較之此前的基于變壓器的UPS系統(tǒng)，今天的無變壓器UPS不僅規(guī)格更小、重量更輕，而且更有效，更可靠，進而得以能夠更好地限制故障電流。此外，它們還使企業(yè)組織能夠利用諸如節(jié)能系統(tǒng)和可變模塊管理系統(tǒng)等復雜功能，通過降低機械復雜性，降低能耗成本來增強可靠性。因此，在當前北美地區(qū)的企業(yè)數(shù)據(jù)中心市場上，對于無變壓器UPS設(shè)計的采用較之舊技術(shù)要出多一倍。

　　無變壓器UPS技術(shù)簡史

無變壓器UPS設(shè)計最早出現(xiàn)在較低的功率水平，大概已經(jīng)有二十多年的歷史了�，F(xiàn)在，絕大多數(shù)低于300 kVA的無變壓器UPS設(shè)計都是無變壓器的，這意味著這類UPS不包含電力線頻率磁性材料(變壓器或電感器)。這種無變壓器設(shè)計趨勢涵蓋更高的功率水平，因為電力線磁性材料既耗費材料又耗費人力。另一方面，所需的高頻功率處理屬于技術(shù)密集型。總的來說，這方面技術(shù)的進步已經(jīng)足夠成熟，可以在不犧牲所需可靠性的情況下為企業(yè)客戶提供更高的價值。而一旦達到這一點，技術(shù)密集型設(shè)計就成為了價值優(yōu)先者的首選。技術(shù)的進步對諸如用于服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的切換式電源供應(yīng)器也產(chǎn)生了類似的影響。

　　無變壓器UPS：增長勢頭迅猛

在功率達到30kVA以上，現(xiàn)在高達1100kVA的情況下，企業(yè)數(shù)據(jù)中心所面臨的挑戰(zhàn)是：如何在高電壓下快速的切換高電流，而不會造成高損耗或過高的峰值電壓。在過去的十年中，大功率IGBT已經(jīng)足夠成熟，允許企業(yè)數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)10kHz以上的頻率轉(zhuǎn)換，而不會在這些更高的功率水平下犧牲效率。此外，在系統(tǒng)效率方面進行測量時，一些創(chuàng)新的控制策略允許進一步減少交換機的損耗，使無變壓器UPS大大優(yōu)于舊式的UPS。

　　無變壓器UPS較之傳統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢

下圖1顯示了傳統(tǒng)和無變壓器技術(shù)UPS動力系統(tǒng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)。相位控制整流器雖然效率高，且性價比高，但會產(chǎn)生較大的諧波輸入電流，并降低的輸入功率因數(shù)，這對于許多企業(yè)數(shù)據(jù)中心站點而言是不可接受的，并且與某些發(fā)電機不兼容。

需要大量的輸入電感器及諧波濾波器，以使得諧波降至總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)的5%至10%，而功率因數(shù)(PF)則最高可降至達> 0.99 PF。這些組件增加了成本和重量，并增加了占地面積，而大量的電容器減少了平均故障間隔時間(MTBF)。另外，它們不會在較寬的負載范圍內(nèi)保持THD下降和PF上升。通常僅在滿載的60%以上才有效。在低于大約40%的輕負載下，輸入PF實際上可能領(lǐng)先，并且會導致與發(fā)電機的不兼容。PF也會隨線路電壓而變化，但僅限于標稱線路。

圖1：傳統(tǒng)和現(xiàn)代無變壓器技術(shù)的簡化原理圖

如下圖2所示，采用IGBT整流器的無變壓器設(shè)計固有地保持PF上升，THD從10%降至100%。其與發(fā)電機高度兼容，避免了SCR通常需要的額外的超大規(guī)格發(fā)電機。這些卓越的輸入特性在輸入電壓工作范圍內(nèi)保持不變。

圖2：傳統(tǒng)UPS設(shè)計的典型輸入特性

圖3：無變壓器UPS設(shè)計的典型輸入特性。

　　THD和無變壓器UPS設(shè)計

關(guān)于諧波失真，其重要程度取決于特定的應(yīng)用程序及其位置。

例如，低頻10%的失真分量比高頻分量產(chǎn)生的電壓失真小得多。如果沒有足夠的輸入濾波，由SCR觸發(fā)引起的快速di/dt(電流高峰)可能會導致嚴重的線路電壓陷波，并干擾鄰近的設(shè)備。事實上，在THP單獨輸入PF降至0.990以下之前，THD需要超過14%的THD。 (見下圖4)

圖4：真正的功率因數(shù)vs.THD

典型的6個SCR輸入電流的THD為30%或更高,di/dt受輸入電感器的限制。

無變壓器中使用的更高開關(guān)頻率允許使用更小的濾波電感和更快的響應(yīng)時間，并提高波形完整性：

圖5：無變壓器拓撲UPS的典型輸入和輸出波形。

下圖6中的動力系統(tǒng)顯示，中性點輸出可以與相電壓一起產(chǎn)生，而無需變壓器。雖然在線操作只需要三線輸入，但需要中性連接以支持旁路操作或相對中性點電壓(phase-to-neutral)負載。在傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)中，三角波變壓器通常用于生成中性點輸出。

圖6：不需要變壓器的動力控制系統(tǒng)

　　無變壓器UPS的電池管理優(yōu)勢

請注意，半橋轉(zhuǎn)換器可以獨立于總線電壓控制電池電壓，并且還允許適應(yīng)一定范圍的電池電壓(例如192至240個電池單元)。該轉(zhuǎn)換器還可使電池處于開路狀態(tài)，以避免持續(xù)的紋波電流以及因明顯高于開路電壓的電壓漂移而導致的加速老化(特別是在高溫下)。借助這些附加功能，先進的電池管理技術(shù)和其他充電技術(shù)可以更有效地延長電池使用壽命。

IGBT整流器級別支持從線路提取的功率，而逆變器級別則支持輸出電流。輸入PF> 0.99時，可以支持高達額定千伏安90%的負載功率，同時保持充足的電池充電儲備。在線電壓降低期間，放棄一些再充電功率以確保繼續(xù)支持輸出負載。當線路電平恢復充滿狀態(tài)/快速充電時，其功能將恢復。

通過在輸入端使用小型電感/電容(LC)低通濾波器，即使輸入電感中的適度di /dt變化也不會干擾線路電壓，只需通過同一個LC濾波器在輸出電壓下對其進行濾波即可。

　磁性元件材料的規(guī)格和重量比較

下圖7顯示了使用無變壓器設(shè)計所實現(xiàn)的規(guī)格和重量減輕的示例，該圖顯示了常規(guī)拓撲UPS的“磁性材料封裝”(mag pak)。包括輸出變壓器、輸入線路電感器、直流母線扼流圈、輸出濾波電感器和輸入諧波濾波電感器。其不僅非常重，而且還造成了整個單元的規(guī)格尺寸非常大。當進行相互比較時，傳統(tǒng)組件與新型無變壓器技術(shù)的規(guī)格尺寸和重量差異在視覺上相當明顯。

圖7：用于275 kVA UPS系統(tǒng)的磁性封裝材料(mag pak)的相對規(guī)格尺寸實例。

圖8：用于無變壓器拓撲的完整動力系統(tǒng)的一半的電感器。

這些電感器被焊接到功率印刷電路板(PCB)上，并以一小部分的規(guī)格尺寸、重量和成本安裝到鋁制的U型通道機箱。圖9顯示了一個終端視圖。

圖9：無變壓器UPS中電感器的終端視圖。

在無變壓器UPS中，經(jīng)常使用閉芯設(shè)計。在高電流和低電感的情況下，通常會產(chǎn)生大的氣隙。消除除核心中心以外的所有部分，也會導致凈透過率低，以及低核心材料采購。將繞組限制為只有兩層，并在磁芯和繞組之間引入空間，可以直接強制冷卻所有繞組。在〜10 KHz及以上時，實線會遭受過度的擦破和鄰近效應(yīng)損失。憑借如此卓越的冷卻效果，只需簡單的絞合線即可，而成本僅僅只是傳統(tǒng)多層絞合線的一小部分。鐵氧體磁芯產(chǎn)生非常低的損耗，并避免被繞組加熱。成對使用時，遠場可以減少，同時通過反平行配置定向獲得約15%的有用電感。

　　無變壓器UPS并不完全相同

與基于變壓器的系統(tǒng)相比，無變壓器UPS具有許多優(yōu)點，但它們并不完全相同。當選擇一款無變壓器UPS用于其關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用時，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的決策者們應(yīng)堅持該款無變壓器UPS必須具備以下特點：

1、體積小，重量輕。

無變壓器的UPS應(yīng)該比基于變壓器的產(chǎn)品體積小得多，重量輕，不僅因為它們不包含笨重的變壓器。UPS還應(yīng)具備小型磁性材料元件(如電感器、扼流圈和鐵氧體)以及氣流改進功能，以盡量減少散熱片的尺寸和重量，并減少冷卻所需的風扇數(shù)量。請注意，除了節(jié)省空間之外，這些增強的功能也可以提高機械的可靠性。

2、能夠從停止的Y型甚至HRG源操作。

應(yīng)在安裝文檔中明確描述中性點的正確處理方式。應(yīng)特別注意上游和下游的故障性能，并且UPS應(yīng)能夠供給給諸如208/120VAC和400/230VAC的4線負載。

3、從高效率到傳統(tǒng)操作模式的短暫過渡時間。

由于在高效率和傳統(tǒng)操作之間轉(zhuǎn)換時不需要磁化輸出變壓器，所以無變壓器UPS應(yīng)該能夠在大約2毫秒內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。大于10毫秒的轉(zhuǎn)換時間可能會對下游靜態(tài)交換機或受支持的IT設(shè)備本身造成問題。

　　結(jié)論

帶有小型輕量級濾波電感器的無變壓器拓撲結(jié)構(gòu)，逆變器和整流器中的高性能IGBT以及先進的控制策略可帶來更高的性能和價值。

與傳統(tǒng)的UPS拓撲設(shè)計相比，無變壓器的UPS通常只有25%的重量，并占地面積僅為前者的60%。低輸入THD(滿載時小于4.5%)和高輸入功率因數(shù)(> 0.99)支持低至近10%的負載，無需額外的輸入濾波器。另外，滿載效率可以達到95%以上。包裝可以設(shè)計成冷卻和接線不需要側(cè)面或后面的通道或間隙。有了這些新的優(yōu)勢，這種技術(shù)密集型設(shè)計將成為企業(yè)數(shù)據(jù)中心的首選拓撲結(jié)構(gòu)。