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探索中大功率UPS新技术

发布时间:2011-01-18 02:17:47        

近年来,随着IT产业的复兴、通讯产业的持续发展,以及各行各业对于大容量数据机房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越来越大,对于UPS电源的技术要求也越来越高。同时,配套产业以及器件的发展给中大功率UPS的技术发展带来了机遇。新型磁性元器件、新型半导体功率器件、新一代数字信号处理器等层出不穷,这些都让中大功率UPS的技术水平达到了***的高度。

  1 新器件的应用

  近年来随着铁磁技术的飞速发展,工程师在设计优化时的材料可选择性大大提高。在开关电源、电感、扼流圈以及滤波器的设计方面,***常用的材料包括MPP(钼坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(铁***)以及铁粉芯磁芯。针对不同的应用场合,每种材料都有各自的特点。

  粉芯材料磁芯是由高磁导率材料经过研磨或者喷雾造粒形成粉末,磁芯的磁导率取决于高磁导率材料微粒的尺寸和密度大小,调整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁导率的磁芯。微粒尺寸越小,直流偏置特性越好,但是成本越高。粉末微粒之间彼此绝缘,因此磁芯固有的分布气隙具有更好的储能能力,特别适合在储能电感中应用。

  粉芯的分布式气隙特性确保能量储存在整个磁芯体中,这就使得磁芯的温度稳定性较高。而传统开气隙的铁氧体磁芯由于能量储存在气隙附近,漏感较大,使得气隙损耗和电磁干扰都明显增加,有时局部气隙损耗甚至比磁芯本身的损耗还大,因此磁芯的温度稳定性不太稳定。优化磁芯的原则是选择能够满足所有的设计目标需求的同时,具有***小折衷的材料。如果成本是首要考虑因素,铁粉芯是***佳选择。如果温度稳定性是优先考虑因素,那么应***MPP磁芯。

  伴随着上述新材料的应用,中大功率UPS中以往广泛使用的硅钢类电感、变压器将有机会得到替换。从而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平,UPS系统的功率密度以及性能也将由此而得到提高。

  作为中大功率UPS中的重要功率器件,IGBT以及SCR器件近年来也得到了极大的发展,各大厂商针对UPS的发展需要提出了大量的解决方案。

  三电平IGBT模块给UPS的高频整流器、逆变器带来了***的机遇,从而为三电平技术的推广应用打下了坚实的基础,如图3所示。以往构建三电平系统,设计者需要使用分立的器件来搭建,性价比和系统稳定性都得不到保障,因此三电平技术一直未得到大规模的应用。这种IGBT模块将所有的器件集成在一起,简化了系统设计,提高了可靠性,给这种技术在UPS中的应用带来了机会。三电平技术的应用可以大大降低磁性元器件的使用量,提高系统的静态与动态性能指标,提高系统的功率密度,降低成本。

  一些器件厂家针对电力电子系统的散热需求,给出了一些很好的解决方案。

  图4为新一代的大功率水冷IGBT模块,可以看出其散热器的用量明显降低。并且,通过水冷技术的使用,系统的功率密度明显提高,噪声大大降低,热性能得到提高,可靠性较以往的风冷技术也得到了较大的提升。

 

  图4 大功率水冷IGBT模块

  另外,一些半导体工业的***新器件,例如SiC、ESBT、JFET等,也将逐渐地在UPS产品中得到应用,在提升各个子系统性能的同时,提升UPS系统的各项指标。

  在UPS控制部分,随着DSP、FPGA等数字化芯片的推广应用,以往大量使用的分立元器件将大大减少,从而简化了电路板,提高了可靠性、可生产性、可维护性,并且降低系统成本,提高系统的性能。

  2 新电路拓扑的应用

  近年来,世界各国电力电子机构都不断***出新的中大功率UPS拓扑技术。很多拓扑技术都得到了应用,从根本上给UPS系统的设计带来了革命。上述的三电平结构就是其中之一。

  图5的Z-Source变换器为近年来的研究成果之一。利用Z型无源网络实现电源和负载的耦合,可灵活地获得升/降直流电压。与传统的实现***级联电路相比较,阻抗源整流器不需在上下桥臂的驱动脉冲中加死区,减少了输入电流波形的畸变,而且具有效率高、电路体积小等优点。其灵活的升***特点,为燃料电池等新能源在UPS中的应用提供了契机。

 

  图5 Z-Source变换器

  九开关变换器较以往的三相四线PFC整流器和三相四线逆变器相比,使用的开关管数量减小了,从而降低了系统的造价,如图6所示。另外,通过现代控制技术的应用,其性能有望能达到现有PFC整流器和逆变器的水平。

 

  图6 九开关变换器

  新型开关单元变换器具有提高输入输出等效开关频率,降低电感量需求,提高并联均流效果等优势,也将给UPS的整流器和逆变器拓扑带来机会,如图7所示。

 

  图7 新型开关单元变换器

  在通讯电源、DC/DC变换器等领域,软开关技术已经得到了广泛的应用。在中大功率UPS上这一技术的应用可以降低功率器件的损耗,提高可靠性,提高系统效率,提高EMC/EMI性能。

  图8给出了一种可以应用在中大功率UPS中的软开关拓扑,ARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole)结构。

 

  图8 ARCP软开关变换器

  3 新系统解决方案的应用

  随着水冷、液冷等技术在其他电力电子产品中的应用普及,中大功率UPS也即将进入此项技术的应用领域。

  从图9可以看出,左侧的传统风冷功率模块占地面积大、体积大、金属用量多、功率密度低,而右侧的液冷模块就可以解决上述这些缺点。在当今的***机房中,功率密度的要求已经越来越高,对于单机的容量需求越来越大,给UPS提供的安装空间却越来越小。因此,研制出体积小、单机容量大的产品势在必行。

 

  图9 新型液冷功率模块

  PFC整流器技术在中大功率UPS中也得到了广泛的应用,200kVA以下的UPS很多厂商都已经推出了PFC整流的产品。相对应于传统的6脉冲或者12脉冲整流器,PFC整流带来的技术优势是显而易见的,提高了输入功率因数,降低了UPS输入侧的电流谐波,使UPS实现了绿色化的理念。在不久的将来,PFC整流将有机会往更大功率等级上发展。

  大功率PFC整流器结构,如图10所示,一些国外厂家已经开始尝试将其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流对于提高大型UPS系统性能、降低造价、提高可靠性等方面都具有非常大的积极意义。

 

  图10 大功率PFC整流器结构

  4 其他行业技术的嵌入应用

  现代的中大型UPS供电系统已经融合应用了其他行业的大量技术。移动通信以及互联网技术的嵌入式应用,使得用户可以实时地对分布于***的UPS系统进行监控。***的电池检测技术可以检测到每块电池的健康状况并给出预测报警。***的故障检测与预警系统可以预测出UPS中各子系统的运行状况,给出分析报告,防患于未然,提高系统可靠性和可用性。

  5 结束语

  作为信息设备的守护神,UPS系统承载着巨大的责任。大量的应用需求驱动着其技术不断革新换代。可以预见,随着***、通讯、IT等***市场需求的不断增长,更多、更广泛的新技术将应用到中大功率UPS系统中去,UPS系统将朝着智能化、大型化、绿色化、节能化等方向不断发展。

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