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采用碳化硅的功率器件的UPS更加高效節能

發布時間 : 2018-11-16

?如今,隨著技術的發展,靜態UPS的功率損耗逐漸下降。早期具有輸入和輸出變壓器的采用晶閘管技術的在線式UPS(簡稱雙變換式UPSIEC的“VFI”)的滿載運行效率為83%-85%。而目前采用晶體管(IGBT)技術的在線互動式(VI)無變壓器UPS的滿載效率已達到97.5%-98%。


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更加高效,熱量更少

當今的UPS的能源效率提高了15%,而冷卻需求卻下降,提高了可靠性。模塊UPS的平均故障間隔時間(MTBF)從不足2.5萬小時上升到15萬小時。輸出電壓波形失真從5%降低到1%。噪音從95dBA降至70dBA,占地面積甚至減少了90%。

即使雙轉換UPS,其效率也達到了96.8%,每千瓦容量的成本降到了以往的最低水平。這對用戶來說是有利的,但從UPS獲利的唯一方法是提供售后服務。

歐洲廠商生產的UPS基本都取消了變壓器,而在北美,無變壓器的UPS仍然是一個新事物。像APC這樣的廠商也采用了在線互動式拓撲結構(IECVI”),雖然沒有任何頻率的保護,并不是技術上的“在線”式,盡管是這樣,這種架構的UPS在穩定的電網中仍然工作得很好。

上世紀90年代,Invertomatic公司在瑞士推出了“經濟模式”UPS,但市場銷售情況并不樂觀。之后行業廠商推出的模塊化UPS解決了大多數數據中心的部分負荷問題。UPS經濟模式的原理很簡單:當市電穩定時,UPS將自主切換到旁路模式,降低電力損耗,特別是無變壓器設計的UPS。整流器仍然為蓄電池充電(需要比飛輪UPS低得多的功率),而逆變器在后面被節流,在更加優化的設計中,可以省卻冷卻風扇。

自動旁路(晶閘管開關)將負載保持始終供電,直到電力顯示出偏差,此時UPS的靜態開關將負載轉移到逆變器,全部在4ms以下(過時的)ITIC/CEBMAPQ曲線。然后,UPS監控電力的穩定性,經過一段時間后,通常需要一個小時,再將負載切換回旁路。這個優點很明確。一年中的電力穩定性超過95%,因此UPS可實現99%的效率,并具有出色的低負載效率。

一些銷售人員提到UPS逆變器的“低功耗狀態”,但不要誤會,UPS在旁路時并沒有電源質量的改善。

現在有一些“先進”的經濟模式UPS切換時間為2ms而不是4ms,有些則會監測負載失真并做出關于電網的決策,但是基本理念仍然如此,如果電力是穩定的,那么就可以節約電能。

然而這通常會有風險,而環保模式也沒有什么不同。每當電力出現偏差時,負載就會從旁路切換到正常模式,這與雙轉換UPS所提供的保護完全相反。這種切換代表著負載面臨風險,雖然這種風險可能很小,但用戶必須將與其回報進行平衡。??

隨著電力成本的上升和概念的推廣,經濟模式已被人們接受。能源效率并不總是用戶期望的最重要的指標,但是甚至還有一些高可靠性的雙總線UPS設備,通過在一條總線實現環保模式,另一方面運行在線式UPS,每周交替進行。

采用碳化硅(SiC)的UPS更節能高效

采用經濟模式運行UPS,面臨一定的風險,但日本開發的碳化硅技術可能會抵消經濟模式的優勢。目前晶體管制造都是傳統可控硅模塊。對于UPS來說,迄今為止,絕緣柵雙極(IGBT)的功能越來越強大可靠。

UPS經濟模式動粗行的一個缺點是,其切換的速度越快(以獲得更高的精度),電力損失就越高。這主要是因為模塊效率的上限為96.8%。采用碳化硅,可將雙轉換UPS效率提高至99%,并且沒有對經濟模式的擔憂。然而,從硅轉變為碳化硅,可以將UPS模塊效率提高到雙變換UPS99%。

合成的碳化硅粉末自1893年以來已經批量生產,用作研磨劑,例如用于打磨金屬表面的碳化硅砂紙。

采用碳化硅制造的IGBT最初的成本將會更高,但節能效果也很顯著,而且所有這些都不會將關鍵負荷轉移到電網中,不會增加電力轉換的風險。

在模塊層面上,碳化硅(SiC)主要有兩個好處:更小的芯片尺寸和更低的動態損耗。在系統層面上,這些優勢可被以多種方式利用。低動態損耗帶來輸出功率的顯著增加,將提供減輕重量和減小體積的機會。值得一提的是,無需額外的冷卻能力就可實現功率的增加。因為與可控硅器件相比,碳化硅(SiC)帶來實際的損耗減少,可能在相同的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低功率損耗可以提高能效,允許設計更高效率的逆變器,因此應用在UPS上更加高效節能。

因此,采用碳化硅可以不再采用經濟模式運行UPS,甚至可以淘汰在線互動式(VI


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