一、概述12脈沖整流器的由來

　　對于直流來說不存在什么功率因數(shù)問題，因為直流的電流和電壓永遠是同相的。而對于交流而言就出現(xiàn)了這個問題，功率因數(shù)是由于電壓電流不同相造成的，如圖1所示，電流和電壓有一個相位差q，圖中的黑粗線表示電流和電壓同相位時產生的有功功率，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，因為作為負載來說，它不能將由電網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線路中串來串去，白白占據著電網的有效線路而不做功。以后由于非線性負載的出現(xiàn)，如整流脈沖負載，雖然電流不是和電壓不同相的的正弦波，但由于對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載已是當前影響功率因數(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，如何提高用電設備的輸入功率因數(shù)已成當務之急。

圖1 電流電壓不同相時的相對位置關系

　　二、12脈沖整流器的提出和解決方法

　　早期的IT設備供電電源多為單相220V，如果用電設備是電阻負載，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設備又有內部自備電源，這些電源的輸入都是一個整流濾波器，使得電流呈脈沖狀，使得對應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的破壞情況，這時的輸入功率因數(shù)只有0.6-0.7。但如果能夠將中間圖形中的一個大電流脈沖變成布滿整個半周的小電流脈沖，也就相當于與電壓同相的連續(xù)電流了，此時的電壓波形就幾乎沒有失真了，如圖中的右圖所示，此時的輸入功率因數(shù)九可以接近于1。

圖2 幾種負載情況對電壓正弦波形的影響情況

　　一般單相小功率UPS即使對電網有破壞，也不會造成大的損失，原因是功率不大。最嚴重的是三項大功率UPS，比如100-400kVA，目前一般標配都是所謂6脈沖結構輸入整流器，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，但它比單相時好多了輸入功率因數(shù)可達0.8，原因是它將單相時的每半周一個脈沖增到3個，如圖

　　3(e)的“6脈沖整流電流輸入波形”所示。但此時如果前面配置發(fā)電機還是需要3比1的容量，即發(fā)電機的容量至少要3倍于UPS。而且諧波電流也達到30%，對外干擾嚴重，所以很多用戶提出了輸入功率因數(shù)大于0.9的要求。為了這個目的不得不再增加半周內整流脈沖的數(shù)量，最簡單的方法是將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6脈沖整流器、一個移相變壓器和相應的無源濾波網絡?？梢钥闯?，造價也增加了不少。有的也嘗試增加到18脈沖和24脈沖…但這樣做既不經濟也帶來好多麻煩，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中的應用最早只限于逆變器。這主要是因為雖然IGBT的電流雖然做得比較大，但耐壓等級尚不足對付變化很大的電壓范圍，這一拖就是十多年。經過這十多年的發(fā)展，IGBT制造技術也有了長足的進步，幾經改進，已經達到了用于UPS整流器的條件。目前已有一些廠家將IGBT整流的高頻機結構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就將這種高頻機結構UPS容量做到了500kVA，伊頓的更是突破(促銷產品 主營產品)了并聯(lián)的禁區(qū)，一舉將9395系列的單機容量做到了1200kVA，覆蓋了工頻機結構UPS當前達到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高頻化的進程。這一改變的意義非常重大，首先它結束了可控硅多脈沖整流無法達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整流電流脈沖，如圖3(e)的“IGBT整流電流輸入波形”。同時也實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標。

　　有人擔心IGBT的可靠性問題，實際上現(xiàn)在的IGBT可靠性比起當年第一代全可控硅UPS來情況好多了，那時的整流器和逆變器都是可控硅器件，而當時的可控硅的水平很原始。不可忽視這幾十年的發(fā)展，當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驗的基礎上發(fā)展起來的，二者的基礎有本質的區(qū)別。具有IGBT整流器的高頻機結構UPS在有的廠家已是成熟的技術和成熟的產品，并已被指定為軍用產品。由于市場的競爭規(guī)律所致，只是一個推廣的時間問題。目前在國內幾百千伏安的全IGBT結構UPS在金融、在電信、在部隊、在科研、在奧運村等很多地方正在服務運行，要正視這個現(xiàn)實，切不可忘言“具有IGBT整流的UPS目前只有100kVA以下才是成熟的”這種結論性的話。甚至有的人把可靠性與先進性對立起來看，說什么：要可靠就用12脈沖整流，要先進就用IGBT整流。就好像先進就不可靠，可靠就不先進。此種說法值得商榷，實際上不可靠的技術本身就不是先進的，當前用在多處的高頻機結構IGBT整流的UPS運行現(xiàn)狀就說明了這個問題。

　　在UPS中IGBT整流器終究要代替可控硅整流器是不爭的事實。但不要誤會成在別的方面也是這樣，比如在高壓電力上可控硅的優(yōu)點是不可忽視的，也是目前其它半導體器件不可代替的?？煽毓杓夹g和應用還在發(fā)展，那是說在別的領域，并不代表UPS中的12脈沖整流器也是發(fā)展方向，即高頻機結構UPS和工頻機UPS不是兩個發(fā)展方向，而是只有高頻機結構UPS代替工頻機UPS一個方向。

　　是不是IGBT以后也就始終占據著這個整流位置呢?也不盡然。任何器件的服務壽命都不是永恒的。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斷性又被IGBT所代替，以后還會由于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，更不要千方百計地設法阻擋這個潮流。不要模糊人們的視線，向用戶講述真實情況才是最可貴的。