针对高频机型UPS的几个“致命弱点”论
伊顿公司认为值得商榷
目前已进入高频机UPS逐步代替工频机UPS的年代，当然替代的过程并不是一帆风顺。人们使用了几十年的工频机UPS，已经熟悉了这种电源形式，突然要换机型还不能一下子适应，所以对那些为工频机UPS的赞歌听着比较顺耳，同时对高频机UPS的一些指责也容易接受，就这样一拍即合。岂不知在一定程度上损害了用户的利益，也有勃于当今的国策。常常会听到这样的说法：高频机UPS是好东西，但由于我们的系统非常重要，要求供电的可靠性非常高，所以还是用工频机UPS可靠。言下之意，高频机UPS不可靠。岂不知可靠性是设计出来的，即一台机器的可靠性如何取决于采用了哪一级可靠性标准。举一个简单的例子，一个UPS中常用的120´120的轴流风机，有十几元一只的，也有上百元一只的，价格差了近10倍，哪一个可靠性高呢？不言而喻，当然是上百元一只的可靠性高。又如某品牌的9315系列UPS，人称“标王”和嫩太阳能庭院灯，意思说每次投标它的价格最高，但运行起来可靠性也最高，被人称为“铁机”——就是不出故障;而同一品牌的同功率PB4000系列就便宜得多，而故障也多。当然用户对高频机型UPS的这种担心不是没根据，其根据就是来自某些方面的误导宣传。甚至有的将
这些宣传材料上升为“高频机结构UPS的致命弱点”。虽然问题的提出者只是少数，但影响颇大，在网上粘来粘去，就好像写此文章的人很多，确实影响了不少用户，甚至有些技术人员也受了传染。为了将这些问题搞清楚，使人们对产品有一个科学的看法，下面就这几个方面进行讨论。
(一)IGBT整流器可靠性偏低
持这种看法的“根据”有两个：压缩氧自救器
1. 认为IGBT器件的过载能力不如可控硅(SCR)高 为了证明这个论点，有的就举出两种器件过载能力的例子：SCR可过载到10倍额定电流20s，而IGBT过载到10倍额定电流时只能坚持20ms，就是说过载能力差了1000倍。就根据这一点说IGBT器件的可靠性不如SCR是不是公平呢？这要追索到它们的过载能力为什么不同，难道说IGBT的过载能力只能是10倍20ms吗？当然不是。器件设计者是根据其必要性而选定的。SCR不是全控器件，即一般在交流电路中只能控制其开启而不能控制其关断，可控硅一旦开启只有等到电压或电流过零时才自动关断，如图1(a)下图所示。这种器 件的工作原理就决定了其过载能力不但要强，而且还必须能承受过载较长的时间。比如在图1(a)中SCR在时间t2被触发而开启，假如此处对应的时间手啤机
t2 =1ms，而正好此时输出端正好出现过流甚至于超过10倍，由于在此处无关断机制，那么它必须在t3(50Hz的半周)之前的大约10ms的时间内能承受这种过流而不损坏。否则，若这种器件耐过载时间短，比如是1ms，器损坏的几率就太高了，就没法用了。但IGBT就不同了，因为它不但可以随时开启而且也可以随时被关断，如图1 (b)所示，它在t1被打开而在t2又被关断。目前IGBT的工作频率最高可到达150kHz，即一个开启与关断周期约7ms，所以20ms对IGBT从发现过载到关断的时间而言已经足够长了。就是说IGBT的过载时间不需要做得那麽长，即使厂家再将它的过载时间延长上1000倍又有何用!对于从北京南站30分钟即可抵达天津站已开动的城际列车来说，非要给它10h的运行时间余量，有这个必要吗。 目前大功率UPS的调制频率大都在15 kHz 以下，比如10kHz 就是每半周100个脉冲，每个脉冲的宽度0ms < T<100ms 出现过流或短路时IGBT可在任何一点随时关断。既然可以随时关断又何必将过载时间做的那么长。比如两列往返于北京与天津之间的火车，一列是蒸汽机车，一列是电气动车。为了安全，规定蒸汽机车4h检修一次，而作为电气机车的动车2h检修一次。是否可以说蒸汽机车的可靠性比动车大一倍呢？从时间上看好像是这样，
但在2h之内动车已跑了4个往返，而蒸汽机车则在2h之内仅仅跑了一个单程!到底哪个可靠性更高呢？同样道理，拿两个关断机制与性能不一样器件的过载能力作比较是不是有些牵强。
(二)有的认为：高频机结构UPS存在“零偏故障隐患”
这个问题就是所谓的另一个“致命弱点”。意思是说高频机型的UPS会产生一种“在其它UPS机型上不会出现”的这种现象。这个观点是说：在上游交流电源(比如“输入1”到后备发电机“输入2”)经ATS切换时，UPS输出就会形成8ms以上的输出电压闪断。据说这可导致数据中心机房长达几十分钟到几小时的瘫痪事故。原因是双电源±400V的中点电位在“UPS运行中一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输入到逆变器输入端上”，就会导致逆变器“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”，就会产生这种“瞬态直流偏置”故障。
在交流电路中会出现“单极性的直流偏置电压”，所谓单极性，顾名思义，不是正极性就是负极性。这个直流偏置电压是什么？是如何形成的？问题提出者没有说清楚。这里的意思就是说：在上游ATS切换时，由于输入整流升压环节瞬间断电，则这段零线N上的电流也中 断，如图3(a)所示，从互投柜到UPS之间的零线(虚线N)线段，就会在这段线中激起反电势 ，这个反电势到底能不能构成威胁甚至“致命”，只靠定性地这么一说是没用的，也容易将读者引入歧途。必须要知道反电势的大小才有说服力。为了有一个量的概念，假设UPS到互投柜的零线长度为l=30m=3000cm，直径d=0.6cm，那么这段零线上的分布电感量Lo就是：
直径d=06cm=6mm的电缆截面积S=pr2=28(mm)2。按10A/(mm)2，那么在这里就取300A，设ATS最快的动作时间为0.1s=100ms，于是式(3)就可计算出反电势e值：铝合金拉丝
即在ATS切换时零线上被激起的反电势为0.15V。当然这个计算不一定很准确，但从数量级上看不会差多少，就是大上10倍也才1.5V，因此在这里可看出一些端倪。某处的这种分析悬乎其悬，用想象的“隐患”来吓唬人。换言之，上游ATS切换时在零线上激起的单极性电压微乎其微，既不能造成输出闪断，也不会导致逆变器过压或欠压，更不能造成数据中心机房停电数小时。再说零地电压也根本加不到这些地方去。而且输出电压闪断也不并是这个原因造成的。有关这个问题在后面还要讨论。
某处断言说这种单极性零线电压“在其它UPS机型不会出现”，难道工频机型UPS就没有零
线？在ATS切换时，互投柜到UPS机柜这段距离零线上的电流也会由满载(假设)到零的一个突变过程，在零线上也会产生同样的这种反电势，因为它的零线不是超导体。怎么能说“在其它UPS机型不会出现”呢!
这里还有一个对电路尤其是对UPS工作原理基本知识的了解问题。零线上的单极性电压(即N线直流偏置)是如何形成的？输出电压的闪断是不是所谓的零线电压造成的？如何导致逆变器过压或欠压？出现的这些问题是不是只有高频机型UPS才有，等等。为了搞个明白，现在就这些问题一一讨论。
1. 零线电压指的是什么？众所周知一根导线上只能谈电流，不能谈电压，因为电压就是电位差。而这里就独独提出了一个N线电压的概念，姑且理解成是零地电压，是图3(c)A点对地GE的电压呢还是B点对地GE的电压？因为在有负载的情况下这两点对地的电压是不同的，A点对地GE的电压最高，这就是UPS中整个零线上的电压降，为了符合某处的意愿，暂且取这个最高值，这样就可能导致逆变器“过压”或“欠压”吗？什么值可以让逆变器过压呢？一般说至少要超过额定电压值10%以上，某处给出了±400V的额定工作电压，即使10%算作过压，那麽零线上的电压至少也得40V!问题是零线上能有这么高单极性电压的可
能吗？一般说多数UPS内的零线不会超过2m，而且截面积也不小，在任何正常情况下莫说40V，就连4V也不会有。就算有4V，不会说404V就算过压，就可以损坏功率管吧。这样看来所谓单极性电压导致过压之说法实际上是不存在的!也仅仅是“潜在”的“危险”。再说这个零地电压也加不到管子上。
led风筝 2. 那么单极性零线电压不会构成隐患，输出电压的8ms闪断又是如何形成的？真地就可以导致数据中心断电很长时间吗？
这也是搞电源的人都应该具有的基本知识。众所周知，蓄电池的内阻是比较大的，比如上游ATS切换时，就出现电源内部负载突变现象，再加之电池的动态性能不太好，就更不能很快响应这种突变电流。一般UPS在正常工作时是由输入整流器向逆变器供电，电池组不但空载而且还处于浮充状态。如果输入端突然断电，电池组就必须及时地将全部负载接替过来，但强大的电流突变是一般电池无法响应的。这必然会导致瞬时缺电流状态，也就是所谓的输出电压瞬时“闪断”。为了弥补这个缺欠，设计者就都在电池组或整流器后并入了足够容量的电容器，由于电容器的动态性能比电池好得多，所以瞬变的前沿电流先由电容器补偿，而后由电池来接续以后长时间的功率电流。但如果和电池并联电容器的容量不足
或质量不好，不能适应前沿电流突变的要求，就会使输出电压出现所谓“闪断”的缺口，电容器的电容量越小，输出电压的缺口就越深越宽。所以这个输出电压缺口和所谓的单极性N线电压没有任何关系。
而且这个输出电压缺口问题在任何UPS上都可能存在，而且是不合格产品才会有。不论是高频机型UPS还是工频机型UPS，只要是合格产品(不是偷工减料的)，都不会出现这种输出有闪断的现象。某处为了某种原因将这种谁都可能有的现象硬套在了高频机UPS零线电压上，这又是对UPS工作原理上的误解。
3. 8ms的输出电压闪断真地就可导致数据中心无法工作吗？
一般合格的、功能正常的UPS都不会出现这种现象。退一万步说，即使这个8ms的闪断隐患真地出现，有无致命危险呢？根据IBM和HP对其PC机的实测，在市电断电后，其本身内置电源还可保证机器满负荷工作50ms。这主要是根据电路对其内部直流电源脉动和稳定度的要求而决定的滤波电容器容量得到的附加效果。在大容量机器中，电容量也是按比例增大的。因此也应有同样的效果。起码在不少计算机房也有了断电20ms工作无影响的例子。目前几乎在所有电子设备中都有内置开关电源，它们的任务就是将输入的交流电压变换成
本设备所用的不同品种的直流电压。如图美胸衣4左图所示的电源电路。图中C即为储能装置，如果这个储能装置没有支持本设备8ms后备工作的能力，恐怕就不是合格产品。如果拿不合格产品来说正事，其结果是什么也说明不了。
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