UPS設計:挑戰與考量

作者 : onsemi

模組化UPS能快速簡單地拓展現有UPS系統,協助客戶在大規模系統的建立過程中獲利。但高效UPS的設計也存在挑戰。需要考慮的一些關鍵因素包括尺...

電池供電的不斷電供應系統(UPS)在保護資料中心、醫療設施、工廠、電信樞紐甚至家庭中的敏感裝置免受短期電網尖峰和停電影響方面非常重要。在停電時間較長的情況下,它們能夠提供必要的短期電力,以實現有準備的斷電,防止資料遺失。

UPS一般可以分為「線上式」(Online)或「離線式」(Offline)。在離線式UPS中,負載直接連接到電網,當輸入電源出現故障時,系統會切換至電池供電模式——切換過程一般需要大約10毫秒才能完成,這限制了離線式UPS在部份應用中的使用。而線上式UPS在負載與電網中間加入逆變電路以及電池充放電電路,無論輸入電源是否正常,逆變器一直處於工作狀態。因此出現輸入問題時,線上式UPS能夠進行「零中斷」切換,通過電池為負載進行緊急供電。

offline UPS and online UPS topologies

模組化UPS更加受到設計人員和用戶的青睞,通過並聯較低功率的UPS以滿足更大用電需求。模組化UPS能夠快速簡單地拓展現有的UPS系統並且協助客戶在大規模系統的建立過程中獲利。

然而,與任何電源設計一樣,高效UPS的設計也存在挑戰。需要考慮的一些關鍵因素包括尺寸、輸入輸出調節能力、電池管理和拓撲結構。

尺寸很重要,尤其是在資料中心等空間非常寶貴的應用中。在過去,變壓器一直是UPS中最大的元件之一,但隨著更先進的半導體技術的出現,高頻開關電路代替了變壓器,從而節省空間。一套無變壓器UPS能夠在標準尺寸機櫃中為大型資料中心提供數百kVA的緊急供電。

線上式UPS使用高頻脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM)來執行雙變換(AC-DC然後DC-AC),這能夠解決許多離線式UPS無法處理的輸入品質問題,比如低壓過壓和線路雜訊等等,同時減少電池使用次數,延長電池壽命。

逆變器決定了UPS輸出品質,同時也大大影響了UPS的整體效率。優秀的線上式UPS能夠輸出是近似於市電的高品質正弦波,為阻性負載和感性負載供電。這要求逆變器中的開關元件(IGBT/MOSFET)進行高頻工作,配合控制演算法盡可能減少輸出雜訊以及開關過程所產生的EMI問題。

在典型的UPS中,多個堆疊的電池組成一個完整的電池包,由電池管理模組進行充放電管理。為了使電池發揮最佳性能並延長使用壽命,設計必須考慮到負載平衡、電壓和電流保護、充放電控制、熱管理、風扇控制、監控和通訊等問題。

UPS的硬體設計中最關鍵的決定之一是為應用選擇合適的拓撲,從而平衡性能和成本。儘管兩電平拓撲,如三相半橋,具有簡單的結構和並不複雜的控制演算法,但三電平拓撲(T-NPC、A-NPC或I-NPC)能夠為更先進的UPS提供更高的效率和更低的損耗和雜訊。

開關元件的材料也同樣關鍵,新的寬能隙(WBG)元件,如碳化矽(SiC),能夠以更高的開關頻率和更低的損耗工作,同時減少被動元件的尺寸,從而最佳化UPS的整體設計。

針對UPS的設計中可能面對的問題,安森美(onsemi)提供《UPS設計:挑戰與考量》白皮書介紹UPS類型和關鍵規格,考慮現有的各種拓撲結構,並描述在設計過程中推動決策的權衡因素。

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