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采用碳化硅功率器件的UPS更加高效节能
  • 如今,随着技术的发展,静态UPS的功率损耗逐渐下降。早期具有输入和输出变压器的采用晶闸管技术的在线式UPS(简称双变换式UPS或IEC的“VFI”)的满载运行效率仅为83%~85%。而目前采用IGBT技术的高频在线互动式UPS的满载效率可达到95%~97%。

    如今,随着技术的发展,静态UPS的功率损耗逐渐下降。早期具有输入和输出变压器的采用晶闸管技术的在线式UPS(简称双变换式UPS或IEC的“VFI”)的满载运行效率仅为83%~85%。而目前采用IGBT技术的高频在线互动式UPS的满载效率可达到95%~97%。
      
      更加高效,热量更少
      
      当今的UPS的能源效率提高了15%,而冷却需求却在下降,提高了其可靠性。模块化UPS的平均故障间隔时间(MTBF)从不足2.5万小时上升到15万小时;输出电压波形失真从5%降低到1%;噪音从95dB(A)降至70dB(A);占地面积甚至减少了90%。
      
      即使双变换UPS,其效率也达到了96.8%,每千瓦容量的成本降到了以往的最低水平。这对用户来说是有利的,但厂商从UPS获利的唯一方法是提供售后服务。
      
      欧洲厂商生产的UPS基本都取消了变压器,而在北美,无变压器的UPS仍然是一个新事物,像APC这样的厂商也采用了在线互动式拓扑结构,虽然没有任何频率的保护,并不是技术上的“在线”式,尽管是这样,这种架构的UPS在稳定的电网中仍然工作得很好。
      
      上世纪90年代,Invertomatic公司在瑞士推出了经济模式UPS(ECO模式,工作原理如图),但市场销售情况并不乐观。之后行业厂商推出的模块化UPS解决了大多数数据中心的部分负荷问题。经济模式的原理很简单:当市电稳定时,UPS自主切换到旁路模式供电,降低电力损耗,特别是无变压器设计的UPS,该模式下UPS整流器仍然工作,为蓄电池充电(需要比飞轮UPS低得多的功率),而逆变器处于待机状态,旁路(晶闸管开关)开通为负载供电,直到电力出现异常,此时UPS的静态开关将负载转移到逆变器,运行在该模式的UPS有个显著的缺点,就是UPS工作在旁路时并没有电源质量的改善。
      
      现在有一些“先进”的经济模式UPS切换时间为2ms而不是4ms,有些则会监测负载失真并做出关于电网的决策,但是基本理念仍然如此,如果电力是稳定的,那么就可以节约电能。
      
      然而这通常会有风险,而经济模式也没有什么不同。每当电力出现偏差时,负载就会从旁路切换到正常模式,这与双变换UPS所提供的保护完全相反。这种切换代表着负载面临风险,虽然这种风险可能很小,但用户必须将与其回报进行平衡。
      
      随着电力成本的上升和概念的推广,经济模式已被人们所接受,然而效率并不总是用户期望的最重要的指标。
      
      采用碳化硅(SiC)的UPS更节能高效
      
      采用经济模式运行的UPS,具有极大的优势,但最新开发的碳化硅技术与经济模式的结合,会产生更大的优势。目前晶体管制造都是传统可控硅器件,对于UPS来说,绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的功能越来越强大且可靠。
      
      但是采用IGBT器件的UPS有一个明显的缺点,其开关的速度越快(以获得更高的精度),电力损失就越高。这主要是因为模块效率的上限为96.8%,而采用碳化硅器件,理论上可将双变换UPS效率提高至98%~99%。
      
      合成的碳化硅粉末自1893年以来已经批量生产,采用碳化硅制造的IGBT最初的成本很高,但节能效果也很显著,而且所有这些都不会将关键负荷转移到电网中,不会增加电力转换的风险。
      
      在模块层面上,碳化硅主要有两个好处:更小的芯片尺寸和更低的动态损耗。在系统层面上,这些优势可被以多种方式利用。低动态损耗带来输出功率的显著增加,将提供减轻重量和减小体积的机会。值得一提的是,无需额外的冷却能力就可实现功率的增加,因为与可控硅器件相比,碳化硅带来实际的损耗减少,可以在相同的冷却条件下得到更高的输出功率。低功率损耗可以提高能效,允许设计更高效率的逆变器,所以应用在UPS上更加高效节能。
      
      作者简介
      
      文洋,现就职于深圳市英威腾电源有限公司。2010年本科毕业后一直从事UPS的硬件开发工作,参与过公司多个系列UPS的开发工作。
      
      编辑:Harris

     

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