Innovatiiviset UPS-suunnittelutekniikat tuovat sekä paremman tehokkuuden että suorituskykyä.

Maailmassa on nyt enemmän dataa kuin koskaan aikaisemmin. Ja voit olla varma siitä, että tallentamamme datan määrä tulee vain kasvamaan. Kun otetaan huomioon datan merkitys kaikilla elämänalueillamme, mahdollisimman turvalliset datakeskukset varmistavat, ettei tätä dataa koskaan hukata ja että se on aina käytettävissämme, kun tarvitsemme sitä.

Koska datan pitää olla aina käytettävissä, datakeskuksiin pitää sisällyttää paljon varmistuksia. Vaikka tämä on välttämätöntä, se samalla kasvattaa kustannuksia, vaikka datasta itsestään on tulossa arkinen hyödyke, jonka tallennuksen hinta putoaa.

Näiden aina käytettävissä olevien palvelujen keskiössä on UPS eli keskeytymätön virransyöttö (Uninterruptible Power Supply). Sen avulla teho sekä puhdistetaan että sitä säädellään, mutta samalla se tuo toiminta-aikaa sähkökatkojen aikana.

Tässä artikkelissa Toshiba Electronics Europe tutkii, miten UPS-tekniikka kehittyy, ja miten joillakin edistysaskelilla voidaan parantaa tehokkuutta ilman, että UPS-järjestelmän suorituskyky kärsii.

Johdannoksi

Kun datan määrä kasvaa nopeasti, skaalautuvuus on olennainen vaatimus moderneissa datakeskuksissa, jotta tallennustarpeen kasvavaan kysyntään voidaan vastata. Sähkökatkoksista tulee yhä säännöllisempiä, joten UPS-laitteet ovat korvaamaton työkalu datan jatkuvaan saatavuuteen. Ei siksi olekaan ihme, että tutkimuslaitos Marketsandmarkets ennustaa UPS-markkinoiden kasvavan 13,7 miljardiin dollariin vuoteen 2022 mennessä. Joillakin markkinoilla, kuten Aasiassa, markkinat kasvavat 7,2 prosenttia vuodessa.

Nykyään on käytössä kolmenlaisia UPSeja: erillisiä offline-UPSeja, interaktiivisia ja kaksinkertaisella muunnoksella varustettuja online-verkkolaitteita.

Kuva 1: Käytössä on kolmen päätyypin UPSeja.

Teknisistä ja suorituskykyeroistaan huolimatta kaikilla näillä järjestelmillä on yhteistä tarve tehokkuuteen, tehokertoimen korjaamiseen (PFC, power factor correction) mahdollisimman lähellä yksikköä ja tuotetun jännitteen hallintaan. Ja kaikki tämä pitää toteuttaa jatkuvasti alenevilla kustannuksilla.

Toinen suunnittelijoita haastava tekijä on tilavaatimukset, joihin kehitettävässä ratkaisussa pitää päästä. Tila on keskeinen tekijä kaikissa datakeskuksissa ja operaattorit pyrkivät täyttämään kaiken tilan liikevaihtoa lisäävillä tallennuslaitteilla. Tästä seuraa, että UPS-laitteista pitää kehittää jatkuvasti pienempiä.

Tämä on johtanut räkkityyppisten, modulaarisiin UPS-järjestelmiin perustuvien lähestymistapojen suosion kasvuun. Koska jokaisen moduulin kokonaisteho on paljon pienempi kuin UPS-kokonaisjärjestelmän, suunnittelijoilla on enemmän joustavuutta ja enemmän mahdollisuuksia skaalata ratkaisuja.

UPS:n pienentäminen ja lähtötehon pitäminen samana (tai joskus jopa sen lisääminen) vaikuttaa suuresti tehotiheyteen. Tämä haaste on vain pahenemassa, sillä pienemmillä suunnitteluilla on vähemmän tilaa lämmönhallintaan esimerkiksi jäähdytyselementtien muodossa. Usein vaaditaan aktiivijäähdytystä tuulettimineen, mutta nämä heikentävät järjestelmän kokonaistehokkuutta, sillä tuulettimet kuluttavat itse tehoa.

Vaikka tehokkuus/hyötysuhde on todennäköisesti kaikkein tärkein tekijä toimintakustannusten hallinnassa, tehokertoinen korjaamisella on merkittävä vaikutus myös kustannuksiin. Heikosti suunniteltu UPS voi tuottaa epätoivottuja jänniteharmonisia päävirransyöttöön, jolla voi olla negatiivinen vaikutus elintärkeiden prosessointi- ja tallennuslaitteiden toimintaan.

UPS-suorituskyvyn parantaminen

Merkittävä hyppäys eteenpäin suorituskyvyssä on odotettavissa, kun laajan kaistaeron GaN- ja SiC-komponentit tulevat laajasti tarjolle volyymeissä, ja niiden luotettavuus on parempi ja hintataso järkevä. Sitä ennen suunnittelijat jatkavat pientenkin suorituskykyparannusten uuttamista olemassa olevista piipohjaisista MOSFETeista.

Toshiba on patentoinut tekniikan, joka on herättänyt paljon kiinnostusta, koska se mahdollistaa lähes tulevien laajan kaistaeron ratkaisujen kaltaisten ratkaisujen suorituskykytasojen tuomisen nykyisillä piipohjaisilla superliitos-MOSFETeilla (super junction MOSFET).

Half bridge -topologiaan perustuvalla tekniikalla voidaan osoittaa, miten kytkentähäviöt voivat kasvaa merkittäviksi, kun kytkentätaajuutta kasvatetaan.

Näihin häiriöihin on kaksi perusaspektia. Ensimmäinen on käänteinen palautumisvaraus (Q_rr), joka on varastoitu Flyback-diodiin, joka tuottaa virtapiikin alemmassa transistorissa siirtyessään johtavaan tilaan. Toinen on latausvirtapiikki käänteisen lähtökapasitanssin (C_OSS) aikana ylemmässä kytkintransistorissa.

Kuva 2. Half bridge -topologiassa on kaksi ensiöpuolen kytkentähäviöiden mekanismia.

SRB (Synchronous Reverse Blocking) eli synkroninen käänteinen esto on tekniikka, joka blokkaa käänteisen virran käyttämällä synkronisesti ohjattua transistoria ja kanavoimalla tuotetun käänteisen virran SiC-diodin läpi, mikä merkittävästi vähentää Qrr:n vaikutusta.

Toshiba on patentoinut tekniikan nimeltä A-SRB (Advanced-SRB). Tämä uusi tekniikka eliminoi tehohäviöt lähtökapasitanssin (C_OSS) uudelleen lataamisesta kasvattamalla V_DS-jännitteen noin 40 volttiin ajuripiirillä olevan latauspumpun avulla. Tämä pienentää lähtökapasitanssia sadan kertoimella, mikä pienentää häviötä merkittävästi.

Käytännön A-SRB-toteutuksessa pääkytkentätransistori on korkeajännitteinen superliitostyyppinen DTMOS IV -tyypin MOSFET, jonka maksimiestojännite on noin 650 volttia. Sarjaan kytketty estotransistori on matalajännitteinen superliitos UMOS VII -tyypin MOSFET, jonka estojännite on 60 volttia. Flyback-diodi on SiC-pohjainen Schottky-diodi, kuten allaolevasta kuvasta 3 näkyy.

Kuva 3: A-SRB:n käytännön toteutus.

T1HZ1F-ajuripiiri generoi kaikki tarvittavat ohjaussignaalit yksinkertaisesta PWM-tulosignaalista ja koostuu patentoidusta ratkaisusta, joka sisältää koko ratkaisun ohjausperiaatteen. Tätä ratkaisua voidaan käyttää monissa sovelluksissa, joissa A-SRB:stä on etua, kuten UPSeissa, aurinkosähköinverttereissä, DC/DC-muuntimissa ja moottorikäyttöjen ohjauksessa. Kun A-SRB huolehtii kytkinhäviöistä, voidaan käyttää korkeampia kytkentätaajuuksia. Tällöin voidaan pienentää monien komponenttien, kuten lähtösuotimien kokoa ja painoa ilman, että tehokkuus kärsii.

IGBT-transistorit eivät ole yhtä kilpailukykyisiä, koska niiden kytkentätaajuudet on yleensä rajoitettu noin 20 kilohertsiin. Alla olevassa kuvassa 4 esitetään, missä A-SRB:n edut perinteisiin topologioihin verrattuna ovat merkittävät ja myös, miten nämä edut kasvavat taajuuden noustessa.

Kuva 4. A-SRB tuottaa parempia tuloksia korkeilla taajuuksilla.

Esimerkiksi 50 kilohertsin taajuudella ja 1 kilowatin kuormalla A-SRB -topologian mukainen invertteri tukisi hyötysuhteen nostoa neljällä prosentilla, jos ratkaisua verrataan standardiin topologiaan tai IGBT-ratkaisuun. Tämän ansiosta lämmönhallinnan vaatimukset vähenevät merkittävästi: koko, paino, järjestelmän minimutkaisuus ja kustannukset pienenevät. Itse asiassa datakeskuksessa kokonaissäästöt ovat suuremmat, kun lämmöntuoton väheneminen lisäsi pienentää ilmastoinnin tarvetta.

Jotta voisi täysin ymmärtää A-SRB:n edut, pitää sekä hyötysuhteen paranemista että parantunutta jännitteensäätöä tarkastella samanaikaisesti.

Kytkentätaajuuden nostaminen myös helpottaa parantamaan korkealaatuisen siniaalloin tuottamista, vaikkakin 50 kilohertsissä kytkentähäviöt kasvavat nopeasti. Tässä kohtaa ASRB tuo suurimman hyödyn. 50 kilohertsissä se tukee jännitteensäädön merkittävää parantumista samalla, kun hyötysuhde paranee. Järjestelmissä, joissa A-SRB:tä ei ole, suunnittelijat kamppailevat saadakseen molemmat edut käyttöön samanaikaisesti.

Modulaariset ja erilliset A-SRB -ratkaisut

A-SRB -toiminnallisuuden toteuttamiseen on olemassa useita ratkaisuja, jotka riippuvat vaaditusta tehotasosta. T1JM4-moduuli on kokonainen valmis A-SRB -ratkaisu aina 300 watin tasoon asti. Siihen on integroitu hila-ajurit, kytkintransistorit ja SiC Schottky -diodit.

Kuva 5. Vaadittujen tehotasojen perusteella valitaan joko erillinen tai modulaarinen ratkaisu.

Jos tarvitaan korkeampia tehotasoja, voidaan Toshiban T1HZ1F-ajuria käyttää yhdessä erillisten DTMOS-, LVMOS- ja SiC-diodien kanssa skaalautuvan ratkaisun toteuttamiseksi. Toshiba tarjoaa vaadittavat komponentit valmiina kokonaisina komponenttikitteinä, mikä tekee tilaamisesta ja inventoinnista helppoa.

Yhteenveto

Arvokkaan datamme varastoivien järjestelmien suojaaminen ja jatkuvan ja laadukkaan tehonsyötön alhaisilla hankinta- ja operointikustannuksilla on merkittävä haaste suunnittelijoille. Vaikka suuren kaistaeron piirit lupaavat paljon, ne ovat harvoin kaupallisesti kestävä ratkaisu.

Toshiban patentoitu A-SRB -tekniikka ja siihen sisältyvät ajurit ja moduulit tarjoavat tärkeän välivaiheen ratkaisun, joka antaa suunnittelijoille mahdollisuuden saavuttaa laajan kaistaeron tekniikoiden suorituskykytasot jo tänään.