不被打扰 确保可靠的不间断电源的设计技巧

数据中心对全球业务至关重要。云存储、电子商务和大数据分析的增长，加上社交媒体活动和智能手机使用量的增长，推动了对越来越多更大数据中心的需求。始终保持数据中心的运行对于避免商业和个人通信中断非常重要。因此，当交流线路电源发生故障时，保持数据中心供电的不间断电源（UPS）是保持数据中心运行和避免关键数据丢失的必不可少的设备。

为了使UPS在出现主电源故障时始终可以供电，UPS必须提供“永不故障”的可靠性，并保护其免受电源线过载和瞬变的影响。 UPS还应该是高效的，以最大程度地使数据中心基础设施需要大量电力的设施的功耗降到最低。 以下文章为电子设计人员提供了建议，以帮助其能够开发出适用于各种最终用途的强大而高效的UPS产品。

UPS电路拓扑

设计人员通常使用四种拓扑的一种来进行优化，以实现最小功耗，最小功率损耗时间间隔，最大程度地过滤电源线瞬变以及降低成本。 图1显示了UPS的四种拓扑，以及每种拓扑如何根据这些参数进行比较。 并非所有这些拓扑都适用于数据中心，但此处将其包括在内以便进行比较。

图1. UPS产品的设计拓扑

·待机：以最低的成本提供最高的效率，因为除非线路电源中断，否则设备不会供电。其缺点是在交流线路故障时切换到电池电源的速度最慢。（通常小于0.5 kVA。）

·线路交互：此配置可使逆变器与负载保持一致，从而提供良好的效率。与待机设计相比，它还可以更快地切换到电池电源。 但是，切换时间比其它两种拓扑（双转换在线拓扑和多模式在线拓扑）的切换时间要慢。 （通常为0.5 kVA至5 kVA。）

·双转换在线：此方法始终为负载供电，从而消除了交流电源和备用电池电源之间的任何切换时间延迟。代价是两个转换器会发生一些功率损耗。（通常大于5 kVA。）

·多模式在线：与双转换拓扑相比，此拓扑结合了零开关时间延迟和更少的功耗。 （通常大于5 kVA。）

为UPS及其目标应用选择最符合您的设计目标的拓扑。

UPS的保护和电源效率设计

无论选择哪种拓扑，设计都应包括保护、控制和传感解决方案，以确保产品可靠且坚固耐用。保护元件使UPS能够承受过载和瞬变。控制元件可以通过最大限度地降低功耗来使效率最大化。感测元件可以帮助保护大功率元件。图2显示了具有推荐的保护、控制和感测元件的UPS示例。

图2. 具有推荐的保护，控制和感测元件的UPS示例

以双转换在线拓扑为例，图3给出了方框图和表格，详细说明了每个电路模块的推荐元件。

图3：双转换在线UPS框图，显示了保护、控制和感测元件应放置的位置，表格显示了推荐的元件类型

交流输入

交流输入直接与交流线路连接，并受到其电流过载和电压瞬变的影响。设计人员需要保护该电路和下游电路不受这些破环性条件的影响。对于大功率电路的过电流保护，可以考虑使用快速熔断器来提供出色的保护。半导体熔断器可以提供高额定电流，例如40A-2000A，并对过电流做出快速响应。半导体熔断器对短路事件的反应速度非常快，从而减少了传递给功率半导体器件的潜在有害能量。确保您选择的熔断器的额定电压远高于交流线路电压，并且熔断器具有较高的短路电流中断额定值，以避免在最坏的过载情况下无法断开。还要考虑熔断器在额定满载电流下的额定功率损耗。半导体熔断器提供低功率损耗，有助于提高整个系统的效率。

为了防止交流线路上的瞬态浪涌，请考虑使用尽可能靠近电路板输入端的金属氧化物压敏电阻（MOV），以限制瞬态在PCB板上的传播。 MOV可以吸收高达70，000 A的峰值脉冲电流和高达10，000 J的瞬态电涌。 请注意，某些MOV具有热保护功能，可以防止MOV因过热而发生故障。

为了提高对瞬态电压的响应速度，可以考虑增加一个与MOV串联的半导体放电管。半导体放电管将在比MOV更低的电压下激活，从而允许更低的MOV最大钳位额定值。这进一步增强了对下游电路的保护。另一个加强保护的策略是使用大功率瞬态电压抑制器（TVS）二极管。这些器件对浪涌事件的响应速度极快，不会出现MOV所经历的那种老化问题。每种设计的理想选择都是在性能和总拥有成本之间取得平衡。尽管某些技术的成本可能高于其它技术，但其它因素可能表明，最低总拥有成本需要成本更高的元件技术。

交流 / 直流转换器

如图所示，交流到直流级执行两个重要功能。 首先，它将交流输入电压整流成直流，然后可将其用于为备用电池充电。 第二个功能是功率因数校正，可减少谐波并改善电源质量。 选择有源元件时，重要的是要在性能，尺寸，成本和能效之间找到适当的平衡。 许多中小型电源UPS产品都使用整流二极管或模块，而大型电源系统可能会选择半控或全控整流桥或晶闸管模块。 在数据中心使用的中低功率UPS系统中，升压PFC功能是通过将IGBT或MOSFET用作有源开关与快速硅或碳化硅二极管相结合来实现的。

为了进一步增强系统操作能力，可以将温度传感器（例如NTC热敏电阻）直接粘贴到散热器上。 这些器件是设备监视系统的一部分，用于优化系统性能。 严格的测量公差和宽广的感应范围确保了温度传感器可以提供可靠的读数。

直流/交流逆变器

为了提供交流线路电压输出，功率半导体再次被使用，这一次功率半导体将直流电转换回交流电。 与整流阶段相似，最终设计必须在性能，能效，尺寸和成本之间找到理想的平衡。 低损耗IGBT模块通常用于执行此功能。 同样，温度传感器可以用来帮助优化操作条件。

旁路开关

旁路开关控制向负载输出的是交流电源还是电池供电。晶闸管可以用来控制开关动作。同样，选择具有低栅极触发电压和低正向压降的晶闸管，以将功率损耗降至最低。。

适用标准

您应该了解适用于您设计的标准。表1列出了UPS产品的主要标准。不遵守这些标准将导致重新设计工作和第二次提交给标准机构。因此，项目成本将会上升。

表1.适用于UPS产品设计的标准

保护您的UPS免受过载，瞬态和过热条件损坏的价值

通过将保护和传感组件作为设计目标，并在项目早期纳入标准合规性，您可以经济高效地开发功能强大且可靠的UPS。使用高效的控制元件可以促进低功耗产品的开发。通过在选择保护，控制和传感元件时利用元件制造商的工程专业知识，您还可以节省时间和资源。

可靠性和效率提高了您的UPS在市场上的声誉。高质量的声誉可以带来市场份额的增长和收入的增长。它还可以提高盈利能力。