過電壓調整 ，提供負載一穩定之輸出，若市電中斷或頻率異常，再由電池供電。 在線式 UPS 透過雙級轉換，使得 UPS 輸出不受輸入電壓的品質影響，穩定地提 供負載一純淨的電源 。當市電中斷，在線式 UPS 亦藉由電池供電給負載。這三 種工作型態的 UPS ，若以效率來區分的話，則離線式UPS 在線互動式 UPS 在線式 UPS ；若以供應負載的電源品質來區分的話，則在線式 UPS 在線互動 式 UPS 離線式 UPS 。 目前市場上之三相 UPS 主要為在線式 UPS ，因此以下再針對三相在線式 UPS 的基本架構作一簡單介紹。三相 UPS 的基本架構主要包括 ：靜態旁路開關 (Bypass static switch, Bypass STS) ，功率因數校正電路(Power factor correction circuit, PFC) ，逆變器(Inverter, INV) ，逆變器靜態開關(Inverter static switch, INV STS)以及充電器(Charger) 所組成 ，如圖一所示。UPS 在正 常情況下，主要透過市電功率因數校正電路逆變器負載的路徑輸出，以確 保供電的品質，並同時對電池充電。當市電中斷時，則 UPS 會轉