近年来，随着IT产业的复兴、通讯产业的持续发展，以及各行各业对于大容量数据机房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越来越大，对于UPS电源的技术要求也越来越高。同时,配套产业以及器件的发展给中大功率UPS的技术发展带来了机遇。新型磁性元器件、新型半导体功率器件、新一代数字信号处理器等层出不穷，这些都让中大功率UPS的技术水平达到了***的高度。

　　1 新器件的应用

　　近年来随着铁磁技术的飞速发展，工程师在设计优化时的材料可选择性大大提高。在开关电源、电感、扼流圈以及滤波器的设计方面，***常用的材料包括MPP(钼坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(铁***)以及铁粉芯磁芯。针对不同的应用场合,每种材料都有各自的特点。

　　粉芯材料磁芯是由高磁导率材料经过研磨或者喷雾造粒形成粉末，磁芯的磁导率取决于高磁导率材料微粒的尺寸和密度大小，调整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁导率的磁芯。微粒尺寸越小，直流偏置特性越好，但是成本越高。粉末微粒之间彼此绝缘，因此磁芯固有的分布气隙具有更好的储能能力，特别适合在储能电感中应用。

　　粉芯的分布式气隙特性确保能量储存在整个磁芯体中，这就使得磁芯的温度稳定性较高。而传统开气隙的铁氧体磁芯由于能量储存在气隙附近,漏感较大，使得气隙损耗和电磁干扰都明显增加，有时局部气隙损耗甚至比磁芯本身的损耗还大，因此磁芯的温度稳定性不太稳定。优化磁芯的原则是选择能够满足所有的设计目标需求的同时，具有***小折衷的材料。如果成本是首要考虑因素，铁粉芯是***佳选择。如果温度稳定性是优先考虑因素，那么应***MPP磁芯。

　　伴随着上述新材料的应用，中大功率UPS中以往广泛使用的硅钢类电感、变压器将有机会得到替换。从而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平，UPS系统的功率密度以及性能也将由此而得到提高。

　　作为中大功率UPS中的重要功率器件，IGBT以及SCR器件近年来也得到了极大的发展，各大厂商针对UPS的发展需要提出了大量的解决方案。

　　三电平IGBT模块给UPS的高频整流器、逆变器带来了***的机遇，从而为三电平技术的推广应用打下了坚实的基础，如图3所示。以往构建三电平系统，设计者需要使用分立的器件来搭建，性价比和系统稳定性都得不到保障，因此三电平技术一直未得到大规模的应用。这种IGBT模块将所有的器件集成在一起，简化了系统设计，提高了可靠性，给这种技术在UPS中的应用带来了机会。三电平技术的应用可以大大降低磁性元器件的使用量，提高系统的静态与动态性能指标，提高系统的功率密度，降低成本。

　　一些器件厂家针对电力电子系统的散热需求，给出了一些很好的解决方案。

　　图4为新一代的大功率水冷IGBT模块，可以看出其散热器的用量明显降低。并且,通过水冷技术的使用，系统的功率密度明显提高，噪声大大降低，热性能得到提高，可靠性较以往的风冷技术也得到了较大的提升。

 

　　图4 大功率水冷IGBT模块

　　另外，一些半导体工业的***新器件，例如SiC、ESBT、JFET等，也将逐渐地在UPS产品中得到应用，在提升各个子系统性能的同时，提升UPS系统的各项指标。

　　在UPS控制部分，随着DSP、FPGA等数字化芯片的推广应用，以往大量使用的分立元器件将大大减少，从而简化了电路板,提高了可靠性、可生产性、可维护性,并且降低系统成本，提高系统的性能。

　　2 新电路拓扑的应用

　　近年来，世界各国电力电子机构都不断***出新的中大功率UPS拓扑技术。很多拓扑技术都得到了应用，从根本上给UPS系统的设计带来了革命。上述的三电平结构就是其中之一。

　　图5的Z-Source变换器为近年来的研究成果之一。利用Z型无源网络实现电源和负载的耦合，可灵活地获得升/降直流电压。与传统的实现***级联电路相比较，阻抗源整流器不需在上下桥臂的驱动脉冲中加死区，减少了输入电流波形的畸变，而且具有效率高、电路体积小等优点。其灵活的升***特点，为燃料电池等新能源在UPS中的应用提供了契机。

 

　　图5 Z-Source变换器

　　九开关变换器较以往的三相四线PFC整流器和三相四线逆变器相比，使用的开关管数量减小了，从而降低了系统的造价，如图6所示。另外，通过现代控制技术的应用，其性能有望能达到现有PFC整流器和逆变器的水平。

 

　　图6 九开关变换器

　　新型开关单元变换器具有提高输入输出等效开关频率，降低电感量需求，提高并联均流效果等优势，也将给UPS的整流器和逆变器拓扑带来机会，如图7所示。

 

　　图7 新型开关单元变换器

　　在通讯电源、DC/DC变换器等领域，软开关技术已经得到了广泛的应用。在中大功率UPS上这一技术的应用可以降低功率器件的损耗，提高可靠性，提高系统效率，提高EMC/EMI性能。

　　图8给出了一种可以应用在中大功率UPS中的软开关拓扑，ARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole)结构。

 

　　图8 ARCP软开关变换器

　　3 新系统解决方案的应用

　　随着水冷、液冷等技术在其他电力电子产品中的应用普及，中大功率UPS也即将进入此项技术的应用领域。

　　从图9可以看出，左侧的传统风冷功率模块占地面积大、体积大、金属用量多、功率密度低，而右侧的液冷模块就可以解决上述这些缺点。在当今的***机房中，功率密度的要求已经越来越高，对于单机的容量需求越来越大，给UPS提供的安装空间却越来越小。因此，研制出体积小、单机容量大的产品势在必行。

 

　　图9 新型液冷功率模块

　　PFC整流器技术在中大功率UPS中也得到了广泛的应用，200kVA以下的UPS很多厂商都已经推出了PFC整流的产品。相对应于传统的6脉冲或者12脉冲整流器，PFC整流带来的技术优势是显而易见的，提高了输入功率因数，降低了UPS输入侧的电流谐波，使UPS实现了绿色化的理念。在不久的将来，PFC整流将有机会往更大功率等级上发展。

　　大功率PFC整流器结构，如图10所示，一些国外厂家已经开始尝试将其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流对于提高大型UPS系统性能、降低造价、提高可靠性等方面都具有非常大的积极意义。

 

　　图10 大功率PFC整流器结构

　　4 其他行业技术的嵌入应用

　　现代的中大型UPS供电系统已经融合应用了其他行业的大量技术。移动通信以及互联网技术的嵌入式应用，使得用户可以实时地对分布于***的UPS系统进行监控。***的电池检测技术可以检测到每块电池的健康状况并给出预测报警。***的故障检测与预警系统可以预测出UPS中各子系统的运行状况，给出分析报告,防患于未然，提高系统可靠性和可用性。

　　5 结束语

　　作为信息设备的守护神，UPS系统承载着巨大的责任。大量的应用需求驱动着其技术不断革新换代。可以预见,随着***、通讯、IT等***市场需求的不断增长，更多、更广泛的新技术将应用到中大功率UPS系统中去，UPS系统将朝着智能化、大型化、绿色化、节能化等方向不断发展。