數(shù)據(jù)中心對全球業(yè)務(wù)至關(guān)重要。云存儲、電子商務(wù)和大數(shù)據(jù)分析的增長，加上社交媒體活動和智能手機使用量的增長，推動了對越來越多更大數(shù)據(jù)中心的需求。始終保持數(shù)據(jù)中心的運行對于避免商業(yè)和個人通信中斷非常重要。因此，當交流線路電源發(fā)生故障時，保持數(shù)據(jù)中心供電的不間斷電源（UPS）是保持數(shù)據(jù)中心運行和避免關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的必不可少的設(shè)備。

為了使UPS在出現(xiàn)主電源故障時始終可以供電，UPS必須提供“永不故障”的可靠性，并保護其免受電源線過載和瞬變的影響。 UPS還應(yīng)該是高效的，以最大程度地使數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施需要大量電力的設(shè)施的功耗降到最低。 以下文章為電子設(shè)計人員提供了建議，以幫助其能夠開發(fā)出適用于各種最終用途的強大而高效的UPS產(chǎn)品。

UPS電路拓撲

設(shè)計人員通常使用四種拓撲的一種來進行優(yōu)化，以實現(xiàn)最小功耗，最小功率損耗時間間隔，最大程度地過濾電源線瞬變以及降低成本。 圖1顯示了UPS的四種拓撲，以及每種拓撲如何根據(jù)這些參數(shù)進行比較。 并非所有這些拓撲都適用于數(shù)據(jù)中心，但此處將其包括在內(nèi)以便進行比較。

圖1. UPS產(chǎn)品的設(shè)計拓撲

·待機：以最低的成本提供最高的效率，因為除非線路電源中斷，否則設(shè)備不會供電。其缺點是在交流線路故障時切換到電池電源的速度最慢。（通常小于0.5 kVA。）

·線路交互：此配置可使逆變器與負載保持一致，從而提供良好的效率。與待機設(shè)計相比，它還可以更快地切換到電池電源。 但是，切換時間比其它兩種拓撲（雙轉(zhuǎn)換在線拓撲和多模式在線拓撲）的切換時間要慢。 （通常為0.5 kVA至5 kVA。）

·雙轉(zhuǎn)換在線：此方法始終為負載供電，從而消除了交流電源和備用電池電源之間的任何切換時間延遲。代價是兩個轉(zhuǎn)換器會發(fā)生一些功率損耗。（通常大于5 kVA。）

·多模式在線：與雙轉(zhuǎn)換拓撲相比，此拓撲結(jié)合了零開關(guān)時間延遲和更少的功耗。 （通常大于5 kVA。）

為UPS及其目標應(yīng)用選擇最符合您的設(shè)計目標的拓撲。

UPS的保護和電源效率設(shè)計

無論選擇哪種拓撲，設(shè)計都應(yīng)包括保護、控制和傳感解決方案，以確保產(chǎn)品可靠且堅固耐用。保護元件使UPS能夠承受過載和瞬變。控制元件可以通過最大限度地降低功耗來使效率最大化。感測元件可以幫助保護大功率元件。圖2顯示了具有推薦的保護、控制和感測元件的UPS示例。

圖2. 具有推薦的保護，控制和感測元件的UPS示例

以雙轉(zhuǎn)換在線拓撲為例，圖3給出了方框圖和表格，詳細說明了每個電路模塊的推薦元件。

圖3：雙轉(zhuǎn)換在線UPS框圖，顯示了保護、控制和感測元件應(yīng)放置的位置，表格顯示了推薦的元件類型

交流輸入

交流輸入直接與交流線路連接，并受到其電流過載和電壓瞬變的影響。設(shè)計人員需要保護該電路和下游電路不受這些破環(huán)性條件的影響。對于大功率電路的過電流保護，可以考慮使用快速熔斷器來提供出色的保護。半導體熔斷器可以提供高額定電流，例如40A-2000A，并對過電流做出快速響應(yīng)。半導體熔斷器對短路事件的反應(yīng)速度非常快，從而減少了傳遞給功率半導體器件的潛在有害能量。確保您選擇的熔斷器的額定電壓遠高于交流線路電壓，并且熔斷器具有較高的短路電流中斷額定值，以避免在最壞的過載情況下無法斷開。還要考慮熔斷器在額定滿載電流下的額定功率損耗。半導體熔斷器提供低功率損耗，有助于提高整個系統(tǒng)的效率。

為了防止交流線路上的瞬態(tài)浪涌，請考慮使用盡可能靠近電路板輸入端的金屬氧化物壓敏電阻（MOV），以限制瞬態(tài)在PCB板上的傳播。 MOV可以吸收高達70，000 A的峰值脈沖電流和高達10，000 J的瞬態(tài)電涌。 請注意，某些MOV具有熱保護功能，可以防止MOV因過熱而發(fā)生故障。

為了提高對瞬態(tài)電壓的響應(yīng)速度，可以考慮增加一個與MOV串聯(lián)的半導體放電管。半導體放電管將在比MOV更低的電壓下激活，從而允許更低的MOV最大鉗位額定值。這進一步增強了對下游電路的保護。另一個加強保護的策略是使用大功率瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管。這些器件對浪涌事件的響應(yīng)速度極快，不會出現(xiàn)MOV所經(jīng)歷的那種老化問題。每種設(shè)計的理想選擇都是在性能和總擁有成本之間取得平衡。盡管某些技術(shù)的成本可能高于其它技術(shù)，但其它因素可能表明，最低總擁有成本需要成本更高的元件技術(shù)。

交流 / 直流轉(zhuǎn)換器

如圖所示，交流到直流級執(zhí)行兩個重要功能。 首先，它將交流輸入電壓整流成直流，然后可將其用于為備用電池充電。 第二個功能是功率因數(shù)校正，可減少諧波并改善電源質(zhì)量。 選擇有源元件時，重要的是要在性能，尺寸，成本和能效之間找到適當?shù)钠胶狻?許多中小型電源UPS產(chǎn)品都使用整流二極管或模塊，而大型電源系統(tǒng)可能會選擇半控或全控整流橋或晶閘管模塊。 在數(shù)據(jù)中心使用的中低功率UPS系統(tǒng)中，升壓PFC功能是通過將IGBT或MOSFET用作有源開關(guān)與快速硅或碳化硅二極管相結(jié)合來實現(xiàn)的。

為了進一步增強系統(tǒng)操作能力，可以將溫度傳感器（例如NTC熱敏電阻）直接粘貼到散熱器上。 這些器件是設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，用于優(yōu)化系統(tǒng)性能。 嚴格的測量公差和寬廣的感應(yīng)范圍確保了溫度傳感器可以提供可靠的讀數(shù)。

直流/交流逆變器

為了提供交流線路電壓輸出，功率半導體再次被使用，這一次功率半導體將直流電轉(zhuǎn)換回交流電。 與整流階段相似，最終設(shè)計必須在性能，能效，尺寸和成本之間找到理想的平衡。 低損耗IGBT模塊通常用于執(zhí)行此功能。 同樣，溫度傳感器可以用來幫助優(yōu)化操作條件。

旁路開關(guān)

旁路開關(guān)控制向負載輸出的是交流電源還是電池供電。晶閘管可以用來控制開關(guān)動作。同樣，選擇具有低柵極觸發(fā)電壓和低正向壓降的晶閘管，以將功率損耗降至最低。。

適用標準

您應(yīng)該了解適用于您設(shè)計的標準。表1列出了UPS產(chǎn)品的主要標準。不遵守這些標準將導致重新設(shè)計工作和第二次提交給標準機構(gòu)。因此，項目成本將會上升。

表1.適用于UPS產(chǎn)品設(shè)計的標準

保護您的UPS免受過載，瞬態(tài)和過熱條件損壞的價值

通過將保護和傳感組件作為設(shè)計目標，并在項目早期納入標準合規(guī)性，您可以經(jīng)濟高效地開發(fā)功能強大且可靠的UPS。使用高效的控制元件可以促進低功耗產(chǎn)品的開發(fā)。通過在選擇保護，控制和傳感元件時利用元件制造商的工程專業(yè)知識，您還可以節(jié)省時間和資源。

可靠性和效率提高了您的UPS在市場上的聲譽。高質(zhì)量的聲譽可以帶來市場份額的增長和收入的增長。它還可以提高盈利能力。

編輯：hfy