Kako koristiti diode za poboljšanje učinkovitosti UPS sustava napajanja?

一, Odabir uređaja: Proboj učinkovitosti od materijala do strukture
1. Dinamička optimizacija diode za brzi oporavak (FRD)
Traditional silicon-based fast recovery diodes experience significant losses during high-frequency switching (such as above 10kHz) due to their large reverse recovery charge (Qrr). For example, the 50A FRD matched with a 650V/50A IGBT module has a reverse recovery loss ratio of 35% in UPS inverters. By adopting a soft recovery characteristic design (soft factor S>0,7), di/dt reverzne struje oporavka može se smanjiti, a skokovi napona uzrokovani induktivnošću linije mogu se minimizirati. Istraživanje tvrtke Renesas Electronics pokazuje da smanjenje veličine FRD čipova na razinu od 30 A (usklađeno s 50 A IGBT) može smanjiti ukupnu potrošnju energije za 2,5% i uštedjeti 20% troškova čipa.

2. Niskonaponske prednosti Schottky dioda
U scenarijima niskog napona i visoke struje (kao što je 48 V DC sabirnica), Schottky diode smanjuju gubitke vodljivosti za 70% u usporedbi s običnim silicijskim diodama (VF ≈ 1,0 V) s niskim padom napona (VF) od oko 0,3 V. Modularno UPS kućište pokazuje da zamjena tradicionalnih ispravljačkih dioda Schottky diodama može poboljšati učinkovitost kruga punjenja za 1,8% i uštedjeti do 12000 kWh električne energije godišnje. Treba napomenuti da je reverzni probojni napon Schottky dioda obično niži od 200 V, a područje njihove primjene potrebno je proširiti serijskim spajanjem s više cijevi ili upotrebom silicij-karbidnih (SiC) Schottky dioda (s reverznim podnosivim naponom do 650 V ili više).

3. Visokofrekventna revolucija dioda od silicij karbida (SiC).
SiC diode pokazuju izvrsne performanse u visoko-frekventnim UPS-ovima zahvaljujući nultom povratnom naboju povrata (Qrr ≈ 0) i visokotemperaturnoj stabilnosti (temperatura spoja do 200 stupnjeva). Podaci o ispitivanju fotonaponskog pretvarača od 100 kVA pokazuju da zamjena silicijskih FRD sa SiC diodama smanjuje gubitke prekidača za 62% i povećava učinkovitost sustava sa 96,2% na 97,8%. Iako SiC diode koštaju 3-5 puta više od silikonskih uređaja, njihove karakteristike smanjenja volumena za 50% i produženja životnog vijeka za 3 puta imaju značajne prednosti u troškovima punog životnog ciklusa u scenarijima visoke gustoće kao što su podatkovni centri.

2, Dizajn topologije: Rekonstrukcija učinkovitosti od strukture kruga do protoka energije
1. Balansiranje gubitaka topologije s tri-razine
U tradicionalnim dvo{0}}razinskim UPS pretvaračima, diode nose puni napon sabirnice (kao što je 800 V), a povratni gubitak povrata raste s kvadratom napona. Tro-razinska topologija stegnute diode smanjuje naponski stres diode na polovicu napona sabirnice (400 V) uvođenjem srednjeg potencijala, dok smanjuje veličinu induktora za filtriranje za 30%. Nakon usvajanja tro-topologije u UPS-u velikog podatkovnog centra, učinkovitost sustava porasla je s 94,5% na 96,8%, a godišnje emisije ugljika smanjene su za 120 tona.

2. Provođenje optimizacije tehnologije sinkronog ispravljanja
U postupku ispravljanja izlaza UPS-a, tradicionalni VF gubici diode čine visok udio. Tehnologija sinkronog ispravljanja može smanjiti gubitke ispravljanja za 80% zamjenom dioda s MOSFET-ovima i korištenjem namjenskih pogonskih čipova za kontrolu njihovog vremena provođenja. Studija slučaja UPS-a od 200 kVA pokazala je da je tehnologija sinkronog ispravljanja povećala izlaznu učinkovitost s 95% na 97,5%, posebno pri malim opterećenjima (20% opterećenja) gdje je poboljšanje učinkovitosti bilo značajnije (dostižući 94% u odnosu na. 91%).

3. Integrirana inovacija idealnog diodnog kruga
Za scenarije prebacivanja baterije UPS-a, tradicionalni diodni ORing krugovi pate od gubitaka napona (VF × Ibat) i rizika od povratne struje. Idealni diodni sklop postiže nulti pad napona preko MOSFET-a i upravljačkih čipova s ​​leđa-na-stražnje strane i integrira funkcije kao što su zaštita od prenapona i zamjena u radu. U određenoj industrijskoj primjeni UPS-a, idealna dioda smanjuje gubitak pražnjenja baterije s 12 W na 0,5 W, dok eliminira problem degradacije trajanja baterije uzrokovan obrnutom strujom.

3, Integracija sustava: Poboljšanje učinkovitosti od optimizacije jednog stroja do suradnje u punom lancu
1. Optimizacija brzine opterećenja za modularni dizajn
Modularni UPS može dinamički spavati neaktivne module kroz N+X redundantni dizajn, povećavajući stopu opterećenja radnih modula na 60% -80% (tradicionalna stopa opterećenja UPS-a u tornju obično je manja od 50%). Nakon usvajanja modularnog UPS-a u financijskom podatkovnom centru, učinkovitost sustava porasla je s 93% na 96%, dok su troškovi rada i održavanja smanjeni za 30% putem funkcije inteligentnog mirovanja. U ovom scenariju, diode moraju zadovoljiti zahtjev niske toplinske otpornosti (R θ JA<10 ℃/W) to adapt to the heat dissipation challenges under high-density packaging.

2. Kontrola temperature tehnologije upravljanja toplinom
70% gubitaka diode pretvara se u toplinu, a za svakih 10 stupnjeva povećanja temperature spoja, povratni naboj Qrr povećava se za 15% -20%. Korištenjem tehnologije spajanja bakrenim spojnicama umjesto tradicionalnog spajanja aluminijskom žicom, toplinski otpor dioda može se smanjiti za 40%; Kombinacijom tehnologije tekućeg hlađenja, temperatura spoja SiC dioda može se stabilizirati ispod 150 stupnjeva, dodatno oslobađajući potencijal visokofrekventnog prebacivanja. UPS test određene 5G bazne stanice pokazuje da shema tekućeg hlađenja produljuje životni vijek diode na više od 15 godina (tradicionalna shema zračnog hlađenja je 8-10 godina).

3. Dinamička optimizacija tehnologije digitalnog upravljanja
Digitalna kontrola temeljena na DSP-u može pratiti parametre kao što su VF i Qrr diode u stvarnom vremenu i optimizirati distribuciju gubitaka podešavanjem frekvencije prebacivanja (kao što je dinamičko prebacivanje s 10kHz na 20kHz). Inteligentni UPS predviđa promjenu opterećenja pomoću algoritma strojnog učenja i unaprijed prilagođava vrijeme pogona dioda, tako da učinkovitost sustava varira<0.5% in the full load range, which is three times more stable than the traditional analog control scheme.