Navrhujeme online zdroje UPS: architektury, MOSFETy a také budiče

V řadě klíčových aplikací napájených ze střídavé sítě zdroje UPS (Uninterruptible Power Supply) v případě úplného výpadku zajišťují dočasný přísun energie. Jsou také zárukou, že napájení zůstává v rámci daných specifikací. To je důležité zejména tehdy, pokud máme zátěž citlivou vůči poklesům či kolísání síťového napětí.

Rozlišujeme zde přitom dva typy UPS: online a offline. Upřednostňuje se ale první z nich, protože umí v takové situaci hladce přepnout ze síťového napájení na baterii. Zmíněný druh UPS získává na vstupu energii ze sítě a výstup má spojený se zátěží. Často se bude jednat o servery v datových centrech nebo zásadní vybavení na tovární výrobní lince.

První krok pro UPS zde spočívá v převodu příchozího AC napětí na DC, a to s využitím AC/DC měniče. Takové napětí pak zavedeme do interní baterie, která proto bude neustále nabitá, a v případě výpadku napájení lze tudíž garantovat maximální dobu provozu. Zmíněné napětí na baterii se poté převádí zpět na střídavé s přispěním DC/AC měniče. Pro účely dodávky energie do zátěže tím zajistíme napětí o stejné úrovni, jako má síť. Protože bude baterie trvale připojená, a je tedy tzv. online, označujeme takové zdroje jako online UPS.

Obr. 1 K principu činnosti UPS typu offline a online

Jakmile dojde k výpadku, baterie napájí střídač a v důsledku nabitých článků je k dispozici též výstupní AC napětí. Zátěž tedy zůstává i nadále v provozu, příp. se může řádně vypnout. Zároveň se tím eliminují špičky přítomné v síti a výkyvy napětí či kmitočtu, takže napětí určené pro zátěž zůstane v daných mezích.

Hlavní výhoda online UPS zde spočívá v pohotové reakci, protože baterii lze rychle připojit k výstupu. Takové přednosti je ale dosaženo za cenu dvojí konverze z AC na DC a zase zpátky na AC. Protože účinnost nikdy nedosáhne 100 %, ztrácí se na online UPS trochu víc energie než v případě sesterských systémů offline. Není to ale nic hrozného, takže online UPS zůstávají nepochybně i tak častěji využívanou technologií.

S ohledem na zapojení a potřeby zátěže může být UPS jednoduchá nebo i třífázová. U třífázového řešení se pro vstupní AC/DC stupeň, který zajišťuje DC napájení pro baterii, mnohdy používá topologie známá jako „Vienna Rectifier“. Za vstupním filtrem poté každá fáze u příchozího napětí prochází před blokem Vienna Rectifier indukčností.

Obr. 2 Způsob zapojení online UPS

Výstupem usměrňovače se stává DC linka s napětím okolo 800 V vycházející z typických globálních úrovní třífázového napětí. Na každém z kondenzátorů DC linky tak obdržíme přibližně 400 V. Energie uložená v kapacitách na DC lince slouží nejen k nabíjení baterie, ale také nám napájí výstupní stupeň, který zde často bývá měničem typu T s NPC (neutral-point-clamped). Pokud je napětí v síti přítomno, energie kondenzátoru bude doplňována rovnou ze síťového napětí. Když ale dojde k výpadku, dodává již energii baterie a my tím zajistíme, že měnič typu T s NPC může pokračovat v zjišťování AC napájení zátěže.

Třífázový systém Vienna Rectifier se obvykle skládá z dvanácti výkonových součástek, šesti diod a stejného počtu IGBT. Kvůli výhodným vlastnostem se u diod a IGBT s napěťovým rozsahem 1200 V, resp. 650 V nezřídka využije karbid křemíku (SiC). Pokud zde máme IGBT s optimalizací, pokud jde o nízké V_CE, a možnost volby střední nebo i vysoké rychlosti, upřednostníme často střední rychlost, protože budou ve zmíněné topologii pro centrální spínač důležité ztráty jak při spínání, tak i vedení proudu. Společnost onsemi zde nabízí řadu výkonových modulů vycházejících z těchto topologií. V porovnání s návrhy složenými z diskrétních prvků proto zjednodušuje vývoj a zlepšuje i dosahované výsledky.

Třífázový měnič typu T s NPC rovněž používá dvanáct součástek, i když v tomto případě jde pokaždé o IGBT. Po sobě následující prvky (back-to-back) jsou dimenzovány na 650 V, zatímco u tranzistorů připojených k DC+ a DC- počítáme již s 1200 V. Jak jsme uvedli, součástek je celkem dvanáct.

Obr. 3 Typické schéma zapojení systému Vienna Rectifier

K omezení ztrát cestou karbidu křemíku

Online UPS tedy staví na dvojí konverzi, která takové topologii umožňuje správnou funkci, nicméně sem vnáší dodatečné ztráty. Situace je však o něco složitější, protože ztráty nám vytváří teplo a my možná potřebujeme k udržení pokojové teploty výkonnější systém HVAC. Ve výsledku se proto potýkáme s dalšími náklady na pořízení takového řešení a provozními výdaji, pokud jde o prostor navíc nebo i chod většího HVAC, včetně ceny za energii, která se bude v UPS ztrácet. Jakmile lze ale rozměry UPS dále snižovat, mohou z toho provozovatelé datových center těžit, protože získaný prostor třeba využijí pro servery, které jim budou generovat zisk.

Omezení ztrát se logicky podepisuje pod menšími provozními náklady a obecně vede k menšímu provedení. Hustota výkonu zde totiž dokáže s klesající ztrátou dále růst. Materiály se širokým zakázaným pásem (WBG), jako je karbid křemíku (SiC), dosahují obecně lepších vlastností a také nižších ztrát. Zavedení takové technologie proto zlepšuje účinnost UPS. Rovněž se nám zvedá efektivita při nízkém zatěžování, protože je tu menší sériový odpor, oproti tranzistorům IGBT chybí jakákoli antiparalelní dioda a nemáme zde ani pevně daný úbytek napětí.

Obr. 4 Měnič typu T s NPC využívající tranzistory IGBT

Jeden z náročných úkolů při práci s IT systémy, a to včetně UPS pro použití v takových aplikacích, bývá spojen s dynamickou povahou zátěže. Počítač zde totiž spotřebuje výrazně méně energie při procházení webu či psaní dokumentu, než je tomu v případě operací strojového učení nebo běhu podrobné simulace. Protože SiC přichází s rostoucí efektivitou bez ohledu na úroveň zatížení, stává se zmíněná dynamická zátěž i dalším důvodem, proč technologie SiC rychle míří na výsluní.

Kvůli do jisté míry nižším úrovním náboje hradla (Q_g) si obvody na bázi SiC dokážou udržet svou účinnost i při spínání na vyšších kmitočtech. Jeden z dopadů to bude mít rovněž na snížení velikosti reaktančních součástek, což může výrazně přispívat ke zmenšení celkových rozměrů UPS.

Další výhoda při nasazení SiC pak spočívá ve schopnosti přechodu od systému Vienna Rectifier  měniče typu T s NPC k měničům se šesti spínači pro vstupní a také výstupní bloky (AC/DC plus DC/AC), takže lze zmíněnou topologii zkopírovat a ušetřit při návrhu čas. Šestispínačová topologie bude tvořena trojicí polovičních můstků, což nám u řešení snižuje počet polovodičů na polovinu a ušetříme tak i z hlediska prostoru či nákladů. Podaří se nám zároveň udržet i menší magnetické obvody.

Obr. 5 Pro UPS s prvky SiC se u každé fáze využije poloviční můstek

V našem příkladu budou MOSFETy EliteSiC kvůli napětím v síti dimenzovány na 1200 V. Firma onsemi má k dispozici řadu MOSFETů SiC, které se hodí pro měniče se šesti spínači. Jedním z nich je též velmi rychlý NTH4L022N120M3S s technologií M3S nebo novější NTH4L040N120M3S. A pokud chcete další výhody, zvažte ve svém návrhu i nasazení modulů, jako jsou např. nejnovější 1200V moduly polovičního můstku NXH003P120M3F2 od onsemi založené opět na technologii SiC M3S.

AC/DC front end lze použít v obou směrech, což umožňuje zpětnou vazbu, pokud jde o jalový výkon za účelem zlepšení účiníku, omezit zdánlivý výkon a tudíž i provozní náklady. Přechod z křemíkových řešení na SiC si každopádně žádá změnu budičů, které u spínačů použijeme. Aby pak mohly zvolené MOSFETy SiC optimálně pracovat, bude zapotřebí duální 5kV oddělení společně s rychlou činností (dv/dt, průchozí zpoždění).

Vhodným budičem se stává NCP51561 od onsemi – jeho dv/dt dosahuje 210 V/ns a průchozí zpoždění pak jen 39 ns, zatímco maximální nesoulad mezi kanály zde činí 5 ns. Za účelem rostoucí spolehlivosti celého systému součástka dále nabízí vnější nastavení doby t_DT a také vývod pro aktivaci.

Obr. 6 Měnič se šesti spínači na bázi SiC

Jednoduchý online zdroj UPS je stručně řečeno základem pro nepřetržitý chod serverů a také dalších klíčových zařízení. Aby ale mohli vývojáři přijít s atraktivním řešením, potřebují navrhnout malé a efektivně pracující systémy. Nejlepší způsob, jak toho dosáhnout, spočívá v osvojení diskrétních technologií SiC, moderních topologií, jako je konverze se šesti spínači, a společném nasazení se špičkovými budiči pro takové prvky na bázi SiC.