【導讀】不間斷電源 (UPS) 和其他基于電池的儲能系統(tǒng)可以確保住宅、電信設施、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設備、醫(yī)療設備和其他關鍵設備的持續(xù)供電。憑借先進的半導體技術(shù)，這些系統(tǒng)能夠確?？煽抗╇姡峁V波功能，并在發(fā)生短期電網(wǎng)斷電時保障供電。對于更長時間的停電，這些系統(tǒng)可以提供足夠的時間讓關鍵設備安全地關閉。
以下設計訣竅可幫助您設計 UPS 或其他電池儲能系統(tǒng)，以利用電池和半導體技術(shù)的不斷進步，應對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 UPS 系統(tǒng)進行分類，因為這是確定所需規(guī)模的有效方式。輸出功率低于 10 kVA 的 UPS 系統(tǒng)一般體積小且價格低廉，最常見于對供電要求不高的小型/家庭辦公室和個人工作站，尤其適合 PC、打印機和照明。在中型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，通常可以看到一個或多個機柜，其中安裝有數(shù)個模塊化 UPS，每個 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，因為它設計緊湊且可擴展。集成多個模塊就可以提供更高的功率輸出，相當于一個大型 UPS，而且即使其中一個模塊發(fā)生故障，也不會導致整個系統(tǒng)停止運行。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備。這種系統(tǒng)的尺寸較大，對空間的限制也更嚴格，因為需要更大的無源組件、電池組和散熱風扇來解決散熱問題。
目前，UPS 制造商正在設計輸出容量超過 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，但這也會給現(xiàn)今的 UPS 設計帶來更多挑戰(zhàn)。
UPS的三種類型
UPS 有兩個版本：離線式和在線式。對于離線式 UPS，負載通常直接連接到交流電源，只有在發(fā)生停電或干擾時才會切換到 UPS。完成切換需要大約 10 ms，因此使用離線式 UPS 來保護工業(yè)設施并不安全。在線互動式 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調(diào)節(jié)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(yōu)化器并具有更長的使用壽命，因為電池模式不會經(jīng)常激活。
對于在線式 UPS，負載始終連接到 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能系統(tǒng)可以在交流輸入中斷時提供連續(xù)、無縫的供電。在這三種類型中，在線式 UPS 價格最高，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備、數(shù)據(jù)中心和其他關鍵設備。
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、運輸和維護所花費的金錢和時間。在 UPS 內(nèi)部，電池、變壓器、散熱風扇和散熱片占據(jù)了最多的空間。但由于半導體技術(shù)的進步，我們現(xiàn) 在可以看到無變壓器的 UPS 模塊，每個模塊可以產(chǎn)生 200 kVA 的輸出功率，并聯(lián)安裝在 200 x 60 x 60 cm 的機柜中，以保護您的數(shù)據(jù)和設備。安森美 (onsemi) 可以為您提供具有高開關頻 率、低損耗和高工作電壓的先進產(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。在線式和在線互動式 UPS 都可以對輸入電壓進 行 ±20% 的調(diào)節(jié)，降低電池模式啟動的頻率，但原理不同。在線互動式 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)成高頻運行的逆變器，并形成優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)以減少高頻開關產(chǎn)生的噪聲/損耗/EMI。兩電平或三電平拓撲結(jié)構(gòu)極大地影響性能，主要取決于開關和二極管中的開關損耗以及電感器的高頻損耗和 EMI 問題。然而拓撲的選擇取決于許多方面，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原理
圖 4.兩電平或三電平開關原理
4 電源管理
用于高壓系統(tǒng)的電池組被堆疊起來，形成一個帶有電池管理模塊的串，幾個電池組串置于一個集裝箱中，其中包括一個主電池管理模塊。電池管理功能包括負載平衡、電壓和電流保護、串連接和斷開、充電和放電控制、熱管理、風扇控制、監(jiān)控和通信。用于電池管理的器件包括低壓MOSFET、電流檢測器、運算放大器、隔離器、eFuses 熔斷器、保護二極管、高壓開關和智能功率模塊 (IPM)。
性能取決于拓撲結(jié)構(gòu)
如上一部分所述，拓撲結(jié)構(gòu)對性能影響重大。使用三電平拓撲結(jié)構(gòu)有三個優(yōu)點。首先，開關損耗更低。通常，開關損耗與施加到開關和二極管的電壓的二次方成正比（V2switch or diode）。在三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，只有一半的總輸出電壓被施加到（一些）開關或（一些）二極管。
其次，升壓電感器中的電流紋波更小。對于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓撲結(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行濾波，從而實現(xiàn)更緊湊的電感器設計并降低成本。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 EMI 主要與電流紋波有關。三電平拓撲結(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 EMI。同時，在電磁輻射方面也有好處。
EMI 與 dV/dt 和 dI/dt 相關。首先，三電平拓撲結(jié)構(gòu)降低了峰峰值開關電壓，使得開關節(jié)點印刷電路板走線輻射的電場更小。其次，三電平拓撲結(jié)構(gòu)減少了峰峰值開關電流，使得開關功率級環(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)容可以在實際設計過程中對大家有所幫助，后續(xù)的文章我們將帶大家了解在設計穩(wěn)健的 UPS 系統(tǒng)時，采用基于碳化硅 (SiC) 的功率器件對于減少功率損耗、提高功率密度和降低散熱成本將起著哪些至關重要的作用。
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