無停電電源装置 (UPS)
ワイドバンドギャップデバイスにより、より小型・軽量で効率的なUPSシステムを実現

産業用UPS

無停電電源装置 (UPS)

UPS の主な機能は、設備電源の喪失時に一時的なバックアップ電源を提供することです。産業用無停電電源装置(UPS)は、プラント施設や工場のような産業/製造業で使用されます。プロセス制御の継続性は、幅広い産業分野にわたって重要です:水/廃水、バイオテクノロジー/製薬、輸送、化学、食品/飲料、半導体、自動車、再生可能エネルギーなどです。これらのセグメントで使用される機器は、温度範囲が広かったり、水分や塩分が多く含まれる空気特性など、過酷な環境にさらされることがよくあります。堅牢なUPS電源設計は、システムの動作電圧レベルの低下によって重要なデータやワークフローが失われないようにするために、ここで非常に重要です。

オンラインUPSシステムは、主電源が停止した場合に、電力線から必要なすべての電力を処理し、重要な負荷のために高品質のAC電圧を出力します。UPSの整流器は交流電力を直流に変換し、バッテリーが直流電力を蓄えます。右の図1を参照。

データセンターなどの一般的な用途ではスペースが限られているため、こうした設計では高電力密度が重要である。高い電力密度は、かさばるトランスを排除することによって達成される。この場合、接地要件における安全性の重要性から、入力ACポートと出力ACポートの間に共通のニュートラルを設ける必要がある。スイッチング周波数が高くなれば、これらのシステムのサイズはさらに小さくなる。

ワイドバンドギャップ(WBG)パワートランジスタの登場です。WBGデバイスを使用することで、スイッチング損失が少なく高速スイッチングが可能になるため、より小型・軽量で効率的なUPSシステムが実現します。効率が高いほど、効率の低いSiデバイスに比べてバックアップ時間が長くなります。

図1:オンラインUPSブロック図(etechnog.comからの画像)

Market Watchは、世界のUPSシステム市場が2027年までに166億ドルに達し、分析期間2020-2027年のCAGR 5.2%で成長すると予測している。2020年の世界市場規模の27%以上を米国が占める。中国は2020-2027年のCAGR 8.4%で成長すると予測されている。

UPSトポロジーの種類

オンライン

このタイプの UPS は究極の保護を備えています。出力は正弦波で、故障または過負荷状態の場合に UPS を保護する自動バイパススイッチがあります。出力は監視され、短絡が検出された場合、バイパスは故障が取り除かれるまで負荷を主電源に送ります。電圧調整はAC-DC-ACプロセスによって達成されます。上記の図1を参照。

オフライン

オフラインUPSは、トランスファースイッチをオンにすることで、負荷にAC電源を直接供給します。停電の場合、オフライン UPS はバッテリバックアップから電力を供給します。オンライン UPS とオフライン UPS の間の重要な相違はオンライン UPS のより大きい脱熱器の条件です。AC 負荷によって引かれる流れは回路全体を通して絶えず流れるので、システムの温度は増加します。そのため、比較的大きなヒートシンクと高温に耐える部品が必要となり、非常に長い時間電流を流すことができます。このような要件により、オンラインUPSのコストは大幅に増加します。右の図2を見てください。

スタンバイ

スタンバイ UPS は、最も一般的にパーソナルコンピュータに使用されます。トランスファースイッチは、フィルタリングされたAC入力をプライマリ電源として選択するように設定されており、ACプライマリ電源に障害が発生した場合は、バックアップ電源としてバッテリ/インバータに切り替わります。停電が発生すると、トランスファースイッチが開き、バッテリー/インバータのバックアップ電源に切り替わります。インバータは停電時にのみ起動します。主な利点は、高効率、小型、低コストである。右の図3を参照。

ライン・インタラクティブ

このタイプのUPSには中間保護機能がある。出力は正弦波、ステップ波、または方形波で、自動バイパスはありません。電圧レギュレーションは、内蔵の自動電圧レギュレータ(AVR)/自動電圧安定装置(AVS)によって実現されます。右の図4を参照。

図 2:オフラインUPSブロック図(etechnog.comからの画像)

図3:スタンバイUPSブロック図(イメージ:elprocus.comより)

図 4:ラインインタラクティブUPSブロック図(elprocus.comからの画像)

伝統的なシリコン設計

今日のオンラインUPSシステムのほとんどは、入力ACポートと出力ACポートの間にコモンニュートラルを持つ2段式トランスレスのトポロジーに基づいています。2段式トランスレスオンラインUPSシステムは、4象限スイッチを使用するハードスイッチ設計に基づいていることがほとんどです。これらのスイッチは、大きな高周波ループインダクタンスを導入するため、これらのトポロジーを高いスイッチング周波数で動作させることによるUPSの体積削減が制限されます。


高周波動作に適した様々なソフトスイッチUPSトポロジーを使用することができますが、これらのトポロジーはソフトスイッチングを達成するために余分な受動部品を含んでいるか、入力と出力ACポート間のコモン・ニュートラルを達成するために変圧器を必要とします。

シリコンのスイッチング・デバイスは、最適な電力密度と性能を提供する窒化ガリウムや炭化ケイ素のデバイスが提供する高周波を達成することができない。

UPSトポロジーの種類

図 5:ハーフブリッジスイッチ素子を使用した単一DCバスのGaN UPSトポロジー(画像は参考資料1より)

今日の設計者は、より高い電力密度と高効率を達成する必要に迫られていますが、標準的なシリコン・トポロジでは高周波動作能力に限界があります。GaNとSiCは、シリコンよりも効率が高く、熱的に安定しており、高温でより多くの負荷や高い周波数を必要とするパワー・デバイスに使用できることは間違いない。
 
GaNパワー・デバイスを使用して高いスイッチング周波数で効率的に動作させることにより、大幅な小型化を可能にするGaNソフト・スイッチング・トランスレス・オンラインUPSトポロジーの登場です。上部の図5をご覧ください。
 

提案するUPSは、入力と出力の間にコモンニュートラルを持つ標準的なGaNハーフブリッジ構造を採用しており、複雑な回路設計を追加することなく、境界導通モードでゼロ電圧スイッチング(ZVS)動作を実現することができる。本設計は、入力PFC整流段にデュアルモードデジタルコントローラを備えたUPSの新しい制御方法を採用している。このデジタル・コントローラは、抵抗負荷と無効負荷の両方にわたってコンバータの出力電圧を調整する。

インバーター(DC/AC)段もデュアルモードで動作し、デジタル・コントローラーが抵抗負荷と無効負荷にわたってコンバーターの出力電圧を調整する。このコンバータ・アーキテクチャは、入力の力率を単一に保ちながら1kVAの出力電力を供給することができる。このGaNベースの1-kVAオンラインUPSは、参考文献1で提案された制御技術を使用して動作し、設計、製造、テストされています。プロトタイプUPSは2MHzまで動作し、26.4W/in3の電力密度を達成した。

WBGセミコンダクター その他の利点

以下の参考資料2は、UPSアプリケーションにおける1,200V SiC MOSFETとシリコンIGBTの比較に関する2010年のホワイトペーパーである。これは古い論文であり、その後SiCはシリコンよりも性能で大きくリードするようになったが、WBGデバイスがI-Vゲート特性と高いゲート電圧により効率を大幅に改善し、伝導損失とスイッチング損失を低減する理由は、この結果からも明らかである。SiCデバイスのゲート駆動電流要件も効率を向上させる。SiCとGaNの高い周波数特性は、シリコンよりも損失の低減に役立ちます。受動部品のVA定格の低減も、IGBTをSiCに置き換えることで達成される。

参考文献

    1. GaNベースの高電力密度単相オンライン無停電電源装置の制御、Danish Shahzad、Saad Pervaiz、Nauman Zaffar、Khurram K. Afridi、IEEE 2019
    2. UPSアプリケーション用1200VシリコンおよびSiCデバイスの性能比較、James McBryde、Arun Kadavelugu、Bobby Compton、Subhashish Bhattacharya、Mrinal Das、Anant Agarwal、IEEE 2010

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専門家チームについて

当社のグローバル・アプリケーション・エンジニア・チームは、お客様の電力変換またはエネルギー貯蔵システムの設計がお客様の期待性能を満たすよう、お客様のご質問にお答えします。シリコンから窒化ガリウム(GaN)または炭化ケイ素(SiC)への移行をお考えの場合、アプリケーションに必要な電力密度と効率の向上を達成するための適切なスイッチング・デバイスを特定するお手伝いをいたします。