¿Cómo utilizar diodos para mejorar la eficiencia de los sistemas de energía UPS?

一, Selección de dispositivos: avance de la eficiencia del material a la estructura
1. Optimización dinámica del diodo de recuperación rápida (FRD)
Traditional silicon-based fast recovery diodes experience significant losses during high-frequency switching (such as above 10kHz) due to their large reverse recovery charge (Qrr). For example, the 50A FRD matched with a 650V/50A IGBT module has a reverse recovery loss ratio of 35% in UPS inverters. By adopting a soft recovery characteristic design (soft factor S>0,7), se puede reducir el di/dt de la corriente de recuperación inversa y se pueden minimizar los picos de voltaje causados ​​por la inductancia de la línea. La investigación de Renesas Electronics muestra que reducir el tamaño de los chips FRD al nivel de 30 A (combinados con IGBT de 50 A) puede reducir el consumo total de energía en un 2,5 % y ahorrar un 20 % en los costos de los chips.

2. Ventajas de bajo voltaje de los diodos Schottky
En escenarios de baja tensión y alta corriente (como un bus de CC de 48 V), los diodos Schottky reducen las pérdidas de conducción en un 70 % en comparación con los diodos de silicio ordinarios (VF ≈ 1,0 V) con una baja caída de tensión directa (VF) de alrededor de 0,3 V. Un caso de UPS modular muestra que reemplazar los diodos rectificadores tradicionales por diodos Schottky puede mejorar la eficiencia del circuito de carga en un 1,8% y ahorrar hasta 12.000 kWh de electricidad al año. Cabe señalar que el voltaje de ruptura inverso de los diodos Schottky suele ser inferior a 200 V, y su rango de aplicación debe ampliarse mediante una conexión en serie de múltiples tubos o el uso de diodos Schottky de carburo de silicio (SiC) (con un voltaje soportado inverso de hasta 650 V o superior).

3. Revolución de alta frecuencia de diodos de carburo de silicio (SiC)
Los diodos de SiC exhiben un rendimiento excelente en UPS de alta-frecuencia debido a su carga de recuperación inversa cero (Qrr ≈ 0) y su estabilidad de alta temperatura (temperatura de unión de hasta 200 grados). Los datos de prueba de un inversor fotovoltaico de 100 kVA muestran que la sustitución del FRD de silicio por diodos de SiC reduce las pérdidas de conmutación en un 62 % y aumenta la eficiencia del sistema del 96,2 % al 97,8 %. Aunque los diodos de SiC cuestan 3-5 veces más que los dispositivos de silicio, sus características de reducir el volumen en un 50 % y extender la vida útil 3 veces tienen importantes ventajas de costo del ciclo de vida completo en escenarios de alta densidad, como los centros de datos.

2, Diseño de topología: reconstrucción de la eficiencia desde la estructura del circuito hasta el flujo de energía
1. Equilibrio de pérdidas de una topología de tres-niveles
En los inversores UPS tradicionales de dos-niveles, los diodos soportan todo el voltaje del bus (como 800 V) y la pérdida de recuperación inversa aumenta con el cuadrado del voltaje. La topología de tres niveles-con diodo fijado reduce la tensión de voltaje del diodo a la mitad del voltaje del bus (400 V) mediante la introducción de un potencial de punto medio, al tiempo que reduce el tamaño del inductor de filtrado en un 30 %. Después de adoptar una topología de tres-niveles en un UPS de un gran centro de datos, la eficiencia del sistema aumentó del 94,5 % al 96,8 % y las emisiones anuales de carbono se redujeron en 120 toneladas.

2. Realización de la optimización de la tecnología de rectificación síncrona.
En el proceso de rectificación de salida del UPS, las pérdidas VF del diodo tradicional representan una alta proporción. La tecnología de rectificación síncrona puede reducir las pérdidas de rectificación en un 80 % reemplazando los diodos con MOSFET y utilizando chips controladores dedicados para controlar su tiempo de conducción. Un estudio de caso de un UPS de 200 kVA mostró que la tecnología de rectificación síncrona aumentó la eficiencia de salida del 95 % al 97,5 %, especialmente en cargas livianas (20 % de carga), donde la mejora de la eficiencia fue más significativa (alcanzando el 94 % frente a . 91 %).

3. Innovación integrada del circuito de diodo ideal.
Para escenarios de conmutación de baterías UPS, los circuitos ORing de diodos tradicionales sufren pérdidas por caída de voltaje (VF × Ibat) y riesgos de corriente inversa. El circuito de diodo ideal logra una conmutación de caída de voltaje cero a través de MOSFET y chips de control back{1}}con-back, e integra funciones como protección contra sobretensión e intercambio en caliente. En una determinada aplicación industrial de UPS, el diodo ideal reduce la pérdida de descarga de la batería de 12 W a 0,5 W, al tiempo que elimina el problema de la degradación de la vida útil de la batería causada por la corriente inversa.

3. Integración del sistema: mejora de la eficiencia desde la optimización de una sola máquina hasta la colaboración en cadena completa
1. Optimización de la tasa de carga para diseño modular
El UPS modular puede dormir dinámicamente módulos inactivos a través del diseño de redundancia N+X, aumentando la tasa de carga de los módulos en funcionamiento al 60% -80% (la tasa de carga del UPS de torre tradicional suele ser inferior al 50%). Después de adoptar UPS modular en un centro de datos financiero, la eficiencia del sistema aumentó del 93 % al 96 %, al tiempo que redujo los costos de operación y mantenimiento en un 30 % a través de la función de suspensión inteligente. En este escenario, los diodos deben cumplir con el requisito de baja resistencia térmica (R θ JA<10 ℃/W) to adapt to the heat dissipation challenges under high-density packaging.

2. Control de temperatura de la tecnología de gestión térmica.
El 70% de las pérdidas de los diodos se convierten en calor y por cada aumento de 10 grados en la temperatura de la unión, la carga de recuperación inversa Qrr aumenta en un 15% -20%. Al utilizar la tecnología de unión de clips de cobre en lugar de la tradicional unión de cables de aluminio, la resistencia térmica de los diodos se puede reducir en un 40%; Al combinar la tecnología de refrigeración líquida, la temperatura de unión de los diodos de SiC se puede estabilizar por debajo de los 150 grados, liberando aún más el potencial de la conmutación de alta frecuencia. La prueba de UPS de una determinada estación base 5G muestra que el esquema de refrigeración líquida extiende la vida útil del diodo a más de 15 años (el esquema de refrigeración por aire tradicional es de 8 a 10 años).

3. Optimización dinámica de la tecnología de control digital.
El control digital basado en DSP puede monitorear parámetros como el diodo VF y Qrr en tiempo real y optimizar la distribución de pérdidas ajustando la frecuencia de conmutación (como cambiar dinámicamente de 10 kHz a 20 kHz). Un UPS inteligente predice el cambio de carga a través de un algoritmo de aprendizaje automático y ajusta la sincronización del accionamiento del diodo con anticipación, de modo que la eficiencia del sistema fluctúe.<0.5% in the full load range, which is three times more stable than the traditional analog control scheme.