【導讀】不間斷電源 (UPS) 和其他基于電池的儲能系統可以確保住宅、電信設施、數據中心、工業設備、醫療設備和其他關鍵設備的持續供電。憑借先進的半導體技術，這些系統能夠確保可靠供電，提供濾波功能，并在發生短期電網斷電時保障供電。對于更長時間的停電，這些系統可以提供足夠的時間讓關鍵設備安全地關閉。
以下設計訣竅可幫助您設計 UPS 或其他電池儲能系統，以利用電池和半導體技術的不斷進步，應對越來越多的新興用例。
了解具體用例
我們通常根據輸出功率對 UPS 系統進行分類，因為這是確定所需規模的有效方式。輸出功率低于 10 kVA 的 UPS 系統一般體積小且價格低廉，最常見于對供電要求不高的小型/家庭辦公室和個人工作站，尤其適合 PC、打印機和照明。在中型企業的數據中心，通常可以看到一個或多個機柜，其中安裝有數個模塊化 UPS，每個 UPS 可以提供 10 kVA-50 kVA 的輸出功率。模塊化 UPS 在數據中心中越來越常見，因為它設計緊湊且可擴展。集成多個模塊就可以提供更高的功率輸出，相當于一個大型 UPS，而且即使其中一個模塊發生故障，也不會導致整個系統停止運行。如果需要支持 50 kVA 以上的 UPS 系統，可能需要更多的空間來安置設備。這種系統的尺寸較大，對空間的限制也更嚴格，因為需要更大的無源組件、電池組和散熱風扇來解決散熱問題。
目前，UPS 制造商正在設計輸出容量超過 100 kVA 的模塊化 UPS。在不改變空間布局的情況下獲得更多功率固然很好，但這也會給現今的 UPS 設計帶來更多挑戰。
UPS的三種類型
UPS 有兩個版本：離線式和在線式。對于離線式 UPS，負載通常直接連接到交流電源，只有在發生停電或干擾時才會切換到 UPS。完成切換需要大約 10 ms，因此使用離線式 UPS 來保護工業設施并不安全。在線互動式 UPS 是另一種離線式 UPS，它可以根據需要通過升高或降低市電電壓來主動調節電壓，然后再將其傳遞給受保護的負載。通過這種方式，在線互動式 UPS 可以充當電壓優化器并具有更長的使用壽命，因為電池模式不會經常激活。
對于在線式 UPS，負載始終連接到 UPS 的 DC/AC 逆變器上，消除了切換延遲。同樣，帶有雙向充電器的電池儲能系統可以在交流輸入中斷時提供連續、無縫的供電。在這三種類型中，在線式 UPS 價格最高，但它可以解決最多的供電問題并提供最高質量的輸出，因而也最適合高靈敏度設備、數據中心和其他關鍵設備。
圖 1.離線式 UPS
圖 2.在線式 UPS
UPS的具體規格
1 尺寸
考慮到 UPS 的總擁有成本，我們絕不能忽視安裝、運輸和維護所花費的金錢和時間。在 UPS 內部，電池、變壓器、散熱風扇和散熱片占據了最多的空間。但由于半導體技術的進步，我們現 在可以看到無變壓器的 UPS 模塊，每個模塊可以產生 200 kVA 的輸出功率，并聯安裝在 200 x 60 x 60 cm 的機柜中，以保護您的數據和設備。安森美 (onsemi) 可以為您提供具有高開關頻 率、低損耗和高工作電壓的先進產品，有效降低無源組件的發熱和尺寸。
2 輸入調節
在線式 UPS 中的雙重轉換解決了 90% 的輸入電源問題，在線互動式 UPS 次之，而離線式 UPS 必須在發生輸入異常后才切換到電池模式。在線式和在線互動式 UPS 都可以對輸入電壓進 行 ±20% 的調節，降低電池模式啟動的頻率，但原理不同。在線互動式 UPS 使用變壓器抽頭，而在線式 UPS 通過高頻 PWM（20 kHz-40 kHz）來優化電壓。這就是在線式 UPS 能產生最佳輸出的原因。
3 輸出
逆變器決定了 UPS 系統的輸出性能。像市電電源這樣的正弦波輸出始終是避免損壞靈敏設備的理想選擇（輸出誤差比較：在線式 UPS 為 ±1.5%，離線式 UPS 為 ±10%）。要產生純正弦波，我們需要 IGBT/MOSFET 來構成高頻運行的逆變器，并形成優化的拓撲結構以減少高頻開關產生的噪聲/損耗/EMI。兩電平或三電平拓撲結構極大地影響性能，主要取決于開關和二極管中的開關損耗以及電感器的高頻損耗和 EMI 問題。然而拓撲的選擇取決于許多方面，比如器件成本、控制成本、空間成本等等。
圖 3.單電平或兩電平開關原理
圖 4.兩電平或三電平開關原理
4 電源管理
用于高壓系統的電池組被堆疊起來，形成一個帶有電池管理模塊的串，幾個電池組串置于一個集裝箱中，其中包括一個主電池管理模塊。電池管理功能包括負載平衡、電壓和電流保護、串連接和斷開、充電和放電控制、熱管理、風扇控制、監控和通信。用于電池管理的器件包括低壓MOSFET、電流檢測器、運算放大器、隔離器、eFuses 熔斷器、保護二極管、高壓開關和智能功率模塊 (IPM)。
性能取決于拓撲結構
如上一部分所述，拓撲結構對性能影響重大。使用三電平拓撲結構有三個優點。首先，開關損耗更低。通常，開關損耗與施加到開關和二極管的電壓的二次方成正比（V2switch or diode）。在三電平拓撲結構中，只有一半的總輸出電壓被施加到（一些）開關或（一些）二極管。
其次，升壓電感器中的電流紋波更小。對于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓撲結構中總輸出電壓的一半。這使得電流紋波更小，更容易使用更小的電感器進行濾波，從而實現更緊湊的電感器設計并降低成本。此外，部分電感器損耗與電流紋波成正比。因此，較低的電流紋波將有助于減少電感器中的損耗。最后，EMI 降低，而傳導 EMI 主要與電流紋波有關。三電平拓撲結構減少了電流紋波，使濾波更容易并產生更低的傳導 EMI。同時，在電磁輻射方面也有好處。
EMI 與 dV/dt 和 dI/dt 相關。首先，三電平拓撲結構降低了峰峰值開關電壓，使得開關節點印刷電路板走線輻射的電場更小。其次，三電平拓撲結構減少了峰峰值開關電流，使得開關功率級環路中輻射的磁場更小。
圖 5.三電平 T-NPC PFC
圖 6.兩電平有源前端（Active Front End）PFC
希望以上這些內容可以在實際設計過程中對大家有所幫助，后續的文章我們將帶大家了解在設計穩健的 UPS 系統時，采用基于碳化硅 (SiC) 的功率器件對于減少功率損耗、提高功率密度和降低散熱成本將起著哪些至關重要的作用。
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