解析UPS的保護(hù)和電源效率設(shè)計方案

設(shè)計人員通常使用四種拓?fù)渲粊磉M(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)最小功耗，最小功率損耗時間間隔，最大程度地過濾電源線瞬變以及降低成本。圖1顯示了UPS的四種拓?fù)洌约懊糠N拓?fù)淙绾胃鶕?jù)這些參數(shù)進(jìn)行比較。并非所有這些拓?fù)涠歼m用于數(shù)據(jù)中心，但此處將其包括在內(nèi)以進(jìn)行比較。

圖1. UPS產(chǎn)品的設(shè)計拓?fù)?/p>

待機：由于設(shè)計除非線路電源中斷才提供電源，所以以最低的成本提供了最高的效率。一個缺點是，當(dāng)AC線出現(xiàn)故障時，切換到電池電源的速度最慢。（通常小于0.5 kVA。）

Line Interactive：此配置可使逆變器與負(fù)載保持一致，從而提供良好的效率。與待機設(shè)計相比，它還可以更快地切換到電池電源。但是，切換時間比其他兩種拓?fù)洌p轉(zhuǎn)換在線拓?fù)浜投嗄Ｊ皆诰€拓?fù)洌┑那袚Q時間要慢。（通常為0.5 kVA至5 kVA。）

雙轉(zhuǎn)換在線：此方法始終為負(fù)載供電，從而消除了交流電源和備用電池電源之間的任何切換時間延遲。折衷方案是通過兩個轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生一些功率損耗。（通常大于5 kVA。）

多模式在線：與雙轉(zhuǎn)換拓?fù)湎啾?，此拓?fù)浣Y(jié)合了零開關(guān)時間延遲和更少的功率損耗。（通常大于5 kVA。）

選擇最適合您的UPS和其目標(biāo)應(yīng)用程序設(shè)計目標(biāo)的拓?fù)洹?/p>

UPS的保護(hù)和電源效率設(shè)計

無論選擇哪種拓?fù)洌O(shè)計人員都應(yīng)包括保護(hù)，控制和傳感解決方案，以確保產(chǎn)品可靠可靠。保護(hù)組件使UPS能夠承受過載和瞬變。控制組件可以通過最小化功耗來最大化效率。感應(yīng)組件可以幫助保護(hù)大功率組件。圖2顯示了具有建議的保護(hù)，控制和感應(yīng)組件的UPS示例。

圖2.具有建議的保護(hù)，控制和感應(yīng)組件的UPS示例

以雙轉(zhuǎn)換在線拓?fù)錇槔瑘D3給出了框圖和表格，其中詳細(xì)列出了每個電路模塊的推薦組件。

圖3：雙轉(zhuǎn)換在線式UPS的框圖，其中顯示了保護(hù)，控制和感測組件應(yīng)放置的位置，表格中顯示了建議的組件類型

交流輸入

交流輸入直接與交流線路連接，并承受其電流過載和電壓瞬變。設(shè)計人員需要保護(hù)該電路和下游電路免受這些損壞條件的影響。對于大功率電路的過電流保護(hù)，請考慮使用快速熔斷器以提供出色的保護(hù)。半導(dǎo)體保險絲可以提供較高的標(biāo)稱電流，例如40 A–2000 A，并能快速響應(yīng)過電流。半導(dǎo)體熔斷器對短路事件的響應(yīng)速度非?？?，從而減少了傳遞給功率半導(dǎo)體器件的潛在有害能量。確保選擇的保險絲的額定電壓遠(yuǎn)高于交流線路電壓，并且保險絲具有較高的短路電流中斷額定值，以避免在最壞情況下的過載情況下無法斷開。還應(yīng)考慮額定滿載電流下保險絲的額定功率損耗。半導(dǎo)體保險絲的功率損耗低，有助于提高整體系統(tǒng)效率。

為了防止AC線上的瞬態(tài)浪涌，請考慮使用盡可能靠近電路板輸入端的金屬氧化物壓敏電阻（MOV），以限制瞬態(tài)在PC板上的傳播。MOV可以吸收高達(dá)70,000 A的峰值脈沖電流和高達(dá)10,000 J的瞬態(tài)電涌。請注意，某些MOV具有熱保護(hù)功能，可以防止MOV因過熱而發(fā)生故障。

為了提高對瞬態(tài)電壓的響應(yīng)速度，請考慮與MOV串聯(lián)增加一個平衡晶閘管。平衡晶閘管將在比MOV更低的電壓下激活，從而使MOV的最大鉗位額定值更低。這進(jìn)一步增強了對下游電路的保護(hù)。增強保護(hù)的另一種策略是使用大功率瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管。這些設(shè)備對浪涌事件的響應(yīng)速度非常快，而MOV不會遇到同樣的磨損問題。每種設(shè)計的理想選擇是在性能和總擁有成本之間取得平衡。盡管某些技術(shù)的成本可能高于其他技術(shù)，但其他因素可能表明，最低的總擁有成本需要成本更高的組件技術(shù)。

AC / DC轉(zhuǎn)換器

如圖所示，AC到DC級執(zhí)行兩個重要功能。首先，它將交流輸入電壓整流為直流，然后可將其用于為備用電池充電。第二個功能是功率因數(shù)校正，可減少諧波并改善電源質(zhì)量。選擇有源組件時，重要的是要在性能，尺寸，成本和能效之間找到適當(dāng)?shù)钠胶狻ＴS多中小型電源UPS產(chǎn)品都使用整流二極管或模塊，而大型電源系統(tǒng)可能會選擇半控或全控整流橋或晶閘管模塊。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)使用的中小功率UPS系統(tǒng)中，升壓PFC功能是通過將IGBT或MOSFET用作有源開關(guān)與快速Si或SiC二極管相結(jié)合來實現(xiàn)的。

為了進(jìn)一步增強系統(tǒng)操作能力，可以將溫度傳感器（例如NTC熱敏電阻）直接粘貼到散熱器上。這些設(shè)備是設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，用于優(yōu)化系統(tǒng)性能。嚴(yán)格的測量公差和寬廣的傳感范圍確保溫度傳感器可以提供可靠的讀數(shù)。

DC / AC逆變器

為了提供交流線路電壓輸出，再次使用了功率半導(dǎo)體，這一次功率半導(dǎo)體將直流電轉(zhuǎn)換回交流電。與整流階段相似，最終設(shè)計必須在性能，能效，尺寸和成本之間找到理想的平衡。低損耗IGBT模塊通常用于執(zhí)行此功能。再一次，溫度傳感器可以用來幫助優(yōu)化操作條件。

旁路開關(guān)

旁路開關(guān)控制將交流電源還是電池供電輸出到負(fù)載。晶閘管可用于控制開關(guān)動作。同樣，選擇具有低柵極觸發(fā)電壓和低正向壓降的晶閘管，以將功率損耗降至最低。

適用標(biāo)準(zhǔn)

您應(yīng)該了解適用于您的設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了UPS產(chǎn)品的主要標(biāo)準(zhǔn)。不遵守這些標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致重新設(shè)計工作，并再次提交標(biāo)準(zhǔn)組織。結(jié)果，項目成本將上升。

表1.適用于UPS產(chǎn)品設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)

保護(hù)您的UPS免受過載，瞬態(tài)和過熱狀況損壞的價值

通過將保護(hù)和感測組件作為設(shè)計目標(biāo)，并在項目早期就納入標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性，您可以經(jīng)濟(jì)高效地開發(fā)出功能強大且可靠的UPS。使用高效的控制組件可以促進(jìn)低功耗產(chǎn)品的開發(fā)。通過在選擇保護(hù)，控制和感應(yīng)組件時利用組件制造商的工程專業(yè)知識，您還可以節(jié)省時間和資源

可靠性和效率提高了您的UPS在市場上的聲譽。高質(zhì)量的聲譽可以導(dǎo)致市場份額的增長和收入的增長。它還可以提高獲利能力。
編輯：hfy