广东易事特电源公司技术中心   Brain

【编者按】目前有些专家谈到“UPS革命性发展趋势”的话题,本刊拟就这方面内容组织一些稿件,并开辟“新技术展望”栏目,欢迎电源技术工作者投稿并参加讨论,今天发表的这篇文章可以起到抛砖引玉的作用。

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的技术水平达到了前所未有的高度。

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,最常用的材料包括MPP(钼坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(铁硅铝)以及铁粉芯磁芯(见图1、图2)。针对不同的应用场合,每种材料都有各自的特点。

                                                   图1  非晶超微晶磁芯

                                                    图2  金属粉芯磁芯

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,具有最小折衷的材料。如果成本是首要考虑因素,铁粉芯是最佳选择。如果温度稳定性是优先考虑因素,那么应首选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、逆变器带来了前所未有的机遇,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。

                                                    图3  三电平IGBT模块

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,一些半导体工业的最新器件,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地推出新的中大功率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。与传统的实现降压级联电路相比较,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。其灵活的升降压特点,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。在当今的高端机房中,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全球的UPS系统进行监控。先进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。先进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,随着金融、通讯、IT等高端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。■