工业 UPS
不间断电源（UPS）
UPS 的主要功能是在设施断电时提供临时备用电源。工业不间断电源（UPS）适用于工业/制造业场合，如工厂设施和工厂。过程控制的连续性对各种工业领域都至关重要：水/废水、生物技术/制药、运输、化工、食品和饮料、半导体、汽车和可再生能源。部署在这些领域的设备通常要承受恶劣的环境，包括宽广的温度范围或含水量和含盐量较高的空气特性。稳健的 UPS 电源设计在此至关重要，可确保关键数据或工作流程不会因系统工作电压水平下降而丢失。
在线式不间断电源系统可处理电力线上的所有电力需求，并在主电源发生故障时为关键负载输出高质量的交流电压。UPS 中的整流器将交流电转换为直流电，然后由电池储存直流电。参见右图 1。
由于数据中心等常见应用的空间有限，高功率密度在这些设计中非常重要。实现高功率密度的部分原因是取消了笨重的变压器。在这种情况下，输入和输出交流端口之间必须有一个公共中性点，因为接地要求对安全非常重要。更高的开关频率将进一步缩小这些系统的尺寸。
进入宽带隙（WBG）功率晶体管。使用 WBG 器件可以实现更小、更轻、更高效的 UPS 系统，因为它具有更快的开关能力和更低的开关损耗。与效率较低的硅器件相比，更高的效率可延长后备时间。
图 1:在线式不间断电源框图（图片来自 etechnog.com）
Market Watch 预计，到 2027 年，全球不间断电源系统市场规模将达到 166 亿美元，预计 2020-2027 年期间的年复合增长率为 5.2%。2020 年，美国占全球市场规模的 27% 以上。预计 2020-2027 年，中国的年均复合增长率为 8.4%。
UPS 拓扑类型
在线
离线
备用
线路互动
图 2：离线式不间断电源框图（图片来自 etechnog.com）
图 3:备用不间断电源框图（图片来自 elprocus.com）
图 4：线路交互式不间断电源框图（图片来自 elprocus.com）
传统硅设计
当今大多数在线式不间断电源系统都采用两级无变压器拓扑结构，在输入和输出交流端口之间有一个共中性点。两级无变压器在线式不间断电源系统通常采用硬开关设计，使用四象限开关。这些开关会带来较大的高频回路电感，从而限制了在高开关频率下运行这些拓扑结构时 UPS 体积的减小。
可以使用各种适合高频操作的软开关不间断电源拓扑结构；但是，这些拓扑结构要么包含额外的无源元件来实现软开关，要么需要变压器来实现输入和输出交流端口之间的共中性。
硅开关器件无法达到氮化镓和碳化硅器件的高频率，而氮化镓和碳化硅器件却能提供最佳的功率密度和性能。
UPS 拓扑类型
图 5：使用半桥开关元件的单直流母线 GaN UPS 拓扑（图片来自参考文献 1）
拟议的不间断电源采用标准氮化镓半桥结构，输入和输出之间具有共中性，能够在边界传导模式下实现零电压开关（ZVS）操作，无需额外的复杂电路设计。该设计采用了一种新的 UPS 控制方法，为输入 PFC 整流级配备了双模数字控制器。数字控制器可在电阻负载和无功负载之间调节转换器的输出电压。
逆变器（直流/交流）级也以双模式运行，数字控制器调节转换器在电阻负载和无功负载上的输出电压。这种转换器结构能够提供 1 千伏安的输出功率，同时保持其输入端的功率因数不变。这种基于氮化镓的 1 千伏安在线不间断电源采用参考文献 1 中提出的控制技术进行操作，并进行了设计、制造和测试。原型 UPS 的工作频率高达 2MHz，功率密度达到 26.4W/in3。
WBG 半导体公司的其他优势
参考资料
- 基于氮化镓的高功率密度单相在线不间断电源的控制》，Danish Shahzad、Saad Pervaiz、Nauman Zaffar、Khurram K. Afridi，IEEE，2019 年
- 用于 UPS 应用的 1200V 硅和碳化硅器件的性能比较，James McBryde、Arun Kadavelugu、Bobby Compton、Subhashish Bhattacharya、Mrinal Das、Anant Agarwal，电气和电子工程师学会，2010 年
