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UPS為關鍵基礎設施提供穩定的電源

艾睿電子 ? 來源:艾睿電子 ? 2023-01-31 17:35 ? 次閱讀

UPS為關鍵基礎設施

提供穩定的電源

在像是基站、交換機、服務器等關鍵的基礎設施中,都有著不能停止運轉、避免斷電的壓力,因此不間斷電源 (Uninterruptible Power Supply, UPS) 便是在電網異常的情況下,不間斷的為電器負載設備提供后備交流電源,以維持電器正常運作的設備。本文將為您介紹 UPS 的運作原理,以及由安森美 (onsemi) 推出的 UPS 應用解決方案。

在線式UPS可提供更佳的效能

由電池供電的UPS在保護數據中心、醫療設施、工廠、電信樞紐、醫療,甚至家庭中的敏感設備,免受短期電網尖峰和停電影響方面非常重要。當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,防止數據丟失。

UPS一般可以分為“在線式”(Online)或“離線式”(Offline)。在離線式UPS中,負載直接連接到電網,當輸入電源發生停電或干擾等故障時,系統會切換至UPS的電池供電模式,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在部分應用中的使用。在線互動式UPS則是另一種離線式UPS,它可以根據需要通過升高或降低市電電壓來主動調節電壓,然后再將其傳遞給受保護的負載。通過這種方式,在線互動式UPS可以充當電壓優化器,并具有更長的使用壽命,因為電池模式不會經常激活。

而在線式UPS在負載與電網中間加入DC/AC逆變電路以及電池充放電電路,無論輸入電源是否正常,逆變器一直處于工作狀態,在線式UPS消除了切換延遲,因此出現輸入問題時,在線式UPS能夠進行“零中斷”切換,通過電池為負載進行緊急供電。同樣,帶有雙向充電器的電池儲能系統(BESS)可以在交流輸入中斷時提供連續、無縫的電源。在線式UPS在這三種類型中價格最高,但它可以解決最多的電源問題,并提供最高質量的輸出,這使其最適合高敏感度設備、數據中心和其他關鍵設備。

一般來說,模塊化UPS更加受到設計人員和用戶的青睞,可通過并聯較低功率的UPS以滿足更大用電需求。模塊化UPS能夠快速簡單地拓展現有的UPS系統,并且幫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。

尤其是在數據中心等空間非常寶貴的應用中,UPS的尺寸也相當重要。在過去,變壓器一直是UPS中最大的器件之一,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能夠在標準尺寸機柜中,為大型數據中心提供數百kVA的緊急供電。

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合適的拓撲與器件材料是

UPS硬件設計的關鍵要素

在線式UPS使用高頻PWM(Pulse Width Modulation)來執行雙變換(AC-DC然后DC-AC),這能夠解決許多離線式UPS無法處理的輸入質量問題,比如低壓、過壓和線路噪聲等等,同時減少電池使用次數,延長電池壽命。

逆變器決定了UPS的輸出質量,同時也大大影響了UPS的整體效率。優秀的在線式UPS能夠輸出近似于市電的高質量正弦波,為阻性負載和感性負載供電。這將要求逆變器中的開關器件(IGBT/MOSFET)進行高頻工作配合控制算法,盡可能減少輸出噪聲,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,由電池管理模塊進行充放電管理。為了使電池發揮最佳性能并延長使用壽命,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、監控和通信等問題。

UPS的硬件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。盡管兩電平拓撲,如三相半橋,具有簡單的結構和并不復雜的控制算法,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噪聲。

開關器件的材料也同樣關鍵,新的寬禁帶(WBG)器件,如碳化硅(SiC),能夠以更高的開關頻率和更低的損耗工作,同時減少無源器件的尺寸,從而優化UPS的整體設計。

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高質量的SiC和創新封裝工藝

提升UPS效能

安森美的SiC和創新封裝工藝能夠提高密度、減少系統損耗和簡化冷卻系統,對于牽一發而動全身的關鍵UPS系統而言,有助于提高系統整體的可靠性。安森美的系統專業知識凝聚成一系列優化功率模塊,支持各類關鍵的功率級拓撲,以及分立器件和定制化的隔離式柵極驅動解決方案。安森美深知UPS系統的關鍵性,因此制定了一個“基建級”的可靠性框架,其穩固的物理建模提供可預測的仿真結果,能反映真實的運行狀況,從而加快開發時間。

安森美的碳化硅和混合碳化硅模塊采用的封裝技術具有出眾的效能,以及比分立器件更低的熱阻,擁有易于安裝的封裝以符合行業標準的引出線。安森美的SiC模塊包含SiC MOSFET和SiC二極管,升壓模塊用于太陽能逆變器的DC-DC級,這些模塊使用額定電壓為1200 V的SiC MOSFET和SiC二極管。此外,安森美還有Si/SiC混合模塊,包含IGBT、硅二極管和SiC二極管,可用于太陽能逆變器、儲能系統和不間斷電源的DC-AC級。

提供比硅更勝一籌的

開關性能和更高可靠性

安森美碳化硅二極管系列采用一種全新技術,提供比硅更勝一籌的開關性能和更高可靠性,產品包含有D1、D2、D3系列。D1系列支持650V、1200V、1700V的電壓,針對大尺寸芯片電阻以及最高浪涌電流額定值進行優化,適用于Vienna整流器輸入級;D2系列支持650V電壓,D3系列則支持1200V電壓,兩款產品均具有低Vf的高速開關,適用于PFC級、輸出整流應用。

安森美的碳化硅MOSFET系列被設計成具有快速和強固的特性,包括從高能效到減少系統尺寸和成本的系統優勢,產品包含有M1、M2、M3系列。M1系列支持1200V、1700V電壓,針對大尺寸芯片低電阻、開關損耗和傳導損耗的平衡進行優化,適用于DC-DC固態繼電器、主驅與電機驅動器、硬開關應用;M2系列支持650V、900V電壓,針對低速應用的最低RDS(ON)進行優化,適用于DC-DC固態繼電器、主驅與電機驅動器;M3系列則支持1200V電壓,針對配備15V-18V柵極驅動器的快速開關應用進行優化,適用于硬開關應用、LLC諧振應用。

無論是用于云計算的服務器,或是用于服務移動設備的4G/5G基站,都需要UPS來確保系統不會受到電源不穩定的影響,市場需求正在迅速增加。本文介紹的安森美UPS解決方案,憑借著優異的SiC與封裝工藝,可滿足多種電壓、功率的UPS應用需求,將是您開發UPS產品的最佳合作伙伴。

審核編輯:湯梓紅

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原文標題:【技術干貨】UPS為關鍵基礎設施提供穩定的電源

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