设计诀窍可帮助您设计UPS或其他电池储能系统

不间断电源 (UPS) 和其他基于电池的储能系统可以确保住宅、电信设施、数据中心、工业设备、医疗设备和其他关键设备的持续供电。凭借先进的半导体技术，这些系统能够确保可靠供电，提供滤波功能，并在发生短期电网断电时保障供电。对于更长时间的停电，这些系统可以提供足够的时间让关键设备安全地关闭。

以下设计诀窍可帮助您设计 UPS 或其他电池储能系统，以利用电池和半导体技术的不断进步，应对越来越多的新兴用例。

了解具体用例

我们通常根据输出功率对 UPS 系统进行分类，因为这是确定所需规模的有效方式。输出功率低于 10 kVA 的 UPS 系统一般体积小且价格低廉，最常见于对供电要求不高的小型/家庭办公室和个人工作站，尤其适合 PC、打印机和照明。在中型企业的数据中心，通常可以看到一个或多个机柜，其中安装有数个模块化 UPS，每个 UPS 可以提供 10 kVA-50 kVA 的输出功率。模块化 UPS 在数据中心中越来越常见，因为它设计紧凑且可扩展。集成多个模块就可以提供更高的功率输出，相当于一个大型 UPS，而且即使其中一个模块发生故障，也不会导致整个系统停止运行。如果需要支持 50 kVA 以上的 UPS 系统，可能需要更多的空间来安置设备。这种系统的尺寸较大，对空间的限制也更严格，因为需要更大的无源组件、电池组和散热风扇来解决散热问题。

目前，UPS 制造商正在设计输出容量超过 100 kVA 的模块化 UPS。在不改变空间布局的情况下获得更多功率固然很好，但这也会给现今的 UPS 设计带来更多挑战。

UPS的三种类型

UPS 有两个版本：离线式和在线式。对于离线式 UPS，负载通常直接连接到交流电源，只有在发生停电或干扰时才会切换到 UPS。完成切换需要大约 10 ms，因此使用离线式 UPS 来保护工业设施并不安全。在线互动式 UPS 是另一种离线式 UPS，它可以根据需要通过升高或降低市电电压来主动调节电压，然后再将其传递给受保护的负载。通过这种方式，在线互动式 UPS 可以充当电压优化器并具有更长的使用寿命，因为电池模式不会经常激活。

对于在线式 UPS，负载始终连接到 UPS 的 DC/AC 逆变器上，消除了切换延迟。同样，带有双向充电器的电池储能系统可以在交流输入中断时提供连续、无缝的供电。在这三种类型中，在线式 UPS 价格最高，但它可以解决最多的供电问题并提供最高质量的输出，因而也最适合高灵敏度设备、数据中心和其他关键设备。

图 1.离线式 UPS

图 2.在线式 UPS

UPS的具体规格

1

尺寸

考虑到 UPS 的总拥有成本，我们绝不能忽视安装、运输和维护所花费的金钱和时间。在 UPS 内部，电池、变压器、散热风扇和散热片占据了最多的空间。但由于半导体技术的进步，我们现 在可以看到无变压器的 UPS 模块，每个模块可以产生 200 kVA 的输出功率，并联安装在 200 x 60 x 60 cm 的机柜中，以保护您的数据和设备。安森美 (onsemi) 可以为您提供具有高开关频 率、低损耗和高工作电压的先进产品，有效降低无源组件的发热和尺寸。

2

输入调节

在线式 UPS 中的双重转换解决了 90% 的输入电源问题，在线互动式 UPS 次之，而离线式 UPS 必须在发生输入异常后才切换到电池模式。在线式和在线互动式 UPS 都可以对输入电压进 行 ±20% 的调节，降低电池模式启动的频率，但原理不同。在线互动式 UPS 使用变压器抽头，而在线式 UPS 通过高频 PWM（20 kHz-40 kHz）来优化电压。这就是在线式 UPS 能产生最佳输出的原因。

3

输出

逆变器决定了 UPS 系统的输出性能。像市电电源这样的正弦波输出始终是避免损坏灵敏设备的理想选择（输出误差比较：在线式 UPS 为 ±1.5%，离线式 UPS 为 ±10%）。要产生纯正弦波，我们需要 IGBT/MOSFET 来构成高频运行的逆变器，并形成优化的拓扑结构以减少高频开关产生的噪声/损耗/EMI。两电平或三电平拓扑结构极大地影响性能，主要取决于开关和二极管中的开关损耗以及电感器的高频损耗和 EMI 问题。然而拓扑的选择取决于许多方面，比如器件成本、控制成本、空间成本等等。

图 3.单电平或两电平开关原理

图 4.两电平或三电平开关原理

4

电源管理

用于高压系统的电池组被堆叠起来，形成一个带有电池管理模块的串，几个电池组串置于一个集装箱中，其中包括一个主电池管理模块。电池管理功能包括负载平衡、电压和电流保护、串连接和断开、充电和放电控制、热管理、风扇控制、监控和通信。用于电池管理的器件包括低压MOSFET、电流检测器、运算放大器、隔离器、eFuses 熔断器、保护二极管、高压开关和智能功率模块 (IPM)。

性能取决于拓扑结构

如上一部分所述，拓扑结构对性能影响重大。使用三电平拓扑结构有三个优点。首先，开关损耗更低。通常，开关损耗与施加到开关和二极管的电压的二次方成正比（V^2^ switch or diode ）。在三电平拓扑结构中，只有一半的总输出电压被施加到（一些）开关或（一些）二极管。

其次，升压电感器中的电流纹波更小。对于相同的电感值，施加到电感器的峰峰值电压也是三电平拓扑结构中总输出电压的一半。这使得电流纹波更小，更容易使用更小的电感器进行滤波，从而实现更紧凑的电感器设计并降低成本。此外，部分电感器损耗与电流纹波成正比。因此，较低的电流纹波将有助于减少电感器中的损耗。最后，EMI 降低，而传导 EMI 主要与电流纹波有关。三电平拓扑结构减少了电流纹波，使滤波更容易并产生更低的传导 EMI。同时，在电磁辐射方面也有好处。

EMI 与 dV/dt 和 dI/dt 相关。首先，三电平拓扑结构降低了峰峰值开关电压，使得开关节点印刷电路板走线辐射的电场更小。其次，三电平拓扑结构减少了峰峰值开关电流，使得开关功率级环路中辐射的磁场更小。

图 5.三电平 T-NPC PFC

图 6.两电平有源前端（Active Front End）PFC

希望以上这些内容可以在实际设计过程中对大家有所帮助，后续的文章我们将带大家了解在设计稳健的 UPS 系统时，采用基于碳化硅 (SiC) 的功率器件对于减少功率损耗、提高功率密度和降低散热成本将起着哪些至关重要的作用。






审核编辑：刘清