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(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，因為作為負載來說，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(shè)備的輸入功率因數(shù)已成當務(wù)之急。
圖1 電流電壓不同相時的相對位置關(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整流濾波器，使得電流呈脈沖狀，使得對應(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?qū)⒅虚g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(wǎng)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(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(nèi)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(yīng)的無源濾波網(wǎng)絡(luò)?？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(jīng)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(yīng)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(jīng)過這十多年的發(fā)展，IGBT制造技術(shù)也有了長足的進步，幾經(jīng)改進，已經(jīng)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(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 主營產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jīng)驗的基礎(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。由于市場的競爭規(guī)律所致，只是一個推廣的時間問題。目前在國內(nèi)幾百千伏安的全IGBT結(jié)構(gòu)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(wù)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(jié)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(shù)本身就不是先進的，當前用在多處的高頻機結(jié)構(gòu)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(dǎo)體器件不可代替的?？煽毓杓夹g(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，即高頻機結(jié)構(gòu)UPS和工頻機UPS不是兩個發(fā)展方向，而是只有高頻機結(jié)構(gòu)UPS代替工頻機UPS一個方向。
是不是IGBT以后也就始終占據(jù)著這個整流位置呢?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(shè)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。