UPS industriali
Gruppi di continuità (UPS)
La funzione principale di un UPS è quella di fornire un'alimentazione di riserva temporanea in caso di perdita di potenza dell'impianto. I gruppi di continuità industriali (UPS) sono destinati all'uso in situazioni industriali/manifatturiere, come impianti e fabbriche. La continuità del controllo dei processi è fondamentale in un'ampia gamma di segmenti industriali: Acqua/Acque reflue, Biotecnologie/Farmaceutica, Trasporti, Chimica, Alimenti e bevande, Semiconduttori, Automotive ed Energie rinnovabili. Le apparecchiature impiegate in questi segmenti sono spesso soggette ad ambienti difficili, tra cui ampi intervalli di temperatura o caratteristiche dell'aria con elevato contenuto di umidità e sale. Un robusto progetto di alimentazione UPS è fondamentale per garantire che i dati chiave o il flusso di lavoro non vadano persi a causa di una compromissione dei livelli di tensione operativa del sistema.
I sistemi UPS in linea elaborano tutta l'energia necessaria dalla linea elettrica e forniscono una tensione alternata di alta qualità per i carichi critici in caso di interruzione dell'alimentazione principale. Il raddrizzatore dell'UPS converte la corrente alternata in corrente continua e la batteria immagazzina la corrente continua. Si veda la Figura 1, a destra.
L'alta densità di potenza è importante in questi progetti a causa dello spazio limitato in applicazioni comuni come i data center. L'alta densità di potenza si ottiene, in parte, grazie all'eliminazione dei trasformatori ingombranti. In questo caso, deve essere presente un neutro comune tra le porte di ingresso e di uscita in corrente alternata, a causa dell'importanza della sicurezza nei requisiti di messa a terra. Frequenze di commutazione più elevate ridurranno ulteriormente le dimensioni di questi sistemi.
Ecco i transistor di potenza ad ampio bandgap (WBG). L'uso di dispositivi WBG consente di realizzare sistemi UPS più piccoli, più leggeri e più efficienti grazie a una capacità di commutazione più rapida con perdite di commutazione inferiori. La maggiore efficienza consente di prolungare il tempo di backup rispetto ai dispositivi Si meno efficienti.
Figura 1: Schema a blocchi dell'UPS in linea (immagine da etechnog.com)
Market Watch stima che il mercato globale dei sistemi UPS raggiungerà i 16,6 miliardi di dollari entro il 2027, prevedendo una crescita ad un CAGR del 5,2% nel periodo di analisi 2020-2027. Gli Stati Uniti rappresentano oltre il 27% delle dimensioni del mercato globale nel 2020. Si prevede che la Cina cresca a un CAGR dell'8,4% nel periodo 2020-2027.
Tipi di topologia UPS
In linea
Fuori linea
Standby
Linea interattiva
Figura 2: Schema a blocchi dell'UPS offline (immagine da etechnog.com)
Figura 3: Schema a blocchi dell'UPS di standby (immagine da elprocus.com)
Figura 4: Schema a blocchi dell'UPS interattivo di linea (immagine da elprocus.com)
Design tradizionale del silicio
La maggior parte degli attuali sistemi UPS online si basa su topologie a due stadi, senza trasformatore, con un neutro comune tra le porte di ingresso e di uscita. I sistemi UPS online a due stadi, senza trasformatore, sono spesso basati su progetti hard-switched che utilizzano interruttori a quattro quadranti. Questi interruttori introducono grandi induttanze ad alta frequenza, limitando la riduzione del volume dell'UPS con il funzionamento di queste topologie ad alte frequenze di commutazione.
È possibile utilizzare diverse topologie di UPS a commutazione morbida, adatte al funzionamento ad alta frequenza; tuttavia, queste topologie contengono componenti passivi aggiuntivi per realizzare la commutazione morbida o richiedono un trasformatore per ottenere un neutro comune tra le porte di ingresso e di uscita.
I dispositivi di commutazione al silicio non possono raggiungere l'alta frequenza dei dispositivi al nitruro di gallio e al carburo di silicio, che offrono densità di potenza e prestazioni ottimali.
Tipi di topologia UPS
Figura 5: Una topologia di UPS GaN con un singolo bus DC che utilizza elementi di commutazione a mezzo ponte (immagine dal riferimento 1)
L'UPS proposto impiega strutture standard GaN a mezzo ponte con un neutro comune tra l'ingresso e l'uscita ed è in grado di raggiungere il funzionamento a commutazione a tensione zero (ZVS), in modalità di conduzione limite, senza ulteriori circuiti complessi. Questo progetto impiega una nuova metodologia di controllo per l'UPS che prevede un controllore digitale a doppia modalità per lo stadio raddrizzatore PFC di ingresso. Il controllore digitale regola la tensione di uscita del convertitore su carichi sia resistivi che reattivi.
Anche lo stadio dell'inverter (CC/CA) funziona in modalità duale e un controllore digitale regola la tensione di uscita del convertitore su carichi resistivi e reattivi. Questa architettura di convertitori è in grado di fornire una potenza di uscita di 1 kVA mantenendo un fattore di potenza unitario all'ingresso. Questo UPS online da 1 kVA basato su GaN funziona utilizzando la tecnica di controllo proposta nel riferimento 1 ed è stato progettato, costruito e testato. Il prototipo di UPS, funzionante fino a 2MHz, ha raggiunto una densità di potenza di 26,4W/in3.
WBG Semiconductor Vantaggi aggiuntivi
Riferimenti
- Controllo di un gruppo di continuità online monofase ad alta densità di potenza basato su GaN, Danish Shahzad, Saad Pervaiz, Nauman Zaffar, Khurram K. Afridi, IEEE 2019
- Confronto delle prestazioni dei dispositivi al silicio e SiC a 1200 V per applicazioni UPS, James McBryde, Arun Kadavelugu, Bobby Compton, Subhashish Bhattacharya, Mrinal Das, Anant Agarwal, IEEE 2010
