چگونه از دیودها برای بهبود کارایی سیستم های برق یو پی اس استفاده کنیم؟

一، انتخاب دستگاه: پیشرفت کارایی از ماده به ساختار
1. بهینه سازی دینامیک دیود بازیابی سریع (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 جریان بازیابی معکوس را می توان کاهش داد و افزایش ولتاژ ناشی از اندوکتانس خط را می توان به حداقل رساند. تحقیقات Renesas Electronics نشان می دهد که کاهش اندازه تراشه های FRD به سطح 30A (منطبق با 50A IGBT) می تواند مصرف برق کل را تا 2.5٪ کاهش دهد و 20٪ در هزینه های تراشه صرفه جویی کند.

2. مزایای ولتاژ پایین دیودهای شاتکی
در سناریوهای ولتاژ پایین و جریان بالا (مانند باس 48 ولت DC)، دیودهای شاتکی تلفات هدایت را تا 70 درصد در مقایسه با دیودهای سیلیکونی معمولی (VF ≈ 1.0V) با افت ولتاژ رو به جلو (VF) کم حدود 0.3 ولت کاهش می دهند. یک مورد UPS ماژولار نشان می دهد که جایگزینی دیودهای یکسو کننده سنتی با دیودهای شاتکی می تواند کارایی مدار شارژ را تا 1.8٪ بهبود بخشد و سالانه تا 12000 کیلووات ساعت در مصرف برق صرفه جویی کند. لازم به ذکر است که ولتاژ شکست معکوس دیودهای شاتکی معمولاً کمتر از 200 ولت است و دامنه کاربرد آنها باید از طریق اتصال سری چند لوله یا استفاده از دیودهای شاتکی کاربید سیلیکون (SiC) (با ولتاژ مقاومت معکوس تا 650 ولت یا بالاتر) افزایش یابد.

3. چرخش فرکانس بالا دیودهای کاربید سیلیکون (SiC).
دیودهای SiC به دلیل شارژ بازیابی معکوس صفر (Qrr ≈ 0) و پایداری دمای بالا (دمای اتصال تا 200 درجه) عملکرد بسیار خوبی در{0}}یو پی اس های فرکانس بالا از خود نشان می دهند. داده های آزمایشی یک اینورتر فتوولتائیک 100 کیلوولت آمپر نشان می دهد که جایگزینی FRD سیلیکونی با دیودهای SiC، تلفات سوئیچ را تا 62 درصد کاهش می دهد و راندمان سیستم را از 96.2 درصد به 97.8 درصد افزایش می دهد. اگرچه قیمت دیودهای SiC 3{12}}5 برابر بیشتر از دستگاه‌های سیلیکونی است، ویژگی‌های آن‌ها در کاهش 50 درصدی حجم و افزایش طول عمر آن‌ها به میزان 3 برابر، مزایای قابل‌توجهی در هزینه چرخه عمر کامل در سناریوهای با چگالی بالا مانند مراکز داده دارد.

2، طراحی توپولوژی: بازسازی کارایی از ساختار مدار تا جریان انرژی
1. تعادل از دست دادن توپولوژی سه سطح-
در اینورترهای UPS دو سطحی سنتی، دیودها ولتاژ باس کامل (مانند 800 ولت) را تحمل می‌کنند و افت بازیابی معکوس با مجذور ولتاژ افزایش می‌یابد. توپولوژی سه سطحی با دیود گیره دار، تنش ولتاژ دیود را به نصف ولتاژ باس (400 ولت) با معرفی یک پتانسیل نقطه میانی کاهش می دهد، در حالی که اندازه سلف فیلتر را 30٪ کاهش می دهد. پس از اتخاذ یک توپولوژی سه سطحی در یک UPS مرکز داده بزرگ، راندمان سیستم از 94.5٪ به 96.8٪ افزایش یافت و انتشار کربن سالانه 120 تن کاهش یافت.

2. انجام بهینه سازی فناوری اصلاح همزمان
در فرآیند یکسوسازی خروجی یو پی اس، تلفات VF دیود سنتی نسبت بالایی را به خود اختصاص می دهد. فناوری یکسوسازی همزمان می‌تواند با جایگزینی دیودها با ماسفت‌ها و استفاده از تراشه‌های درایور اختصاصی برای کنترل زمان‌بندی هدایت آنها، تلفات یکسوسازی را تا ۸۰ درصد کاهش دهد. مطالعه موردی یک یو پی اس 200 کیلوولت آمپر نشان داد که فناوری یکسوسازی همزمان بازده خروجی را از 95٪ به 97.5٪ افزایش داد، به ویژه در بارهای سبک (20٪ بار) که در آن بهبود راندمان قابل توجه تر بود (به 94٪ در مقابل{8}}٪ رسید).

3. نوآوری یکپارچه مدار دیود ایده آل
برای سناریوهای سوئیچینگ باتری UPS، مدارهای ORing دیود سنتی از تلفات افت ولتاژ (VF × Ibat) و خطرات جریان معکوس رنج می برند. مدار دیود ایده‌آل به سوئیچ افت ولتاژ صفر از طریق ماسفت‌ها و تراشه‌های کنترلی برگشت-به{{2} و عملکردهایی مانند حفاظت از اضافه ولتاژ و تعویض گرم را یکپارچه می‌کند. در یک کاربرد UPS صنعتی خاص، دیود ایده آل تلفات تخلیه باتری را از 12 وات به 0.5 وات کاهش می دهد، در حالی که مشکل تخریب عمر باتری ناشی از جریان معکوس را از بین می برد.

3، یکپارچه سازی سیستم: بهبود کارایی از بهینه سازی تک ماشینی تا همکاری زنجیره ای کامل
1. بهینه سازی نرخ بار برای طراحی مدولار
یو پی اس ماژولار می تواند به صورت پویا ماژول های بیکار را از طریق طراحی افزونگی N+X بخواباند و نرخ بار ماژول های کار را به 60٪ -80٪ ​​افزایش دهد (نرخ بارگذاری UPS برج سنتی معمولاً کمتر از 50٪ است). پس از استفاده از UPS ماژولار در یک مرکز داده مالی، راندمان سیستم از 93% به 96% افزایش یافت و در عین حال هزینه های بهره برداری و نگهداری را تا 30% از طریق عملکرد خواب هوشمند کاهش داد. در این سناریو، دیودها باید نیاز مقاومت حرارتی پایین را برآورده کنند (R θ JA<10 ℃/W) to adapt to the heat dissipation challenges under high-density packaging.

2. کنترل دما تکنولوژی مدیریت حرارتی
70% از تلفات دیود به گرما تبدیل می شود و به ازای هر 10 درجه افزایش دمای اتصال، شارژ بازیابی معکوس Qrr 15% افزایش می یابد -20%. با استفاده از فناوری باند گیره مسی به جای اتصال سیم های آلومینیومی سنتی، مقاومت حرارتی دیودها را می توان تا 40٪ کاهش داد. با ترکیب فن آوری خنک کننده مایع، دمای اتصال دیودهای SiC را می توان زیر 150 درجه تثبیت کرد و پتانسیل سوئیچینگ فرکانس بالا را بیشتر آزاد کرد. تست UPS یک ایستگاه پایه 5G مشخص نشان می دهد که طرح خنک کننده مایع طول عمر دیود را به بیش از 15 سال افزایش می دهد (طرح خنک کننده هوای سنتی 8-10 سال است).

3. بهینه سازی دینامیک فناوری کنترل دیجیتال
کنترل دیجیتال مبتنی بر DSP می تواند پارامترهایی مانند دیود VF و Qrr را در زمان واقعی نظارت کند و توزیع تلفات را با تنظیم فرکانس سوئیچینگ (مانند تعویض پویا از 10 کیلوهرتز به 20 کیلوهرتز) بهینه کند. یک یو پی اس هوشمند تغییر بار را از طریق الگوریتم یادگیری ماشین پیش بینی می کند و زمان بندی درایو دیود را از قبل تنظیم می کند، به طوری که راندمان سیستم نوسان می کند.<0.5% in the full load range, which is three times more stable than the traditional analog control scheme.