无变压器的三相逆变器是这种类型变换器设计理念长期发展进化的结晶。

在早期，逆变器的正常工作都需要变压器的，采用不同的绕组耦合方式表现出来的诸多优点最大限度地得以开发利用，以弥补当时功率半导体器件使用寿命不足的缺陷。这就是为什么这种逆变器在市场应用上的发展受到制约的原因，看起来这好像是技术和发展上的倒退，然而实际上这却体现了先进技术的自然发展规律。显然，这种制约在新的此类逆变器工业化生产之前，设计者们不得不把所面临的新问题彻底解决完毕。

减少逆变器中变压器的使用数量，甚至弃用变压器的主要好处在于，这样可以减小逆变器设备的尺寸和重量。

最初的三相逆变器是带有变压器的，但人们很快就开发出了不用变压器的设备，因为变压器所带来的优点并不是很多。

由 梅兰日兰MGE UPS SYSTEMS批量化流水线生产的第一代不间断电源UPS为1970 年的MG240系列。

 

这个系列的UPS包括一个由降压式自耦变压器绕组供电的二极管整流器和一个与整流器相并联的、由自耦变压器的辅助二次侧绕组供电的电池充电器。当电网停电时静态开关可将电池组连接到直流母线上供电。

逆变器由4个三相变换器以全波方式运行（按照基波频率进行换向），每一个三相变换器都与变压器的一次侧绕组相连接，把这些二次侧绕组开放式的变压器(open phase transformers变压器相线开放)以一定方式进行串联，以获得合成的输出电压。这4个变压器被分为两组，每一组都包含一个星形和一个曲折星型（Z形）的二次侧绕组，这两个二次侧绕组之间具有30°相位差。这一特殊连接可消除序号为n = 6k±1 次的电压谐波，其中K为奇数，这等效于一个具有两组移相式整流桥的变压器一次侧绕组所吸收的电流。对于在变压器一次侧绕组中每相可能出现的3 次和3n次谐波，由一次侧绕组的三角形接线方式来抵消。因此，首先需要滤除的谐波为第11次谐波。输出电压的调整是通过移动两组变压器之间的相位来完成的。由于首先进行滤除的是第11次谐波，所以输出滤波器的尺寸较小，这使得逆变器对负载变化的动态响应特性加快。

超过90%的逆变器效率，这在当时已经足够让人满意了，这样的输出效率得益于采用较低频率的斩波以降低换向损耗。尽管当时这种换向电路在产品竞争中是先进的，但还是仍然存在不容忽视的损耗。

可控硅以交替换向的方式进行工作。一只可控硅的弧流（arcing关断电流）通过电感的中间抽头和电容组成的振荡电路迫使另外的一只可控硅关断。换向恢复电路可借助与主二极管Dp和辅助二极管Da相联接的变压器把电容中存储的一部分能量（1/2*CV² ）送回到直流电源。

这种类型电路的主要缺点为：在某些情况下例如过载时，不可能使所有可控硅立即关断，进而使逆变器完全停止工作。

 为了降低此类电路的换向能量损耗并实现所有可控硅的同时关断，梅兰日兰研制出了一种新型的换向电路，这促成了Alpase 3000系列UPS的问世。

左图（图3）中的每只可控硅都设有一个适当的熄灭电路(extinguishing circuit)。每一个这种熄灭电路包含一只可通过一个电阻做预充电的电容器、一个换向电感 L1、一只辅助可控硅Ta和一只辅助二极管Da。

Ta导通时的弧流(arcing关断电流)在 Ta、L1和C组成的电路中产生环流，这使得电容两端的电压在振荡的第一个1/2周期末发生反向。对于紧接而来的第二个1/2周期（反相电流），流过Da中的电流会使主可控硅Tp 中的电流减小，直到完全消失。而后，溢出的电流流经连接于换向电路的Dp，这可使Tp上的电压反向。辅助可控硅 Ta 上的电压在这个 ½ 周期中也为反向（Ta关断）。在此周期的最后，电容器两端的电压被再次反向，且通过与其连接的电阻与直流电源的另一极形成回路，完成充电动作，使电容电压恢复到起始值状态。

Alpase 3000系列的UPS，为消除n = 6k±1次的谐波（如前所述k为奇数）时，只需要一组相位相差30°的变换器，而这30°的相移是预先设置好的，并在每台变压器一次侧以一种叫做“脉冲宽度调节” 的方式（PWM ）来实现对电压的调整。为达到预期的输出电压，可以将这种换向电路应用于每周期6次换向的基本脉宽调制电路(PWM)。而这种工作方式已经进行了优化，以减小来自其它次谐波的影响。

图4：Alpase 3000逆变器电路 

Alpase 3000系列的UPS，变压器的数量已从4个减少到 2个，但为了实现只采用一个变压器的目标，就不得不提高变换器电路的性能以实现只需变化PWM就能达到目的、而无需再使用两组变换器的方式，以前使用两组移相30°的变换器是为减小低频谐波，因为要滤除他们比较困难。由此便于 1980年诞生了Alpase 4000系列UPS。

在该系列中，变压器的一次侧绕组之间不做连接(open phase)，而其二次侧绕组则为 Z形连接。Z形连接的变压器可消除谐波次数为3n次的谐波。每个变换器以基波的7倍频率来斩波直流电压。这种斩波方式就是固定频率斩波，在设计时以尽可能减小输出电压的失真度以及减小滤波器的尺寸为目标，计算得出的。输出电压的调整是通过移动两组变换器之间的相位差进行的。

滤波电感未在此图上标出，因为它已经被集成在变压器绕组中了。

图5：Alpase 4000逆变器电路 

这种被称为Mac Murray的换向电路，因出现了一个电阻和数个辅助二极管Da而被改进。此处只用了一个LC电路就可以可靠地关断与其连接的主可控硅Tp。此关断动作发生在LC电路振荡的第一个1/2周期末，这使得在此1/2周期结束时电容器两端的电压被反向，从而电容器也因此准备好了对可控硅Ta进行关断。在第一个振荡周期的最后，电容C两端的电压稍高于持续电压，而这也就是为什么要将电阻 R安装在两个Da之间，以通过辅助二极管 Da把此电压恢复到直流电压的原因。如果没有这一电阻，电容器 C 两端的电压可能达到很大的数值因而增加换向损耗。

 自 1980 年起，所有梅兰日兰生产的UPS逆变器都只含有一台变压器，尽管取得了各种进展（例如双极型晶体管的出现带来功率半导体的革新，以及电子控制级的IGBT等）但这种情况仍在继续且一直持续到二十一世纪伊始，其间虽然在1995年，出现了Comet系列产品（无变压器的逆变器结构），然而此系列产品仅适用于功率小于等于30 kVA的UPS。

出现这一情形的主要原因是功率半导体器件换向时的损耗较大，而较高的耐压要求又使得人们很难在不用变压器的条件下成功地制作出大容量的变换器。

因此，曾一度使用的变压器是为了利用它减少谐波和实现电压耦合的特性。对于Galaxy和Galaxy PW两个系列的产品，尤其如此。

 

Galaxy系列UPS（图7）的逆变器采用IGBT，变压器一次侧绕组采用开放式连接(open phase)而二次侧绕组采用星形连接。每个一次侧绕组都连接到两个变换器支路的臂上，其作用就是一个单相逆变器桥。因此，在二次侧绕组上得到的电压是独立进行调节的，这可有效地确保输出电压的良好平衡，而不管三相电流是否处于平衡状态。应该注意的是，此时电容器是星形连接于中线而不是三角形连接。使用桥式组件的连接方式可使每个支路的变换频率相对于标称变换频率减小1/2，这样每个支路都只在1/2个周期内工作（导通）。

无论是否有变压器，此种配置都可使从整流器到逆变器的整机效率提高到94%。

Galaxy PW系列（图8）不仅仅只是一个变换器的事情了，此变压器的耦合方式采用一次侧三角形 / 二次侧Z形连接。Z形连接不能消除3次及3n次的电压谐波，谐波是通过一次侧三角形连接来实现。

Z形连接可实现两个额外的功能。首先，它可以实时地调节每相的输出电压，而各相电压都与相应的电压变换器的输出同相。此外，它可以吸收负载的3n次谐波电流，避免这些谐波传输到一次侧绕组，这样，IGBT的换向电流得以减弱，从而减少了换向损耗。

与向滤波器的传输相比，变压器一次侧采用三角绕组的耦合方式更能减少换向次数，因为在一个给定时刻只用两个变换器支路便足以实现一个三相的电源系统，此三相系统作为关断时的参考电压。这个概念也常被称为矢量控制，尽管此术语更多地出现在调速器术语中。

这就是变换器中的变压器如何被逐步发展演变的过程。为了制作出无变压器的逆变器，必须逐步解决的几个问题。

要组成一个无变压器的逆变器，实际上至少需要3个单相的逆变器半桥，而每个逆变器半桥需要独立地工作，产生出各自的输出电压。为使每个逆变器能够输出交流电压的峰值，直流电压E应大于交流输出电压的峰值。考虑到在滤波电感中的电压降和由于负载的各种变化引起的电压降，应使E增加一定的裕量。因此对于230 V的输出交流电压有效值来说，直流电压E必须满足：。

这就是为什么经常要使用到400V左右的直流电压值。此电压值要求功率半导体器件的耐压必须耐受两倍的400Vdc，即800V以上的直流电压；对于有变压器的UPS来说，直接由380V市电电网整流得到的直流电压仅仅为450V。

为了获得更高的直流电压，整流器不能像以前那样采用可控硅整流了，因为这样不能提高直流电压而只能使其降低。因此需要采用一个升压式的变换器，此类变换器只有采用像IGBT一类的现代半导体功率器件才能实现。

鉴于需要使用此类装置来提升直流电压，制作一个具有正弦电流输入并与输入电压同相位（功率因数接近1）的整流器，变得格外地引人关注，图10为一个无变压器UPS的典型实例。

 此处，直流电压的中间点由两只电容器分压来实现。

用PWM整流器可获得800V的直流电压，并且从电网中取得具有很低失真度的电流。电池不再像有变压器的UPS那样直接与直流总线并联，因为要在电池供电后期获得800V的电压，就需要一个更高的电池充电电压（>1000Vdc，这在事实上是很难达到的）。

直流/直流变换器（DC to DC Converter）可以从直流总线获得经降压调整后的直流电压对电池进行充电，并能在电网停电时将电池的较低电压提升为合适的电压加在直流总线上。在图10中，它还担负调整直流总线电压中点的作用，此功能在实际制作中可由一个特殊的变换器来实现。

当今的 IGBT，换向时间已经变为极短（< 1µs），实际上已经几乎没有延时，这使得换向频率得以提高并得到令人满意的效率。对于小功率或中等功率的UPS，以16kHz 的频率工作并获得90％以上的整机效率是有可能的，但是对于更大功率的UPS，此频率必须加以限制，以获得95%以上的整机效率目标。使工作频率不低 于16kHz是为了能减少噪音，因为这一频率是可闻噪音以外的频率。然而，源自基波和负载所需的各种谐波电流的低频噪音是仍然存在的。

 

需要考虑的另一个重要方面是直流滤波电容器和 IGBT 之间的连接方式。耐压1200 V的IGBT开关速度特别快，其电流上升到额定电流70%和下降到额定电流30%的时间，大约在100ns内即可完成。

当换向电流较小时，电流变化率di/dt也保持在适度的水平。例如，100ns 时间内换向电流位50A时，相应的di/dt为500A/µs。对于1,000 A的换向电流，相应的di/dt可达10,000 A/µs。在这种情况下，若存在的寄生电感为0.1µH，关断时所产生的过电压就等于1,000V，这明显是不能接受的。通常情况下的IGBT耐压值为1,200V，这没有太大的裕量。尽管也有可耐压1600V的IGBT，但其正向饱和导通压降相对较大且换向时间也较长。这就是为什么对于功率非常大的 UPS，有必要找到一些方法来降低这些寄生电感，这绝不是仅仅增大功率器件的尺寸就能解决的事情。一般情况下，人们总会想到使用限幅装置，但这会导致成本的增加并引起额外的损耗，因为线路连接中的部分电能（1/2 LI² ）会白白损耗掉。这一点非常重要也是难以解决的，因为这需要减小位于每个IGBT上线的阻抗，并同时把直流滤波电容给不同逆变支路的电流进行正确地分配才能实现。唯一的解决方案是，用多层并相互绝缘的铜片来制作杆状母线（Rod-buses）。考虑到不同的耐压击穿验证，只有这种杆状母线的模拟试验能够获得令人满意的结果。有些测量的方法在实践中由于引入了电流传感器因而并不可信，因为由此带来的附加阻抗是不能忽略的。因此，模拟试验的方式就变得更有价值。精密的制作，可使电解电容的寄生电感降低到20nH。MGE UPS SYSTEMS 正在拟写一篇关于这一主题的论文。

正是由于这些困难，大功率的三相逆变器还是需要变压器的辅助。

无变压器的设备开始出现时其最大功率仅为30kVA，即1992年推出的Comet系列和2000年推出的Galaxy 3000系列。时至今日，已经发展到功率可达200kVA的 Galaxy 5000系列。

 

在电气工程师的意识中，变压器不会传输交流电能中的直流成分，因此带有变压器的逆变器可避免这一风险。这是不可否认的，并且这也正是在对有变压器的逆变器做可靠性分析时，特别是在 AMFEC（Analysis of Modes of Failures from their Effects and their Criticality，基于故障效应和临界性的分析方法）部分，要对此类风险进行评估，并在必要时采取特殊的检测手段以减小这种风险的原因。

应该强调的是，所有带变压器的UPS都已经受到这个问题的影响，因为如果变压器不能传输直流成分，一旦一次侧绕组上接受了一些直流成分时，变压器就不能正常地运行了。这就是为什么要根据所使用的调制类型采取特殊检测的原因。采用传统的脉宽调制PWM方式时，始终会存在一些不均衡现象，这是由于开关频率升高时功率半导体器件换向时间的分散性和负载较大状态下的饱和压降进一步增大所引起的。

更为常用的方法是采用具有磁隙的变压器。此类变压器磁隙尺寸确定的方法是，使变压器可在具有直流分量的条件下工作，其直流电流应等于直流电压除以变压器一次侧绕组的电阻所对应的电流值。此外，测量出因斩波（开关调制）过程引起的直流电压，并通过电压调节的方法足以将直流电压完全消除。

对于 Galaxy系列UPS，由于采用了一种特殊的调制方式，其检测到的直流电流成分是通过电压调节来彻底消除的。

对于无变压器的UPS来说，要消除电压中的直流成分，只能通过测量和电压调整来消除。

以Comet系列UPS为例。

输出电压 Vs 加到积分器之前先进行滤波，积分器的输出信号送给运算放大器。积分器做进一步的滤波，同时使直流分量获得很大的增益。通过这种调整，直流分量最终趋于。

电压漂移仅存在于积分器中，因此在选用积分器时要选择电压漂移尽可能低的。 如果此电路发生故障，降不再能消除其中的直流成分并因此而带来一定的风险。

通过可靠性研究可以得出以下结果：

在三相电路中，有 3 个相同的电路，因此总计有：3 x 4 = 12个电阻，3 x 2 = 6只电容，3 x 2 = 6只二极管和 3个运算放大器。

按照MIL- HADBK -217 F标准的规定，这些元器件的故障率为：

n        电阻故障率 l =4.6*10^－10 /小时；

n        电容故障率 l=1.12*10^－9 /小时；

n        二极管故障率 l =4.5*10^-10/小时；

n        运算放大器故障率 l =2.9*10^-9/小时；

这些器件的总故障率为 2.61*10^-8/小时，这相当于MTTF（Medium Time To Failure，故障间隔时间）为3.83*10⁷小时。这意味着一年内发生故障的可能性仅为：2.26*10^-4，其可能性极小，甚至低于隔离变压器的绝缘故障率。

上述需要消除的直流成分始终是很小的数值，但如果不进行抑制，直流成分可使变压器的磁路饱和。

然而，如果直流分量非常大，以至达到直流母线电压之水平时，会在很大程度上造成危险。在一个IGBT连续导通或在一个IGBT或二极管短路的情况下，出现这种情况在理论上是有可能的。然而，如果出现这一危险情况，即使缺少了专门的检测电路，也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知，直流电压可能发生短路，并立即中止逆变器工作，同时断开与后面负载的连接。通常逆变器配备有一个静态旁路开关，它可在逆变器停止工作时保证供电的持续进行。

 

与变压器不能传输直流成分一样，它也不能传输频率太低的即便是很小的单极性信号成分。因此可这样认为：变压器可以保护下线负载不受整流器上线电源中共模式干扰的影响。相反，对于差模式干扰，变压器起不到任何抑制作用。

在实际应用中，由于绕组之间的寄生电容作用，变压器会把所有的高频干扰传输过去。在绕组之间进行屏蔽可减小寄生电容并因此提高变压器抗高频干扰的性能，但这一办法始终没有应用到逆变器中。

此外，由于配置了静态开关，旁路电源的中线直接与逆变器的中线相连接，以使接地系统在电源切换时不会发生改变。由静态开关组成的这一支路，通常称为旁路通道（如图12所示）。

因此，存在于电源上线的所有共模干扰都会被全部传输到逆变器的下线电路中。在实际应用中，在UPS的输入端和输出端都采用了称之为EMC（电磁兼容性）的滤波器，用以限制这些干扰。图13描绘了位于输入端的此类滤波器。其中：

 

n        C1：电容器 100 nF

n        C2：电容器 1 µF

n        C5：电容器 220 nF

n        Lmc：共模电抗器

n        C3、C4、C6、C7：电容器 10 nF

n        R1：放电和衰减电阻 1MW

n        Z：氧化锌压敏电阻

 

这种EMC滤波器可以保护UPS及其负载不受电网干扰的影响，并可避免由逆变器和负载产生的干扰反射到电网中去。

用单相例子阐述的此类滤波器，是为了使说明更为清楚。在三相电路中，共模电抗器Lmc包含4个绕组。此电抗器对共模电流有更大的阻抗，而对差模干扰却只有很小的阻抗。

鉴于Lmc的感抗很大，共模电流通过电容C3、C4和C6、C7流向大地。

电容C1、C2和C5是差模电流信号的通路。这些电容的具有较大的数值，而与大地相连接时具有较小的电容值，以限制基波电流的泄漏。

为了完善对UPS的保护使其不受来自电网干扰的影响，在每条相线和中性线之间要配置一个过压限制器Z。

 

各种不同的中性线接地系统，如下图所示：

        在使用 UPS 的情况下，当UPS下线的接地系统（TN、TT、IT ）与上线的接地系统不同时，有变压器和无变压器的UPS其主要区别就显现出来了。在所有支路必须具有电气隔离时，需要安装隔离变压器，以便允许对下线接地连接系统进行选择，参见图15。

 当UPS含有隔离变压器时，就应该在旁路中增加一台隔离变压器。否则，就应该把隔离变压器安装在UPS的上线或下线，如图15所示。

为保证UPS到负载的输出电压质量，应尽可能地将隔离变压器安装在UPS的输入端，因为变压器自身具有一定的输出阻抗，并由此产生一定的电压降；而此电压降事实上与基波电流和用电负载产生的谐波电流都有一定的关系。

制造无变压器的UPS的主要困难都已基本解决。下文中的两幅图示描绘了两种已经实现的技术方案，第一个为 1992 年问世的 Comet系列，而第二个则是 2000年推出的Galaxy 3000系列。

 

Comet系列UPS包含可使直流电容逐渐升压充电的可控硅整流器，之后可控硅以全导通的方式工作。

 

系统中的两个升压式斩波器可获得±375V的直流电压。总直流母线电压通过降压式充电器对电池组进行充电。当市电电网停电时，整流器可控硅被关断，而电池支路可控硅受控导通，电池组电压代替整流器提供直流电压到升压式斩波器。

在维护期间，可通过一组手动开关把UPS完全隔离，而负载转由旁路供电。

值得关注的是，可控硅整流器并不能提供理想的正弦波输入电流，而能够实现这一功能的只能是具有IGBT整流的Galaxy 3000系列UPS。

在此系列产品中，IGBT整流器可从电网上获取正弦波电流输入。

电池充电器仍然是通过总直流母线电压进行充电。当市电电网停电时，在电池组供电之前应首先把输入端静态开关的可控硅封锁。按此方法，整流器的IGBT可将电池电压提高到总直流母线的电压值。用一个小功率的直流变换器，可对两个(±直流)电压的中点进行调整，其容量至少为相当于每相电流有效值的10%的直流电流。