【導(dǎo)讀】不間斷電源 (UPS) 和其他基于電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以確保住宅、電信設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和其他關(guān)鍵設(shè)備的持續(xù)供電。憑借先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，這些系統(tǒng)能夠確?？煽抗╇?，提供濾波功能，并在發(fā)生短期電網(wǎng)斷電時(shí)保障供電。對(duì)于更長時(shí)間的停電，這些系統(tǒng)可以提供足夠的時(shí)間讓關(guān)鍵設(shè)備安全地關(guān)閉。
以下設(shè)計(jì)訣竅可幫助您設(shè)計(jì) UPS 或其他電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以利用電池和半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)對(duì)越來越多的新興用例。
了解具體用例
我們通常根據(jù)輸出功率對(duì) UPS 系統(tǒng)進(jìn)行分類，因?yàn)檫@是確定所需規(guī)模的有效方式。輸出功率低于 10 kVA 的 UPS 系統(tǒng)一般體積小且價(jià)格低廉，最常見于對(duì)供電要求不高的小型/家庭辦公室和個(gè)人工作站，尤其適合 PC、打印機(jī)和照明。在中型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，通?？梢钥吹揭粋€(gè)或多個(gè)機(jī)柜，其中安裝有數(shù)個(gè)模塊化 UPS，每個(gè) UPS 可以提供 10 kVA-50 kVA 的輸出功率。模塊化 UPS 在數(shù)據(jù)中心中越來越常見，因?yàn)樗O(shè)計(jì)緊湊且可擴(kuò)展。集成多個(gè)模塊就可以提供更高的功率輸出，相當(dāng)于一個(gè)大型 UPS，而且即使其中一個(gè)模塊發(fā)生故障，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。如果需要支持 50 kVA 以上的 UPS 系統(tǒng)，可能需要更多的空間來安置設(shè)備。這種系統(tǒng)的尺寸較大，對(duì)空間的限制也更嚴(yán)格，因?yàn)樾枰蟮臒o源組件、電池組和散熱風(fēng)扇來解決散熱問題。
目前，UPS 制造商正在設(shè)計(jì)輸出容量超過 100 kVA 的模塊化 UPS。在不改變空間布局的情況下獲得更多功率固然很好，但這也會(huì)給現(xiàn)今的 UPS 設(shè)計(jì)帶來更多挑戰(zhàn)。
UPS的三種類型
UPS 有兩個(gè)版本：離線式和在線式。對(duì)于離線式 UPS，負(fù)載通常直接連接到交流電源，只有在發(fā)生停電或干擾時(shí)才會(huì)切換到 UPS。完成切換需要大約 10 ms，因此使用離線式 UPS 來保護(hù)工業(yè)設(shè)施并不安全。在線互動(dòng)式 UPS 是另一種離線式 UPS，它可以根據(jù)需要通過升高或降低市電電壓來主動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，然后再將其傳遞給受保護(hù)的負(fù)載。通過這種方式，在線互動(dòng)式 UPS 可以充當(dāng)電壓優(yōu)化器并具有更長的使用壽命，因?yàn)殡姵啬Ｊ讲粫?huì)經(jīng)常激活。
對(duì)于在線式 UPS，負(fù)載始終連接到 UPS 的 DC/AC 逆變器上，消除了切換延遲。同樣，帶有雙向充電器的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在交流輸入中斷時(shí)提供連續(xù)、無縫的供電。在這三種類型中，在線式 UPS 價(jià)格最高，但它可以解決最多的供電問題并提供最高質(zhì)量的輸出，因而也最適合高靈敏度設(shè)備、數(shù)據(jù)中心和其他關(guān)鍵設(shè)備。
圖 1.離線式 UPS
圖 2.在線式 UPS
UPS的具體規(guī)格
1 尺寸
考慮到 UPS 的總擁有成本，我們絕不能忽視安裝、運(yùn)輸和維護(hù)所花費(fèi)的金錢和時(shí)間。在 UPS 內(nèi)部，電池、變壓器、散熱風(fēng)扇和散熱片占據(jù)了最多的空間。但由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，我們現(xiàn) 在可以看到無變壓器的 UPS 模塊，每個(gè)模塊可以產(chǎn)生 200 kVA 的輸出功率，并聯(lián)安裝在 200 x 60 x 60 cm 的機(jī)柜中，以保護(hù)您的數(shù)據(jù)和設(shè)備。安森美 (onsemi) 可以為您提供具有高開關(guān)頻 率、低損耗和高工作電壓的先進(jìn)產(chǎn)品，有效降低無源組件的發(fā)熱和尺寸。
2 輸入調(diào)節(jié)
在線式 UPS 中的雙重轉(zhuǎn)換解決了 90% 的輸入電源問題，在線互動(dòng)式 UPS 次之，而離線式 UPS 必須在發(fā)生輸入異常后才切換到電池模式。在線式和在線互動(dòng)式 UPS 都可以對(duì)輸入電壓進(jìn) 行 ±20% 的調(diào)節(jié)，降低電池模式啟動(dòng)的頻率，但原理不同。在線互動(dòng)式 UPS 使用變壓器抽頭，而在線式 UPS 通過高頻 PWM（20 kHz-40 kHz）來優(yōu)化電壓。這就是在線式 UPS 能產(chǎn)生最佳輸出的原因。
3 輸出
逆變器決定了 UPS 系統(tǒng)的輸出性能。像市電電源這樣的正弦波輸出始終是避免損壞靈敏設(shè)備的理想選擇（輸出誤差比較：在線式 UPS 為 ±1.5%，離線式 UPS 為 ±10%）。要產(chǎn)生純正弦波，我們需要 IGBT/MOSFET 來構(gòu)成高頻運(yùn)行的逆變器，并形成優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以減少高頻開關(guān)產(chǎn)生的噪聲/損耗/EMI。兩電平或三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大地影響性能，主要取決于開關(guān)和二極管中的開關(guān)損耗以及電感器的高頻損耗和 EMI 問題。然而拓?fù)涞倪x擇取決于許多方面，比如器件成本、控制成本、空間成本等等。
圖 3.單電平或兩電平開關(guān)原理
圖 4.兩電平或三電平開關(guān)原理
4 電源管理
用于高壓系統(tǒng)的電池組被堆疊起來，形成一個(gè)帶有電池管理模塊的串，幾個(gè)電池組串置于一個(gè)集裝箱中，其中包括一個(gè)主電池管理模塊。電池管理功能包括負(fù)載平衡、電壓和電流保護(hù)、串連接和斷開、充電和放電控制、熱管理、風(fēng)扇控制、監(jiān)控和通信。用于電池管理的器件包括低壓MOSFET、電流檢測(cè)器、運(yùn)算放大器、隔離器、eFuses 熔斷器、保護(hù)二極管、高壓開關(guān)和智能功率模塊 (IPM)。
性能取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如上一部分所述，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)性能影響重大。使用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，開關(guān)損耗更低。通常，開關(guān)損耗與施加到開關(guān)和二極管的電壓的二次方成正比（V2switch or diode）。在三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有一半的總輸出電壓被施加到（一些）開關(guān)或（一些）二極管。
其次，升壓電感器中的電流紋波更小。對(duì)于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中總輸出電壓的一半。這使得電流紋波更小，更容易使用更小的電感器進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的電感器設(shè)計(jì)并降低成本。此外，部分電感器損耗與電流紋波成正比。因此，較低的電流紋波將有助于減少電感器中的損耗。最后，EMI 降低，而傳導(dǎo) EMI 主要與電流紋波有關(guān)。三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了電流紋波，使濾波更容易并產(chǎn)生更低的傳導(dǎo) EMI。同時(shí)，在電磁輻射方面也有好處。
EMI 與 dV/dt 和 dI/dt 相關(guān)。首先，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了峰峰值開關(guān)電壓，使得開關(guān)節(jié)點(diǎn)印刷電路板走線輻射的電場更小。其次，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了峰峰值開關(guān)電流，使得開關(guān)功率級(jí)環(huán)路中輻射的磁場更小。
圖 5.三電平 T-NPC PFC
圖 6.兩電平有源前端（Active Front End）PFC
希望以上這些內(nèi)容可以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中對(duì)大家有所幫助，后續(xù)的文章我們將帶大家了解在設(shè)計(jì)穩(wěn)健的 UPS 系統(tǒng)時(shí)，采用基于碳化硅 (SiC) 的功率器件對(duì)于減少功率損耗、提高功率密度和降低散熱成本將起著哪些至關(guān)重要的作用。
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