浅析IGBT功率模块整流的UPS工作原理及维护

陈涛

摘 要：现在人们的生活中越来越多的使用UPS。UPS的整流方式主要有：可控硅整流方式和IGBT功率模块整流两种。由于IGBT功率模块有很多优点，现在先进的UPS基本都采用IGBT功率模块整流方式。文章简单的介绍了IGBT功率模块整流的UPS的工作原理，简要介绍其维护方法。

关键词：UPS；IGBT；功率模块

1 概述

卫星广播电视传输要求在任何情况下保障电力的可靠传输，保障设备正常工作，信号正常传输，因此要求电力系统配备UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）进行保障。

UPS系统可以为重要的负载提供可靠、连续、无干扰的电源供应，它具有很多优势：输出电源的电压稳定；工作频率稳定；输出电压波形纯正等。当外电出现问题（外电问题：外电中断；电压浪涌、电压波形下陷；高压尖脉冲；瞬态高压；谐波干扰；频率漂移；持续高低压等）时，由储能电池向负载供电，确保负载运行正常，至外电恢复或后备油机启动。同时UPS还有自动旁路和手动旁路两种切换方式，当UPS电源本身出现问题时，UPS可以切换至自动旁路，保证电力的可靠供应，当UPS需要检修时可以切换到手动旁路进行检修。

2 UPS的原理

2.1 UPS基本原理

UPS系统是由整流器、逆变器、电池组、静态开关四个部分组成（如图1所示）。UPS正常工作时，Q1闭合，Q2断开，外电通过整流器、逆变器、静态开关供应负载使用。整流器在系统中起到稳定电压的功能，它可以在外电出现一定幅度的波动时，仍然输出稳定的电压。逆变器在系统中主要是保障UPS输出频率的稳定。电池组完成储能、净化的功能，消除整流器无法净化的瞬间干扰脉冲，同时当外电中断时提供储能保障。静态开关负责检测逆变器输出电的质量，当UPS逆变器输出电故障时，静态开关瞬间切换到UPS自动旁路，确保负载供电不中断。两路外电在实际连接时可以使用同一变压器输出的电源，也可以使用不同变压器输出的电源，但是当UPS2台及以上并机使用时，接到几个UPS旁路的外电必须是同一变压器输出的电源。当UPS需要转接到检修旁路即手动旁路时，断开Q1，合上Q2即可。

目前新型UPS大多采用IGBT功率模块技术。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）又叫做绝缘栅双极晶体管，是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种复合器件。IGBT具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性。UPS采用IGBT技术科室具有实现高效、结构简单、对电网污染少、近似纯阻性负载的优点，既可以保护负载也同时可以保护电网。

UPS整流器使用IGBT整流技术，采用高频切换脉宽调制电流，使得输入电流谐波降到最小，达到正弦波输入电流，同时克服了滤波器效率随负载功率大小变化的问题。

2.2 UPS的并机

两台或者更多容量的机组通过并联在一起增加系统的输出功率或者提高UPS系统的可靠性。

并机系统内每台机组的输出配线均接到一个公共母排上，正常运行情况下，负载由连接并联母排的机组平均分担。并机过程无需另外添加并机柜、旁路柜或其它公共控制电路。

采用了GE公司独特的RRPA技术（冗余并联组合结构）将多达6台UPS进行并联，可以进一步提高可靠性和安全性。由于RPA技术，每台UPS在并机系统中均按分散控制逻辑方式运行，所有的关键元器件和功能具有冗余性，消除了所有的单点故障。分立旁路结构提供了极大的灵活性，以适应系统在将来容量增减时的需要。

2.2.1 容量并机。UPS可以通过多台并机，使得系统输出功率大于单机最大输出功率，正常并机方式称为容量并机。容量并机方式并机单元最大共享功率等于额定功率总和。一旦一台UPS出现故障，UPS系统提供的总功率不足以满足全部负载的需求，此时，负载将切换到旁路电源。

2.2.2 冗余并机。几台并联冗余系统中，n+1系统中的n台的额定功率必须等同于或高于负载所需功率。负载将被平均分配在连续接到输出母排的n+1台UPS上。如果n+1台UPS中某一台退出在线工作状态，剩下的n台UPS仍向负载维持供电，确保关键用电设备受逆变器供电的保护。鉴于这个设计，负载将工作在更加可靠、更加安全的供电环境，并且得到一个较高的MTBF（平均无故障时间）值。

2.2.3 并机系统控制

高速冗余串口通讯母线可确保数据的正常交换，从而保证每台UPS内CPU之间的通信。每一控制模块控制其自身功能和运行状态，并与所有其它模块保持通信，以便于适应新的情况而做灵活运行。

2.2.4 并机同步。并机系统中的所有机组的旁路交流电源必须相同。所有具有相同功能的UPS在并机过程中，有一台被随机地选取为参考机组，其它设备与该参考机组进行同步。如果参考机组故障，并机系统中另外一台机组自动接替其功能，保证系统运行正常。

3 UPS维护

UPS系统，像其他电气设备一样，需要进行定期的预防性维护工作。维护检查工作可以保障UPS电源的高度可靠性，确保正常使用。维护工作主要包括以下几个方面：

3.1 UPS风扇维护

UPS的IGBT功率模块在工作时产生大量的热量，为了保障IGBT功率模块的正常工作必须做好风扇的维护工作。UPS风扇一般按照20，000小时更换一次，更换时清洁UPS风道及散热间隔。

3.2 电池维护

采用蓄电池进行储能的UPS需要定期进行手动电池测试，以验证在市电故障的情况下，电池是否能够提供与其的后备储能时间。应该至少每3个月进行一次测试。同时最好爱放电测试时，将放电时间设定为总后备时间的一半，达到充分放电的要求。

3.3 UPS机房的温度要求

UPS应该安装在室内温度在-25℃至+55℃之间，空气干燥、洁净的环境中。使用电池储能方式的最佳电池储存温度为20-25℃。不允许将UPS放置在过于潮湿或水源附近。UPS连接交流输入电源前必须接好地线，做好接地保护工作。要把UPS安装在气流可以自由通过UPS及附近空间的地方，确保不要遮挡UPS通风孔。

3.4 UPS维护和检修安全注意事项

在维护UPS时，只有当UPS完全切断其主路电源、旁路电源、蓄电池组输出电源，同时放掉UPS内部的高压滤波电容的储存电能，才能对UPS内部进行检修操作。

3.5 加强日常巡视检查

做好日常巡视检查工作是维护好UPS的前提，要做到每日巡视并做好参数记录工作。检查主要包括UPS运行情况、负载情况、电池外观、风扇是否异响、是否有告警信息、房间温度及湿度情况。

4 结束语

UPS是保证设备可靠供电的最重要一关，只有弄清楚UPS的工作原理同时在平时工作中做好维护工作，才能保证UPS的正常使用。