SAI industriales
Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI)
La función principal de un SAI es proporcionar energía de reserva temporal en caso de pérdida de energía en las instalaciones. Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) industriales son para uso en situaciones industriales/fabricantes, como instalaciones de plantas y fábricas. La continuidad del control de procesos es crítica en una amplia gama de segmentos industriales: Agua/aguas residuales, biotecnología/farmacéutica, transporte, química, alimentación y bebidas, semiconductores, automoción y energías renovables. Los equipos desplegados en estos segmentos suelen estar sometidos a entornos adversos, como amplios rangos de temperatura o características del aire con un elevado contenido de humedad y sal. Un diseño robusto del SAI es crucial para garantizar que los datos clave o el flujo de trabajo no se pierdan debido a un compromiso en los niveles de tensión de funcionamiento del sistema.
Los sistemas SAI en línea procesan toda la energía necesaria de la línea eléctrica y emiten una tensión de CA de alta calidad para las cargas críticas en caso de fallo de la red principal. El rectificador del SAI convierte la CA en CC y la batería almacena la CC. Véase la Figura 1, a la derecha.
La alta densidad de potencia es importante en estos diseños debido al espacio limitado en aplicaciones comunes como los centros de datos. La alta densidad de potencia se consigue, en parte, gracias a la eliminación de los voluminosos transformadores. En este caso, debe haber un neutro común entre los puertos de CA de entrada y salida debido a la importancia de la seguridad en los requisitos de conexión a tierra. Las frecuencias de conmutación más altas reducirán aún más el tamaño de estos sistemas.
Aparecen los transistores de potencia de banda ancha (WBG). El uso de dispositivos WBG permite crear sistemas SAI más pequeños, ligeros y eficientes gracias a una capacidad de conmutación más rápida con menores pérdidas de conmutación. La mayor eficiencia permite prolongar el tiempo de autonomía en comparación con dispositivos Si menos eficientes.
Figura 1: Diagrama de bloques del SAI en línea (Imagen de etechnog.com)
Market Watch estima que el mercado mundial de sistemas SAI alcanzará los 16.600 millones de dólares en 2027, prediciendo un crecimiento a una TCAC del 5,2% durante el periodo de análisis 2020-2027. EE.UU. representa más del 27% del tamaño del mercado mundial en 2020. Se prevé que China crezca a una CAGR del 8,4% para 2020-2027.
Tipos de topología SAI
En línea
Fuera de línea
En espera
Línea interactiva
Figura 2: Diagrama de bloques del SAI fuera de línea (Imagen de etechnog.com)
Figura 3: Diagrama de bloques del SAI de reserva (Imagen de elprocus.com)
Figura 4: Diagrama de bloques del SAI interactivo (Imagen de elprocus.com)
Diseño tradicional de silicio
La mayoría de los sistemas SAI en línea actuales se basan en topologías de dos etapas sin transformador con un neutro común entre los puertos de CA de entrada y salida. Los sistemas SAI en línea de dos etapas y sin transformador suelen basarse en diseños de conmutación dura que utilizan conmutadores de cuatro cuadrantes. Estos interruptores introducen grandes inductancias de bucle de alta frecuencia, lo que limita la reducción del volumen del SAI al operar estas topologías a altas frecuencias de conmutación.
Sin embargo, estas topologías contienen componentes pasivos adicionales para lograr la conmutación suave o requieren un transformador para lograr un neutro común entre los puertos de CA de entrada y salida.
Los dispositivos de conmutación de silicio no pueden alcanzar la alta frecuencia que ofrecen los dispositivos de nitruro de galio y carburo de silicio, que ofrecen densidades de potencia y prestaciones óptimas.
Tipos de topología SAI
Figura 5: Topología de SAI de GaN con un único bus de CC que utiliza elementos de conmutación de medio puente (imagen de la referencia 1).
El SAI propuesto emplea estructuras de medio puente de GaN estándar con un neutro común entre la entrada y la salida y es capaz de lograr un funcionamiento de conmutación de tensión cero (ZVS), en el modo de conducción límite, sin necesidad de un diseño de circuito complejo adicional. Este diseño emplea una nueva metodología de control para el SAI que cuenta con un controlador digital de modo dual para la etapa rectificadora PFC de entrada. El controlador digital regula la tensión de salida del convertidor a través de cargas resistivas y reactivas.
La etapa inversora (CC/CA) también funciona en modo dual, y un controlador digital regula la tensión de salida del convertidor a través de cargas resistivas y reactivas. Esta arquitectura de convertidor es capaz de suministrar 1 kVA de potencia de salida manteniendo un factor de potencia unitario a la entrada. Este SAI en línea de 1kVA basado en GaN funciona con la técnica de control propuesta en la referencia 1, y ha sido diseñado, construido y probado. El prototipo de SAI, operado hasta 2MHz, alcanzó una densidad de potencia de 26,4W/in3.
Ventajas adicionales de WBG Semiconductor
Referencias
- Control de un sistema de alimentación ininterrumpida en línea monofásico de alta densidad de potencia basado en GaN, 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
