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安森美丰富的SiC方案解决新一代UPS的设计挑战
随着云计算、超大规模数据中心、5G应用和大型设备的不断发展,市场对不间断电源 (UPS)的需求保持高位,且正在往小型化、高容量化、高效化发展,设计人员面临如何在性能、能效、尺寸、成本、控制难度之间权衡取舍的挑战,
安森美是领先的智能电源方案供应商之一,也是全球少数能提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商,提供先进的SiC、SiC/Si 混合和 IGBT 模块技术,以及广泛的分立器件、门极驱动器等周边器件,满足低、中、高功率UPS 设计的各种要求,加之技术团队的应用支援,帮助设计人员解决上述挑战,满足大数据时代不断增长的需求。本文重点介绍安森美应用于UPS的SiC方案。
UPS系统广泛用于保护从电信和数据中心到各种工业设施等各种应用中的关键组件的电源,提供过滤功能和补偿电网的短期停电,确保可靠的电压供应。按工作原理,UPS分为离线式UPS、在线互动式UPS和在线式UPS。离线式UPS和在线互动式UPS结构简单、成本低,在输入没有异常的情况下,能效高,但存在切换时间长,激活电池供电的情况多,输出精度低。所以目前针对数据中心等大功率UPS需求的场所,在线式UPS是最常用的,在线式UPS也称为双变换式UPS,无论市电是否正常,负载的全部功率均由逆变器给出,所以没有间断,输出质量高,经过高频脉宽调制(PWM)后,整体波形总谐波失真(THD)小,频率波动小,但价格高,控制复杂。
·更高的输出功率:大型数据中心对UPS要求很高,一台3相输出的UPS的母线 V。模块化UPS可拓展、高冗余,通过连接多个产品能达到100 kVA更大输出功率,以应对大型数据中心的需求
·优秀的散热能力,减少本身由散热器带来的重量和成本,同时有能力在受限的空间里增加额外的功率模块
·控制总拥有成本(TCO, Total Cost of Ownership),包括生产成本、运输安装和后期维护的成本,以及存放设备的空间成本等。需要去考虑如何减小散热片、电感和电解电容以及风扇所占的空间和重量。
·UPS的可拓展化,模块化UPS的一个巨大优势就是可拓展,当需要增加容量时,只需要添加一个电源模块,一个模块尺寸重量较小,即使一个人也可以完成安装,大大减少了成本。
·采用在线式UPS,在线式UPS相比种类的UPS能够处理更多输入电能质量问题,减少电池使用频率,同时其高频逆变器能够输出高质量高效率的正弦信号为负载供电。
·拓扑对系统性能和能效的影响,3电平拓扑比2电平拓扑能效更高,在额定功率下,更高能效意味着更小的散热器和更好的可靠性,最关键的是电平数的增加使得电压输出更接近正弦波,但复杂的控制算法、更多的器件以及开关管数量增加会导致成本增加,设计人员需要在性能和价格之间权衡取舍。
由于SiC具有更高的耐压能力、更低的损耗以及更高的导热率,可赋能UPS设计更高的功率密度和优化的系统成本,较低的系统损耗和更高的系统能效。安森美在SiC领域有着深厚的历史积淀,垂直整合模式确保可靠的品质和供应。
安森美的SiC MOSFET和SiC二极管产品线非常丰富,包含各种电压等级。SiC MOSFET从650 V到1200 V,并且即将发布1700 V的产品,SiC二极管则是从650 V到1700 V都具备。对于UPS来说,SiC MOSFET主要选择Rdson更小的产品。如安森美适用于UPS的1200 V M3S SiC MOSFET比领先行业的竞争对手减少达20%的功率损耗,原因是其使用更大尺寸的晶片(die),从而减少Rdson。
安森美目前主推的4-pin SiC MOSFET,相比3-pin的产品,额外的一根开尔文引脚(Kelvin Source)可消除源极引脚上的寄生电感,可提供更快的开关速度,从而降低导通损耗。
随着UPS的单元功率逐渐增加,也会有更多的设计人员考虑模块产品,将许多不同功能、大小的晶圆如IGBT、二极管封装在一个模块里,可减小由于单管引脚带来的杂散电感,降低器件在快速关断时产生的电压应力,减少生产流程的工序,提高产线效率,减轻了电气和结构研发设计人员的工作量,避免了因为单管工艺复杂造成的产品不良率,也让BOM的采购和供应链变得简单,缩短了产品投入市场的时间。而且从系统集成的角度来分析,模块的高成本是可以被其他优点摊薄的,例如简化生产流程和PCB的设计,高功率密度,较低的散热系统成本,简单的绝缘设计等。由于组装模块时的晶片都来自同一片晶圆上相邻的器件,晶片的一致性更高,这有利于晶片并联均流,增加了系统的长期运行可靠性。
我们在一个boost升压电路对不同模块进行了对比,SiC MOSFET的导通损耗比IGBT混合模块低1到2倍,其关断损耗Eoff低5倍以上。这对提高系统开关频率,降低损耗意义很大。若在相同的开关频率下,全SiC模块较混合模块的温升和损耗更低,允许使用更小更经济的散热器,或者说散热条件一样时可以输出更高的功率。换一种评估方式,假设每路输出功率10 kW,随着开关频率的增加,由于较大的开关损耗,IGBT的结温和损耗远高于SiC MOSFET,因而全SiC 模块在减小电感值、电感尺寸和重量方面有巨大优势。
SiC有助于变革性地优化UPS设计,满足大数据时代UPS小型化、高容量化、高效化的要求。安森美在SiC领域处于领先地位,是世界上少数能提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商之一,为UPS提供多种电压等级的高能效、高性能SiC MOSFET、SiC二极管、全SiC模块和混合SiC模块,配合安森美针对SiC优化的门极驱动器、传感、隔离和保护IC等周边器件和应用支援,帮助设计人员在性能、能效、尺寸、成本、控制难度之间做出最佳的权衡取舍。
产品型号 | BH10S/BH10L | BH20S/BH20L | BH30S/BH30L | BH60S/BH60L | BH100S/BH100L |
产品容量 | 1KVA/0.8KW | 2KVA/1.6KW | 3KVA/2.4KW | 6KVA/4.8KW | 10KVA/8KW |
整机特性参数 | |||||
整机体制 |
双转换高频在线式 |
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整机结构 |
采用塔式和机架式结构设计 | ||||
整机满载效率AC-AC | >90% | ||||
噪音(距离前面2米) | <50dB | ||||
工作温度 | 0~40℃ | ||||
储存温度 |
-15~60℃(不含电池) | ||||
湿度 |
<95%无冷凝 | ||||
安全标准 |
GB/T14715 | ||||
电磁兼容标准 | EN50091-1/2 | ||||
保护功能 |
过载、短路、过温、市电过高/过低、电池过高/过低 | ||||
直流启动功能 |
具备 | ||||
配接发电机功能 |
具备 | ||||
手动旁路 |
无 |
选件 |
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显示 | LCD:市电下UPS运行状态、逆变状态、旁路状态、电池状态、电池量、负载量、故障信息等 | ||||
声光报警 |
自动 | ||||
静音 |
自动 | ||||
输入特性参数 | |||||
输入电压范围 |
100%负载:180~300Vac,50%负载:110~300Vac |
175~280Vac | |||
输入频率范围 | 50/60Hz(自适应) | ||||
输入功率因PF |
0.99 | ||||
总谐波失真(THDI) | <5% | ||||
输出特性参数 |
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输出电压 | 220Vac | ||||
输出功率因数 | 0.8 | ||||
输出电压稳定度 |
220Vac±1%(静态负载);220Vac±2%(50-0%负载跃变);220Vac±5%(100-0%负载跃变) | ||||
输出频率(市电) |
46Hz≤输入频率≤54Hz时,输出和输入保持一致;输入频率小于46Hz或大于54Hz时输出频率锁定在50Hz | ||||
输出频率(电池) | 50Hz±0.2% | ||||
输出波形 |
纯正弦波 | ||||
失真度 |
<1%(线性满负载),<3%(非线性负载) | ||||
过载 |
>125%过载运行时间大于30秒; >150%过载运行立即转旁路关机 |
>120%过载运行时间30秒; >150%过载运行立即转旁路关机 |
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峰值因数 | 3:1 | ||||
逆变效率 | >90% | ||||
短路 |
电路自动保护,输出为零 | ||||
输出异常 |
逆变器输出自动闭锁保护 | ||||
噪声抑制 |
EMI/RFI滤波器 | ||||
电池过低 |
关机保护 | ||||
动态响应 |
满载3%,稳定时间为20毫秒 | ||||
自动重新启动 |
具备 | ||||
软件设定开/关机 |
具备 | ||||
旁路特性参数 |
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静态旁路转换时间 | 0ms | ||||
静态旁路输入范围 | 80Vac±5%~285Vac±5% | ||||
旁路逆变转换时间 | 2ms | ||||
电池特性参数 | |||||
电池类型 |
密封铅酸免维护电池 | ||||
标配电池额定电压、节数 |
12V/7Ah×2/3节 |
12V/7Ah×4/6节 | 12V/7Ah×6/8节 | 12V/7Ah×16节 | 12V/7Ah×16节 |
标配电池额定备用时间 | 5-15min | 5-15min | 5-15min | 5-15min | 5-15min |
长延时电池额定电压 | 36Vdc | 72Vdc | 96Vdc | 192Vdc | 192Vdc |
标配充电电流 |
1A | 1A | 1A | 1A | 1A |
长延时充电电流 |
4A | 4A | 4A | 4A | 4A |
接口特性参数 |
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通讯接口 |
RS232标配;/SNMP/RS485/干接点(选件) |
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监控软件 | 具有各种操作系统下的监控管理,市电及电池状态、市电故障、电池电压低、遥控关机、控制菜单 | ||||
物理参数 |
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标机尺寸mm(深×宽×高) |
405×145×220 |
465×190×345 | 465×190×345 | 500×240×620 | 500×240×620 |
净重量Kg |
10.5/12 | 22.5/25 | 27.5/29.5 | 60 | 57 |
长机尺寸mm(深×宽×高) |
405×145×220 | 465×190×345 | 465×190×345 | 500×240×460 | 500×240×460 |
净重量Kg | 6.5 | 12 | 12.5 | 18 | 20 |
购买人 | 会员级别 | 数量 | 属性 | 购买时间 |
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