一,、概述12脈沖整流器的由來
對(duì)于直流來說不存在什么功率因數(shù)問題,，因?yàn)橹绷鞯碾娏骱碗妷河肋h(yuǎn)是同相的,。而對(duì)于交流而言就出現(xiàn)了這個(gè)問題,，功率因數(shù)是由于電壓電流不同相造成的,，如圖1所示，電流和電壓有一個(gè)相位差q,，圖中的黑粗線表示電流和電壓同相位時(shí)產(chǎn)生的有功功率,，而其他部分則是無功功率，功率因數(shù)就是表征有功功率和無功功率含量情況的,，它是相位差的函數(shù),，如式(1)所示。
Pf =cos? (1)
無功功率的出現(xiàn)不是一件好事,，因?yàn)樽鳛樨?fù)載來說,，它不能將由電網(wǎng)送來的能量全部吸收，只吸收有功功率部分,，而無功功率部分則在電網(wǎng)線路中串來串去,，白白占據(jù)著電網(wǎng)的有效線路而不做功。以后由于非線性負(fù)載的出現(xiàn),，如整流脈沖負(fù)載,，雖然電流不是和電壓不同相的的正弦波,，但由于對(duì)正弦電壓波形的破壞也同樣出現(xiàn)了無功功率，而且這種整流式脈沖負(fù)載已是當(dāng)前影響功率因數(shù)的主要來源,。為了節(jié)能,、有效利用能源和降低干擾，國家對(duì)企業(yè)的輸入功率因數(shù)限值做出了規(guī)定,，如何提高用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)已成當(dāng)務(wù)之急,。
圖1 電流電壓不同相時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系
二、12脈沖整流器的提出和解決方法
早期的IT設(shè)備供電電源多為單相220V,，如果用電設(shè)備是電阻負(fù)載,，其上面的電流和電壓波形是連續(xù)的，如圖2中的左邊波形,。但一般IT設(shè)備又有內(nèi)部自備電源,，這些電源的輸入都是一個(gè)整流濾波器，使得電流呈脈沖狀,，使得對(duì)應(yīng)脈沖電流的電壓波形部分出現(xiàn)了失真，如圖2的中間波形就是單相整流時(shí)的破壞情況,，這時(shí)的輸入功率因數(shù)只有0.6-0.7,。但如果能夠?qū)⒅虚g圖形中的一個(gè)大電流脈沖變成布滿整個(gè)半周的小電流脈沖，也就相當(dāng)于與電壓同相的連續(xù)電流了,，此時(shí)的電壓波形就幾乎沒有失真了,，如圖中的右圖所示，此時(shí)的輸入功率因數(shù)九可以接近于1,。
圖2 幾種負(fù)載情況對(duì)電壓正弦波形的影響情況
一般單相小功率UPS即使對(duì)電網(wǎng)有破壞,，也不會(huì)造成大的損失，原因是功率不大,。最嚴(yán)重的是三項(xiàng)大功率UPS,，比如100-400kVA，目前一般標(biāo)配都是所謂6脈沖結(jié)構(gòu)輸入整流器,，如圖3(a)所示,。圖(b)是這種電路破壞輸入電壓波形的一種情況。盡管如此,，但它比單相時(shí)好多了輸入功率因數(shù)可達(dá)0.8,，原因是它將單相時(shí)的每半周一個(gè)脈沖增到3個(gè)，如圖
3(e)的“6脈沖整流電流輸入波形”所示,。但此時(shí)如果前面配置發(fā)電機(jī)還是需要3比1的容量,，即發(fā)電機(jī)的容量至少要3倍于UPS。而且諧波電流也達(dá)到30%,，對(duì)外干擾嚴(yán)重,，所以很多用戶提出了輸入功率因數(shù)大于0.9的要求,。為了這個(gè)目的不得不再增加半周內(nèi)整流脈沖的數(shù)量，最簡(jiǎn)單的方法是將6脈沖增加到12脈沖,，這就需要再增加和原UPS上一模一樣的一個(gè)6脈沖整流器,、一個(gè)移相變壓器和相應(yīng)的無源濾波網(wǎng)絡(luò)?？梢钥闯?，造價(jià)也增加了不少。有的也嘗試增加到18脈沖和24脈沖…但這樣做既不經(jīng)濟(jì)也帶來好多麻煩,，比如效率降低很多,、功耗大幅度增加、體積越來越龐大和價(jià)格越來越高,，而效果并不是想象的那樣好,。于是就陷入了困境。
(e) 不同整流情況下的直流電壓和電流脈沖波形
三,、IGBT整流器的出現(xiàn)
IGBT在UPS中的應(yīng)用最早只限于逆變器,。這主要是因?yàn)殡m然IGBT的電流雖然做得比較大，但耐壓等級(jí)尚不足對(duì)付變化很大的電壓范圍,，這一拖就是十多年,。經(jīng)過這十多年的發(fā)展，IGBT制造技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,，幾經(jīng)改進(jìn),，已經(jīng)達(dá)到了用于UPS整流器的條件。目前已有一些廠家將IGBT整流的高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS容量做到了200kVA左右,。與可控硅相比IGBT的電流容量與耐壓還是有些距離,，所以器件的并聯(lián)就成了關(guān)鍵。但任何問題都是可以解決的,，這其中就不乏佼佼者,，比如GE就將這種高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS容量做到了500kVA，伊頓的更是突破(促銷產(chǎn)品 主營(yíng)產(chǎn)品)了并聯(lián)的禁區(qū),，一舉將9395系列的單機(jī)容量做到了1200kVA,，覆蓋了工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS當(dāng)前達(dá)到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化,、高頻化的進(jìn)程,。這一改變的意義非常重大，首先它結(jié)束了可控硅多脈沖整流無法達(dá)到的高輸入功率因數(shù)水平的問題,，比如它可在半周中有上萬個(gè)整流電流脈沖,，如圖3(e)的“IGBT整流電流輸入波形”。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo),。
有人擔(dān)心IGBT的可靠性問題,，實(shí)際上現(xiàn)在的IGBT可靠性比起當(dāng)年第一代全可控硅UPS來情況好多了,，那時(shí)的整流器和逆變器都是可控硅器件，而當(dāng)時(shí)的可控硅的水平很原始,。不可忽視這幾十年的發(fā)展,，當(dāng)年的可控硅可以說是在平地上起步的，而現(xiàn)在的IGBT是在積累了幾十年經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,，二者的基礎(chǔ)有本質(zhì)的區(qū)別,。具有IGBT整流器的高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS在有的廠家已是成熟的技術(shù)和成熟的產(chǎn)品，并已被指定為軍用產(chǎn)品,。由于市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)律所致,，只是一個(gè)推廣的時(shí)間問題。目前在國內(nèi)幾百千伏安的全I(xiàn)GBT結(jié)構(gòu)UPS在金融,、在電信,、在部隊(duì)、在科研,、在奧運(yùn)村等很多地方正在服務(wù)運(yùn)行,，要正視這個(gè)現(xiàn)實(shí)，切不可忘言“具有IGBT整流的UPS目前只有100kVA以下才是成熟的”這種結(jié)論性的話,。甚至有的人把可靠性與先進(jìn)性對(duì)立起來看,，說什么：要可靠就用12脈沖整流，要先進(jìn)就用IGBT整流,。就好像先進(jìn)就不可靠，可靠就不先進(jìn),。此種說法值得商榷,，實(shí)際上不可靠的技術(shù)本身就不是先進(jìn)的，當(dāng)前用在多處的高頻機(jī)結(jié)構(gòu)IGBT整流的UPS運(yùn)行現(xiàn)狀就說明了這個(gè)問題,。
在UPS中IGBT整流器終究要代替可控硅整流器是不爭(zhēng)的事實(shí),。但不要誤會(huì)成在別的方面也是這樣，比如在高壓電力上可控硅的優(yōu)點(diǎn)是不可忽視的,，也是目前其它半導(dǎo)體器件不可代替的,。可控硅技術(shù)和應(yīng)用還在發(fā)展,，那是說在別的領(lǐng)域,，并不代表UPS中的12脈沖整流器也是發(fā)展方向，即高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS和工頻機(jī)UPS不是兩個(gè)發(fā)展方向,，而是只有高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS代替工頻機(jī)UPS一個(gè)方向,。
是不是IGBT以后也就始終占據(jù)著這個(gè)整流位置呢?也不盡然。任何器件的服務(wù)壽命都不是永恒的,。由于可控硅的可控性替代了不可控的普通二極管整流器,，又由于可控硅的不可關(guān)斷性又被IGBT所代替,，以后還會(huì)由于IGBT的耐壓和電流容量問題被其他器件代替，這就是歷史,。比如有一種器件就是類似于IGBT的MOS管與可控硅的結(jié)合器件,，既可以有高耐壓、大電流,，又具高頻可控功能的器件正待出現(xiàn),，那時(shí)不但在UPS中取代IGBT，而且可能在電力中徹底取代可控硅…這也是歷史發(fā)展的規(guī)律,。莫要為IGBT整流器取代12脈沖整流器而耿耿于懷,，也不要為IGBT整流器取代12脈沖整流器鳴不平，更不要千方百計(jì)地設(shè)法阻擋這個(gè)潮流,。不要模糊人們的視線,，向用戶講述真實(shí)情況才是最可貴的。