如何應對不間斷電源(UPS)設計挑戰(zhàn)

電池供電的不間斷電源(UPS)在保護數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設施、工廠、電信樞紐甚至家庭中的敏感設備免受短期電網(wǎng)尖峰和停電影響方面非常重要。在停電時間較長的情況下，它們能夠提供必要的短期電力，以實現(xiàn)有準備的斷電，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，負載直接連接到電網(wǎng)，當輸入電源出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)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在部分應用中的使用。而在線式UPS在負載與電網(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，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。

模塊化UPS更加受到設計人員和用戶的青睞，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，與任何電源設計一樣，高效UPS的設計 也存在挑戰(zhàn)。需要考慮的一些關鍵因素包括尺寸、輸入輸出調節(jié)能力、電池管理和拓撲結構。

尺寸很重要，尤其是在數(shù)據(jù)中心等空間非常寶貴的應用中。在過去，變壓器一直是UPS中最大的器件之一，但隨著更先進的半導體技術的出現(xiàn)，高頻開關電路代替了變壓器，從而節(jié)省空間。一套無變壓器UPS能夠在標準尺寸機柜中為大型數(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(shù)，延長電池壽命。

逆變器決定了UPS輸出質量，同時也大大影響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量正弦波，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(chǎn)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(fā)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(jiān)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，同時減少被動器件的尺寸，從而優(yōu)化UPS的整體設計。

安森美(onsemi)編寫了一份技術白皮書，詳細探討 UPS的設計中遇到的問題，包括UPS類型概述和關鍵規(guī)格說明。它考慮了現(xiàn)有的各種拓撲結構，并描述了在設計過程中推動決策的權衡因素。該白皮書最后概述了當今每位電力工程師都應考慮的新型SiC器件(和相關驅動器)。