如何应对不间断电源(UPS)设计挑战

作者： Kane Jia

电池供电的不间断电源(UPS)在保护数据中心、医疗设施、工厂、电信枢纽甚至家庭中的敏感设备免受短期电网尖峰和停电影响方面非常重要。在停电时间较长的情况下，它们能够提供必要的短期电力，以实现有准备的断电，防止数据丢失。

UPS一般可以分为“在线式”(Online)或“离线式”(Offline)。在离线式UPS中，负载直接连接到电网，当输入电源出现故障时，系统会切换至电池供电模式——切换过程一般需要大约10毫秒才能完成，这限制了离线式UPS在部分应用中的使用。而在线式UPS在负载与电网中间加入逆变电路以及电池充放电电路，无论输入电源是否正常，逆变器一直处于工作状态。因此出现输入问题时，在线式UPS能够进行“零中断”切换，通过电池为负载进行紧急供电。

模块化UPS更加受到设计人员和用户的青睐，通过并联较低功率的UPS以满足更大用电需求。模块化UPS能够快速简单地拓展现有的UPS系统并且帮助客户在大规模系统的建立过程中获利。

然而，与任何电源设计一样，高效UPS的设计 也存在挑战。需要考虑的一些关键因素包括尺寸、输入输出调节能力、电池管理和拓扑结构。

尺寸很重要，尤其是在数据中心等空间非常宝贵的应用中。在过去，变压器一直是UPS中最大的器件之一，但随着更先进的半导体技术的出现，高频开关电路代替了变压器，从而节省空间。一套无变压器UPS能够在标准尺寸机柜中为大型数据中心提供数百kVA的紧急供电。

在线式UPS使用高频PWM(Pulse Width Modulation)来执行双变换(AC-DC然后DC-AC)，这能够解决许多离线式UPS无法处理的输入质量问题，比如低压过压和线路噪声等等，同时减少电池使用次数，延长电池寿命。

逆变器决定了UPS输出质量，同时也大大影响UPS的整体效率。优秀的在线式UPS能够输出是近似于市电的高质量正弦波，为阻性负载和感性负载供电。这要求逆变器中的开关器件(IGBT/MOSFET)进行高频工作配合控制算法尽可能减少输出噪声以及开关过程所产生的EMI问题。

在典型的UPS中，多个堆叠的电池组成一个完整的电池包，由电池管理模块进行充放电管理。为了使电池发挥最佳性能并延长使用寿命，设计必须考虑到负载平衡、电压和电流保护、充放电控制、热管理、风扇控制、监控和通信等问题。

UPS的硬件设计中最关键的决定之一是为应用选择合适的拓扑，从而平衡性能和成本。尽管两电平拓扑，如三相半桥，具有简单的结构和并不复杂的控制算法，但三电平拓扑(T-NPC、A-NPC或I-NPC)能够为更先进的UPS提供更高的效率和更低的损耗和噪声。

开关器件的材料也同样关键，新的宽禁带(WBG)器件，如碳化硅(SiC)，能够以更高的开关频率和更低的损耗工作，同时减少被动器件的尺寸，从而优化UPS的整体设计。

安森美(onsemi)编写了一份技术白皮书，详细探讨 UPS的设计中遇到的问题，包括UPS类型概述和关键规格说明。它考虑了现有的各种拓扑结构，并描述了在设计过程中推动决策的权衡因素。该白皮书最后概述了当今每位电力工程师都应考虑的新型SiC器件(和相关驱动器)。