英威腾技术创新--采用碳化硅功率器件的UPS更加高效节能

如今，随着技术的发展，静态UPS的功率损耗逐渐下降。早期具有输入和输出变压器的采用晶闸管技术的在线式UPS(简称双变换式UPS或IEC的“VFI”)的满载运行效率仅为83%-85%。而目前采用晶体管(IGBT)技术的高频在线互动式UPS的满载效率可达到95%-97%。

 

 

当今的UPS的能源效率提高了15%，而冷却需求却在下降，提高了其可靠性。模块化UPS的平均故障间隔时间(MTBF)从不足2.5万小时上升到15万小时；输出电压波形失真从5%降低到1%；噪音从95dBA降至70dBA；占地面积甚至减少了90%。

即使双变换UPS，其效率也达到了96.8%，每千瓦容量的成本降到了以往的最低水平。这对用户来说是有利的，但厂商从UPS获利的唯一方法是提供售后服务。

 

欧洲厂商生产的UPS基本都取消了变压器，而在北美，无变压器的UPS仍然是一个新事物，像APC这样的厂商也采用了在线互动式拓扑结构，虽然没有任何频率的保护，并不是技术上的“在线”式，尽管是这样，这种架构的UPS在稳定的电网中仍然工作得很好。

 

上世纪90年代，Invertomatic公司在瑞士推出了经济模式（ECO模式，工作原理如图1）UPS，但市场销售情况并不乐观。之后行业厂商推出的模块化UPS解决了大多数数据中心的部分负荷问题。经济模式的原理很简单：当市电稳定时，UPS自主切换到旁路模式供电，降低电力损耗，特别是无变压器设计的UPS，该模式下UPS整流器仍然工作，为蓄电池充电(需要比飞轮UPS低得多的功率)，而逆变器处于待机状态，旁路(晶闸管开关)开通为负载供电，直到电力出现异常，此时UPS的静态开关将负载转移到逆变器，运行在该模式的UPS有个显著的缺点，就是UPS工作在旁路时并没有电源质量的改善。

 

图1

 

现在有一些“先进”的经济模式UPS切换时间为2ms而不是4ms，有些则会监测负载失真并做出关于电网的决策，但是基本理念仍然如此，如果电力是稳定的，那么就可以节约电能。

 

然而这通常会有风险，而经济模式也没有什么不同。每当电力出现偏差时，负载就会从旁路切换到正常模式，这与双变换UPS所提供的保护完全相反。这种切换代表着负载面临风险，虽然这种风险可能很小，但用户必须将与其回报进行平衡。

 

随着电力成本的上升和概念的推广，经济模式已被人们所接受，然而效率并不总是用户期望的最重要的指标。

 

 

 

采用经济模式运行的UPS，具有极大的优势，但最新开发的碳化硅技术可能会抵消经济模式的优势，目前晶体管制造都是传统可控硅器件，对于UPS来说，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的功能越来越强大且可靠。

 

采用IGBT器件的UPS有一个明显的缺点，其开关的速度越快(以获得更高的精度)，电力损失就越高。这主要是因为模块效率的上限为96.8%，而采用碳化硅器件，理论上可将双变换UPS效率提高至98%~99%。

 

合成的碳化硅粉末自1893年以来已经批量生产，采用碳化硅制造的IGBT最初的成本很高，但节能效果也很显著，而且所有这些都不会将关键负荷转移到电网中，不会增加电力转换的风险。

 

在模块层面上，碳化硅主要有两个好处：更小的芯片尺寸和更低的动态损耗。在系统层面上，这些优势可被以多种方式利用。低动态损耗带来输出功率的显著增加，将提供减轻重量和减小体积的机会。值得一提的是，无需额外的冷却能力就可实现功率的增加，因为与可控硅器件相比，碳化硅带来实际的损耗减少，可以在相同的冷却条件下得到更高的输出功率。低功率损耗可以提高能效，允许设计更高效率的逆变器，因此应用在UPS上更加高效节能。

 

因此，采用碳化硅可以不再采用经济模式运行UPS，甚至可以淘汰在线互动式UPS，当用户能够以不到1%的电能损失，却可以获得电压和频率保护的全面保护时，谁会需要UPS运行在经济模式呢?