作者： Kane Jia

電池供電的不間斷電源(UPS)在保護數據中心、醫療設施、工廠(chǎng)、電信樞紐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。在停電時(shí)間較長(cháng)的情況下，它們能夠提供必要的短期電力，以實(shí)現有準備的斷電，防止數據丟失。

UPS一般可以分為“在線(xiàn)式”(Online)或“離線(xiàn)式”(Offline)。在離線(xiàn)式UPS中，負載直接連接到電網(wǎng)，當輸入電源出現故障時(shí)，系統會(huì )切換至電池供電模式——切換過(guò)程一般需要大約10毫秒才能完成，這限制了離線(xiàn)式UPS在部分應用中的使用。而在線(xiàn)式UPS在負載與電網(wǎng)中間加入逆變電路以及電池充放電電路，無(wú)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(wèn)題時(shí)，在線(xiàn)式UPS能夠進(jìn)行“零中斷”切換，通過(guò)電池為負載進(jìn)行緊急供電。

模塊化UPS更加受到設計人員和用戶(hù)的青睞，通過(guò)并聯(lián)較低功率的UPS以滿(mǎn)足更大用電需求。模塊化UPS能夠快速簡(jiǎn)單地拓展現有的UPS系統并且幫助客戶(hù)在大規模系統的建立過(guò)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。需要考慮的一些關(guān)鍵因素包括尺寸、輸入輸出調節能力、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(guò)去，變壓器一直是UPS中最大的器件之一，但隨著(zhù)更先進(jìn)的半導體技術(shù)的出現，高頻開(kāi)關(guān)電路代替了變壓器，從而節省空間。一套無(wú)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(xiàn)式UPS使用高頻PWM(Pulse Width Modulation)來(lái)執行雙變換(AC-DC然后DC-AC)，這能夠解決許多離線(xiàn)式UPS無(wú)法處理的輸入質(zhì)量問(wèn)題，比如低壓過(guò)壓和線(xiàn)路噪聲等等，同時(shí)減少電池使用次數，延長(cháng)電池壽命。

逆變器決定了UPS輸出質(zhì)量，同時(shí)也大大影響UPS的整體效率。優(yōu)秀的在線(xiàn)式UPS能夠輸出是近似于市電的高質(zhì)量正弦波，為阻性負載和感性負載供電。這要求逆變器中的開(kāi)關(guān)器件(IGBT/MOSFET)進(jìn)行高頻工作配合控制算法盡可能減少輸出噪聲以及開(kāi)關(guān)過(guò)程所產(chǎn)生的EMI問(wèn)題。

在典型的UPS中，多個(gè)堆疊的電池組成一個(gè)完整的電池包，由電池管理模塊進(jìn)行充放電管理。為了使電池發(fā)揮最佳性能并延長(cháng)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(fēng)扇控制、監控和通信等問(wèn)題。

UPS的硬件設計中最關(guān)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(jiǎn)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(jìn)的UPS提供更高的效率和更低的損耗和噪聲。

開(kāi)關(guān)器件的材料也同樣關(guān)鍵，新的寬禁帶(WBG)器件，如碳化硅(SiC)，能夠以更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的損耗工作，同時(shí)減少被動(dòng)器件的尺寸，從而優(yōu)化UPS的整體設計。

安森美(onsemi)編寫(xiě)了一份技術(shù)白皮書(shū)，詳細探討 UPS的設計中遇到的問(wèn)題，包括UPS類(lèi)型概述和關(guān)鍵規格說(shuō)明。它考慮了現有的各種拓撲結構，并描述了在設計過(guò)程中推動(dòng)決策的權衡因素。該白皮書(shū)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(guān)驅動(dòng)器)。