采用碳化硅功率器件的UPS更加高效節(jié)能 而冷卻需求卻在下降

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IGBT技術(shù)的高頻在線互動式UPS的滿載效率可達到95%～97%。

當今的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95dB(A)降至70dB(A);占地面積甚至減少了90%。即使雙變換UPS,其效率也達到了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撲結(jié)構(gòu),雖然沒有任何頻率的保護,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90年代,Invertomatic公司在瑞士推出了經(jīng)濟模式UPS(ECO模式,工作原理如圖),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)中心的部分負荷問題。經(jīng)濟模式的原理很簡單:當市電穩(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))開通為負載供電,直到電力出現(xiàn)異常,此時UPS的靜態(tài)開關(guān)將負載轉(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。
現(xiàn)在有一些“先進”的經(jīng)濟模式UPS切換時間為2ms而不是4ms,有些則會監(jiān)測負載失真并做出關(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。
然而這通常會有風險,而經(jīng)濟模式也沒有什么不同。每當電力出現(xiàn)偏差時,負載就會從旁路切換到正常模式,這與雙變換UPS所提供的保護完全相反。這種切換代表著負載面臨風險,雖然這種風險可能很小,但用戶必須將與其回報進行平衡。
隨著電力成本的上升和概念的推廣,經(jīng)濟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。

采用碳化硅(SiC)的UPS更節(jié)能高效

采用經(jīng)濟模式運行的UPS,具有極大的優(yōu)勢,但最新開發(fā)的碳化硅技術(shù)與經(jīng)濟模式的結(jié)合,會產(chǎn)生更大的優(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。
但是采用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)鍵負荷轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中,不會增加電力轉(zhuǎn)換的風險。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,所以應(yīng)用在UPS上更加高效節(jié)能。