高頻在線互動式UPS

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，離不開我們科研人員的辛勤付出，制造出如此多的電子產(chǎn)品，然而大家只關(guān)注這些產(chǎn)品的使用，只有研究人員會關(guān)注內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這其中就要數(shù)功率器件了。如今，隨著技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)UPS的功率損耗逐漸下降。早期具有輸入和輸出變壓器的采用晶閘管技術(shù)的在線式UPS(簡稱雙變換式UPS或IEC的“VFI”)的滿載運行效率僅為83%-85%。而目前采用晶體管(IGBT)技術(shù)的高頻在線互動式UPS的滿載效率可達(dá)到95%-97%。

更加高效，熱量更少

當(dāng)今的UPS的能源效率提高了15%，而冷卻需求卻在下降，提高了其可靠性。模塊化UPS的平均故障間隔時間(MTBF)從不足2.5萬小時上升到15萬小時;輸出電壓波形失真從5%降低到1%;噪音從95dBA降至70dBA;占地面積甚至減少了90%。

即使雙變換UPS，其效率也達(dá)到了96.8%，每千瓦容量的成本降到了以往的最低水平。這對用戶來說是有利的，但廠商從UPS獲利的唯一方法是提供售后服務(wù)。

歐洲廠商生產(chǎn)的UPS基本都取消了變壓器，而在北美，無變壓器的UPS仍然是一個新事物，像APC這樣的廠商也采用了在線互動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然沒有任何頻率的保護(hù)，并不是技術(shù)上的“在線”式，盡管是這樣，這種架構(gòu)的UPS在穩(wěn)定的電網(wǎng)中仍然工作得很好。

上世紀(jì)90年代，Invertomatic公司在瑞士推出了經(jīng)濟(jì)模式(ECO模式，工作原理如圖1)UPS，但市場銷售情況并不樂觀。之后行業(yè)廠商推出的模塊化UPS解決了大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的部分負(fù)荷問題。經(jīng)濟(jì)模式的原理很簡單：當(dāng)市電穩(wěn)定時，UPS自主切換到旁路模式供電，降低電力損耗，特別是無變壓器設(shè)計的UPS，該模式下UPS整流器仍然工作，為蓄電池充電(需要比飛輪UPS低得多的功率)，而逆變器處于待機狀態(tài)，旁路(晶閘管開關(guān))開通為負(fù)載供電，直到電力出現(xiàn)異常，此時UPS的靜態(tài)開關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)移到逆變器，運行在該模式的UPS有個顯著的缺點，就是UPS工作在旁路時并沒有電源質(zhì)量的改善。

圖1

現(xiàn)在有一些“先進(jìn)”的經(jīng)濟(jì)模式UPS切換時間為2ms而不是4ms，有些則會監(jiān)測負(fù)載失真并做出關(guān)于電網(wǎng)的決策，但是基本理念仍然如此，如果電力是穩(wěn)定的，那么就可以節(jié)約電能。

然而這通常會有風(fēng)險，而經(jīng)濟(jì)模式也沒有什么不同。每當(dāng)電力出現(xiàn)偏差時，負(fù)載就會從旁路切換到正常模式，這與雙變換UPS所提供的保護(hù)完全相反。這種切換代表著負(fù)載面臨風(fēng)險，雖然這種風(fēng)險可能很小，但用戶必須將與其回報進(jìn)行平衡。

隨著電力成本的上升和概念的推廣，經(jīng)濟(jì)模式已被人們所接受，然而效率并不總是用戶期望的最重要的指標(biāo)。

采用碳化硅(SiC)的UPS更節(jié)能高效

采用經(jīng)濟(jì)模式運行的UPS，具有極大的優(yōu)勢，但最新開發(fā)的碳化硅技術(shù)可能會抵消經(jīng)濟(jì)模式的優(yōu)勢，目前晶體管制造都是傳統(tǒng)可控硅器件，對于UPS來說，絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的功能越來越強大且可靠。

采用IGBT器件的UPS有一個明顯的缺點，其開關(guān)的速度越快(以獲得更高的精度)，電力損失就越高。這主要是因為模塊效率的上限為96.8%，而采用碳化硅器件，理論上可將雙變換UPS效率提高至98%~99%。

合成的碳化硅粉末自1893年以來已經(jīng)批量生產(chǎn)，采用碳化硅制造的IGBT最初的成本很高，但節(jié)能效果也很顯著，而且所有這些都不會將關(guān)鍵負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中，不會增加電力轉(zhuǎn)換的風(fēng)險。

在模塊層面上，碳化硅主要有兩個好處：更小的芯片尺寸和更低的動態(tài)損耗。在系統(tǒng)層面上，這些優(yōu)勢可被以多種方式利用。低動態(tài)損耗帶來輸出功率的顯著增加，將提供減輕重量和減小體積的機會。值得一提的是，無需額外的冷卻能力就可實現(xiàn)功率的增加，因為與可控硅器件相比，碳化硅帶來實際的損耗減少，可以在相同的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低功率損耗可以提高能效，允許設(shè)計更高效率的逆變器，因此應(yīng)用在UPS上更加高效節(jié)能。

因此，采用碳化硅可以不再采用經(jīng)濟(jì)模式運行UPS，甚至可以淘汰在線互動式UPS，當(dāng)用戶能夠以不到1%的電能損失，卻可以獲得電壓和頻率保護(hù)的全面保護(hù)時，誰會需要UPS運行在經(jīng)濟(jì)模式呢?以上就是功率器件的一些相關(guān)知識，功率器件不斷發(fā)展，這就需要我們的科研人員的不斷努力，推動技術(shù)不斷發(fā)展，讓我們的電子產(chǎn)品更加高效。