Jak wykorzystać diody do poprawy wydajności systemów zasilania UPS?

一, Wybór urządzenia: Przełom w wydajności od materiału do struktury
1. Optymalizacja dynamiczna diody szybkiego odzyskiwania (FRD)
Traditional silicon-based fast recovery diodes experience significant losses during high-frequency switching (such as above 10kHz) due to their large reverse recovery charge (Qrr). For example, the 50A FRD matched with a 650V/50A IGBT module has a reverse recovery loss ratio of 35% in UPS inverters. By adopting a soft recovery characteristic design (soft factor S>0,7), można zmniejszyć di/dt wstecznego prądu odzyskiwania i zminimalizować skoki napięcia spowodowane indukcyjnością linii. Badania Renesas Electronics pokazują, że zmniejszenie rozmiaru chipów FRD do poziomu 30 A (w połączeniu z 50 A IGBT) może zmniejszyć całkowite zużycie energii o 2,5% i zaoszczędzić 20% kosztów chipów.

2. Niskonapięciowe zalety diod Schottky'ego
W scenariuszach niskonapięciowych i wysokoprądowych (takich jak szyna 48 V DC) diody Schottky'ego zmniejszają straty przewodzenia o 70% w porównaniu ze zwykłymi diodami krzemowymi (VF ≈ 1,0 V) przy niskim spadku napięcia w przewodzie (VF) wynoszącym około 0,3 V. Modułowa obudowa UPS pokazuje, że zastąpienie tradycyjnych diod prostowniczych diodami Schottky'ego może poprawić wydajność obwodu ładowania o 1,8% i zaoszczędzić aż do 12 000 kWh energii elektrycznej rocznie. Należy zauważyć, że napięcie przebicia wstecznego diod Schottky'ego jest zwykle niższe niż 200 V, a zakres ich zastosowań wymaga rozszerzenia poprzez szeregowe połączenie wielu lamp lub zastosowanie diod Schottky'ego z węglika krzemu (SiC) (o napięciu wstecznym wytrzymywanym do 650 V lub więcej).

3. Rewolucja wysokiej częstotliwości diod z węglika krzemu (SiC).
Diody SiC charakteryzują się doskonałą wydajnością w zasilaczach UPS-o wysokiej częstotliwości ze względu na zerowy ładunek zwrotny (Qrr ≈ 0) i wysoką stabilność temperaturową (temperatura złącza do 200 stopni). Dane testowe falownika fotowoltaicznego o mocy 100 kVA pokazują, że zastąpienie krzemowego FRD diodami SiC zmniejsza straty przełączania o 62% i zwiększa wydajność systemu z 96,2% do 97,8%. Chociaż diody SiC kosztują 3-5 razy więcej niż urządzenia krzemowe, ich właściwości polegające na zmniejszaniu objętości o 50% i trzykrotnym wydłużaniu żywotności zapewniają znaczne korzyści w zakresie kosztów w pełnym cyklu życia w scenariuszach o dużej gęstości, takich jak centra danych.

2, Projekt topologii: Rekonstrukcja wydajności ze struktury obwodu na przepływ energii
1. Równoważenie strat w topologii trzech-poziomów
W tradycyjnych dwu-inwerterach UPS diody przenoszą pełne napięcie magistrali (np. 800 V), a strata na odzyskiwaniu zwrotnym rośnie wraz z kwadratem napięcia. Topologia trójpoziomowa z zaciśniętymi diodami zmniejsza naprężenie napięciowe diody do połowy napięcia szyny (400 V) poprzez wprowadzenie potencjału punktu środkowego, zmniejszając jednocześnie rozmiar cewki filtrującej o 30%. Po przyjęciu topologii-trzypoziomowej w zasilaczu UPS w dużym centrum danych wydajność systemu wzrosła z 94,5% do 96,8%, a roczna emisja dwutlenku węgla została zmniejszona o 120 ton.

2. Przeprowadzenie optymalizacji technologii prostownika synchronicznego
W procesie prostowania wyjścia UPS duży udział mają tradycyjne straty VF na diodach. Technologia prostowania synchronicznego może zmniejszyć straty prostowania o 80% poprzez zastąpienie diod tranzystorami MOSFET i wykorzystanie dedykowanych chipów sterownika do kontrolowania czasu ich przewodzenia. Studium przypadku zasilacza UPS o mocy 200 kVA wykazało, że technologia prostowania synchronicznego zwiększyła sprawność wyjściową z 95% do 97,5%, szczególnie przy małych obciążeniach (obciążenie 20%), gdzie poprawa wydajności była bardziej znacząca (osiągająca 94% w porównaniu z. 91%).

3. Zintegrowana innowacja idealnego obwodu diodowego
W scenariuszach przełączania akumulatorów UPS tradycyjne obwody diodowe ORing są narażone na straty spowodowane spadkiem napięcia (VF × Ibat) i ryzyko wystąpienia prądu wstecznego. Idealny obwód diodowy pozwala uzyskać zerowy spadek napięcia przy przełączaniu-z powrotem na-tranzystory MOSFET i układy sterujące, a także integruje funkcje takie jak ochrona przed przepięciem i wymiana podczas pracy. W niektórych przemysłowych zastosowaniach UPS idealna dioda zmniejsza straty spowodowane rozładowaniem akumulatora z 12 W do 0,5 W, eliminując jednocześnie problem pogorszenia żywotności akumulatora spowodowany prądem wstecznym.

3, Integracja systemu: poprawa wydajności od optymalizacji pojedynczej maszyny do współpracy w pełnym łańcuchu
1. Optymalizacja obciążenia dla konstrukcji modułowej
Modułowy UPS może dynamicznie uśpić bezczynne moduły dzięki konstrukcji redundancji N+X, zwiększając stopień obciążenia pracujących modułów do 60% -80% (tradycyjny współczynnik obciążenia UPS wieżowego jest zwykle mniejszy niż 50%). Po zastosowaniu modułowego UPS w finansowym centrum danych wydajność systemu wzrosła z 93% do 96%, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacji i konserwacji o 30% dzięki inteligentnej funkcji uśpienia. W tym scenariuszu diody muszą spełniać wymóg niskiej rezystancji termicznej (R θ JA<10 ℃/W) to adapt to the heat dissipation challenges under high-density packaging.

2. Kontrola temperatury technologii zarządzania ciepłem
70% strat diody zamienia się na ciepło, a na każde 10 stopni wzrostu temperatury złącza, ładunek regeneracyjny Qrr wzrasta o 15% -20%. Dzięki zastosowaniu technologii łączenia zaciskami miedzianymi zamiast tradycyjnego łączenia drutem aluminiowym, rezystancję termiczną diod można zmniejszyć o 40%; Łącząc technologię chłodzenia cieczą, temperaturę złącza diod SiC można ustabilizować poniżej 150 stopni, co dodatkowo uwalnia potencjał przełączania wysokiej częstotliwości. Test UPS pewnej stacji bazowej 5G pokazuje, że schemat chłodzenia cieczą wydłuża żywotność diody do ponad 15 lat (tradycyjny schemat chłodzenia powietrzem wynosi 8-10 lat).

3. Optymalizacja dynamiczna cyfrowej technologii sterowania
Cyfrowe sterowanie oparte na DSP może monitorować parametry takie jak dioda VF i Qrr w czasie rzeczywistym i optymalizować rozkład strat poprzez regulację częstotliwości przełączania (np. dynamiczne przełączanie z 10 kHz na 20 kHz). Inteligentny UPS przewiduje zmianę obciążenia za pomocą algorytmu uczenia maszynowego i z wyprzedzeniem dostosowuje taktowanie diody, tak aby wydajność systemu się zmieniała<0.5% in the full load range, which is three times more stable than the traditional analog control scheme.