Design av online avbruddsfri strømforsyning 

Det finnes to typer UPS: online og offline. Online er den foretrukne tilnærmingen da den er i stand til å bytte sømløst fra nettstrøm til batteristrøm når det er nødvendig. Denne typen mottar inngangskraft fra nettet og leverer utgangen til lasten – ofte en server i et datasenter eller kritisk utstyr på en fabrikkproduksjonslinje.

Det første trinnet i en UPS er å konvertere den innkommende AC-spenningen til DC ved hjelp av en AC-DC-omformer. Denne spenningen mates deretter inn i UPS-ens interne batteri for å sikre at den konstant lades slik at maksimal driftstid er tilgjengelig i tilfelle strømbrudd. Denne batterispenningen konverteres deretter tilbake til AC ved hjelp av en DC-AC-omformer for å gi en spenning på samme nivå som nettet for å drive lasten. Siden batteriet alltid er tilkoblet, eller online, kalles denne typen UPS en online UPS.

Ved strømbrudd forsyner batteriet omformeren, og utgangsspenningen forblir til stede mens ladningen forblir i batteriet, slik at lasten kan fortsette å kjøre og/eller slås av på en ryddig måte. Den eliminerer også pigger på nettet, spennings-/frekvenssvingninger som sikrer at spenningen til lasten holder seg innenfor spesifikasjonene.

Hovedfordelen med en online UPS er den raske reaksjonstiden da batteriet raskt kan kobles til utgangen. Denne fordelen kommer imidlertid på bekostning av dobbel konvertering fra AC til DC og tilbake til AC igjen. Siden effektiviteten aldri kan være 100 %, sløser en online UPS litt mer energi enn sin frakoblede fetter. Dette er imidlertid et mindre problem, så en online UPS er langt den mest utbredte teknologien.

Avhengig av konstruksjonen og behovene til lasten, kan en UPS være en- eller trefaset. I en trefasedesign brukes ofte en topologi kjent som en Vienna-likeretter for inngangstrinnet (AC-DC) som mater DC til batteriet. Etter et inngangsfilter blir hver fase av den innkommende spenningen ført gjennom en induktor før Vienna-likeretteren.

Utgangen til likeretteren er en DC-buss på rundt 800V, basert på typiske globale trefasespenningsnivåer, denne gir omtrent 400V over hver av DC-busskondensatorene.

Ikke bare lader energien som er lagret i DC-busskondensatorene batteriet, men den driver også utgangstrinnet som ofte er en nøytralpunkt-klampet (NPC) T-type omformer. Når nettspenningen er tilstede, fylles kondensatorenergien direkte fra nettspenningen. I tilfelle en nettfeil vil denne energien komme fra batteriet – noe som sikrer at T-type NPC kan fortsette å levere vekselstrøm til lasten.

En typisk trefaset Vienna-likeretter består av tolv strømkomponenter, seks dioder og seks IGBT-er. Ofte brukes silisiumkarbid (SiC) for sine ytelsesfordeler med diodene og IGBT-ene som har spenningsklassifiseringer på henholdsvis 1200V og 650V. Når det er IGBT-optimalisering for lav VCE, og et valg mellom middels hastighet eller høy hastighet, foretrekkes ofte alternativene for middels hastighet, da både svitsj- og ledningstap er viktige i denne topologien for den sentrale svitsjen. onsi tilbyr en rekke strømmoduler basert på disse topologiene for å forenkle utvikling og forbedre ytelsen i forhold til diskrete design.

Bruk av silisiumkarbid for å redusere tap

Som nevnt har online UPS en dobbel konvertering som gjør at online topologien fungerer, men introduserer samtidig ytterligere tap. Problemet er noe sammensatt ettersom tapene genererer varme som kan kreve et kraftigere HVAC-system for å opprettholde romtemperaturen. Dette vil medføre kapitalkostnader ved kjøp av HVAC-systemet, driftskostnader for den ekstra plassen og for driften av den større HVAC-en, og kostnadene for energi tapt i UPS-en.

Hvis UPS-størrelsen kan reduseres, vil dette være en fordel for datasenteroperatøren ettersom denne plassen kan brukes til inntektsgenererende servere.

Å redusere tap vil også redusere driftskostnadene og fører generelt til en mindre løsning da effekttettheten kan øke med lavere tap. Siden wide-bandgap (WBG)-materialer som silisiumkarbid (SiC) generelt har bedre ytelse og lavere tap, vil bruk av denne teknologien øke UPS-effektiviteten. De leverer også bedre effektivitet ved lette belastninger ettersom seriemotstanden er lavere og det ikke er noen antiparallell diode, slik det er i IGBT-er, og heller ikke et fast spenningsfall.

En av utfordringene med å dimensjonere IT-systemer, inkludert UPS for bruk i IT-systemer, er lastens dynamiske natur. En datamaskin bruker betydelig mindre energi når den surfer på nettet eller skriver et dokument enn når den utfører maskinlæring eller kjører en detaljert simulering. Siden SiC tilbyr økt effektivitet, uansett belastningsnivå, er denne dynamiske belastningen en ytterligere grunn til at SiC raskt blir den foretrukne teknologien.

Delvis på grunn av de lavere nivåene av portlading (Qg), er SiC-enheter i stand til å opprettholde effektiviteten mens de bytter ved høyere frekvenser. En effekt av dette er å redusere størrelsen på de reaktive komponentene som kan bidra betydelig til en reduksjon i den totale størrelsen på UPS-en.

En ytterligere fordel med å bruke SiC er muligheten til å gå fra en Vienna-likeretter / T-type NPC til «seksbryter»-omformere på inngangs- og utgangstrinnene (AC-DC og DC-AC), noe som betyr at topologien kan replikeres og sparer designtid. Seksbryter-topologien består av tre halvbroer, som halverer antallet halvledere i designet, ytterligere plass- og kostnadsbesparelser – og den mindre magnetikken beholdes.

I dette eksemplet, på grunn av nettspenningene, vil EliteSiC MOSFET-ene være klassifisert for 1200V. onsemi har en rekke SiC MOSFET-er som er egnet for bruk i seksbryter-omformere. Et eksempel er høyhastighets M3S NTH4L022N120M3S, eller den nyere NTH4L040N120M3S. For ytterligere ytelsesfordeler kan man også vurdere å bruke moduler, for eksempel onsemis nyeste NXH003P120M3F2 1200V halvbromoduler basert på M3S SiC-teknologi.

AC-DC-frontenden kan brukes toveis, og tillater tilbakeføring av reaktiv effekt for å forbedre effektfaktoren som reduserer kraft og dermed driftskostnadene.

Å gå fra en silisiumløsning til SiC krever en endring av driverne som brukes for bryterne. De valgte SiC MOSFETene krever dobbel 5kV isolasjon og rask drift (dv/dt, forplantningsforsinkelser) for å la SiC MOSFETene operere med optimal ytelse.

En passende driver er onsemis NCP51561 – dens dv/dt-kapasitet er over 210V/ns, og forplantningsforsinkelsen er bare 39ns, matchet med 5ns mellom kanaler. Enheten har også en ekstern dødtidskontroll og en aktiveringspinne, som forbedrer systemets pålitelighet.

Oppsummert er en enkelt online UPS avgjørende for kontinuerlig drift av servere og kritisk maskineri. For å produsere et vinnende design, må ingeniører være i stand til å utvikle små og effektive design. Den beste måten å gjøre dette på er å ta i bruk diskrete SiC-teknologier, moderne topologier, slik som seksbryterkonvertering og bruke disse sammen med høyytelses SiC-drivere.