În multe aplicații critice, alimentate de la rețeaua de curent alternativ, se utilizează o sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS) pentru a asigura o alimentare temporară în cazul unei întreruperi complete și pentru a garanta că tensiunea de alimentare rămâne în conformitate cu specificațiile, ceea ce este deosebit de important în cazul în care sarcina este sensibilă la căderi sau fluctuații ale tensiunii de rețea.
Există două tipuri de surse UPS: online și offline. Sursa online este abordarea preferată, deoarece este capabilă să treacă fără întreruperi de la alimentarea de la rețea la alimentarea cu energie de la baterie, atunci când este necesar. Acest tip de sursă UPS primește energia de intrare de la rețea și furnizează energia de ieșire către sarcină – cel mai adesea unui server într-un centru de date sau unui echipament critic pe o linie de producție dintr-o fabrică.
Figura 1: Schema de principiu a unei surse UPS offline și a unei surse UPS online. (Sursa imaginii: onsemi)
Primul pas în cazul unui UPS este convertirea tensiunii de intrare de curent alternativ în curent continuu cu ajutorul unui convertor AC-DC. Această tensiune este apoi introdusă în bateria internă a UPS-ului, asigurându-se că aceasta este încărcată constant, astfel încât să fie disponibilă o durată maximă de funcționare în cazul unei pene de curent. Această tensiune a bateriei este apoi convertită din nou în curent alternativ cu ajutorul unui convertor DC-AC pentru a furniza o tensiune la același nivel cu cea din rețea pentru a alimenta sarcina. Deoarece bateria este întotdeauna conectată (sau online), acest tip de sistem UPS se numește UPS online.
În cazul unei pene de curent, bateria alimentează invertorul, iar tensiunea de ieșire de curent alternativ rămâne prezentă în timp ce bateria rămâne încărcată, permițând sarcinii să continue să funcționeze și/sau să fie oprită în mod normal. De asemenea, aceasta elimină vârfurile de tensiune din rețea, fluctuațiile de tensiune/frecvență, asigurând că tensiunea către sarcină rămâne în limitele specificațiilor.
Figura 2: Schema de principiu a unui UPS online. (Sursa imaginii: onsemi)
Principalul avantaj al unui UPS online este timpul rapid de reacție, deoarece bateria poate fi conectată rapid la ieșire. Totuși, acest avantaj vine în detrimentul dublei conversii de la curent alternativ la curent continuu și din nou la curent alternativ. Deoarece eficiența nu poate fi niciodată de 100%, un UPS online risipește ceva mai multă energie decât “vărul” său offline. Însă, aceasta este o problemă minoră, astfel încât un UPS online este de departe cea mai răspândită tehnologie.
În funcție de design și de nevoile sarcinii, un UPS poate fi monofazat sau trifazat. Într-un proiect trifazat, deseori se utilizează o topologie cunoscută sub numele de redresor Viena pentru etajul de intrare (AC-DC) care alimentează bateria cu curent continuu. După un filtru de intrare, fiecare fază a tensiunii de intrare este trecută printr-un inductor înainte de redresorul Viena.
Ieșirea redresorului este un bus de curent continuu de aproximativ 800V, care, pe baza nivelurilor tipice de tensiune trifazată globală, furnizează aproximativ 400V pe fiecare dintre capacitoarele bus-ului de curent continuu.
Figura 3: Schema unui redresor tip Viena. (Sursa imaginii: onsemi)
Nu numai că energia stocată în capacitoarele bus-ului de curent continuu încarcă bateria, dar alimentează și etajul de ieșire, care este adesea un convertor de tip T cu punct neutru flotant (NPC – Neutral Point Clamped). Atunci când tensiunea de rețea este prezentă, energia capacitorului este realimentată direct din tensiunea de rețea. În cazul unei întreruperi a rețelei, această energie va proveni de la baterie – asigurându-se că NPC de tip T poate continua să furnizeze energie de curent alternativ către sarcină.
Un redresor Viena trifazat tipic este format din 12 componente de putere, șase diode și șase IGBT-uri. Adesea, carbura de siliciu (SiC) este utilizată pentru avantajele sale de performanță, diodele și IGBT-urile având tensiuni nominale de 1200V și, respectiv, 650V. Atunci când există o optimizare a IGBT-urilor pentru un VCE scăzut și posibilitatea de a alege între viteză medie sau mare, opțiunile de viteză medie sunt adesea preferate, deoarece atât pierderile de comutație, cât și cele de conducție sunt importante în această topologie pentru switch-ul central. onsemi oferă o serie de module de putere bazate pe aceste topologii pentru a simplifica dezvoltarea și a îmbunătăți performanța în comparație cu proiectele discrete.
Figura 4: NPC Tip T utilizând IGBT-uri. (Sursa imaginii: onsemi)
Un NPC trifazat Tip T utilizează, de asemenea, 12 componente, deși, în acest caz, toate sunt IGBT-uri. Dispozitivele ‘back-to-back’ sunt dimensionate la 650V. IGBT-urile conectate la DC+ și DC- sunt IGBT-uri de 1200V. Există în total 12 componente.
Utilizarea carburii de siliciu pentru reducerea pierderilor
După cum s-a menționat, UPS-ul online are o conversie dublă care permite topologiei online să funcționeze, dar generează pierderi suplimentare. Problema este oarecum agravată deoarece pierderile generează căldură care poate solicita un sistem HVAC mai puternic pentru a menține temperatura camerei. Acest lucru va genera costuri de capital pentru achiziționarea sistemului HVAC, costuri de operare pentru spațiul suplimentar și pentru funcționarea unui sistem HVAC mai mare, precum și pentru costul energiei pierdute în UPS.
Dacă dimensiunea UPS-ului poate fi redusă, atunci operatorul centrului de date are de câștigat, deoarece acest spațiu poate fi utilizat pentru serverele generatoare de venituri.
Figura 5: Într-un UPS cu dispozitive SiC se utilizează o jumătate de punte per fază. (Sursa imaginii: onsemi)
Diminuarea pierderilor va reduce, de asemenea, costurile de operare și, în general, determină o soluție mai mică, deoarece densitatea de putere poate crește în cazul unor pierderi mai mici. Deoarece materialele cu bandă interzisă largă (WBG), cum ar fi carbura de siliciu (SiC), au în general performanțe mai bune și pierderi mai mici, adoptarea acestei tehnologii va spori randamentul echipamentelor UPS. Acestea oferă, de asemenea, o eficiență mai bună la sarcini ușoare, deoarece rezistența în serie este mai mică și nu există o diodă antiparalel, așa cum există la IGBT-uri și nicio cădere de tensiune fixă.
Una dintre provocările legate de dimensionarea sistemelor IT, inclusiv a UPS-urilor pentru utilizarea în sistemele IT, este natura dinamică a sarcinii. Un computer consumă mult mai puțină energie atunci când utilizatorul navighează pe internet sau scrie un document decât atunci când desfășoară activități de învățare automată sau rulează o simulare detaliată. Deoarece tehnologia SiC oferă o eficiență sporită, indiferent de nivelul de încărcare, sarcina dinamică constituie un motiv în plus pentru care SiC devine rapid tehnologia preferată.
Datorită, în parte, nivelurilor mai mici de încărcare a porții (Qg), dispozitivele SiC sunt capabile să mențină eficiența în timp ce comută la frecvențe mai mari. Un efect al acestui aspect este reducerea dimensiunii componentelor reactive, ceea ce poate contribui semnificativ la reducerea dimensiunii totale a UPS-ului.
Figura 6: Convertor SiC cu șase switch-uri. (Sursa imaginii: onsemi)
Un alt beneficiu al utilizării tehnologiei SiC este abilitatea de a trece de la un redresor Viena / NPC Tip T la convertoare cu “șase switch-uri” pe etapele de intrare și de ieșire (AC-DC și DC-AC), ceea ce înseamnă că topologia poate fi reprodusă, economisind timp de proiectare. Topologia cu șase switch-uri constă în trei jumătăți de punte, reducând la jumătate numărul de semiconductori din proiect, ceea ce reprezintă o economie suplimentară de spațiu și de costuri – iar componentele magnetice mai mici sunt păstrate.
În acest exemplu, din cauza tensiunilor de rețea, MOSFET-urile EliteSiC vor avea o tensiune nominală de 1200V. onsemi dispune de o serie de MOSFET-uri SiC potrivite pentru utilizarea în convertoare cu șase switch-uri. Un exemplu este dispozitivul de mare viteză NTH4L022N120M3S, sau cel mai recent, NTH4L040N120M3S. Pentru un plus de performanță, se poate lua în considerare, de asemenea, utilizarea modulelor, cum ar fi cele mai recente module cu jumătate de punte NXH003P120M3F2 de 1200V de la onsemi, bazate pe tehnologia M3S SiC.
Front end-ul AC-DC poate fi utilizat bidirecțional, permițând feedback-ul de putere reactivă pentru a îmbunătăți factorul de putere, ceea ce reduce puterea aparentă și, prin urmare, costurile de operare.
Trecerea de la o soluție pe siliciu la SiC necesită o modificare a driverelor utilizate pentru comutatoare (switch-uri). MOSFET-urile SiC selectate necesită o dublă izolare de 5kV și o operare rapidă (dv/dt, întârzieri de propagare) pentru a permite MOSFET-urilor SiC să funcționeze la performanțe optime.
Un driver adecvat este NCP51561 de la onsemi – capabilitatea sa dv/dt este de peste 210V/ns, iar întârzierea de propagare este de doar 39ns, adaptată la 5ns între canale. Dispozitivul dispune, de asemenea, de control extern al timpului mort și de un pin de activare, care sporesc fiabilitatea sistemului.
Pe scurt, un singur UPS online este esențial pentru funcționarea continuă a serverelor și a utilajelor critice. Pentru a realiza un proiect de succes, inginerii trebuie să fie capabili să dezvolte proiecte mici și eficiente. Cel mai bun mod de a face acest lucru este de a adopta tehnologii discrete SiC, topologii moderne, cum ar fi conversia cu șase switch-uri și de a le utiliza împreună cu drivere SiC de înaltă performanță.
Autor: Hunter Freberg
onsemi
