广东易事特电源公司技术中心 Brain
【编者按】目前有些专家谈到“UPS革命性发展趋势”的话题,本刊拟就这方面内容组织一些稿件,并开辟“新技术展望”栏目,欢迎电源技术工作者投稿并参加讨论,今天发表的这篇文章可以起到抛砖引玉的作用。
近年来,随着IT产业的复兴、通讯产业的持续发展,以及各行各业对于大容量数据机房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越来越大,对于UPS的技术要求也越来越高。同时,配套产业以及器件的发展给中大功率UPS的技术发展带来了机遇。新型磁性元器件、新型半导体功率器件、新一代数字信号处理器等层出不穷,这些都让中大功率UPS的技术水平达到了前所未有的高度。
1 新器件的应用
近年来随着铁磁技术的飞速发展,工程师在设计优化时的材料可选择性大大提高。在开关电源、电感、扼流圈以及滤波器的设计方面,最常用的材料包括MPP(钼坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(铁硅铝)以及铁粉芯磁芯(见图1、图2)。针对不同的应用场合,每种材料都有各自的特点。
图1 非晶超微晶磁芯
图2 金属粉芯磁芯
粉芯材料磁芯是由高磁导率材料经过研磨或者喷雾造粒形成粉末,磁芯的磁导率取决于高磁导率材料微粒的尺寸和密度大小,调整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁导率的磁芯。微粒尺寸越小,直流偏置特性越好,但是成本越高。粉末微粒之间彼此绝缘,因此磁芯固有的分布气隙具有更好的储能能力,特别适合在储能电感中应用。
粉芯的分布式气隙特性确保能量储存在整个磁芯体中,这就使得磁芯的温度稳定性较高。而传统开气隙的铁氧体磁芯由于能量储存在气隙附近,漏感较大,使得气隙损耗和电磁干扰都明显增加,有时局部气隙损耗甚至比磁芯本身的损耗还大,因此磁芯的温度稳定性不太稳定。优化磁芯的原则是选择能够满足所有的设计目标需求的同时,具有最小折衷的材料。如果成本是首要考虑因素,铁粉芯是最佳选择。如果温度稳定性是优先考虑因素,那么应首选MPP磁芯。
伴随着上述新材料的应用,中大功率UPS中以往广泛使用的硅钢类电感、变压器将有机会得到替换。从而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平,UPS系统的功率密度以及性能也将由此而得到提高。
作为中大功率UPS中的重要功率器件,IGBT以及SCR器件近年来也得到了极大的发展,各大厂商针对UPS的发展需要提出了大量的解决方案。
三电平IGBT模块给UPS的高频整流器、逆变器带来了前所未有的机遇,从而为三电平技术的推广应用打下了坚实的基础,如图3所示。以往构建三电平系统,设计者需要使用分立的器件来搭建,性价比和系统稳定性都得不到保障,因此三电平技术一直未得到大规模的应用。这种IGBT模块将所有的器件集成在一起,简化了系统设计,提高了可靠性,给这种技术在UPS中的应用带来了机会。三电平技术的应用可以大大降低磁性元器件的使用量,提高系统的静态与动态性能指标,提高系统的功率密度,降低成本。
图3 三电平IGBT模块
一些器件厂家针对电力电子系统的散热需求,给出了一些很好的解决方案。
图4为新一代的大功率水冷IGBT模块,可以看出其散热器的用量明显降低。并且,通过水冷技术的使用,系统的功率密度明显提高,噪声大大降低,热性能得到提高,可靠性较以往的风冷技术也得到了较大的提升。
图4 大功率水冷IGBT模块
另外,一些半导体工业的最新器件,例如SiC、ESBT、JFET等,也将逐渐地在UPS产品中得到应用,在提升各个子系统性能的同时,提升UPS系统的各项指标。
在UPS控制部分,随着DSP、FPGA等数字化芯片的推广应用,以往大量使用的分立元器件将大大减少,从而简化了电路板,提高了可靠性、可生产性、可维护性,并且降低系统成本,提高系统的性能。
2 新电路拓扑的应用
近年来,世界各国电力电子机构都不断地推出新的中大功率UPS拓扑技术。很多拓扑技术都得到了应用,从根本上给UPS系统的设计带来了革命。上述的三电平结构就是其中之一。
图5的Z-Source变换器为近年来的研究成果之一。利用Z型无源网络实现电源和负载的耦合,可灵活地获得升/降直流电压。与传统的实现降压级联电路相比较,阻抗源整流器不需在上下桥臂的驱动脉冲中加死区,减少了输入电流波形的畸变,而且具有效率高、电路体积小等优点。其灵活的升降压特点,为燃料电池等新能源在UPS中的应用提供了契机。