采用碳化硅功率器件的UPS更加高效節(jié)能 而冷卻需求卻在下降

如今,隨著技術(shù)的發(fā)展,靜態(tài)UPS的功率損耗逐漸下降。早期具有輸入和輸出變壓器的采用晶閘管技術(shù)的在線式UPS(簡(jiǎn)稱雙變換式UPS或IEC的“VFI”)的滿載運(yùn)行效率僅為83%～85%。而目前采用IGBT技術(shù)的高頻在線互動(dòng)式UPS的滿載效率可達(dá)到95%～97%。

當(dāng)今的UPS的能源效率提高了15%,而冷卻需求卻在下降,提高了其可靠性。模塊化UPS的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)從不足2.5萬(wàn)小時(shí)上升到15萬(wàn)小時(shí);輸出電壓波形失真從5%降低到1%;噪音從95dB(A)降至70dB(A);占地面積甚至減少了90%。即使雙變換UPS,其效率也達(dá)到了96.8%,每千瓦容量的成本降到了以往的最低水平。這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是有利的,但廠商從UPS獲利的唯一方法是提供售后服務(wù)。歐洲廠商生產(chǎn)的UPS基本都取消了變壓器,而在北美,無(wú)變壓器的UPS仍然是一個(gè)新事物,像APC這樣的廠商也采用了在線互動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),雖然沒(méi)有任何頻率的保護(hù),并不是技術(shù)上的“在線”式,盡管是這樣,這種架構(gòu)的UPS在穩(wěn)定的電網(wǎng)中仍然工作得很好。上世紀(jì)90年代,Invertomatic公司在瑞士推出了經(jīng)濟(jì)模式UPS(ECO模式,工作原理如圖),但市場(chǎng)銷售情況并不樂(lè)觀。之后行業(yè)廠商推出的模塊化UPS解決了大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的部分負(fù)荷問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)模式的原理很簡(jiǎn)單:當(dāng)市電穩(wěn)定時(shí),UPS自主切換到旁路模式供電,降低電力損耗,特別是無(wú)變壓器設(shè)計(jì)的UPS,該模式下UPS整流器仍然工作,為蓄電池充電(需要比飛輪UPS低得多的功率),而逆變器處于待機(jī)狀態(tài),旁路(晶閘管開關(guān))開通為負(fù)載供電,直到電力出現(xiàn)異常,此時(shí)UPS的靜態(tài)開關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)移到逆變器,運(yùn)行在該模式的UPS有個(gè)顯著的缺點(diǎn),就是UPS工作在旁路時(shí)并沒(méi)有電源質(zhì)量的改善。
現(xiàn)在有一些“先進(jìn)”的經(jīng)濟(jì)模式UPS切換時(shí)間為2ms而不是4ms,有些則會(huì)監(jiān)測(cè)負(fù)載失真并做出關(guān)于電網(wǎng)的決策,但是基本理念仍然如此,如果電力是穩(wěn)定的,那么就可以節(jié)約電能。
然而這通常會(huì)有風(fēng)險(xiǎn),而經(jīng)濟(jì)模式也沒(méi)有什么不同。每當(dāng)電力出現(xiàn)偏差時(shí),負(fù)載就會(huì)從旁路切換到正常模式,這與雙變換UPS所提供的保護(hù)完全相反。這種切換代表著負(fù)載面臨風(fēng)險(xiǎn),雖然這種風(fēng)險(xiǎn)可能很小,但用戶必須將與其回報(bào)進(jìn)行平衡。
隨著電力成本的上升和概念的推廣,經(jīng)濟(jì)模式已被人們所接受,然而效率并不總是用戶期望的最重要的指標(biāo)。

采用碳化硅(SiC)的UPS更節(jié)能高效

采用經(jīng)濟(jì)模式運(yùn)行的UPS,具有極大的優(yōu)勢(shì),但最新開發(fā)的碳化硅技術(shù)與經(jīng)濟(jì)模式的結(jié)合,會(huì)產(chǎn)生更大的優(yōu)勢(shì)。目前晶體管制造都是傳統(tǒng)可控硅器件,對(duì)于UPS來(lái)說(shuō),絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)的功能越來(lái)越強(qiáng)大且可靠。
但是采用IGBT器件的UPS有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，其開關(guān)的速度越快(以獲得更高的精度)，電力損失就越高。這主要是因?yàn)槟K效率的上限為96.8%，而采用碳化硅器件，理論上可將雙變換UPS效率提高至98%～99%。
合成的碳化硅粉末自1893年以來(lái)已經(jīng)批量生產(chǎn),采用碳化硅制造的IGBT最初的成本很高,但節(jié)能效果也很顯著,而且所有這些都不會(huì)將關(guān)鍵負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中,不會(huì)增加電力轉(zhuǎn)換的風(fēng)險(xiǎn)。在模塊層面上,碳化硅主要有兩個(gè)好處:更小的芯片尺寸和更低的動(dòng)態(tài)損耗。在系統(tǒng)層面上,這些優(yōu)勢(shì)可被以多種方式利用。低動(dòng)態(tài)損耗帶來(lái)輸出功率的顯著增加,將提供減輕重量和減小體積的機(jī)會(huì)。值得一提的是,無(wú)需額外的冷卻能力就可實(shí)現(xiàn)功率的增加,因?yàn)榕c可控硅器件相比,碳化硅帶來(lái)實(shí)際的損耗減少,可以在相同的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低功率損耗可以提高能效,允許設(shè)計(jì)更高效率的逆變器,所以應(yīng)用在UPS上更加高效節(jié)能。