12脉冲与IGBT高频整流器

　　一、概述12脉冲整流器的由来

　　对于直流来说不存在什么功率因数问题，因为直流的电流和电压永远是同相的。而对于交流而言就出现了这个问题，功率因数是由于电压电流不同相造成的，如图1所示，电流和电压有一个相位差q，图中的黑粗线表示电流和电压同相位时产生的有功功率，而其他部分则是无功功率，功率因数就是表征有功功率和无功功率含量情况的，它是相位差的函数，如式(1)所示。

　　Pf =cos (1)

　　无功功率的出现不是一件好事，因为作为负载来说，它不能将由电网送来的能量全部吸收，只吸收有功功率部分，而无功功率部分则在电网线路中串来串去，白白占据着电网的有效线路而不做功。以后由于非线性负载的出现，如整流脉冲负载，虽然电流不是和电压不同相的的正弦波，但由于对正弦电压波形的破坏也同样出现了无功功率，而且这种整流式脉冲负载已是当前影响功率因数的主要来源。为了节能、有效利用能源和降低干扰，国家对企业的输入功率因数限值做出了规定，如何提高用电设备的输入功率因数已成当务之急。

图1 电流电压不同相时的相对位置关系

　　二、12脉冲整流器的提出和解决方法

　　早期的IT设备供电电源多为单相220V，如果用电设备是电阻负载，其上面的电流和电压波形是连续的，如图2中的左边波形。但一般IT设备又有内部自备电源，这些电源的输入都是一个整流滤波器，使得电流呈脉冲状，使得对应脉冲电流的电压波形部分出现了失真，如图2的中间波形就是单相整流时的破坏情况，这时的输入功率因数只有0.6-0.7。但如果能够将中间图形中的一个大电流脉冲变成布满整个半周的小电流脉冲，也就相当于与电压同相的连续电流了，此时的电压波形就几乎没有失真了，如图中的右图所示，此时的输入功率因数九可以接近于1。

图2 几种负载情况对电压正弦波形的影响情况

　　一般单相小功率UPS即使对电网有破坏，也不会造成大的损失，原因是功率不大。最严重的是三项大功率UPS，比如100-400kVA，目前一般标配都是所谓6脉冲结构输入整流器，如图3(a)所示。图(b)是这种电路破坏输入电压波形的一种情况。尽管如此，但它比单相时好多了输入功率因数可达0.8，原因是它将单相时的每半周一个脉冲增到3个，如图

　　3(e)的“6脉冲整流电流输入波形”所示。但此时如果前面配置发电机还是需要3比1的容量，即发电机的容量至少要3倍于UPS。而且谐波电流也达到30%，对外干扰严重，所以很多用户提出了输入功率因数大于0.9的要求。为了这个目的不得不再增加半周内整流脉冲的数量，最简单的方法是将6脉冲增加到12脉冲，这就需要再增加和原UPS上一模一样的一个6脉冲整流器、一个移相变压器和相应的无源滤波网络。可以看出，造价也增加了不少。有的也尝试增加到18脉冲和24脉冲…但这样做既不经济也带来好多麻烦，比如效率降低很多、功耗大幅度增加、体积越来越庞大和价格越来越高，而效果并不是想象的那样好。于是就陷入了困境。

(e) 不同整流情况下的直流电压和电流脉冲波形

　　三、IGBT整流器的出现

　　IGBT在UPS中的应用最早只限于逆变器。这主要是因为虽然IGBT的电流虽然做得比较大，但耐压等级尚不足对付变化很大的电压范围，这一拖就是十多年。经过这十多年的发展，IGBT制造技术也有了长足的进步，几经改进，已经达到了用于UPS整流器的条件。目前已有一些厂家将IGBT整流的高频机结构UPS容量做到了200kVA左右。与可控硅相比IGBT的电流容量与耐压还是有些距离，所以器件的并联就成了关键。但任何问题都是可以解决的，这其中就不乏佼佼者，比如GE就将这种高频机结构UPS容量做到了500kVA，伊顿的更是突破(促销产品 主营产品)了并联的禁区，一举将9395系列的单机容量做到了1200kVA，覆盖了工频机结构UPS当前达到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高频化的进程。这一改变的意义非常重大，首先它结束了可控硅多脉冲整流无法达到的高输入功率因数水平的问题，比如它可在半周中有上万个整流电流脉冲，如图3(e)的“IGBT整流电流输入波形”。同时也实现了节能减排的目标。

　　有人担心IGBT的可靠性问题，实际上现在的IGBT可靠性比起当年第一代全可控硅UPS来情况好多了，那时的整流器和逆变器都是可控硅器件，而当时的可控硅的水平很原始。不可忽视这几十年的发展，当年的可控硅可以说是在平地上起步的，而现在的IGBT是在积累了几十年经验的基础上发展起来的，二者的基础有本质的区别。具有IGBT整流器的高频机结构UPS在有的厂家已是成熟的技术和成熟的产品，并已被指定为军用产品。由于市场的竞争规律所致，只是一个推广的时间问题。目前在国内几百千伏安的全IGBT结构UPS在金融、在电信、在部队、在科研、在奥运村等很多地方正在服务运行，要正视这个现实，切不可忘言“具有IGBT整流的UPS目前只有100kVA以下才是成熟的”这种结论性的话。甚至有的人把可靠性与先进性对立起来看，说什么：要可靠就用12脉冲整流，要先进就用IGBT整流。就好像先进就不可靠，可靠就不先进。此种说法值得商榷，实际上不可靠的技术本身就不是先进的，当前用在多处的高频机结构IGBT整流的UPS运行现状就说明了这个问题。

　　在UPS中IGBT整流器终究要代替可控硅整流器是不争的事实。但不要误会成在别的方面也是这样，比如在高压电力上可控硅的优点是不可忽视的，也是目前其它半导体器件不可代替的。可控硅技术和应用还在发展，那是说在别的领域，并不代表UPS中的12脉冲整流器也是发展方向，即高频机结构UPS和工频机UPS不是两个发展方向，而是只有高频机结构UPS代替工频机UPS一个方向。

　　是不是IGBT以后也就始终占据着这个整流位置呢?也不尽然。任何器件的服务寿命都不是永恒的。由于可控硅的可控性替代了不可控的普通二极管整流器，又由于可控硅的不可关断性又被IGBT所代替，以后还会由于IGBT的耐压和电流容量问题被其他器件代替，这就是历史。比如有一种器件就是类似于IGBT的MOS管与可控硅的结合器件，既可以有高耐压、大电流，又具高频可控功能的器件正待出现，那时不但在UPS中取代IGBT，而且可能在电力中彻底取代可控硅…这也是历史发展的规律。莫要为IGBT整流器取代12脉冲整流器而耿耿于怀，也不要为IGBT整流器取代12脉冲整流器鸣不平，更不要千方百计地设法阻挡这个潮流。不要模糊人们的视线，向用户讲述真实情况才是最可贵的。