Sử dụng điốt như thế nào để nâng cao hiệu suất của hệ thống điện UPS?

一, Lựa chọn thiết bị: Đột phá về hiệu quả từ vật liệu đến kết cấu
1. Tối ưu hóa động của diode phục hồi nhanh (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 của dòng điện phục hồi ngược có thể được giảm xuống và các xung điện áp gây ra bởi điện cảm đường dây có thể được giảm thiểu. Nghiên cứu của Renesas Electronics cho thấy, việc giảm kích thước chip FRD xuống mức 30A (tương ứng với 50A IGBT) có thể giảm tổng điện năng tiêu thụ 2,5% và tiết kiệm 20% chi phí chip.

2. Ưu điểm điện áp thấp của điốt Schottky
Trong trường hợp điện áp thấp và dòng điện cao (chẳng hạn như bus 48V DC), điốt Schottky giảm 70% tổn thất dẫn truyền so với điốt silicon thông thường (VF ≈ 1,0V) với mức giảm điện áp chuyển tiếp thấp (VF) khoảng 0,3V. Một trường hợp UPS mô-đun cho thấy việc thay thế điốt chỉnh lưu truyền thống bằng điốt Schottky có thể cải thiện hiệu suất mạch sạc thêm 1,8% và tiết kiệm tới 12000 kWh điện hàng năm. Cần lưu ý rằng điện áp đánh thủng ngược của điốt Schottky thường thấp hơn 200V và phạm vi ứng dụng của chúng cần được mở rộng thông qua kết nối nối tiếp nhiều ống hoặc sử dụng điốt Schottky silicon cacbua (SiC) (có điện áp chịu ngược lên đến 650V trở lên).

3. Cuộc cách mạng tần số cao của điốt silicon cacbua (SiC)
Điốt SiC thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong UPS tần số- cao do điện tích phục hồi ngược bằng 0 (Qrr ≈ 0) và độ ổn định nhiệt độ cao (nhiệt độ điểm nối lên tới 200 độ). Dữ liệu thử nghiệm của biến tần quang điện 100kVA cho thấy việc thay thế FRD silicon bằng điốt SiC giúp giảm 62% tổn thất chuyển mạch và tăng hiệu suất hệ thống từ 96,2% lên 97,8%. Mặc dù điốt SiC có giá cao hơn 3{12}}5 lần so với thiết bị silicon, nhưng đặc tính giảm âm lượng 50% và kéo dài tuổi thọ lên 3 lần mang lại lợi thế đáng kể về chi phí toàn bộ vòng đời trong các tình huống mật độ cao như trung tâm dữ liệu.

2, Thiết kế cấu trúc liên kết: Tái thiết hiệu quả từ cấu trúc mạch đến dòng năng lượng
1. Cân bằng tổn thất của cấu trúc liên kết ba cấp-
Trong bộ biến tần UPS hai cấp-truyền thống, điốt chịu toàn bộ điện áp bus (chẳng hạn như 800V) và tổn thất phục hồi ngược tăng theo bình phương của điện áp. Cấu trúc liên kết ba cấp-được kẹp điốt làm giảm ứng suất điện áp của điốt xuống một nửa điện áp bus (400V) bằng cách tạo ra điện thế trung điểm, đồng thời giảm 30% kích thước của cuộn cảm lọc. Sau khi áp dụng cấu trúc liên kết ba cấp-trong UPS của trung tâm dữ liệu lớn, hiệu suất hệ thống đã tăng từ 94,5% lên 96,8% và lượng khí thải carbon hàng năm đã giảm 120 tấn.

2. Tiến hành tối ưu hóa công nghệ chỉnh lưu đồng bộ
Trong quá trình chỉnh lưu đầu ra của UPS, tổn thất VF của diode truyền thống chiếm tỷ lệ cao. Công nghệ chỉnh lưu đồng bộ có thể giảm 80% tổn thất chỉnh lưu bằng cách thay thế điốt bằng MOSFET và sử dụng chip điều khiển chuyên dụng để kiểm soát thời gian dẫn điện của chúng. Một nghiên cứu điển hình về UPS 200kVA cho thấy công nghệ chỉnh lưu đồng bộ giúp tăng hiệu suất đầu ra từ 95% lên 97,5%, đặc biệt ở mức tải nhẹ (tải 20%) trong đó hiệu suất cải thiện đáng kể hơn (đạt 94% so với. 91%).

3. Đổi mới tích hợp mạch diode lý tưởng
Đối với các tình huống chuyển đổi ắc quy của UPS, các mạch ORing đi-ốt truyền thống chịu tổn thất do sụt áp (VF × Ibat) và rủi ro dòng điện ngược. Mạch đi-ốt lý tưởng đạt được mức giảm điện áp bằng 0 khi chuyển đổi qua-qua-các MOSFET ngược và chip điều khiển, đồng thời tích hợp các chức năng như bảo vệ quá áp và hoán đổi nóng. Trong một ứng dụng UPS công nghiệp nhất định, diode lý tưởng giúp giảm tổn thất xả pin từ 12W xuống 0,5W, đồng thời loại bỏ vấn đề suy giảm tuổi thọ pin do dòng điện ngược gây ra.

3, Tích hợp hệ thống: Cải thiện hiệu quả từ tối ưu hóa máy đơn lẻ đến cộng tác toàn chuỗi
1. Tối ưu hóa tốc độ tải cho thiết kế mô-đun
UPS mô-đun có thể ngủ động các mô-đun nhàn rỗi thông qua thiết kế dự phòng N+X, tăng tốc độ tải của các mô-đun đang hoạt động lên 60% -80% (tốc độ tải UPS dạng tháp truyền thống thường dưới 50%). Sau khi áp dụng UPS mô-đun trong trung tâm dữ liệu tài chính, hiệu suất hệ thống đã tăng từ 93% lên 96%, đồng thời giảm 30% chi phí vận hành và bảo trì thông qua chức năng ngủ thông minh. Trong trường hợp này, điốt cần đáp ứng yêu cầu về điện trở nhiệt thấp (R θ JA<10 ℃/W) to adapt to the heat dissipation challenges under high-density packaging.

2. Kiểm soát nhiệt độ của công nghệ quản lý nhiệt
70% tổn thất điốt được chuyển thành nhiệt và cứ tăng nhiệt độ tiếp giáp 10 độ thì điện tích phục hồi ngược Qrr tăng 15% -20%. Bằng cách sử dụng công nghệ liên kết kẹp đồng thay vì liên kết dây nhôm truyền thống, khả năng chịu nhiệt của điốt có thể giảm 40%; Bằng cách kết hợp công nghệ làm mát bằng chất lỏng, nhiệt độ tiếp giáp của điốt SiC có thể được ổn định dưới 150 độ, tiếp tục giải phóng tiềm năng chuyển đổi tần số cao. Thử nghiệm UPS của một trạm gốc 5G nhất định cho thấy sơ đồ làm mát bằng chất lỏng giúp kéo dài tuổi thọ của đi-ốt lên hơn 15 năm (sơ đồ làm mát không khí truyền thống là 8-10 năm).

3. Tối ưu hóa động lực của công nghệ điều khiển số
Điều khiển kỹ thuật số dựa trên DSP có thể giám sát các thông số như diode VF và Qrr trong thời gian thực và tối ưu hóa phân phối tổn thất bằng cách điều chỉnh tần số chuyển mạch (chẳng hạn như chuyển đổi động từ 10kHz đến 20kHz). UPS thông minh dự đoán sự thay đổi tải thông qua thuật toán học máy và điều chỉnh trước thời gian truyền động đi-ốt để hiệu suất hệ thống dao động<0.5% in the full load range, which is three times more stable than the traditional analog control scheme.