工频UPS不等于是工业UPS摘要.pdfVIP

工频UPS不等于是工业UPS 工频机和高频机是两种不同的技术路线或构架,而工业 机和商业机是行业用户应用时,反映了可靠性和适用性的等 级高低。工业机的显性特征是高EMC抗扰度(为了防止电气 环境的传导及辐射电磁*对UPS正常工作的影响);高IP防护 等级(为了防止灰尘、水溅、有害气体等对UPS正常工作的 影响);输出工频隔离变压器(由于在工业应用中,UPS的旁路 输入是独立的,且要求增加工频隔离变压器,所以输出配电 系统灵活,可再生一个TN系统、IT系统,电气隔离等);隐性 特征是根据用户用电环境、负载情况而制定的整流器及逆变 器的控制算法及采样设计。 1 回顾工频机和高频机分类的由来 1956年,美国人J.莫尔制成晶闸管雏型。1957年, 美国人R.A.约克制成实用的晶闸管。50年代末晶闸管被用 于电力电子装置,60年代以来得到迅速推广,并开发出一系 列派生器件,拓展了电力电子技术的应用领域。电力电子电 路随着晶闸管应用的推广,开发出许多电力电子电路,按其 功能可分为:①将交流电能转换成直流电能的整流电路;② 将直流电能转换成交流电能的逆变电路;③将一种形式的交 流电能转换成另一种形式的交流电能的交流变换电路;④将 一种形式的直流电能转换成另一种形式的直流电能的直流 变换电路。这些电路都包含晶闸管,而每个晶闸管都需要相 应的触发器。于是配合这些电力电子电路出现了许多的触发 控制电路。所以,有专家把晶闸管诞生的1957年,叫电力电 子技术产生的元年,由此电子技术学科分为电力电子技术和 信息电子技术。在这个大背景下,第一代静态工频UPS在1964 年应运而生(见图1)。 图1中设计了4个逆变变压器;四个变压器又分为 两组,每组含有两个变压器;变压器的一次侧为三角形连接, 二次侧绕组一个为星型,另一个为曲折星型(Zig-Zag,30° 相移);每组的两个变压器,在一定程度上可消除部分的谐波; 调整两组变压器间的相移即可调整逆变器的输出电压。由于 整流器、逆变器、变压器均属工频,故俗称纯工频UPS。纯工 频UPS,就逆变器输出变压器而言,经历了变压器的数量从4 个减少2个,2个减少到1个的过程。示意图如图2、图3所 示。 1962年,GE公司研制出第一个600V/200AGTO,克服 了普通晶闸管不能门极控制关断的缺点。但是GTO一直在技 术上不过关,在应用中容易烧毁。1974年,日本东芝等公司采 用NTD单晶片并通过计算机模拟技术在GTO研制上取得突破, 生产出1200V/2000A 的GTO。而越做越大的双极晶体管采用 垂直结构、达林顿级联技术以及多元胞集成并联等技术已经 做到500V/200A/50(电流放大倍数hfe),此时已称其为GTR。 20世纪70年代末,由于半导体超净技术的进步,长期阻碍 MOS器件的 “表面态”杂质离子问题也得到控制及解决。 这种最早就构想出的器件却因为技术问题而较晚 到来,但是它的性能更为优秀,也更容易制造。因而,MOS集成 电路在20世纪70年代末得到飞速发展。在20世纪80年代 初,以MOS集成电路为基础的垂直扩散MOS功率器件VDMOS 也在国际整流器公司(International Rectifier)的努力下 逐渐走向成熟。1982年GE公司的美籍印度人B.J.Baliga和 Motorola公司几乎独自同时发明IGBT。1984年,GE公司的 V.A.K.Temple发明性能更为优秀的MCT(H),并在 1991年商 品化生产。但在20世纪90年代末,因结构过于复杂,成品率 低而陷于停滞状态。在20世纪90年代初,日本三菱公司研 制开发的以IGBT为基础的智能功率模块(IPM—— Intelligent Power Module)经过近十年的改进,进入成熟应 用。1995年,西门子公司首次推出了非穿通结构(Non Punch Through)的NPT-IGBT,这在技术上是一个里程碑。因 为,NPT-IGBT技术可以使得功率开关器件在高温可靠性、安 全工作区、超高耐压、低成本、高开关性能等诸多方面同时 得到显著提高。采用NPT-IGBT技术及GTO 圆片工艺,目前已 经可以做出6500V/600A 的NPT-IGBT。 所以,在20世纪80年代中期,UPS的逆变器进入高 频时代,IGBT工作频率通常在开关频率为3～10kHz。工作耐 压为600V。只是由于母线直流电