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)在保護數據中心、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，當輸入電源出現故障時，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(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，尤其是在數據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，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據中心提供數百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，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)。