數據中心對于全球業務至關重要。云存儲，電子商務和大數據分析的增長，以及社交媒體活動和智能手機使用率的增長，正推動著對越來越大的數據中心的需求。始終保持數據中心正常運行對于避免商務和個人通信中斷都至關重要。因此，當AC線路電源出現故障時可保持數據中心電源的不間斷電源（UPS）是保持數據中心正常運行并避免丟失關鍵數據的重要設備。

因此，當發生主電源故障時，UPS始終可以提供電源，因此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還應該高效，以最大程度地減少數據中心基礎設施需要大量電力的設施中的電力消耗。以下文章為電子設計人員提供了建議，以使其能夠開發出適用于各種最終用途的強大而高效的UPS產品。

UPS電路拓撲

設計人員通常使用四種拓撲之一來進行優化，以實現最小功耗，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這些參數進行比較。并非所有這些拓撲都適用于數據中心，但此處將其包括在內以進行比較。

圖1. UPS產品的設計拓撲

待機：由于設計除非線路電源中斷才提供電源，所以以最低的成本提供了最高的效率。一個缺點是，當AC線出現故障時，切換到電池電源的速度最慢。（通常小于0.5 kVA。）

Line Interactive：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，切換時間比其他兩種拓撲（雙轉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。折衷方案是通過兩個轉換器會產生一些功率損耗。（通常大于5 kVA。）

多模式在線：與雙轉換拓撲相比，此拓撲結合了零開關時間延遲和更少的功率損耗。（通常大于5 kVA。）

選擇最適合您的UPS和其目標應用程序設計目標的拓撲。

UPS的保護和電源效率設計

無論選擇哪種拓撲，設計人員都應包括保護，控制和傳感解決方案，以確保產品可靠可靠。保護組件使UPS能夠承受過載和瞬變。控制組件可以通過最小化功耗來最大化效率。感應組件可以幫助保護大功率組件。圖2顯示了具有建議的保護，控制和感應組件的UPS示例。

圖2.具有建議的保護，控制和感應組件的UPS示例

以雙轉換在線拓撲為例，圖3給出了框圖和表格，其中詳細列出了每個電路模塊的推薦組件。

圖3：雙轉換在線式UPS的框圖，其中顯示了保護，控制和感測組件應放置的位置，表格中顯示了建議的組件類型

交流輸入

交流輸入直接與交流線路連接，并承受其電流過載和電壓瞬變。設計人員需要保護該電路和下游電路免受這些損壞條件的影響。對于大功率電路的過電流保護，請考慮使用快速熔斷器以提供出色的保護。半導體保險絲可以提供較高的標稱電流，例如40 A–2000 A，并能快速響應過電流。半導體熔斷器對短路事件的響應速度非常快，從而減少了傳遞給功率半導體器件的潛在有害能量。確保選擇的保險絲的額定電壓遠高于交流線路電壓，并且保險絲具有較高的短路電流中斷額定值，以避免在最壞情況下的過載情況下無法斷開。還應考慮額定滿載電流下保險絲的額定功率損耗。半導體保險絲的功率損耗低，有助于提高整體系統效率。

為了防止AC線上的瞬態浪涌，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），以限制瞬態在PC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因過熱而發生故障。

為了提高對瞬態電壓的響應速度，請考慮與MOV串聯增加一個平衡晶閘管。平衡晶閘管將在比MOV更低的電壓下激活，從而使MOV的最大鉗位額定值更低。這進一步增強了對下游電路的保護。增強保護的另一種策略是使用大功率瞬態電壓抑制器（TVS）二極管。這些設備對浪涌事件的響應速度非常快，而MOV不會遇到同樣的磨損問題。每種設計的理想選擇是在性能和總擁有成本之間取得平衡。盡管某些技術的成本可能高于其他技術，但其他因素可能表明，最低的總擁有成本需要成本更高的組件技術。

AC / DC轉換器

如圖所示，AC到DC級執行兩個重要功能。首先，它將交流輸入電壓整流為直流，然后可將其用于為備用電池充電。第二個功能是功率因數校正，可減少諧波并改善電源質量。選擇有源組件時，重要的是要在性能，尺寸，成本和能效之間找到適當的平衡。許多中小型電源UPS產品都使用整流二極管或模塊，而大型電源系統可能會選擇半控或全控整流橋或晶閘管模塊。在數據中心內使用的中小功率UPS系統中，升壓PFC功能是通過將IGBT或MOSFET用作有源開關與快速Si或SiC二極管相結合來實現的。

為了進一步增強系統操作能力，可以將溫度傳感器（例如NTC熱敏電阻）直接粘貼到散熱器上。這些設備是設備監視系統的一部分，用于優化系統性能。嚴格的測量公差和寬廣的傳感范圍確保溫度傳感器可以提供可靠的讀數。

DC / AC逆變器

為了提供交流線路電壓輸出，再次使用了功率半導體，這一次功率半導體將直流電轉換回交流電。與整流階段相似，最終設計必須在性能，能效，尺寸和成本之間找到理想的平衡。低損耗IGBT模塊通常用于執行此功能。再一次，溫度傳感器可以用來幫助優化操作條件。

旁路開關

旁路開關控制將交流電源還是電池供電輸出到負載。晶閘管可用于控制開關動作。同樣，選擇具有低柵極觸發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

您應該了解適用于您的設計的標準。表1列出了UPS產品的主要標準。不遵守這些標準將導致重新設計工作，并再次提交標準組織。結果，項目成本將上升。

表1.適用于UPS產品設計的標準

保護您的UPS免受過載，瞬態和過熱狀況損壞的價值

通過將保護和感測組件作為設計目標，并在項目早期就納入標準合規性，您可以經濟高效地開發出功能強大且可靠的UPS。使用高效的控制組件可以促進低功耗產品的開發。通過在選擇保護，控制和感應組件時利用組件制造商的工程專業知識，您還可以節省時間和資源

可靠性和效率提高了您的UPS在市場上的聲譽。高質量的聲譽可以導致市場份額的增長和收入的增長。它還可以提高獲利能力。
編輯：hfy