近年來，隨著IT產(chǎn)業(yè)的復(fù)興、通訊產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，以及各行各業(yè)對(duì)于大容量數(shù)據(jù)機(jī)房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越來越大，對(duì)于UPS電源的技術(shù)要求也越來越高。同時(shí),配套產(chǎn)業(yè)以及器件的發(fā)展給中大功率UPS的技術(shù)發(fā)展帶來了機(jī)遇。新型磁性元器件、新型半導(dǎo)體功率器件、新一代數(shù)字信號(hào)處理器等層出不窮，這些都讓中大功率UPS的技術(shù)水平達(dá)到了的高度。

　　1 新器件的應(yīng)用

　　近年來隨著鐵磁技術(shù)的飛速發(fā)展，工程師在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)的材料可選擇性大大提高。在開關(guān)電源、電感、扼流圈以及濾波器的設(shè)計(jì)方面，的材料包括MPP(鉬坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(鐵硅鋁)以及鐵粉芯磁芯。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,每種材料都有各自的特點(diǎn)。

　　粉芯材料磁芯是由高磁導(dǎo)率材料經(jīng)過研磨或者噴霧造粒形成粉末，磁芯的磁導(dǎo)率取決于高磁導(dǎo)率材料微粒的尺寸和密度大小，調(diào)整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁導(dǎo)率的磁芯。微粒尺寸越小，直流偏置特性越好，但是成本越高。粉末微粒之間彼此絕緣，因此磁芯固有的分布?xì)庀毒哂懈玫膬?chǔ)能能力，特別適合在儲(chǔ)能電感中應(yīng)用。

　　粉芯的分布式氣隙特性確保能量?jī)?chǔ)存在整個(gè)磁芯體中，這就使得磁芯的溫度穩(wěn)定性較高。而傳統(tǒng)開氣隙的鐵氧體磁芯由于能量?jī)?chǔ)存在氣隙附近,漏感較大，使得氣隙損耗和電磁干擾都明顯增加，有時(shí)局部氣隙損耗甚至比磁芯本身的損耗還大，因此磁芯的溫度穩(wěn)定性不太穩(wěn)定。優(yōu)化磁芯的原則是選擇能夠滿足所有的設(shè)計(jì)目標(biāo)需求的同時(shí)，具有最小折衷的材料。如果成本是首要考慮因素，鐵粉芯是。如果溫度穩(wěn)定性是優(yōu)先考慮因素，那么應(yīng)MPP磁芯。

　　伴隨著上述新材料的應(yīng)用，中大功率UPS中以往廣泛使用的硅鋼類電感、變壓器將有機(jī)會(huì)得到替換。從而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平，UPS系統(tǒng)的功率密度以及性能也將由此而得到提高。

　　作為中大功率UPS中的重要功率器件，IGBT以及SCR器件近年來也得到了極大的發(fā)展，各大廠商針對(duì)UPS的發(fā)展需要提出了大量的解決方案。

　　三電平IGBT模塊給UPS的高頻整流器、逆變器帶來了的機(jī)遇，從而為三電平技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如圖3所示。以往構(gòu)建三電平系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者需要使用分立的器件來搭建，性價(jià)比和系統(tǒng)穩(wěn)定性都得不到保障，因此三電平技術(shù)一直未得到大規(guī)模的應(yīng)用。這種IGBT模塊將所有的器件集成在一起，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了可靠性，給這種技術(shù)在UPS中的應(yīng)用帶來了機(jī)會(huì)。三電平技術(shù)的應(yīng)用可以大大降低磁性元器件的使用量，提高系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，提高系統(tǒng)的功率密度，降低成本。

　　一些器件廠家針對(duì)電力電子系統(tǒng)的散熱需求，給出了一些很好的解決方案。

　　圖4為新一代的大功率水冷IGBT模塊，可以看出其散熱器的用量明顯降低。并且,通過水冷技術(shù)的使用，系統(tǒng)的功率密度明顯提高，噪聲大大降低，熱性能得到提高，可靠性較以往的風(fēng)冷技術(shù)也得到了較大的提升。

　　圖4 大功率水冷IGBT模塊

　　另外，一些半導(dǎo)體工業(yè)的器件，例如SiC、ESBT、JFET等，也將逐漸地在UPS產(chǎn)品中得到應(yīng)用，在提升各個(gè)子系統(tǒng)性能的同時(shí)，提升UPS系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。

　　在UPS控制部分，隨著DSP、FPGA等數(shù)字化芯片的推廣應(yīng)用，以往大量使用的分立元器件將大大減少，從而簡(jiǎn)化了電路板,提高了可靠性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性,并且降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的性能。

　　2 新電路拓?fù)涞膽?yīng)用

　　近年來，世界各國(guó)電力電子機(jī)構(gòu)都不斷地推出新的中大功率UPS拓?fù)浼夹g(shù)。很多拓?fù)浼夹g(shù)都得到了應(yīng)用，從根本上給UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了革命。上述的三電平結(jié)構(gòu)就是其中之一。

　　圖5的Z-Source變換器為近年來的研究成果之一。利用Z型無源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)載的耦合，可靈活地獲得升/降直流電壓。與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)降壓級(jí)聯(lián)電路相比較，阻抗源整流器不需在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖中加死區(qū)，減少了輸入電流波形的畸變，而且具有效率高、電路體積小等優(yōu)點(diǎn)。其靈活的升降壓特點(diǎn)，為燃料電池等新能源在UPS中的應(yīng)用提供了契機(jī)。

　　圖5 Z-Source變換器

　　九開關(guān)變換器較以往的三相四線PFC整流器和三相四線逆變器相比，使用的開關(guān)管數(shù)量減小了，從而降低了系統(tǒng)的造價(jià)，如圖6所示。另外，通過現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用，其性能有望能達(dá)到現(xiàn)有PFC整流器和逆變器的水平。

　　圖6 九開關(guān)變換器

　　新型開關(guān)單元變換器具有提高輸入輸出等效開關(guān)頻率，降低電感量需求，提高并聯(lián)均流效果等優(yōu)勢(shì)，也將給UPS的整流器和逆變器拓?fù)鋷頇C(jī)會(huì)，如圖7所示。

　　圖7 新型開關(guān)單元變換器

　　在通訊電源、DC/DC變換器等領(lǐng)域，軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在中大功率UPS上這一技術(shù)的應(yīng)用可以降低功率器件的損耗，提高可靠性，提高系統(tǒng)效率，提高EMC/EMI性能。

　　圖8給出了一種可以應(yīng)用在中大功率UPS中的軟開關(guān)拓?fù)?，ARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole)結(jié)構(gòu)。

　　圖8 ARCP軟開關(guān)變換器

　　3 新系統(tǒng)解決方案的應(yīng)用

　　隨著水冷、液冷等技術(shù)在其他電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用普及，中大功率UPS也即將進(jìn)入此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　從圖9可以看出，左側(cè)的傳統(tǒng)風(fēng)冷功率模塊占地面積大、體積大、金屬用量多、功率密度低，而右側(cè)的液冷模塊就可以解決上述這些缺點(diǎn)。在當(dāng)今的機(jī)房中，功率密度的要求已經(jīng)越來越高，對(duì)于單機(jī)的容量需求越來越大，給UPS提供的安裝空間卻越來越小。因此，研制出體積小、單機(jī)容量大的產(chǎn)品勢(shì)在必行。

　　圖9 新型液冷功率模塊

　　PFC整流器技術(shù)在中大功率UPS中也得到了廣泛的應(yīng)用，200kVA以下的UPS很多廠商都已經(jīng)推出了PFC整流的產(chǎn)品。相對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的6脈沖或者12脈沖整流器，PFC整流帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，提高了輸入功率因數(shù)，降低了UPS輸入側(cè)的電流諧波，使UPS實(shí)現(xiàn)了綠色化的理念。在不久的將來，PFC整流將有機(jī)會(huì)往更大功率等級(jí)上發(fā)展。

　　大功率PFC整流器結(jié)構(gòu)，如圖10所示，一些國(guó)外廠家已經(jīng)開始嘗試將其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流對(duì)于提高大型UPS系統(tǒng)性能、降低造價(jià)、提高可靠性等方面都具有非常大的積極意義。

　　圖10 大功率PFC整流器結(jié)構(gòu)

　　4 其他行業(yè)技術(shù)的嵌入應(yīng)用

　　現(xiàn)代的中大型UPS供電系統(tǒng)已經(jīng)融合應(yīng)用了其他行業(yè)的大量技術(shù)。移動(dòng)通信以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式應(yīng)用，使得用戶可以實(shí)時(shí)地對(duì)分布于的UPS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。的電池檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到每塊電池的健康狀況并給出預(yù)測(cè)報(bào)警。的故障檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)出UPS中各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，給出分析報(bào)告,防患于未然，提高系統(tǒng)可靠性和可用性。

　　5 結(jié)束語

　　作為信息設(shè)備的守護(hù)神，UPS系統(tǒng)承載著巨大的責(zé)任。大量的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)著其技術(shù)不斷革新?lián)Q代。可以預(yù)見,隨著金融、通訊、IT等市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，更多、更廣泛的新技術(shù)將應(yīng)用到中大功率UPS系統(tǒng)中去，UPS系統(tǒng)將朝著智能化、大型化、綠色化、節(jié)能化等方向不斷發(fā)展。