UPS分类、工作模式及Si/SiC在UPS中应用浅析

为了保证用电的可靠性和持续性，有种设备充当着这个重要的角色——不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)，今天我们就来聊聊UPS的那些事儿。

一、何谓UPS

不间断电源，从字面很容易就想到，它能够持续不断地供电。其是利用储能装置作为后备能量，在市电断电等电网故障的时候，能够给用户设备提供电能，间接地保证"市电"的一种能量转换装置。

1、UPS的主要功能：

高可靠性地不间断供电；——基本功能

供电稳压、净化功能；——提供供电的可靠性和质量

电池管理功能；——储能装置的工作

智能监控功能；——满足维护管理的需求

电网输出的电能有的时候不一定是安全可靠的，经常有对设备产生干扰的问题，我们分为以下几类：

2、UPS按照不同的情况可分为以下几类：

按供电体系不同：单进单出UPS、三进单出UPS、三进三出UPS；

按输出功率不同：小功率(＜10kVA)、中等功率(10~30kVA)、大功率(＞30kVA)；

3、按工作原理不同：

后备式

在线互动式

在线式

二、三种类型的介绍

1、后备式

功率等级一般在0.25~2kVA左右。市电正常时逆变器不工作，切换时间较长。

2、互动式

功率一般在0.7~20kVA左右，逆变器和充电器结合到一起，并能够实现分段稳压。

3、在线式

正常情况下逆变电路始终处于工作状态。

三种类型UPS的比较

可见，在线式UPS的特点和性能在三者中最为突出，下面我们来聊聊在线式的工作模式。

市电逆变工作模式

在主路市电正常提供时，UPS通过整流器、逆变器给负载在线提供高质量的交流电；同时提供整流器给电池充电，保证能够在市电故障时提供电能。

电池逆变工作模式

当主路市电掉电或者故障时，系统自动无间断地切换到电池工作模式，有电池经过逆变器给用户提供所需地交流电。当市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。

静态旁路工作模式

旁路工作方式有两种：一种是能够自动恢复到正常的工作模式；一种是需要人为干涉才能够回到正常工作模式。

在逆变器过载延迟或者受大负载冲击等情况下，系统自动无间断地切换到静态旁路电源给负载供电。在UPS恢复正常后，系统自动恢复正常供电方式。

当用户关机或者是主路市电掉电亦或不正常且电池储存能量耗尽，或者是发生较为严重的故障情况下，逆变器关闭，系统会停留在旁路工作模式。此后，若需要恢复到正常工作模式，则需要用户重新开机。

三、Si/SiC在UPS中应用浅析

1、前言

不间断电源主要是为了在市电故障时能够提供可靠和连续的电能。在一些大规模的应用场合，比如说大的数据中心、自动化生产线、医院等等那些对于电能持续性要求比较好的领域，试想一下，美国华尔街开市的时候突然没电，医院手术过程中突然停电，后者的后果可是无法设想的，可见UPS的存在是必然的。

在当今这个科技飞速发展的社会，各行各业的产品都以肉眼可见的速度迭代，UPS也不例外。当然，迭代的出发点往往与成本挂钩，可以说没有哪一家公司愿意在成本增加远大于性能提升的情况下推成出新。而影响成本的主要因素还是效率，而决定效率的主要因素还是损耗，损耗小了，效率自然得到提高。

下面我们再来回顾下UPS的框架：

由4个部分组成：整流、储能、逆变和控制开关。

之前我们说效率是影响成本的主要因素，那从哪些地方改善呢？其实主要还是集中在逆变那块。一个是电路拓扑的选择、一个是功率器件的选择，控制方法等等。

2、简单的比较

目前UPS的逆变电路拓扑大致就两电平和三电平的，其他多电平的比较少见，下面我们就来简单聊下两电平和三电平。

三电平相对于两电平来说，能够做到更低的纹波电流，更高的输出电压，损耗相应的便会降低，相应的频率便可以做得更高，紧接着滤波器的尺寸相应的可以减小。但是三电平的控制方式要比两电平的来得复杂。

除了拓扑，眼下流行的SiC产品同样能够带来一定的应用优势。下面我们来大致看下传统Si基功率器件和SiC带来的哪些区别。

上面是250kVA的UPS使用不同功率模块下的效率和结温的数据，SiC的使用能够提高频率的同时降低了损耗，提高了效率。并且SiC的驱动电路和控制方式和Si的并没有太大的差异，所以在UPS中，SiC的使用能够带来很多的优势，从而降低成本。

作者：功率半导体那些事儿 Disciple

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