一文读懂：UPS为什么分为工频UPS与高频UPS

正确区分工频UPS与高频UPS0 引言一直以来，在业界对工频UPS和高频UPS的概念有各种定义，给用户造成了不少混乱和混淆。

主要的定义方法有以下2种。

a)逆变器调制频率论。即：逆变器调制频率高于20kHz的UPS称为高频UPS，低于这个频率的UPS称为工频UPS。这种定义方式经不起推敲的地方在于，如果以逆变器调制频率来定义，那么不仅应该有高频UPS，还应该有中频UPS。而“工频UPS”的说法就师出无名了，因为，目前UPS的逆变器调制频率大多为4~8kHz，根本没有以工频（50Hz)来调制的。

b)整流器调制频率论。这也是最为普遍被接受的一种定义方法。即：如果整流器是工频整流(如SCR可控硅整流），则称为工频机，否则称为高频机。这种定义方法，在一段时间内，确实为业内外普遍接受。但随着UPS技术的发展，这种定义方法也暴露出了其不严谨的地方，无法对现有的UPS机型进行准确的分类。

什么才是“高频机”和“工频机”的准确定义呢？

历史的沿革要对“高频机”和“工频机”进行准确定义，首先必须了解定义本身的历史沿革。

1.1 经典UPS

静态UPS出现于20世纪60年代，其经典的拓扑原理如图1所示。可以看到经典的UPS由整流器、逆变器、静态旁路、维修旁路和逆变输出变压器组成。这里逆变输出变压器是UPS的必要组成部分，其作用是升压。这是因为UPS有一个重要的功能就是稳压，而整流、逆变两次变换均为降压环节(功率晶体管压降及各种损耗引起)，另外还需要考虑市电电压低时，也需要保证稳定不变的输出电压，所以UPS内部必须有一个环节用于升压，而逆变输出变压器就是用来实现这一功能的。这里有一个很重要的概念就是：由于UPS输出在任何时候均需要输出稳定的电压，因此UPS内部必须有一个升压的环节。

1.2 高频机概念的出现20世纪90年代之前，没有高频UPS和工频UPS的称谓区别。高频机的概念出现在90年代后期，这个时候UPS技术发展出现了一次革命，即出现了不带逆变输出变压器的UPS。其典型的拓扑结构见图2。

图1 经典UPS拓扑图

图2 高频UPS拓扑图

通过与经典UPS的拓扑原理图（图2）比较，可以看到，这种机器通过在整流部分增加BOOST斩波器，将整流后的直流提升到了UPS输出所需的电压，从而省掉了逆变器后面的输出变压器。即以直流升压取代了经典UPS的变压器交流升压。这种UPS的优点在于，省掉了逆变器输出变压器，极大节省了成本，减小了UPS的占地面积和重量。另外由于在斩波升压环节增加了功率因数校正功能，这种UPS具有非常好的输入功率因数。国外将这种UPS称为Transformer-less UPS，即无变压器UPS，而将经典的UPS称为Transformer UPS，即带变压器的UPS。而国内则将其称为高频机和工频机，即以整流器的调制频率来区分。无变压器的UPS，其整流部分包含高频斩波，故称其为高频机；带变压器的UPS为相控整流，故称为工频机。

由此可以看到，工频机和高频机概念引入的初衷，是用来区分UPS是否带有逆变器输出变压器的。

2 歧义的产生

在高频机概念出现的初期，其定义基本上还能正确区分两类UPS。但随着UPS技术的不断发展，以及UPS应用环境要求的变化，当初的定义逐渐显现出了不严谨性，造成了很多的困惑和混乱。近年来，随着社会供电环境对绿色电源和节能降耗产品的需求不断增加，UPS技术有了很大发展，尤其是以高输入功率因数和低谐波输入为目标的整流技术。其中IGBT整流器的普遍采用是这一发展浪潮的热点。IGBT整流器与SCR（可控硅）整流器性能的不同之处主要表现在两点。

a)第一点：输入参数的不同。SCR（可控硅)整流器为相控调制，只能工作于工频，输入功率因数较低，输入电流畸变较大。而IGBT整流器可通过控制其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，开关频率通常在几kHz到几十kHz。通过调制，IGBT整流器可以保持输入电流与输入电压一致，且输入电流可以接近于正弦波，因而具有非常高的输入功率因数和非常低的输入电流谐波畸变。

b）第二点：IGBT整流器具有升压功能，即IGBT整流器的输出直流可以根据需要调节其高低，甚至可以直接升到800V，从而满足UPS输出交流的稳压要求。而SCR（可控硅）整流没有此功能。

图3 IGBT整流无变压器UPS

图4 IGBT整流带变压器UPS

图5 IGBT整流+输出变压器UPS

图3~图5是几种IGBT整流UPS的拓扑结构。

图3的UPS，市电输入经过IGBT调制整流，并将直流电压升压至800V左右，直接通过逆变器调制滤波后输出所需稳压电压。图3 IGBT整流无变压器UPS围4 IGBT整流带变压器UPS图5 IGBT整流+输出变压器UPS图4的UPS，市电输入经过IGBT调制整流，获得直流电压（400~500V），经逆变器调制后输出交流电压(310V左右），最后通过输出变压器升压到所需的稳压电压。图5的UPS，是在图3UPS的输出端增加了1台1：1隔离变压器，其IGBT整流器同图3UPS一样具有升压作用。从拓扑图上可以清楚看到，虽然图4和图5的UPS都有输出变压器，但不同的是，图4的变压器是逆变器输出变压器，起升压作用，是UPS的一部分；而图5UPS的变压器，没有升压作用，只相当于在1台UPS的输出加了1台隔离变压器，属于UPS的附属设备。以上3种机型都采用了IGBT整流器，整流器也都工作于高频调制状态，那么以上3种机型都是高频机吗？结论显然是否定的。根据前面提到的工频机和高频机概念引入的初衷，图3的UPS没有逆变输出变压器，属于高频机；图4的UPS带有逆变输出变压器，属于工频机；图5的UPS是增加了输出变压器的高频机。

结论

   由于UPS技术的发展，以整流器的调制频率来定义高频机和工频机，已无法对两类UPS进行正确的区分。只有从UPS的拓扑结构上，才能准确地对两类UPS进行分类。从拓扑结构上可以看到，工频机和高频机UPS的最大区别在于升压环节的处理。带变压器的UPS，通过变压器在逆变器后端进行交流升压；无变压器的UPS，通过直流斩波在逆变器前端进行直流升压。

   因此，依照上述原则，如果一定要使用高频/工频的概念进行分类，那么更准确的高频机/工频机的定义是：通过高频直流斩波升压的UPS称为高频机；通过逆变器输出变压器进行交流升压的UPS称为工频机。所以，1台高频机即使外加了输出变压器也不应称为工频机，因为此变压器没有升压作用；而1台工频UPS即使采用IGBT整流也不应称为高频机，因为其升压环节是变压器。

山东科普销售全品类UPS电源，包括高频UPS电源和工频UPS电源，可广泛应用于工业、制造业、医院、生产线等场景，可电话咨询，免费设计选型4006866839.