谈12脉冲与IGBT高频整流器
12脉冲与IGBT高频整流器
电源招聘专家12脉冲与IGBT高频整流器一、概述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。
电源招聘专家图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。
6脉冲12脉冲可控硅整流器原理与区别
6脉冲12脉冲可控硅整流器原理与区别6脉冲和12脉冲可控硅整流器是一种用于交流电转直流电的电力电子装置。
它们的主要原理和区别如下：1.原理可控硅整流器是一种半电压型整流装置，通过控制可控硅的导通角，改变可控硅导通时间的方式，将交流电转换成直流电。
可控硅整流器的主要控制参数有触发脉冲角度和触发脉冲宽度。
6脉冲可控硅整流器的原理是在单相交流电源上，通过两组互相相差60°的三相整流方式，使得输出的直流电压带有6个整流脉动。
12脉冲可控硅整流器的原理是通过两个直流电枢和两组互相相差30°的三相整流方式，在一个周期内产生12个整流脉动，从而减小了脉动幅值，得到了更平滑的直流输出电压。
2.区别2.1.输出电压波形6脉冲可控硅整流器的输出电压波形带有6个整流脉动，脉动幅值较大，相对于12脉冲可控硅整流器而言，输出的直流电压波动较大。
12脉冲可控硅整流器通过在一个周期内产生12个整流脉动，脉动幅值较小，输出的直流电压波动较小。
相对于6脉冲可控硅整流器而言，得到了更平滑的直流输出电压。
2.2.输出电流波形6脉冲可控硅整流器的输出电流波形带有6个整流脉动，脉动幅值较大。
12脉冲可控硅整流器的输出电流波形带有12个整流脉动，脉动幅值更小。
2.3.效率12脉冲可控硅整流器相对于6脉冲可控硅整流器而言，由于输出电压波动更小，脉动幅值更小，因此具有更高的效率。
2.4.成本12脉冲可控硅整流器相对于6脉冲可控硅整流器而言，由于结构复杂性更高，需要控制电路和相应的控制技术，所以成本更高。
综上所述，12脉冲可控硅整流器相对于6脉冲可控硅整流器来说，输出的直流电压和电流波动更小，效率更高，但成本也更高。
在实际应用中，可根据需求和成本的考虑来选择合适的可控硅整流器。
UPS_6脉冲整流器、12脉冲整流器和IGBT整流器技术区别
UPS 6脉冲整流器、12脉冲整流器和IGBT 整流器技术区别6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。
三相桥式整流电路忽略换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a 为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：iA=2⨯31/2/π⨯Id( sinwt -1/5sin5wt -1/7sin7wt +1/11sin11wt +1/13sin13wt -1/17Sin17wt -1/19sinwt +…) (1-1)由此可得以下简洁的结论：电流中含6k ±1（k 为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
2、12脉冲整流器12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。
下图所示I 和II 两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。
电池及 逆变器 输入电池及 逆变器 输入 II桥1的网侧电流傅立叶级数展开为：iIA=iIa=2⨯31/2/π⨯Id( sinwt-1/5sin5wt-1/7sin7wt+1/11sin11wt+1/13sin13wt-1/17Sin17wt-1/19sinwt+…) (1-2)桥II网侧线电压比桥I超前30︒，因网侧线电流比桥I超前30︒。
iIA=2⨯31/2/π⨯Id( sinwt+1/5sin5wt+1/7sin7wt+1/11sin11wt+1/13sin13wt+1/17Sin17wt+1/19sinwt+…) (1-3)故合成的网侧线电流iA=iIA+iIIA=4⨯31/2/π(sinwt+1/11sinwt+1/13sin13wt+…)可见，两个整流桥产生的5、7、17、19、…次谐波相互抵消，注入电网的只有12k±1（k为正整数）次谐波，且其有效值与与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
UPS_6脉冲整流器、12脉冲整流器和IGBT整流器技术区别
UPS 6脉冲整流器、12脉冲整流器和IGBT 整流器技术区别6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。
三相桥式整流电路忽略换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a 为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：iA=2⨯31/2/π⨯Id( sinwt -1/5sin5wt -1/7sin7wt +1/11sin11wt +1/13sin13wt -1/17Sin17wt -1/19sinwt +…) (1-1)由此可得以下简洁的结论：电流中含6k ±1（k 为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
2、12脉冲整流器12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。
下图所示I 和II 两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。
电池及 逆变器 输入电池及 逆变器 输入 II桥1的网侧电流傅立叶级数展开为：iIA=iIa=2⨯31/2/π⨯Id( sinwt-1/5sin5wt-1/7sin7wt+1/11sin11wt+1/13sin13wt-1/17Sin17wt-1/19sinwt+…) (1-2)桥II网侧线电压比桥I超前30︒，因网侧线电流比桥I超前30︒。
iIA=2⨯31/2/π⨯Id( sinwt+1/5sin5wt+1/7sin7wt+1/11sin11wt+1/13sin13wt+1/17Sin17wt+1/19sinwt+…) (1-3)故合成的网侧线电流iA=iIA+iIIA=4⨯31/2/π(sinwt+1/11sinwt+1/13sin13wt+…)可见，两个整流桥产生的5、7、17、19、…次谐波相互抵消，注入电网的只有12k±1（k为正整数）次谐波，且其有效值与与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
“工频”优于“高频”的剖析
“工频机”和“高频机”剖析站在UPS设备厂商立场，当然都认为是自己的好，“公说公有理，婆说婆有理”。
特别是对于起步较晚、技术能力相对较弱的厂商，虽然也或早或晚涉足高频技术的开发，但是短时间内只能止步于中低容量。
为了自身的生存需要，就必须寻找一些看似“过硬”的理由，来延缓市场技术升级的步伐、想方设法延长低技术产品的生命周期，以更少的投入来赢得更大的产出。
下面就“工频机”厂商惯常使用的，抬高“工频机”、贬低“高频机”的论点作逐一分析，看看是不是真的如此，虽然这些厂商自己通常也在生产和销售一定功率段的“高频机”。
其中有的厂商500k已经上市，有的厂商400k正在作初期推广试用的同时，还收购了非主流品牌中低端的1200k生产线。
一、“工频机”厂商的主要论点工频机和高频机是按UPS的电路工作频率来区分的。
工频机是以传统的模拟电路原理设计，由可控硅SCR整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压“隔离”变压器组成。
因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。
高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。
IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz,远远高于工频机,因此称为高频UPS。
在工频UPS电路中，主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。
通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。
由于SCR属于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。
由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压“隔离”变压器。
相比而言，高频UPS整流属于升压整流，其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高，一般典型值为800V左右，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到67节，这样给实际应用带来极大的限制。
高频机型UPS的几个“致命弱点”论值得商榷
高频机型UPS的几个“致命弱点”论值得商榷王其英前言/tech/nr.aspx?id=1373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”，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：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20ms，而IGBT过载到10倍额定电流时只能坚持20μs，就是说过载能力差了1000倍。
igbt 整流 原理
igbt 整流原理
IGBT整流器的工作原理如下：
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）整流器是一种半导体器件，具有合并了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极型接面晶体管）的特点。
它的主要作用是将交流电源转换为直流电源。
IGBT整流器由IGBT管、反并形式的二阀等组成。
IGBT管具有三个电极，即集电极（C）、发射极（E）和栅极（G）。
当栅极施加一个适当的正电压时，栅极与发射极之间形成一个正向偏置，导致集电结反偏，从而使IGBT处于关断状态。
当输入交流电压通过整流器时，它首先通过二阀，这些二阀会为输入的交流电压提供一个整流路径。
接下来，交流电压经过一个电感和电容组成的滤波器，以去除电压的波动部分，从而使输出为平滑的直流电压。
在整流过程中，IGBT管的栅极被适当的触发脉冲信号控制，当信号为高电平时，栅极与发射极形成正向偏置，使得IGBT 管通导；当信号为低电平时，栅极失去偏置，IGBT管处于关断状态。
通过适当控制IGBT管的导通时间和关断时间，可以调整输出直流电压的大小和稳定性。
因此，IGBT整流器在工业电源、电力变流器和交流电动机控制等领域中有广泛的应用。
6脉冲与12脉冲浅析
电子信息系统机房典型用电设备的谐波特性1.PC机、网关、服务器、交换机等IT设备：输入电流谐波分量<65~77%r ；2.带PFC校正功能的PC机、高中档服务器、磁盘等IT设备：输入电流谐波分量<18~27%r ；3.IGBT脉宽调制整流型UPS：输入电流谐波分量<3%r（满载）；4.6脉冲整流器：输入电流谐波分量<30%r （满载）；5.12脉冲整流器：输入电流谐波分量<9%r （满载）；6.6脉冲整流器+5次谐波滤波器：输入电流谐波分量<9%r （满载）；7.12脉冲整流器+11次谐波滤波器：输入电流谐波分量<4.5%r （满载）；8.6脉冲整流器+有源滤波器：输入电流谐波分量<3~5%r （满载）；9.节能灯：输入电流谐波分量<10~34%r.。
6脉冲与12脉冲UPS的浅析摘要：本文从理论推导、实测数据分析、谐波分析和改善对策、性能对比四个方面详细阐述6脉冲和12脉冲整流器的原理和区别。
对大功率UPS的整流技术有一个深入全面的剖析。
一、理论推导1、6脉冲整流器原理：6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。
当忽略三相桥式可控硅整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：(1-1)由公式（1-1）可得以下结论：电流中含6K1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13…等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
图1.1 计算机仿真的6脉冲A相的输入电压、电流波形2、12脉冲整流器原理：12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端、增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。
下图所示I和II两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谈12脉冲与IGBT高频整流器
2009-06-15 16:33作者：wuhp出处：IT365责任编辑：吴红萍【文字大小：大中小】
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 =cosq (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
图1 电流电压不同相时的相对位置关系
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。
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
图2 几种负载情况对电压正弦波形的影响情况
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。
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
(a)6脉冲整流器主电路图(b) SCR导致的输入电压波形失真
(c)12脉冲整流器主电路图(d)IGBT“高频”整流器
(e) 不同整流情况下的直流电压和电流脉冲波形
图3 几种整流电路结构和电压电流波形
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。
二、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。
/173/8905673.shtml来自百度。