论应用IGBT新技术的UPS电源

科技创新　２０１３年第８期ｌ科技创新与应用　论应用ＩＧＢＴ新技术的ＵＰＳ电源　权琳　（国家广播电影电视总局五四二台，北京１０２４００）　摘　要：随着新技术发展对供电质量需求的不断提高，ＵＰＳ经历了多次技术变革，特别是将ＩＧＢＴ技术应用于ＵＰＳ领域，使ＵＰＳ　发生了一次巨大的变革，使得整机性能发生了非常大的变化，并为下阶段的发展打下了坚实的基础。　关键词：ＵＰＳ电源；ＩＧＢＴ技术；维护管理　近年来，我国广播电视、通讯、网络等行业发展迅速，覆盖了全　国绝大多数地区，已经成为人们现代生活密不可分的重要组成部　分。电源对保障系统安全可靠运行起着至关重要的作用。为了确保　可靠的供电，有交流电源供电的设备需要采用交流不间断电源　（ｕＰｓ），在电源系统中引入ＵＰＳ是为了以优良的供电质量向负载连　续供电，从而提高供电系统的可靠性和质量。　１　ＵＰＳ电源的构成原理　１．１　ＵＰＳ电源的功能及主要构成　ＵＰＳ实际上就是一个大容量蓄电池，它的原理是外电网为其供　电，由它再给我们的设备供电，平时它处于不断充放电的状态，它主　要作用有两个，第一当断电时它起到一个蓄电池的作用，为设备提　供一定时长的供电，保证设备断电后仍然能正常工作；第二就是起　到稳压作用，由于它能提供稳定的电压输出，从而避免因外电网的　电压波动损坏设备。通俗的讲他就好比一个蓄水池，在有水的时候　把水存起来，一旦断水它就提供给我们水。　ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ）即不间断电源是一种储备　能量的装置，它是一种恒频、恒压的以逆变器为主要组成部分的电　源。在广播电影电视领域，主要用于给发射机系统、天馈线系统、卫　星上行系统、车载发射系统及直播系统提供不问断优质电源的设　备。当外接市电正常供电时，ＵＰＳ电源将市电进行净化整定后供应　给后端负载使用，此时ＵＰＳ即是一台交流市电的稳压设备，同时它　还负责向附属的１２Ｖ，６０ＡＨ蓄电池充电；当市电意外中断时，在线　式的ＵＰＳ能够立即通过逆变器使用平时蓄电池储备的电能给负载　供应２２０Ｖ的纯净、恒定交流电，避免负载在突然断电的情况下，电　路板等设备受到冲击、ｌｆａｓｈ等存储器数据丢失，但后备式的ＵＰＳ不　能够实现零秒切换，因此其使用受到了一定程度的限制。　１．２　ＵＰＳ电源工作原理　流电压，供给逆变电路，同时给蓄电池提供充电电压。直流与交流电　的输入可以通过软启动电路来完成，这样开机时产生的瞬时电压给　电网带来的波动就会减小或被抑制掉。　１．２．２逆变（ＤＣ－ＡＣ电路）　逆变器是将直流电转化为交流电的装置，主要由逆变桥、控制　逻辑、滤波电路组成。使用高功率可控硅或者ＩＧＢＴ全桥逆变电路模　块，使功率的富余量大大提升，在输出允许范围内输出的动态阻抗　变的很小，提高了响应速度。因为使用了软启动技术及瞬间冲击保　护技术，使逆变器无论是市电供电波动还是负载冲击造成短路，都　能够稳定地工作。　１．２．３控制驱动　控制驱动部分是完成主机控制部分的核心，它不但能够提供保　护功能、检测功能、同步功能同时显示驱动信息，还能够完成ＳＰＷＭ　正弦波脉宽调制控制，因为使用静态、动态双电压源反馈，最大程度　地改善了直流交流变换电路的动态范围和稳定度。　１．２．４电源工作过程　当市电正常３８０ＶＡＣ时，ＵＰＳ电源将输入的交流市电先通过整　流器变成直流电，对电池充电，然后通过ＤＣ—ＡＣ交流逆变器将直流　电逆变成交流电，输出标准的稳定的纯净的２２０ＶＡＣ交流电。当任　何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离开关向直流回路　供电，在线式的ＵＰＳ从市电切换到电池供电能够实现零秒切换。当　电池供电达到设定的下限时，绝大多数ＵＰＳ均会报警，最后停止工　作，长鸣报警。当所带负载过大时，系统会自动切换到旁路工作，并　在负载恢复至正常带载范围后自动返回。当严重超载时，ＵＰＳ立即　切换到旁路工作，主机开关会跳开。ＵＰＳ主机开机前应计算好负载　容量，使其负载在设定的工作范围内，有利于延长电池工作寿命。　２　ＩＧＢＴ技术介绍　ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）绝缘栅双极型晶体管，　１．２．１整流（ＡＣ—ＤＣ变换）　将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直　是由ＧＴＲ管和ＭＯＳ管组合而成的电压驱动式器件，既具备了绝缘　扰动的方向，从而开始下一个控制周期。　３实验　针对提出的基于无电流传感器的ＭＰＰＴ算法，在一台２４５Ｗ的单　级式光伏并网逆变器上进行了验证。实验用光伏电池板标称值为：最大　输出功率２３０Ｗ，开路电压３６．９Ｖ，短路电流７．５２Ａ，ＭＰＰＴ电压３０Ｖ。　图２为本文算法的稳态波形图。可以看到，当光照保持不变时，系　统根据ｄＵ判定负载功率扰动方向。ｔ０时，系统检测到ｄｕ＜－￡。，表示系统　滑入Ａ区，此时负载功－￣Ｎｄ，，电压Ｕ达到谷值后开始上升；ｔ１时，系统　检测到ｄｕ（－￡　，表示系统由Ａ区向Ｂ区过度，此时负载功率不变；ｔ２时，　系统检测到ｄＵ＜一　表示系统处于Ｂ区，此时负载功率增大，电压Ｕ达　到峰值后开始下降；ｔ３时，系统又回到起始点，开始下一个新的调节周　期。　电池　压／ｖ　１．６５Ｖ　性。　参考文献　【１】吴理博，赵争鸣，刘建政，等．单级式光伏并网逆变系统中的最大功率　点跟踪算法稳定性研究ｌｊ］冲国电机工程学报，２００６，２６（６）：７３＿７７．　［２］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等．太阳能光伏发电及其应用【Ｍ］．北京：科学　出版社，２００５．　『３］陈剑，赵争鸣，袁立强，等．光伏系统最大功率点跟踪技术的比较ｌＪ１．清　华大学学报：自然科学版，２０１０，５０（５）．　刘邦银，段善旭，刘飞，等．基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率　点跟踪叨．电工技术学报，２００９，２４（６）．　ｆ　侯世英，殷忠宁，孙韬．基于单变量检测的光伏电池最大功率点跟踪算　法ｌＪ】．电力自动化设备，２０１２，３２０）．　４结束语　［６］Ｆｅｍｉａ　Ｎ，Ｐｅｔｒｏｎｅ　Ｇ，Ｓｐａｇｎｕｏｌｏ　Ｇ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｅ￣ｕｒｂ　ａｎｄ　在传统电导增量　Ｏｂｓｅｒｖｅ　Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ叨．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　法的基础上，提出了　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，２ｏ（４）．　ｄＵ／ｖ　负载　流／Ａ　图３稳态波形图　种无电流传感器的　ＭＰＰＴ算法，该算法只　需要检测光伏电池端　的电压即可实现　ＭＰｔｒＦ控制，有较好的　稳态精度和动态响　应，降低了系统成本。　实验结果证明理论分　析的正确性和可行　一１７】余运江，李武华，邓焰，等．光伏并网逆变器拓扑结构分析与性能比较　【ＪＪ．苏州市职业大学学报，２０１０，２１（１）：１３—１８．　［８　杰，傅诚，陈德明，等．高频并网光伏逆变器的主电路拓扑技术叨．电　力电子技术，４２ｆ７１．　作者简介：顾桂磊（１９８４＿１，男，硕士，研究方向为光伏逆变器拓扑和　算法。　通讯作者：刘延章（１９５０一），男，教授、博士，研究方向为系统建模与　控制，ＬＥＤ照明，工业节能控制。　一２３—　科技创新与应用Ｉ　２０１３年第８期　栅型场效应管的高输入阻抗又有双极型晶体管的低导通压降双重　特性。双极型晶体管的饱和压降较其他晶体管低，虽载流密度大，但　同时驱动电流也大，绝缘栅型场效应晶体管驱动功率较小，开关速　度相对就快，载流密度小，但其导通压降较大。绝缘栅双极型晶体管　综合了这两种晶体管的优点，驱动功率小同时兼顾了饱和压降低的　要求。绝缘栅双极型晶体管的开关作用可概括为在正向栅极加电压　以便形成沟道，给晶体管基极提供正向电流，使绝缘栅双极型晶体　管导通。如果想消除沟道，加反向门极电压即可使基极流过反向电　流，使绝缘栅双极型晶体管关断。　绝缘栅双极型晶体管的驱动方法和绝缘栅型场效应管基本相　科技创新　调试的矩形波，用于为ＩＧＢＴ提供闸控信号。ＩＧＢＴ整流控制单元的　ＤＳＰ产生多路高频调制脉冲，控制整流器的ＩＧＢＴ开通和关断，它的　开通和关断与输入电抗器共同作用产生了与输入电压相位一致的　正弦电流波形，消除了输入市电的谐波含量，提高输入功率因数，输　出功率因数高达０．９以上。减少非线性负载情况下的谐波总畸变，　提高对阶跃型负载的瞬态响应，使输出电压谐波畸变极低，有良好　的输出波形。　４．５功能强大的输入范围整流器，可编程软启动，Ｐｕｒｅ　Ｐｕｌｓｅ是　应用于ＩＧＢＴ整流器的新型控制算法，这种电流型整流器确保输入　谐波总畸变率小于２％，输入功率因数ＰＦ＝０．９９，并从电网中吸收纯　同，只需控制基极电流的流向形成沟道即可。　蝴搬０　Ｇ　¨潮　噩ＩＩ｜１　¨叠　ｌ　ｄ　ＩＩ艟ＩＩ！Ｉ　１１Ｉ　１１１１　ｌ¨　ｊ　ｌ　Ｈｌ　ｌ料ｌｌＵ潮　。。　§　Ｕ　Ｕ　Ｕ　ｐ箍区　灌　电子滚；　髂媾　Ｎ基区　ｆＩｌｌｌｌ　¨¨ＩＩＩｌｌＩＩＩｌｌ¨Ｉ盯Ｈ｝ｎＨｌｆＩ　Ｉ　ｌＩＩｌｌｒ［棚『Ｗ玎ＩＨ弼砸。ｍ硼Ｗ　ｍＷ　御　Ｎ沟道ＩＧＢＴ示意图　ＧＴＲ是由三层半导体材料两个ＰＮ结组成的，三层半导体材料　的结构形式可以是ＰＮＰ，也可以是ＮＰＮ。大多数双极型功率晶体管　是在重掺质的Ｎ＋硅衬底上，用外延生长法在Ｎ＋上生长一层Ｎ漂移　层，然后在漂移层上扩散Ｐ基区，接着扩散Ｎ＋发射区，因此称之为　三重扩散。基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中　和提高器件电流处理能力。　３　ＩＧＢＴ技术应用　［ＧＢＴ的开关速度非常快，它的中频电源为一种恒功率输出电　源，逆变频率时刻跟踪负载变化，达到完全谐振，加少量调整即可达　到满功率输出，并且始终保持不变；因逆变部分采用串联谐振，并且　逆变电压高，比普通可控硅节能；ＩＧＢＴ中频采用调频调功，整流部　分采用全桥整流，电感和电容滤波，所以ＩＧＢＴ中频产生高次谐波　小，对电网产生污染更低。　节能型ＩＧＢＴ晶体管中频电源与传统可控硅中频电源相比可节　能达１０％一２０％，具体体现在如下几个方面：　３．１由于节能型ＩＧＢＴ晶体管逆变电压较传统晶体管高，载流　密度小，因此线路损耗小，其中频电源逆变电压大约为传统可控硅　中频电源逆变电压的４倍，线路损耗也因此有很大降低。　３．２由于节能型绝缘栅双极型晶体管中频电源使用了半可控　整流技术，整流不再通过调节可控硅的导通角，因此功率因数能够　保持在０．９８以上，无功损耗小。　３．３　ＩＧＢＴ复合型器件，是ＧＴＲ和ＭＯＳ的混合也具有通态压降　低，电流容量大的优点，更具有输入阻抗高，响应速度快，控制简单　的优点。ＳＣＲ频率最高只能达到十的四次方，ＩＧＢＴ频率可达到十的　八次方。　４采用ＩＧＢＴ技术ＵＰＳ的性能提升　４．１在ＩＧＢＴ整流器电源部件上使用创新的控制算法而不是标　准滤波器来满足日益增长的清洁输入性能需求。　４．２超级电池管理对ＵＰＳ的电池系统进行定期维护和监视，确　保需要时充分运行。　４．３满载和部分负载情况下均具极高效率，节省了能源消耗。　４．４空间矢量调制（ＳＶＭ）是新一代脉冲宽度调试逆变器控制技　术。它采用先进的ＰＷＭ转换技术来驱动绝缘栅双极型晶体管，　ＳＶＭ是使用较简单的转换形式组合来生成输出电压矢量，在传统　的ＰＷＭ中，三角波还与基准正弦波进行比较结果是经过脉冲宽度　一２４一　正弦波形。满载和部分负载情况下谐波量可忽略，性能恒定。　４．６精确地并联系统性能：可并联不间断电源模块，实现真正的　沉余，借助ＲＰＡ，无需使用外部电子装置或开关控制并联系统中的　ＵＰＳ模块，系统中的ＵＰＳ模块之一随机担任主导角色，其他ＵＰＳ模　块可以访问所以控制参数。如果一个ＵＰＳ无法运行，负载将在其他　ＵＰＳ之间自动重新分配。如果主导ＵＰＳ无法运行，其他ＵＰＳ将自动　接管主导角色。ＲＰＡ系统设计为不存在单点故障，确保关键负载获　得最高级电源保护。　５　ＵＰＳ电源的有效管理　５．１　ＵＰＳ的防反灌技术　为了避免旁路输入端在没有市电或市电断电的情况下还存有　高压的现象，保证人身安全而采用ＵＰＳ的旁路反灌保护电路。包括　反灌电流检测电路、反灌电流采样电路和旁路反灌保护驱动电路等　的应用。反灌电流检测电路设有电流互感器和假负载一、假负载二　和假负载三。假负载一连接在ＵＰＳ旁路的空开第一相输出端与ＵＰＳ　系统主路的中线之间，假负载二连接在ＵＰＳ旁路的空开第二相输出　端与ＵＰＳ系统主路的中线之间，假负载三连接在ＵＰＳ旁路的空开　第三相输出端与ＵＰＳ系统主路的中线之间。电流互感器的两端与旁　路开关输出端和旁路的晶闸管相连接，电流互感器的输出端与防反　灌电流采样电路的输出端相连接，从而实现在市电消失后，旁路输　入端仍有高压存在的现象，最终实现保护人身安全的作用。　５．２应用在ＵＰＳ上的ＮＭＣ技术　随着ＵＰＳ在供电系统中的广泛应用，大多数ＵＰＳ电源及其蓄　电池都是免维护的。而正因为是免维护的，才需要通过网络管理技　术对ＵＰＳ电源进行远程监控、管理，从而避免值班人员在ＵＰＳ电源　机房现场巡机、手动操作控制设备，最终实现”无人值班，有人留守”　的工作模式。那么如何实现对ＵＰＳ电源状态的实时查询、故障的声　光报警呢？　容量较大的ＵＰＳ均配备有ＮＭＣ卡，也可以单独配置。安装有　ＮＭＣ卡的ＵＰＳ通过网络交换机与安装有管理软件的远端管理终端　相连接，登陆管理软件通过身份验证后便可远程控制机房内的ＵＰＳ　电源。功能强大的ＮＭＣ卡可以扩展接人多个传感器，实现门禁、红　外线入侵检测，甚至可以实现烟感、漏水检测和环境温湿度检测等　功能。此类ＮＭＣ卡的技术特点如下：　（１）支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，一般通过ＲＪ４５网线与交换机连接　（２）支持８０端口，采用Ｂ／Ｓ方式，通过安装有管理软件的终端　便可查询运行状态，进行远程管理。　（３）支持简单网络管理协议，可支持多个ＮＭＣ卡用于多功能模　块的选取。　（４）如果网络中存在ＧＰＳ校时系统，可以自动进行校时。　（５）可以通过多个指示灯，了解设备实时运行状态。　总之，采用ＩＧＢＴ技术的ＵＰＳ电源在使用效率、节约能源、保护　负载等方面都比传统的ＵＰＳ有很大的提升，是未来ＵＰＳ发展的趋　势；在日常维护和检修工作中注意ＵＰＳ对环境的要求及使用注意事　项有利于提高其使用寿命，降低维护成本。