基地局、スイッチ、サーバーなどの重要なインフラでは、継続的な運用を確保し、停電を防ぐことが求められます。そのため、無停電電源装置（UPS）は、電力網の異常が発生した場合に電気負荷機器の正常な動作を維持するために、電気負荷機器用の無停電バックアップAC電源装置となりました。この記事では、UPSの仕組みと、onsemiのUPSアプリケーション ソリューションについて説明します。
オンラインUPSはより優れたパフォーマンスを提供します
バッテリー駆動のUPSは、データ センター、医療施設、工場、通信ハブ、ヘルスケア、さらには家庭内の機密機器を、短期的な電力供給の急増や停電から保護する上で重要です。長時間の停電が発生した場合、これらのバッテリー駆動のUPSは、停電を予防し、データ損失を防ぐために必要な短期的な電力を供給できます。
UPSは一般的に「オンライン」UPSと「オフライン」UPSに分類されます。オフラインUPSでは、負荷はグリッドに直接接続されます。停電や干渉により入力電源に障害が発生すると、システムはオフラインUPSのバッテリ駆動モードに切り替わります。切り替えプロセスが完了するまでには通常約10ミリ秒かかるため、特定のアプリケーションではオフラインUPSの有用性が制限されます。ラインインタラクティブUPSは、保護対象の負荷に渡す前に必要に応じて商用電圧を増減することで電圧をアクティブに調整できる、オフラインUPSの別の形式です。このように、ラインインタラクティブUPSは電圧オプティマイザーとして機能し、バッテリー モードがオフラインUPSほど頻繁にアクティブ化されないため、耐用年数が長くなります。
オンラインUPSは、負荷と電力網の間にDC/ACインバータ回路とバッテリー充電および放電回路を追加します。オンラインUPSでは、入力電源の正常性に関係なく、インバータが常に動作し、スイッチング遅延が排除されます。したがって、入力障害が発生した場合、オンラインUPSは「ゼロ中断」スイッチングを実行し、バッテリーから負荷に緊急電源を供給することができます。同様に、双方向充電器を備えたバッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) は、AC入力が中断した場合でも継続的かつシームレスな電力供給を提供できます。オンラインUPSは3つの中で最も高価ですが、ほとんどの電源の問題に対処し、最高品質の出力を提供するため、高感度デバイス、データ センター、その他の重要な機器に最適です。
一般的に、モジュラーUPSは設計者やユーザーに人気があり、低電力のUPSを並列接続することで、より大きな電力需要を満たすために使用できます。モジュラーUPSにより、既存のUPSシステムを迅速かつ簡単に拡張でき、大規模なシステムを構築する際に顧客がそこから利益を得られるようになります。ただし、他の電源設計と同様に、効率的なUPSの設計には課題があり、考慮すべき重要な要素には、サイズ、入力と出力の両方の電力調整、バッテリー管理、トポロジなどがあります。
UPSのサイズも重要であり、特にデータ センターなどのスペースが重要なアプリケーションでは重要です。これまで、UPSにおいてトランスは最も大きなコンポーネントの1つでしたが、より高度な半導体技術の登場により、トランスの代わりに高周波スイッチング回路が使用され、スペースが節約されるようになりました。変圧器不要のUPSは、標準サイズのキャビネットから大規模なデータ センターに数百kVAの緊急電力を供給することができます。
適切なトポロジとデバイス材料はUPSハードウェア設計の重要な要素です
オンラインUPSはパルス幅変調 (PWM) を使用して二重変換 (AC-DCおよびDC-AC) を実行するため、低電圧過電圧やライン ノイズなど、オフラインUPSでは対処できない多くの入力品質の問題を解決し、同時にバッテリー使用量を削減してバッテリー寿命を延ばします。
インバーターはUPSの出力品質を決定し、UPSの全体的な効率にも大きく影響します。優れたオンラインUPSは、商用電源とほぼ同等の高品質の正弦波を出力し、抵抗負荷と誘導負荷の両方に電力を供給できます。これらの負荷では、インバータ内のスイッチング デバイス (IGBT/MOSFET) が高周波動作マッチング制御アルゴリズムを実行し、スイッチング プロセスから発生する出力ノイズとEMIの問題を最小限に抑える必要があります。
一般的なUPSでは、複数のバッテリーが積み重ねられて完全なバッテリー パックを形成し、充電と放電のためにバッテリー管理モジュールによって管理されます。バッテリーのパフォーマンスを最適化し、耐用年数を延ばすには、バッテリー パックの設計において、負荷分散、電圧および電流保護、充電および放電制御、熱管理、ファン制御、監視、通信を考慮する必要があります。
UPSのハードウェア設計において最も重要な決定の1つは、パフォーマンスとコストの両方のバランスを実現するために、アプリケーションに適したトポロジを選択することです。3相ハーフブリッジなどの2レベル トポロジは構造がシンプルで制御アルゴリズムも複雑ではありませんが、3レベル トポロジ (T-NPC、A-NPC、またはI-NPC) では、より高度なUPSでより高い効率とより低い損失およびノイズを実現できます。
スイッチギアの材料も同様に重要であり、シリコンカーバイド (SiC) などの新しいワイドバンドギャップ (WBG) デバイスは、パッシブデバイスのサイズを縮小しながら、より高いスイッチング周波数とより低い損失で動作できるため、UPSの全体的な設計を最適化できます。
高品質のSiCと革新的なパッケージングプロセスによりUPSのパフォーマンスが向上
SiCとオンセミコンダクターの革新的なパッケージング プロセスにより、密度が向上し、システム損失が低減し、冷却システムが簡素化されるため、一度にシステム全体に影響を及ぼす重要なUPSシステムの全体的なシステム信頼性が向上します。オンセミコンダクターのシステム専門知識は、さまざまな重要な電力レベル トポロジー、個別デバイス、カスタマイズされた絶縁ゲート ドライブ ソリューションをサポートする一連の最適化された電源モジュールに凝縮されています。オンセミコンダクターは、UPSシステムの重要性を理解し、堅牢な物理モデリングによって実際の動作状態を反映できる予測可能なシミュレーション結果を提供する「インフラストラクチャ クラス」の信頼性フレームワークを開発しました。これにより、開発時間が短縮されます。
Onsemiのシリコンカーバイドおよびハイブリッド シリコンカーバイド モジュールは、優れたパフォーマンスと個別デバイスよりも低い熱抵抗を備えたパッケージング技術、およびリードに関する業界標準を満たす実装しやすいパッケージングを特徴としています。OnsemiのSiCモジュールには、SiC MOSFETとSiCダイオードが含まれており、ブースト モジュールは太陽光インバータのDC-DCステージで使用されます。これらのブースト モジュールは、定格電圧1200 VのSiC MOSFETとSiCダイオードを使用します。さらに、オンセミコンダクターは、太陽光インバータ、エネルギー貯蔵システム、UPSのDC-ACステージで使用できるIGBT、シリコン ダイオード、SiCダイオードを含むハイブリッドSi/SiCモジュールも提供しています。
シリコンよりも優れたスイッチング性能と高い信頼性を実現
シリコンよりも優れたスイッチング性能と高い信頼性を実現する新しいテクノロジーを備えた、オンセミコンダクターのSiCダイオード ファミリには、D1、D2、およびD3シリーズのダイオードが含まれています。D1シリーズは650V、1200V、1700Vの電圧をサポートし、大型チップの低抵抗と最高のサージ電流定格に最適化されているため、ウィーン整流器の入力段に適しています。D2シリーズは650Vの電圧をサポートし、D3シリーズは1200Vの電圧をサポートします。D2シリーズとD3シリーズのダイオードはどちらも低Vfの高速スイッチを備えており、PFCステージおよび出力整流器アプリケーションに適しています。
OnsemiのシリコンカーバイドMOSFET製品群には、M1、M2、M3シリーズが含まれており、高速かつ堅牢に設計されており、高いエネルギー効率、システム サイズの縮小、コスト効率などのシステム上の利点を提供します。M1シリーズは1200Vおよび1700Vの電圧をサポートし、低抵抗、スイッチ損失、大型チップの伝導損失のバランスが最適化されているため、DC-DCソリッド ステート リレー、トラクション、モーター ドライブ、ハード スイッチ アプリケーションにも適しています。M2シリーズは650Vと900Vの電圧をサポートし、最低のRに最適化されています。 DS(オン) 低速アプリケーション向けであり、DC-DCソリッド ステート リレー、トラクション、モーター ドライブに適しています。M3シリーズは1200Vの電圧をサポートし、15V ～ 18Vゲート ドライブを搭載した高速スイッチング アプリケーション向けに最適化されているため、ハード スイッチング アプリケーションやLLC共振アプリケーションに適しています。UPSアプリケーション向けにオンセミが提供する技術と製品の詳細については、以下を参照してください。 https://www.onsemi.com/solutions/industrial/energy-infrastructure/uninterruptible-power-supply-ups#FeaturedAssets。
結論
クラウドコンピューティング用のサーバーでも、モバイルデバイス用の4G/5G基地局でも、不安定な電源供給によってシステムが影響を受けないようにするためにUPSが必要であり、UPSの市場需要は急速に高まっています。この記事で紹介するオンセミのUPSソリューションは、優れたSiCとパッケージング技術により、幅広い電圧および電力のUPSアプリケーションのニーズを満たすことができるため、UPS製品の開発においてオンセミは最適なパートナーとなります。