淺析IGBT功率模塊整流的UPS工作原理及維護

陳濤

摘 要：現在人們的生活中越來越多的使用UPS。UPS的整流方式主要有：可控硅整流方式和IGBT功率模塊整流兩種。由于IGBT功率模塊有很多優點，現在先進的UPS基本都采用IGBT功率模塊整流方式。文章簡單的介紹了IGBT功率模塊整流的UPS的工作原理，簡要介紹其維護方法。

關鍵詞：UPS；IGBT；功率模塊

1 概述

衛星廣播電視傳輸要求在任何情況下保障電力的可靠傳輸，保障設備正常工作，信號正常傳輸，因此要求電力系統配備UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）進行保障。

UPS系統可以為重要的負載提供可靠、連續、無干擾的電源供應，它具有很多優勢：輸出電源的電壓穩定；工作頻率穩定；輸出電壓波形純正等。當外電出現問題（外電問題：外電中斷；電壓浪涌、電壓波形下陷；高壓尖脈沖；瞬態高壓；諧波干擾；頻率漂移；持續高低壓等）時，由儲能電池向負載供電，確保負載運行正常，至外電恢復或后備油機啟動。同時UPS還有自動旁路和手動旁路兩種切換方式，當UPS電源本身出現問題時，UPS可以切換至自動旁路，保證電力的可靠供應，當UPS需要檢修時可以切換到手動旁路進行檢修。

2 UPS的原理

2.1 UPS基本原理

UPS系統是由整流器、逆變器、電池組、靜態開關四個部分組成（如圖1所示）。UPS正常工作時，Q1閉合，Q2斷開，外電通過整流器、逆變器、靜態開關供應負載使用。整流器在系統中起到穩定電壓的功能，它可以在外電出現一定幅度的波動時，仍然輸出穩定的電壓。逆變器在系統中主要是保障UPS輸出頻率的穩定。電池組完成儲能、凈化的功能，消除整流器無法凈化的瞬間干擾脈沖，同時當外電中斷時提供儲能保障。靜態開關負責檢測逆變器輸出電的質量，當UPS逆變器輸出電故障時，靜態開關瞬間切換到UPS自動旁路，確保負載供電不中斷。兩路外電在實際連接時可以使用同一變壓器輸出的電源，也可以使用不同變壓器輸出的電源，但是當UPS2臺及以上并機使用時，接到幾個UPS旁路的外電必須是同一變壓器輸出的電源。當UPS需要轉接到檢修旁路即手動旁路時，斷開Q1，合上Q2即可。

目前新型UPS大多采用IGBT功率模塊技術。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）又叫做絕緣柵雙極晶體管，是一種復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的一種復合器件。IGBT具有MOSFET的高速開關及電壓驅動特性。UPS采用IGBT技術科室具有實現高效、結構簡單、對電網污染少、近似純阻性負載的優點，既可以保護負載也同時可以保護電網。

UPS整流器使用IGBT整流技術，采用高頻切換脈寬調制電流，使得輸入電流諧波降到最小，達到正弦波輸入電流，同時克服了濾波器效率隨負載功率大小變化的問題。

2.2 UPS的并機

兩臺或者更多容量的機組通過并聯在一起增加系統的輸出功率或者提高UPS系統的可靠性。

并機系統內每臺機組的輸出配線均接到一個公共母排上，正常運行情況下，負載由連接并聯母排的機組平均分擔。并機過程無需另外添加并機柜、旁路柜或其它公共控制電路。

采用了GE公司獨特的RRPA技術（冗余并聯組合結構）將多達6臺UPS進行并聯，可以進一步提高可靠性和安全性。由于RPA技術，每臺UPS在并機系統中均按分散控制邏輯方式運行，所有的關鍵元器件和功能具有冗余性，消除了所有的單點故障。分立旁路結構提供了極大的靈活性，以適應系統在將來容量增減時的需要。

2.2.1 容量并機。UPS可以通過多臺并機，使得系統輸出功率大于單機最大輸出功率，正常并機方式稱為容量并機。容量并機方式并機單元最大共享功率等于額定功率總和。一旦一臺UPS出現故障，UPS系統提供的總功率不足以滿足全部負載的需求，此時，負載將切換到旁路電源。

2.2.2 冗余并機。幾臺并聯冗余系統中，n+1系統中的n臺的額定功率必須等同于或高于負載所需功率。負載將被平均分配在連續接到輸出母排的n+1臺UPS上。如果n+1臺UPS中某一臺退出在線工作狀態，剩下的n臺UPS仍向負載維持供電，確保關鍵用電設備受逆變器供電的保護。鑒于這個設計，負載將工作在更加可靠、更加安全的供電環境，并且得到一個較高的MTBF（平均無故障時間）值。

2.2.3 并機系統控制

高速冗余串口通訊母線可確保數據的正常交換，從而保證每臺UPS內CPU之間的通信。每一控制模塊控制其自身功能和運行狀態，并與所有其它模塊保持通信，以便于適應新的情況而做靈活運行。

2.2.4 并機同步。并機系統中的所有機組的旁路交流電源必須相同。所有具有相同功能的UPS在并機過程中，有一臺被隨機地選取為參考機組，其它設備與該參考機組進行同步。如果參考機組故障，并機系統中另外一臺機組自動接替其功能，保證系統運行正常。

3 UPS維護

UPS系統，像其他電氣設備一樣，需要進行定期的預防性維護工作。維護檢查工作可以保障UPS電源的高度可靠性，確保正常使用。維護工作主要包括以下幾個方面：

3.1 UPS風扇維護

UPS的IGBT功率模塊在工作時產生大量的熱量，為了保障IGBT功率模塊的正常工作必須做好風扇的維護工作。UPS風扇一般按照20，000小時更換一次，更換時清潔UPS風道及散熱間隔。

3.2 電池維護

采用蓄電池進行儲能的UPS需要定期進行手動電池測試，以驗證在市電故障的情況下，電池是否能夠提供與其的后備儲能時間。應該至少每3個月進行一次測試。同時最好愛放電測試時，將放電時間設定為總后備時間的一半，達到充分放電的要求。

3.3 UPS機房的溫度要求

UPS應該安裝在室內溫度在-25℃至+55℃之間，空氣干燥、潔凈的環境中。使用電池儲能方式的最佳電池儲存溫度為20-25℃。不允許將UPS放置在過于潮濕或水源附近。UPS連接交流輸入電源前必須接好地線，做好接地保護工作。要把UPS安裝在氣流可以自由通過UPS及附近空間的地方，確保不要遮擋UPS通風孔。

3.4 UPS維護和檢修安全注意事項

在維護UPS時，只有當UPS完全切斷其主路電源、旁路電源、蓄電池組輸出電源，同時放掉UPS內部的高壓濾波電容的儲存電能，才能對UPS內部進行檢修操作。

3.5 加強日常巡視檢查

做好日常巡視檢查工作是維護好UPS的前提，要做到每日巡視并做好參數記錄工作。檢查主要包括UPS運行情況、負載情況、電池外觀、風扇是否異響、是否有告警信息、房間溫度及濕度情況。

4 結束語

UPS是保證設備可靠供電的最重要一關，只有弄清楚UPS的工作原理同時在平時工作中做好維護工作，才能保證UPS的正常使用。