UPS設(shè)計(jì):挑戰(zhàn)與考量

電池供電的不間斷電源 (UPS)在保護(hù)數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設(shè)施、工廠、電信樞紐甚至家庭中的敏感設(shè)備免受短期電網(wǎng)尖峰和停電影響方面非常重要。在停電時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，它們能夠提供必要的短期電力，以實(shí)現(xiàn)有準(zhǔn)備的斷電，防止數(shù)據(jù)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(fù)載直接連接到電網(wǎng)，當(dāng)輸入電源出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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在部分應(yīng)用中的使用 。而在線式 UPS 在負(fù)載與電網(wǎng)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，逆變器一直處于工作狀態(tài)。因此出現(xiàn)輸入問題時(shí)，在線式UPS能夠進(jìn)行“零中斷”切換，通過電池為負(fù)載進(jìn)行緊急供電。

模塊化UPS更加受到設(shè)計(jì)人員和用戶的青睞，通過并聯(lián)較低功率的UPS以滿足更大用電需求。模塊化UPS能夠快速簡(jiǎn)單地拓展現(xiàn)有的UPS系統(tǒng)并且?guī)椭蛻粼诖笠?guī)模系統(tǒng)的建立過程中獲利。

然而，與任何電源設(shè)計(jì)一樣，高效 UPS的設(shè)計(jì) 也存在挑戰(zhàn)。需要考慮的一些關(guān)鍵因素包括尺寸、輸入輸出調(diào)節(jié)能力、電池管理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

尺寸很重要，尤其是在數(shù)據(jù)中心等空間非常寶貴的應(yīng)用中。在過去，變壓器一直是UPS中最大的器件之一，但隨著更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)，高頻開關(guān)電路代替了變壓器，從而節(jié)省空間。一套無變壓器UPS能夠在標(biāo)準(zhǔn)尺寸機(jī)柜中為大型數(shù)據(jù)中心提供數(shù)百 kVA的緊急供電。

在線式 UPS 使用高頻PWM （Pulse Width Modulation）來執(zhí)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(zhì)量問題，比如低壓過壓和線路噪聲等等，同時(shí)減少電池使用次數(shù)，延長(zhǎng)電池壽命。

逆變器決定了 UPS 輸出質(zhì)量，同時(shí)也大大影響了 UPS 的整體效率。優(yōu)秀的在線式UPS能夠輸出是近似于市電的高質(zhì)量正弦波，為阻性負(fù)載和感性負(fù)載供電。。這要求逆變器中的開關(guān)器件 ( IGBT / MOSFET ) 進(jìn)行高頻工作配合控制算法盡可能減少輸出噪聲以及開關(guān)過程所產(chǎn)生的EMI問題。

在典型的 UPS 中，多個(gè)堆疊的電池組成一個(gè)完整的電池包，由電池管理模塊進(jìn)行充放電管理。為了使電池發(fā)揮最佳性能并延長(zhǎng)使用壽命，設(shè)計(jì)必須考慮到負(fù)載平衡、電壓和電流保護(hù)、充放電控制、熱管理、風(fēng)扇控制、監(jiān)控和通信等問題。

 UPS的硬件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的決定之一是為應(yīng)用選擇合適的拓?fù)?，從而平衡性能和成本。盡管 兩電平拓?fù)洌缛喟霕?，具有?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和并不復(fù)雜的控制算法，但三電平拓?fù)洌═-NPC、A-NPC 或 I-NPC）能夠?yàn)楦冗M(jìn)的UPS提供更高的效率和更低的損耗和噪聲 .

開關(guān)器件的材料也同樣關(guān)鍵，新的寬禁帶 (WBG) 器件，如碳化硅 (SiC)，能夠以更高的開關(guān)頻率和更低的損耗工作，同時(shí)減少被動(dòng)器件的尺寸，從而優(yōu)化UPS的整體設(shè)計(jì)。

安森美編寫了一份技術(shù)白皮書，詳細(xì)探討 UPS 的設(shè)計(jì)中遇到的問題，包括UPS 類型概述和關(guān)鍵規(guī)格說明。它考慮了現(xiàn)有的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并描述了在設(shè)計(jì)過程中推動(dòng)決策的權(quán)衡因素。該白皮書最后概述了當(dāng)今每位電力工程師都應(yīng)考慮的新型 SiC 器件（和相關(guān)驅(qū)動(dòng)器）。