1956年,美國人J.莫爾制成晶閘管雛型。1957年,美國人R.A.約克制成實(shí)用的晶閘管。50年代末晶閘管被用于電力電子裝置,60年代以來得到迅速推廣,并開發(fā)出一系列派生器件,拓展了電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

       電力電子電路隨著晶閘管應(yīng)用的推廣,開發(fā)出許多電力電子電路,按其功能可分為:

　　這些電路都包含晶閘管,而每個(gè)晶閘管都需要相應(yīng)的觸發(fā)器。于是配合這些電力電子電路出現(xiàn)了許多的觸發(fā)控制電路。所以,有專家把晶閘管誕生的1957年,叫電力電子技術(shù)產(chǎn)生的元年,由此電子技術(shù)學(xué)科分為電力電子技術(shù)和信息電子技術(shù)。在這個(gè)大背景下,第一代靜態(tài)工頻UPS在1964年應(yīng)運(yùn)而生(見圖1)。

　　圖1中設(shè)計(jì)了4個(gè)逆變變壓器;四個(gè)變壓器又分為兩組,每組含有兩個(gè)變壓器;變壓器的一次側(cè)為三角形連接,二次側(cè)繞組一個(gè)為星型,另一個(gè)為曲折星型(Zig-Zag,30°相移);每組的兩個(gè)變壓器,在一定程度上可消除部分的諧波;調(diào)整兩組變壓器間的相移即可調(diào)整逆變器的輸出電壓。由于整流器、逆變器、變壓器均屬工頻,故俗稱純工頻UPS。純工頻UPS,就逆變器輸出變壓器而言,經(jīng)歷了變壓器的數(shù)量從4個(gè)減少2個(gè),2個(gè)減少到1個(gè)的過程。示意圖如圖2、圖3所示。

　　1962年,GE公司研制出第一個(gè)600V/200A GTO,克服了普通晶閘管不能門極控制關(guān)斷的缺點(diǎn)。但是GTO一直在技術(shù)上不過關(guān),在應(yīng)用中容易燒毀。1974年,日本東芝等公司采用NTD單晶片并通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在GTO研制上取得突破,生產(chǎn)出1200V/2000A的GTO。而越做越大的雙極晶體管采用垂直結(jié)構(gòu)、達(dá)林頓級聯(lián)技術(shù)以及多元胞集成并聯(lián)等技術(shù)已經(jīng)做到500V/ 200A/ 50(電流放大倍數(shù)hfe),此時(shí)已稱其為GTR。20世紀(jì)70年代末,由于半導(dǎo)體超凈技術(shù)的進(jìn)步,長期阻礙MOS器件的“表面態(tài)”雜質(zhì)離子問題也得到控制及解決。

　　這種最早就構(gòu)想出的器件卻因?yàn)榧夹g(shù)問題而較晚到來,但是它的性能更為優(yōu)秀,也更容易制造。因而,MOS集成電路在20世紀(jì)70年代末得到飛速發(fā)展。在20世紀(jì)80年代初,以MOS集成電路為基礎(chǔ)的垂直擴(kuò)散MOS功率器件VDMOS也在國際整流器公司(International Rectifier)的努力下逐漸走向成熟。1982年GE公司的美籍印度人B.J.Baliga和Motorola公司幾乎獨(dú)自同時(shí)發(fā)明IGBT。1984年,GE公司的V.A.K.Temple發(fā)明性能更為優(yōu)秀的MCT(H),并在1991年商品化生產(chǎn)。但在20世紀(jì)90年代末,因結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,成品率低而陷于停滯狀態(tài)。在20世紀(jì)90年代初,日本三菱公司研制開發(fā)的以IGBT為基礎(chǔ)的智能功率模塊(IPM——Intel ligent Power Module)經(jīng)過近十年的改進(jìn),進(jìn)入成熟應(yīng)用。1995年,西門子公司首次推出了非穿通結(jié)構(gòu)(Non Punch Through)的NPT-IGBT,這在技術(shù)上是一個(gè)里程碑。因?yàn)?NPT-IGBT技術(shù)可以使得功率開關(guān)器件在高溫可靠性、安全工作區(qū)、超高耐壓、低成本、高開關(guān)性能等諸多方面同時(shí)得到顯著提高。采用NPT-IGBT技術(shù)及GTO圓片工藝,目前已經(jīng)可以做出6500V/600A的NPT-IGBT。

　　所以,在20世紀(jì)80年代中期,UPS的逆變器進(jìn)入高頻時(shí)代,IGBT工作頻率通常在開關(guān)頻率為3～10kHz。工作耐壓為600V。只是由于母線直流電壓未采用DC/DC升壓,仍需用工頻升壓變壓器,故仍將此類機(jī)型叫工頻機(jī),去掉了“純”字,如圖4所示。

　　同一時(shí)期,最能代表工業(yè)機(jī)特點(diǎn)的電力專用UPS誕生。隨著DCS的引進(jìn),電力行業(yè)開始批量使用UPS,發(fā)現(xiàn)UPS里的電池故障率高。國內(nèi)外的變電站、電廠等有直流屏的用戶,對UPS電池的管理提出了一個(gè)設(shè)想,希望用“UPS機(jī)頭”,即UPS不配電池和充電,直流端直接接到直流屏上。這樣用戶的直流維護(hù)人員保證了電池的安全,提高了UPS的可靠性,也降低了電池的投入,如圖5所示。

　　最能代表工業(yè)機(jī)定制特點(diǎn)的電力專用UPS特征如下:

　　以上構(gòu)架的電力專用UPS,也可叫工頻式電力專用UPS或工頻式工業(yè)型UPS。

　　2000年以后,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路.其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小。IGBT系列模塊,耐壓達(dá)到了1200V/ 1700V/ 2000V/ 2500V/ 3300V/ 6500V,這時(shí)UPS的整流器也進(jìn)入高頻化,通常用耐壓1200V的IGBT系列模塊,開關(guān)頻率為3～10kHz。

　　圖6所示的UPS,市電輸入經(jīng)過IGBT調(diào)制整流,獲得直流電壓(400～500V),經(jīng)逆變器調(diào)制后輸出交流線電壓(310V左右),最后通過輸出變壓器升到所需的線電壓380V穩(wěn)定電壓。由于仍需用工頻升壓變壓器,即便整流與逆變器都是高頻,仍將此類機(jī)型叫工頻機(jī)。

　　如圖7所示的UPS,市電輸入經(jīng)過IGBT調(diào)制整流,并將直流電壓升壓至800V左右,直接通過逆變器調(diào)制濾波后輸出所需的線電壓380V穩(wěn)定電壓。

　　由于此機(jī)型整流與逆變器屬高頻,且沒有工頻升壓變壓器,故叫高頻機(jī)。

　　隨著高頻機(jī)時(shí)代的到來,尤其是有高頻特征的IGBT整流技術(shù),以其輸入功率因數(shù)≥0.95,輸入THDI≤5%,對電網(wǎng)污染小,而被稱為綠色整流,在此高頻機(jī)技術(shù)上制造的工業(yè)機(jī)叫新一代綠色工業(yè)機(jī)。它在設(shè)計(jì)時(shí),保留了工業(yè)機(jī)的顯性特征:高EMC抗擾度、高IP防護(hù)等級、輸出工頻隔離變壓器、及隱性特征、整流器及逆變器的控制算法及采樣設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在在工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中心也逐步應(yīng)用,就技術(shù)而言是未來工業(yè)機(jī)的發(fā)展方向,如圖8所示的UPS。

　　在選用工頻式工業(yè)機(jī)或高頻式工業(yè)機(jī)方面,各行業(yè)用戶有其篤定的習(xí)慣性,經(jīng)驗(yàn)性,很難短期內(nèi)得到改觀。所以,我們在推動(dòng)工業(yè)級UPS廣泛運(yùn)用的時(shí)候,要實(shí)事求是的解決用戶的疑難雜癥,要審時(shí)度勢的引入高新技術(shù)?？傊?工頻UPS不等于是工業(yè)UPS。