Industrielle USV
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS)
Die Hauptfunktion einer USV ist die Bereitstellung einer vorübergehenden Notstromversorgung im Falle eines Stromausfalls in der Anlage. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) für die Industrie sind für den Einsatz in industriellen/verarbeitenden Betrieben, wie z. B. Anlagen und Fabriken, vorgesehen. Die Kontinuität der Prozesssteuerung ist in einer Vielzahl von Industriesegmenten entscheidend: Wasser/Abwasser, Biotechnologie/Pharmazie, Transport, Chemie, Lebensmittel und Getränke, Halbleiter, Automobil und erneuerbare Energien. Die in diesen Segmenten eingesetzten Geräte sind oft rauen Umgebungen ausgesetzt, wie z. B. weiten Temperaturbereichen oder Lufteigenschaften mit erhöhtem Feuchtigkeits- und Salzgehalt. Ein robustes USV-Stromversorgungskonzept ist hier von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass wichtige Daten oder Arbeitsabläufe nicht aufgrund eines Kompromisses bei der Betriebsspannung eines Systems verloren gehen.
Online-USV-Systeme verarbeiten die gesamte benötigte Energie aus dem Stromnetz und geben bei einem Ausfall der Hauptstromversorgung hochwertige Wechselspannung für kritische Verbraucher aus. Der Gleichrichter in der USV wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, und die Batterie speichert dann den Gleichstrom. Siehe Abbildung 1, rechts.
Eine hohe Leistungsdichte ist bei diesen Entwürfen aufgrund des begrenzten Platzes in gängigen Anwendungen wie Rechenzentren wichtig. Eine hohe Leistungsdichte wird zum Teil durch den Verzicht auf sperrige Transformatoren erreicht. In diesem Fall muss zwischen den AC-Eingangs- und -Ausgangsanschlüssen ein gemeinsamer Nullleiter vorhanden sein, da die Erdungsanforderungen für die Sicherheit wichtig sind. Höhere Schaltfrequenzen werden die Größe dieser Systeme weiter verringern.
Hier kommen Leistungstransistoren mit breiter Bandlücke (WBG) ins Spiel. Die Verwendung von WBG-Bauteilen ermöglicht kleinere, leichtere und effizientere USV-Systeme, da sie schneller schalten können und weniger Schaltverluste aufweisen. Ein höherer Wirkungsgrad führt im Vergleich zu weniger effizienten Si-Bauteilen zu einer längeren Backup-Zeit.
Abbildung 1: Blockdiagramm einer Online-USV (Bild von etechnog.com)
Market Watch schätzt, dass der weltweite Markt für USV-Systeme bis zum Jahr 2027 16,6 Milliarden US-Dollar erreichen wird und prognostiziert für den Analysezeitraum 2020-2027 ein Wachstum von 5,2 % (CAGR). Auf die USA entfallen im Jahr 2020 mehr als 27% der globalen Marktgröße. Für China wird ein Wachstum von 8,4% CAGR für 2020-2027 prognostiziert.
Arten der UPS-Topologie
Online
Off-Line
Bereitschaft
Linie Interaktiv
Abbildung 2: Blockdiagramm einer Offline-USV (Bild von etechnog.com)
Abbildung 3: Blockschaltbild der Standby-USV (Bild von elprocus.com)
Abbildung 4: Line-interactive USV-Blockdiagramm (Bild von elprocus.com)
Traditionelles Siliziumdesign
Die meisten der heutigen Online-USV-Systeme basieren auf zweistufigen, transformatorlosen Topologien mit einem gemeinsamen Nullleiter zwischen den AC-Eingangs- und Ausgangsanschlüssen. Zweistufige, transformatorlose Online-USV-Systeme basieren meist auf hart geschalteten Designs, die Vier-Quadranten-Schalter verwenden. Diese Schalter führen zu großen Induktivitäten in der Hochfrequenzschleife, was die Reduzierung des USV-Volumens durch den Betrieb dieser Topologien bei hohen Schaltfrequenzen einschränkt.
Es können verschiedene sanft geschaltete USV-Topologien verwendet werden, die für den Hochfrequenzbetrieb geeignet sind. Diese Topologien enthalten jedoch entweder zusätzliche passive Komponenten, um die sanfte Umschaltung zu erreichen, oder erfordern einen Transformator, um einen gemeinsamen Nullleiter zwischen den Eingangs- und Ausgangs-Wechselstromanschlüssen herzustellen.
Schaltvorrichtungen aus Silizium können nicht die hohen Frequenzen von Galliumnitrid- und Siliziumkarbidvorrichtungen erreichen, die optimale Leistungsdichten und Leistungen bieten.
Arten der UPS-Topologie
Abbildung 5: Eine GaN-USV-Topologie mit einem einzelnen DC-Bus unter Verwendung von Halbbrückenschaltelementen (Bild aus Referenz 1)
Die vorgeschlagene USV verwendet standardmäßige GaN-Halbbrückenstrukturen mit einem gemeinsamen Nullleiter zwischen Eingang und Ausgang und kann im Grenzleitungsmodus ohne zusätzliche komplexe Schaltungsentwürfe einen spannungslosen Schaltbetrieb (ZVS) erreichen. Dieses Design verwendet eine neue Steuerungsmethode für die USV, die einen digitalen Dual-Mode-Controller für die Eingangs-PFC-Gleichrichterstufe hat. Der digitale Regler regelt die Ausgangsspannung des Wandlers sowohl bei ohmschen als auch bei reaktiven Lasten.
Die Wechselrichterstufe (DC/AC) wird ebenfalls im Dual-Mode betrieben, und ein digitaler Regler regelt die Ausgangsspannung des Wandlers über ohmsche und reaktive Lasten. Diese Wandlerarchitektur ist in der Lage, eine Ausgangsleistung von 1 kVA zu liefern und gleichzeitig einen Leistungsfaktor von Eins am Eingang aufrechtzuerhalten. Diese GaN-basierte 1-kVA-Online-USV wird mit der in Referenz 1 vorgeschlagenen Steuerungstechnik betrieben und wurde entwickelt, gebaut und getestet. Der USV-Prototyp, der mit bis zu 2 MHz betrieben wird, erreicht eine Leistungsdichte von 26,4 W/in3.
WBG Semiconductor Zusätzliche Vorteile
Referenzen
- Steuerung einer einphasigen unterbrechungsfreien Online-Stromversorgung auf GaN-Basis mit hoher Leistungsdichte, Danish Shahzad, Saad Pervaiz, Nauman Zaffar, Khurram K. Afridi, IEEE 2019
- Performance Comparison of 1200V Silicon and SiC devices for UPS Application, James McBryde, Arun Kadavelugu, Bobby Compton, Subhashish Bhattacharya, Mrinal Das, Anant Agarwal, IEEE 2010
