【導讀】在像是基站、交換機、服務器等關鍵的基礎設施中，都有著不能停止運轉、避免斷電的壓力，因此不間斷電源 (Uninterruptible Power Supply, UPS) 便是在電網(wǎng)異常的情況下，不間斷的為電器負載設備提供后備交流電源，以維持電器正常運作的設備。本文將為您介紹 UPS 的運作原理，以及由安森美 (onsemi) 推出的 UPS 應用解決方案。
在線式UPS可提供更佳的效能
由電池供電的UPS在保護數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設施、工廠、電信樞紐、醫(yī)療，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。當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)，當輸入電源發(fā)生停電或干擾等故障時，系統(tǒng)會切換至UPS的電池供電模式，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。在線互動式UPS則是另一種離線式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。
而在線式UPS在負載與電網(wǎng)中間加入DC/AC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)，在線式UPS消除了切換延遲，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。同樣，帶有雙向充電器的電池儲能系統(tǒng)（BESS）可以在交流輸入中斷時提供連續(xù)、無縫的電源。在線式UPS在這三種類型中價格最高，但它可以解決最多的電源問題，并提供最高質(zhì)量的輸出，這使其最適合高敏感度設備、數(shù)據(jù)中心和其他關鍵設備。
一般來說，模塊化UPS更加受到設計人員和用戶的青睞，可通過并聯(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(diào)節(jié)能力、電池管理和拓撲結構。
尤其是在數(shù)據(jù)中心等空間非常寶貴的應用中，UPS的尺寸也相當重要。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。
合適的拓撲與器件材料是UPS硬件設計的關鍵要素
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，同時減少電池使用次數(shù)，延長電池壽命。
逆變器決定了UPS的輸出質(zhì)量，同時也大大影響了UPS的整體效率。優(yōu)秀的在線式UPS能夠輸出近似于市電的高質(zhì)量正弦波，為阻性負載和感性負載供電。這將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，同時減少無源器件的尺寸，從而優(yōu)化UPS的整體設計。
高質(zhì)量的SiC和創(chuàng)新封裝工藝提升UPS效能
安森美的SiC和創(chuàng)新封裝工藝能夠提高密度、減少系統(tǒng)損耗和簡化冷卻系統(tǒng)，對于牽一發(fā)而動全身的關鍵UPS系統(tǒng)而言，有助于提高系統(tǒng)整體的可靠性。安森美的系統(tǒng)專業(yè)知識凝聚成一系列優(yōu)化功率模塊，支持各類關鍵的功率級拓撲，以及分立器件和定制化的隔離式柵極驅動解決方案。安森美深知UPS系統(tǒng)的關鍵性，因此制定了一個“基建級”的可靠性框架，其穩(wěn)固的物理建模提供可預測的仿真結果，能反映真實的運行狀況，從而加快開發(fā)時間。
安森美的碳化硅和混合碳化硅模塊采用的封裝技術具有出眾的效能，以及比分立器件更低的熱阻，擁有易于安裝的封裝以符合行業(yè)標準的引出線。安森美的SiC模塊包含SiC MOSFET和SiC二極管，升壓模塊用于太陽能逆變器的DC-DC級，這些模塊使用額定電壓為1200 V的SiC MOSFET和SiC二極管。此外，安森美還有Si/SiC混合模塊，包含IGBT、硅二極管和SiC二極管，可用于太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)和不間斷電源的DC-AC級。
提供比硅更勝一籌的開關性能和更高可靠性
安森美碳化硅二極管系列采用一種全新技術，提供比硅更勝一籌的開關性能和更高可靠性，產(chǎn)品包含有D1、D2、D3系列。D1系列支持650V、1200V、1700V的電壓，針對大尺寸芯片低電阻以及最高浪涌電流額定值進行優(yōu)化，適用于Vienna整流器輸入級；D2系列支持650V電壓，D3系列則支持1200V電壓，兩款產(chǎn)品均具有低Vf的高速開關，適用于PFC級、輸出整流應用。
安森美的碳化硅MOSFET系列被設計成具有快速和強固的特性，包括從高能效到減少系統(tǒng)尺寸和成本的系統(tǒng)優(yōu)勢，產(chǎn)品包含有M1、M2、M3系列。M1系列支持1200V、1700V電壓，針對大尺寸芯片低電阻、開關損耗和傳導損耗的平衡進行優(yōu)化，適用于DC-DC固態(tài)繼電器、主驅與電機驅動器、硬開關應用；M2系列支持650V、900V電壓，針對低速應用的最低RDS(ON)進行優(yōu)化，適用于DC-DC固態(tài)繼電器、主驅與電機驅動器；M3系列則支持1200V電壓，針對配備15V-18V柵極驅動器的快速開關應用進行優(yōu)化，適用于硬開關應用、LLC諧振應用。若還想知道更多關于安森美針對UPS應用所推出的相關技術與產(chǎn)品信息，請參考:
https://www.onsemi.com/solutions/industrial/energy-infrastructure/uninterruptible-power-supply-ups#FeaturedAssets。
結語
無論是用于云計算的服務器，或是用于服務移動設備的4G/5G基站，都需要UPS來確保系統(tǒng)不會受到電源不穩(wěn)定的影響，市場需求正在迅速增加。本文介紹的安森美UPS解決方案，憑借著優(yōu)異的SiC與封裝工藝，可滿足多種電壓、功率的UPS應用需求，將是您開發(fā)UPS產(chǎn)品的最佳合作伙伴。
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