隨著IT產業的復興、通訊產業的持續發展,以及各行各業對于大容量數據機房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越來越大,對于UPS的技術要求也越來越高。同時,配套產業以及器件的發展給中大功率UPS的技術發展帶來了機遇。新型磁性元器件、新型半導體功率器件、新一代數字信號處理器等層出不窮,這些都讓中大功率UPS的技術水平達到了前所未有的高度。
近年來隨著鐵磁技術的飛速發展,工程師在設計優化時的材料可選擇性大大提高。在開關電源、電感、扼流圈以及濾波器的設計方面,最常用的材料包括MPP(鉬坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(鐵硅鋁)以及鐵粉芯磁芯。針對不同的應用場合,每種材料都有各自的特點。
粉芯材料磁芯是由高磁導率材料經過研磨或者噴霧造粒形成粉末,磁芯的磁導率取決于高磁導率材料微粒的尺寸和密度大小,調整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁導率的磁芯。微粒尺寸越小,直流偏置特性越好,但是成本越高。粉末微粒之間彼此絕緣,因此磁芯固有的分布氣隙具有更好的儲能能力,特別適合在儲能電感中應用。
粉芯的分布式氣隙特性確保能量儲存在整個磁芯體中,這就使得磁芯的溫度穩定性較高。而傳統開氣隙的鐵氧體磁芯由于能量儲存在氣隙附近,漏感較大,使得氣隙損耗和電磁干擾都明顯增加,有時局部氣隙損耗甚至比磁芯本身的損耗還大,因此磁芯的溫度穩定性不太穩定。優化磁芯的原則是選擇能夠滿足所有的設計目標需求的同時,具有最小折衷的材料。如果成本是首要考慮因素,鐵粉芯是最佳選擇。如果溫度穩定性是優先考慮因素,那么應首選MPP磁芯。
伴隨著上述新材料的應用,中大功率UPS中以往廣泛使用的硅鋼類電感、變壓器將有機會得到替換。從而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平,UPS系統的功率密度以及性能也將由此而得到提高。
作為中大功率UPS中的重要功率器件,IGBT以及SCR器件近年來也得到了極大的發展,各大廠商針對UPS的發展需要提出了大量的解決方案。
三電平IGBT模塊給UPS的高頻整流器、逆變器帶來了前所未有的機遇,從而為三電平技術的推廣應用打下了堅實的基礎,如圖3所示。以往構建三電平系統,設計者需要使用分立的器件來搭建,性價比和系統穩定性都得不到保障,因此三電平技術一直未得到大規模的應用。這種IGBT模塊將所有的器件集成在一起,簡化了系統設計,提高了可靠性,給這種技術在UPS中的應用帶來了機會。三電平技術的應用可以大大降低磁性元器件的使用量,提高系統的靜態與動態性能指標,提高系統的功率密度,降低成本。
一些器件廠家針對電力電子系統的散熱需求,給出了一些很好的解決方案。
圖4為新一代的大功率水冷IGBT模塊,可以看出其散熱器的用量明顯降低。并且,通過水冷技術的使用,系統的功率密度明顯提高,噪聲大大降低,熱性能得到提高,可靠性較以往的風冷技術也得到了較大的提升。