Come utilizzare i diodi per migliorare l'efficienza dei sistemi di alimentazione UPS?

一, Selezione del dispositivo: svolta in termini di efficienza dal materiale alla struttura
1. Ottimizzazione dinamica del diodo a recupero rapido (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), il di/dt della corrente di recupero inversa può essere ridotto e i picchi di tensione causati dall'induttanza di linea possono essere ridotti al minimo. La ricerca di Renesas Electronics mostra che riducendo le dimensioni dei chip FRD al livello di 30 A (abbinato a IGBT da 50 A) è possibile ridurre il consumo energetico totale del 2,5% e risparmiare il 20% sui costi dei chip.

2. Vantaggi della bassa tensione dei diodi Schottky
Negli scenari a bassa tensione e corrente elevata (come il bus CC da 48 V), i diodi Schottky riducono le perdite di conduzione del 70% rispetto ai normali diodi al silicio (VF ≈ 1,0 V) con una bassa caduta di tensione diretta (VF) di circa 0,3 V. Un caso di UPS modulare mostra che la sostituzione dei diodi raddrizzatori tradizionali con diodi Schottky può migliorare l’efficienza del circuito di ricarica dell’1,8% e risparmiare fino a 12.000 kWh di elettricità all’anno. Va notato che la tensione di rottura inversa dei diodi Schottky è solitamente inferiore a 200 V e il loro campo di applicazione deve essere ampliato attraverso il collegamento in serie di più tubi o l'uso di diodi Schottky al carburo di silicio (SiC) (con tensione di resistenza inversa fino a 650 V o superiore).

3. Rivoluzione ad alta frequenza dei diodi al carburo di silicio (SiC).
I diodi SiC mostrano prestazioni eccellenti negli UPS ad alta-frequenza grazie alla carica di recupero inversa pari a zero (Qrr ≈ 0) e alla stabilità alle alte temperature (temperatura di giunzione fino a 200 gradi). I dati di test di un inverter fotovoltaico da 100 kVA mostrano che la sostituzione dell'FRD in silicio con diodi SiC riduce le perdite di commutazione del 62% e aumenta l'efficienza del sistema dal 96,2% al 97,8%. Sebbene i diodi SiC costino 3-5 volte di più rispetto ai dispositivi al silicio, le loro caratteristiche di riduzione del volume del 50% e di estensione della durata di 3 volte offrono notevoli vantaggi in termini di costi dell'intero ciclo di vita in scenari ad alta densità come i data center.

2, Progettazione della topologia: ricostruzione dell'efficienza dalla struttura del circuito al flusso di energia
1. Bilanciamento delle perdite della topologia a tre-livelli
Nei tradizionali inverter UPS a due- livelli, i diodi sopportano l'intera tensione del bus (ad esempio 800 V) e la perdita di recupero inverso aumenta con il quadrato della tensione. La topologia a tre livelli con blocco del diodo riduce lo stress di tensione del diodo alla metà della tensione del bus (400 V) introducendo un potenziale del punto medio, riducendo al contempo le dimensioni dell'induttore di filtraggio del 30%. Dopo aver adottato una topologia a tre-livelli in un UPS di un data center di grandi dimensioni, l'efficienza del sistema è aumentata dal 94,5% al ​​96,8% e le emissioni annuali di carbonio sono state ridotte di 120 tonnellate.

2. Condurre l'ottimizzazione della tecnologia di rettifica sincrona
Nel processo di rettifica dell'uscita dell'UPS, le tradizionali perdite VF dei diodi rappresentano una percentuale elevata. La tecnologia di rettifica sincrona può ridurre le perdite di rettifica dell'80% sostituendo i diodi con MOSFET e utilizzando chip driver dedicati per controllarne i tempi di conduzione. Un caso di studio di un UPS da 200 kVA ha dimostrato che la tecnologia di rettifica sincrona ha aumentato l'efficienza di uscita dal 95% al ​​97,5%, soprattutto con carichi leggeri (carico del 20%) dove il miglioramento dell'efficienza è stato più significativo (raggiungendo il 94% rispetto a . 91%).

3. Innovazione integrata del circuito a diodi ideali
Per gli scenari di commutazione della batteria dell'UPS, i tradizionali circuiti ORing a diodi soffrono di perdite di caduta di tensione (VF × Ibat) e rischi di corrente inversa. Il circuito a diodi ideale raggiunge una commutazione con caduta di tensione pari a zero tramite MOSFET back-to-back e chip di controllo e integra funzioni come la protezione da sovratensione e la sostituzione a caldo. In una determinata applicazione UPS industriale, il diodo ideale riduce la perdita di scarica della batteria da 12 W a 0,5 W, eliminando al tempo stesso il problema del degrado della durata della batteria causato dalla corrente inversa.

3, Integrazione del sistema: miglioramento dell'efficienza dall'ottimizzazione della singola macchina alla collaborazione dell'intera catena
1. Ottimizzazione della velocità di carico per la progettazione modulare
L'UPS modulare può attivare dinamicamente la modalità di sospensione dei moduli inattivi attraverso il design di ridondanza N+X, aumentando la velocità di carico dei moduli funzionanti al 60% -80% (la velocità di carico dell'UPS a torre tradizionale è solitamente inferiore al 50%). Dopo aver adottato un UPS modulare in un data center finanziario, l'efficienza del sistema è aumentata dal 93% al 96%, riducendo al tempo stesso i costi operativi e di manutenzione del 30% grazie alla funzione di sospensione intelligente. In questo scenario, i diodi devono soddisfare il requisito di bassa resistenza termica (R θ JA<10 ℃/W) to adapt to the heat dissipation challenges under high-density packaging.

2. Controllo della temperatura della tecnologia di gestione termica
Il 70% delle perdite dei diodi viene convertito in calore e per ogni aumento di 10 gradi della temperatura di giunzione, la carica di recupero inverso Qrr aumenta del 15% -20%. Utilizzando la tecnologia di collegamento a clip in rame invece del tradizionale collegamento a filo di alluminio, la resistenza termica dei diodi può essere ridotta del 40%; Combinando la tecnologia di raffreddamento a liquido, la temperatura di giunzione dei diodi SiC può essere stabilizzata al di sotto di 150 gradi, liberando ulteriormente il potenziale della commutazione ad alta frequenza. Il test UPS di una determinata stazione base 5G mostra che lo schema di raffreddamento a liquido estende la durata del diodo a più di 15 anni (lo schema di raffreddamento ad aria tradizionale è di 8-10 anni).

3. Ottimizzazione dinamica della tecnologia di controllo digitale
Il controllo digitale basato su DSP può monitorare parametri come VF e Qrr del diodo in tempo reale e ottimizzare la distribuzione delle perdite regolando la frequenza di commutazione (come la commutazione dinamica da 10kHz a 20kHz). Un UPS intelligente prevede la variazione del carico attraverso l'algoritmo di apprendimento automatico e regola in anticipo la temporizzazione del pilotaggio dei diodi, in modo che l'efficienza del sistema oscilli<0.5% in the full load range, which is three times more stable than the traditional analog control scheme.