解析UPS的保护和电源效率设计方案

数据中心对于全球业务至关重要。云存储，电子商务和大数据分析的增长，以及社交媒体活动和智能手机使用率的增长，正推动着对越来越大的数据中心的需求。始终保持数据中心正常运行对于避免商务和个人通信中断都至关重要。因此，当AC线路电源出现故障时可保持数据中心电源的不间断电源（UPS）是保持数据中心正常运行并避免丢失关键数据的重要设备。

因此，当发生主电源故障时，UPS始终可以提供电源，因此UPS必须提供“永不故障”的可靠性，并保护其免受电源线过载和瞬变的影响。UPS还应该高效，以最大程度地减少数据中心基础设施需要大量电力的设施中的电力消耗。以下文章为电子设计人员提供了建议，以使其能够开发出适用于各种最终用途的强大而高效的UPS产品。

UPS电路拓扑

设计人员通常使用四种拓扑之一来进行优化，以实现最小功耗，最小功率损耗时间间隔，最大程度地过滤电源线瞬变以及降低成本。图1显示了UPS的四种拓扑，以及每种拓扑如何根据这些参数进行比较。并非所有这些拓扑都适用于数据中心，但此处将其包括在内以进行比较。

图1. UPS产品的设计拓扑

待机：由于设计除非线路电源中断才提供电源，所以以最低的成本提供了最高的效率。一个缺点是，当AC线出现故障时，切换到电池电源的速度最慢。（通常小于0.5 kVA。）

Line Interactive：此配置可使逆变器与负载保持一致，从而提供良好的效率。与待机设计相比，它还可以更快地切换到电池电源。但是，切换时间比其他两种拓扑（双转换在线拓扑和多模式在线拓扑）的切换时间要慢。（通常为0.5 kVA至5 kVA。）

双转换在线：此方法始终为负载供电，从而消除了交流电源和备用电池电源之间的任何切换时间延迟。折衷方案是通过两个转换器会产生一些功率损耗。（通常大于5 kVA。）

多模式在线：与双转换拓扑相比，此拓扑结合了零开关时间延迟和更少的功率损耗。（通常大于5 kVA。）

选择最适合您的UPS和其目标应用程序设计目标的拓扑。

UPS的保护和电源效率设计

无论选择哪种拓扑，设计人员都应包括保护，控制和传感解决方案，以确保产品可靠可靠。保护组件使UPS能够承受过载和瞬变。控制组件可以通过最小化功耗来最大化效率。感应组件可以帮助保护大功率组件。图2显示了具有建议的保护，控制和感应组件的UPS示例。

图2.具有建议的保护，控制和感应组件的UPS示例

以双转换在线拓扑为例，图3给出了框图和表格，其中详细列出了每个电路模块的推荐组件。

图3：双转换在线式UPS的框图，其中显示了保护，控制和感测组件应放置的位置，表格中显示了建议的组件类型

交流输入

交流输入直接与交流线路连接，并承受其电流过载和电压瞬变。设计人员需要保护该电路和下游电路免受这些损坏条件的影响。对于大功率电路的过电流保护，请考虑使用快速熔断器以提供出色的保护。半导体保险丝可以提供较高的标称电流，例如40 A–2000 A，并能快速响应过电流。半导体熔断器对短路事件的响应速度非常快，从而减少了传递给功率半导体器件的潜在有害能量。确保选择的保险丝的额定电压远高于交流线路电压，并且保险丝具有较高的短路电流中断额定值，以避免在最坏情况下的过载情况下无法断开。还应考虑额定满载电流下保险丝的额定功率损耗。半导体保险丝的功率损耗低，有助于提高整体系统效率。

为了防止AC线上的瞬态浪涌，请考虑使用尽可能靠近电路板输入端的金属氧化物压敏电阻（MOV），以限制瞬态在PC板上的传播。MOV可以吸收高达70,000 A的峰值脉冲电流和高达10,000 J的瞬态电涌。请注意，某些MOV具有热保护功能，可以防止MOV因过热而发生故障。

为了提高对瞬态电压的响应速度，请考虑与MOV串联增加一个平衡晶闸管。平衡晶闸管将在比MOV更低的电压下激活，从而使MOV的最大钳位额定值更低。这进一步增强了对下游电路的保护。增强保护的另一种策略是使用大功率瞬态电压抑制器（TVS）二极管。这些设备对浪涌事件的响应速度非常快，而MOV不会遇到同样的磨损问题。每种设计的理想选择是在性能和总拥有成本之间取得平衡。尽管某些技术的成本可能高于其他技术，但其他因素可能表明，最低的总拥有成本需要成本更高的组件技术。  

AC / DC转换器

如图所示，AC到DC级执行两个重要功能。首先，它将交流输入电压整流为直流，然后可将其用于为备用电池充电。第二个功能是功率因数校正，可减少谐波并改善电源质量。选择有源组件时，重要的是要在性能，尺寸，成本和能效之间找到适当的平衡。许多中小型电源UPS产品都使用整流二极管或模块，而大型电源系统可能会选择半控或全控整流桥或晶闸管模块。在数据中心内使用的中小功率UPS系统中，升压PFC功能是通过将IGBT或MOSFET用作有源开关与快速Si或SiC二极管相结合来实现的。

为了进一步增强系统操作能力，可以将温度传感器（例如NTC热敏电阻）直接粘贴到散热器上。这些设备是设备监视系统的一部分，用于优化系统性能。严格的测量公差和宽广的传感范围确保温度传感器可以提供可靠的读数。

DC / AC逆变器

为了提供交流线路电压输出，再次使用了功率半导体，这一次功率半导体将直流电转换回交流电。与整流阶段相似，最终设计必须在性能，能效，尺寸和成本之间找到理想的平衡。低损耗IGBT模块通常用于执行此功能。再一次，温度传感器可以用来帮助优化操作条件。

旁路开关

旁路开关控制将交流电源还是电池供电输出到负载。晶闸管可用于控制开关动作。同样，选择具有低栅极触发电压和低正向压降的晶闸管，以将功率损耗降至最低。

适用标准

您应该了解适用于您的设计的标准。表1列出了UPS产品的主要标准。不遵守这些标准将导致重新设计工作，并再次提交标准组织。结果，项目成本将上升。

表1.适用于UPS产品设计的标准

保护您的UPS免受过载，瞬态和过热状况损坏的价值

通过将保护和感测组件作为设计目标，并在项目早期就纳入标准合规性，您可以经济高效地开发出功能强大且可靠的UPS。使用高效的控制组件可以促进低功耗产品的开发。通过在选择保护，控制和感应组件时利用组件制造商的工程专业知识，您还可以节省时间和资源  

可靠性和效率提高了您的UPS在市场上的声誉。高质量的声誉可以导致市场份额的增长和收入的增长。它还可以提高获利能力。
编辑：hfy