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di Hunter Freberg, Onsemi
In molte applicazioni critiche alimentate attraverso la rete (in alternata), un gruppo di continuità (UPS – Uninterruptible Power Supply) viene utilizzato per fornire una potenza temporanea nel caso si verifichi un’interruzione di corrente e per assicurare che i valori di tensione rimangano entro i limiti prestabiliti, un aspetto particolarmente importante laddove il carico risulti sensibile a cali o fluttuazioni della tensione di rete.
Esistono due tipi di UPS: online e offline (Figura 1). Di solito si privilegia l’utilizzo di UPS del primo tipo grazie alla loro capacità di commutare in maniera uniforme, quando richiesto, dalla potenza fornita dalla rete alla potenza della batteria. Questi UPS ricevono la potenza di ingresso dalla rete e forniscono l’uscita al carico, spesso rappresentato da un server ubicato in un datacenter o un’apparecchiatura critica utilizzata sulla linea di produzione di uno stabilimento.
Figura 1 – Schema di un UPS offline (a sinistra) e online (a destra)
La prima operazione che avviene all’interno di un UPS è la conversione della tensione alternata (AC) in ingresso in tensione continua (DC) mediante un convertitore AC/DC. Questa tensione viene quindi resa disponibile per la batteria interna dell’UPS, in modo da garantire che rimanga costantemente carica, assicurando così la massima autonomia nel caso di interruzione dell’alimentazione. Questa tensione viene quindi riconvertita in alternata mediante un convertitore DC/AC per fornire una tensione che abbia il medesimo livello di quella della rete per alimentare il carico. Poiché la batteria è sempre connessa, ovvero è online, quelli del tipo appena descritto vengono denominati UPS online.
In caso di interruzione dell’alimentazione, la batteria “rifornisce” l’inverter e la tensioni AC di uscita resta disponibile finché la carica rimane immagazzinata nella batteria: il carico può così continuare a funzionare oppure essere disattivato (shutdown) in maniera controllata. In questo modo è possibile eliminare spike (guizzi) sulla rete e fluttuazioni di frequenza/tensione, assicurando al carico una tensione i cui valori restano all’interno di quelli specificati.
Il principale vantaggio degli UPS online è il breve tempo di reazione, dovuto al fatto che la batteria può essere collegata rapidamente all’uscita. A fronte di questo vantaggio, non bisogna dimenticare la necessità di effettuare una doppia conversione, da AC in DC e poi nuovamente in AC. Poiché l’efficienza non può mai raggiungere il 100%, la dissipazione di un UPS online sarà lievemente superiore rispetto a quella della sua controparte offline. Trattandosi di un problema di lieve entità, la tipologia più diffusa di UPS è quella online.
Figura 2 – Schema di un UPS online
In base al progetto e alle esigenze del carico, un UPS può essere monofase o trifase. Nel caso di un progetto trifase, per lo stadio di ingresso (AC/DC) che fornisce la tensione DC alla batteria viene spesso utilizzata una topologia nota come raddrizzatore Vienna. Dopo un filtro di ingresso, ciascuna fase della tensione in ingresso viene fatta passare attraverso un induttore posizionato prima del raddrizzatore Vienna (Figura 2).
L’uscita del raddrizzatore è un bus DC di circa 800 V che, ipotizzando livelli di tensione trifase tipici validi su scala globale, fornisce una tensione di circa 400 V per ciascuno dei condensatori del bus DC.
L’energia immagazzinata nei condensatori del bus DC non solo carica la batteria, ma pilota anche lo stadio di uscita che spesso è un convertitore NPC (Neutral Point Clamped) di tipo T. Quando la tensione di rete è presente, l’energia dei condensatori viene reintegrata direttamente dalla tensione di rete. In caso di interruzione della rete, questa energia viene fornita dalla batteria, in modo da assicurare che il convertitore NPC di tipo T possa continuare a fornire potenza alternata al carico.
Figura 3: Schema di un tipico raddrizzatore Vienna
Un tipico raddrizzatore Vienna trifase risulta formato da 12 componenti di potenza, sei diodi e sei IGBT (Figura 3). Spesso si ricorre a dispositivi in carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide) in grado di assicurare migliori prestazioni, con diodi e IGBT caratterizzati da valori di tensioni nominali pari rispettivamente a 1200 e 650 V. Nel caso si utilizzino IGBT caratterizzati da una VCE di valore ridotto e sia possibile scegliere tra una velocità media oppure alta, spesso si preferisce la prima opzione perché le perdite sia di conduzione sia di commutazione sono importanti in una topologia come questa per il commutatore centrale. Onsemi propone numerosi moduli di potenza basati su queste topologie per semplificare lo sviluppo e migliorare le prestazioni rispetto a quelle ottenibili con un progetto basato su componenti discreti.
Figura 4 – Un convertitore NPC di tipo T utilizza solo IGBT
Anche un convertitore NPC di tipo T trifase utilizza 12 componenti, che in questo caso sono tutti IGBT (Figura 4). I dispositivi affiancati hanno una tensione nominale di 650V, mentre gli IGBT connessi a DC+ e DC- hanno tensioni nominali di 1200 V.
Ridurre le perdite utilizzando il carburo di silicio
Come accennato in precedenza, un UPS online deve effettuare una doppia conversione e questa modalità di funzionamento comporta l’introduzione di perdite aggiuntive. Tale problema è talvolta aggravato dal fatto che le perdite generano calore, ragion per cui potrebbe essere necessario un sistema HVAC più potente per mantenere la temperatura ambiente. Ciò comporta un aumento delle spese in conto capitale (per l’acquisto del sistema HVAC) e dei costi operativi (a causa sia del maggior spazio richieste dal sistema sia dei costi più elevati associati al suo funzionamento), senza dimenticare il costo dell’energia dissipata nell’UPS.
Nel caso fosse possibile utilizzare UPS più piccoli, gli operatori dei datacenter potrebbero sfruttare lo spazio reso disponibile installando altri server, con un aumento quindi della redditività.
La riduzione delle perdite si tradurrà in una diminuzione dei costi operativi e consentirà l’adozione di soluzioni più compatte, grazie alla possibilità di aumentare la densità di potenza a fronte di perdite inferiori. Poiché i materiali ad ampia banda proibita (WBG -Wide Band Gap) sono in generale caratterizzati da migliori prestazioni e perdite più ridotte, il loro utilizzo permetterà di aumentare l’efficienza degli UPS. I dispositivi realizzati con questi materiali assicurano una maggiore efficienza in presenza di carichi di valore ridotto perché la resistenza in serie è inferiore e non è presente né il diodo in anti-parallelo, come accade nel caso degli IGBT, e neppure una caduta di tensione fissa.
Una delle problematiche legate al dimensionamento dei sistemi IT, inclusi gli UPS utilizzati in tali sistemi, è la natura dinamica del carico. Com’è noto, un computer utilizza un’energia decisamente inferiore durante la navigazione sul Web o la scrittura di un documento rispetto a quella consumata quando esegue algorimi di apprendimento automatico o fa girare una simulazione dettagliata. La necessità di gestire carichi dinamici favorisce senza dubbio l’adozione della tecnologia SiC, in grado di assicurare un’efficienza più elevata indipendentemente dal livello del carico.
Grazie anche a livelli di carica di gate (Qg) più bassi, i dispositivi SiC sono in grado di mantenere l’efficienza durante la commutazione a frequenze più elevate. Una conseguenza è la possibilità di utilizzare componenti magnetici più piccoli, che possono contribuire in maniera significativa alla riduzione delle dimensioni complessive dell’UPS.
Figura 5 – In un UPS, il ricorso ai dispositivi SiC consente di utilizzare un semi-ponte per fase
Figura 6 – Schema di un convertitore che utilizza 6 commutatori SiC
Un ulteriore vantaggio correlato all’uso del SiC è la possibilità di passare da un raddrizzatore Vienna/convertitore NPC tipo T a convertitori a sei commutatori per gli stadi di ingresso e uscita (AC/DC e DC/AC), una topologia che, potendo essere replicata, consente di ridurre i tempi di progettazione. Questa topologia a sei commutatori, che prevede tre semi-ponti, consente di dimezzare il numero di semiconduttori richiesti, con un ulteriore risparmio in termini di spazio e costi. Anche in questo caso, è possibile utilizzare componenti magnetici di ridotte dimensioni. I relativi schemi sono riportati in Figura 5 e Figura 6.
In questo esempio, a causa delle tensioni di rete, vengono utilizzati MOSFET della serie EliteSiC con tensione nominale di 1200 V. Onsemi propone numerosi MOSFET SiC adatti all’uso in convertitori a sei commutatori. Tra questi si possono segnalare il MOSFET NTH4L022N120M3S ad alta velocità o il più recente NTH4L040N120M3S. Per ottenere ulteriori vantaggi a livello di prestazioni, si potrebbe ricorrere ai moduli per la realizzazione del progetto, come ad esempio i moduli NXH003P120M3F2 a semi-ponte da 1200V basati sulla tecnologia SiC M3S di recente introduzione.
Il front end AC/DC può essere utilizzato in maniera bidirezionale, in modo da consentire la retroazione della potenza reattiva per migliorare il fattore di potenza e diminuire di conseguenza la potenza apparente, con ovvi vantaggi in termini di costi operativi.
Il passaggio da una soluzione in silicio a una basata sul SiC richiede l’utilizzo di driver (circuiti di pilotaggio) differenti per i commutatori. I MOSFET SiC selezionati devono essere caratterizzati da un isolamento duale a 5 kV e un funzionamento veloce (dv/dt, ritardi di propagazione) in modo da ottimizzarne le prestazioni.
Un driver adatto è NCP51561 di Onsemi: tra le specifiche di rilievo di questo componente da segnalare una velocità di variazione della tensione (dv/dt) di 210 V/s e un ritardo di propagazione di appena 39 ns, con un ritardo di accoppiamento tra i canali di 5 ns. Controllo esterno del “dead time” (tempo morto) e presenza di un pin di “enable” per migliorare l’affidabilità del sistema sono le altre caratteristiche di rilievo di questo driver.
In definitiva, un UPS online è fondamentale per garantire la continuità operativa di server e apparecchiature critiche. Per poter soddisfare le esigenze del mercato, i progetti si devono sviluppare un design che abbini dimensioni ridotte e un’elevata efficienza. Il miglior modo per conseguire tale obiettivo è adottare tecnologie SiC discrete e topologie moderne, come la conversione a sei commutatori, unitamente a driver SiC ad alte prestazioni.
