Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
Durch Umwandlung der Gleichspannung aus einer Batterie oder Batteriebank in eine Wechselspannung stellen unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) die Stromversorgung sicher.
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Diese Systeme werden in vielen Anwendungen, wie beispielsweise industriellen Fertigungsprozessen, Telekommunikation, Rechenzentren, medizinischen Geräten, aber auch in kleinen Büros/Gewerbebetrieben oder in Homeoffice-Umgebungen (SOHOs), eingesetzt.
Eine USV verfügt typischerweise über einen Umrichter auf MOSFET-Basis, der von einer 12-V- oder 24-V-Bleibatterie gespeist wird. In Systemen mit hoher Nennleistung werden zur Begrenzung der Betriebsströme höhere Batteriespannungen benötigt. Aus diesem Grund sind auch 42-V- und 72-V-Systeme verfügbar. Da diese jedoch weniger gebräuchlich sind, basiert dieses Referenzdesign auf einer 12-V-Batterie. Die Batterien können in die USV eingebaut oder extern angeschlossen sein; für die externe Stromversorgung werden Autobatterien verwendet, bei den eingebauten Batterien handelt es sich um wartungsfrei abgedichtete Bleibatterien. USV-Systeme lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: Offline-/Standby-USVs, Line-Interactive USVs und Online-/Doppelwandler-USVs.
Klassifizierung von USV-Systemen:
USV-Systeme lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen:
1. Offline-/Standby-Systeme: Wenn auf der Leitung eine Wechselspannung anliegt, wird der Umrichter mithilfe eines Relais umgangen und bleibt somit ausgeschaltet (offline). Über das Batterieladegerät wird die Batterie ständig nachgeladen. Wenn der Netzstrom ausfällt, schaltet das Relais den Ausgang der USV auf den Umrichter um. Dieser läuft nach einer kurzen Unterbrechung von 10 bis 20 ms an, um die Stromversorgung zu übernehmen.
2. Line-Interactive-Systeme: Dieser Typ funktioniert ähnlich wie eine Offline-USV, umfasst aber noch eine AC-Stabilisierungsfunktion, um Spannungsspitzen oder -abfälle bei der Eingangsspannung so auszugleichen, dass eine stabile Wechselspannung abgegeben wird. Bei einem solchen System handelt es sich also um eine Kombination aus Spannungsstabilisierer und Offline-USV.
3. Online-/Doppelwandler-Systeme: Die AC-Eingangsspannung wird beim Laden der Batterie in Gleichspannung umgewandelt und dann in Wechselspannung zurückgewandelt. Dadurch kann das USV-System im Falle eines Ausfalls des Wechselstromnetzes nahtlos die Stromversorgung übernehmen, sodass unterbrechungsfrei weiter Strom abgegeben wird. Solche Systeme liefern unter allen Bedingungen stabilen, schwankungsfreien Wechselstrom am Ausgang, allerdings geht mit der mehrstufigen Umrichtung automatisch ein Verlust des Wirkungsgrads einher. In komplexeren Systemen ist dieser Nachteil teilweise abgemildert, weil die beiden Umrichterstufen während des Betriebs mit Wechselstrom aus dem Netz umgangen werden. Auf diese Weise fließt nur eine geringe Menge Strom durch diese hindurch. Wenn der Netzstrom ausfällt, kann die Umrichterstufe die volle Last ohne Unterbrechung der Stromabgabe übernehmen.
Offline-USVs
Offline- oder Standby-USVs werden hauptsächlich für kleine Büros/Gewerbetriebe und Homeoffice-Anwendungen (SOHOs) eingesetzt. Offline-USVs liefern in der Regel Leistungen zwischen 0 und 10 kVA. Eine solche Lösung ist in der Hauptsache für diskrete Leistungshalbleiter geeignet; diese Systeme basieren üblicherweise auf Niederfrequenz- bzw. Hochfrequenztransformatoren. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die mit Wechselstrom aus dem Netz betrieben werden. Hierbei wird der Umrichter mithilfe eines Relais umgangen und bleibt somit ausgeschaltet (offline). Über das Batterieladegerät wird die Batterie ständig nachgeladen. Wenn der Netzstrom ausfällt, schaltet das Relais den Ausgang der USV auf den Umrichter um. Dieser läuft nach einer kurzen Unterbrechung von 10 20 ms an, um die Stromversorgung zu übernehmen.
Online-USVs
Das weltweit zunehmende Bewusstsein und Engagement hinsichtlich der Verringerung von CO2-Emissionen sorgt für immer strengere Vorgaben. Die sich daraus ergebende Gefahr höherer Energiekosten fördert die Entwicklung von USVs mit höherem Wirkungsgrad auf dem Markt. Außerdem gibt es immer mehr Kunden, die kleinere USV-Einheiten mit derselben Absicherungsfunktionalität wie bei großen Anlagen fordern. Dieser Trend wird noch dadurch verstärkt, dass der verfügbare Platz kostbar ist und geringere Betriebskosten angestrebt werden. Je geringer der Platzbedarf für das USV-System ist und je weniger Gewicht es aufweist, umso kostengünstiger ist es im Betrieb und umso mehr Platz bleibt für die eigentlichen Aufgaben bzw. Prozesse. Durch Kombination der Easy-Leistungsmodule, die sich durch eine unerreicht niedrige Streuinduktivität auszeichnen, mit den 1200-V-CoolSiC™-MOSFETs können Kunden nicht nur ihre System- und Betriebskosten erheblich verringern, sondern auch in bisher ungekannte Dimensionen von Wirkungsgrad und Leistungsdichte vorstoßen.
Technologische Trends:
Anwendungen wie Server, Rechenzentren, und Industrieautomatisierung benötigen eine Doppelwandler-USV-Topologie. USV-Systeme versorgen angeschlossene Komponenten in einem zweistufigen Prozess mit Strom. Zunächst wandeln sie den ankommenden Wechselstrom in Gleichstrom um, anschließend wandeln sie den Gleichstrom in einen aufbereiteten, stabilen Wechselstrom mit einer reinen Sinuswelle um. Während eines Stromausfalls wandeln USV-Systeme Gleichspannung aus der Batterie in Wechselspannung um. Außerdem umgehen sie im Falle einer internen Störung oder Überlastbedingung interne Komponenten und liefern den Strom direkt an die angeschlossenen Systeme.
Die DC-AC-Stufe wandelt die Gleichspannung in eine stabile, reine Sinusspannung um. In dieser Stufe werden vorzugsweise Zweipunkt- oder Dreipunkt-Topologien des Typs NPC 1/NPC 2 eingesetzt. Vor allem Dreipunkt-NPC 1/NPC 2-Topologien sind aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades inzwischen weit verbreitet. Die Dreipunkt-NPC 1-Technologie ermöglicht den Einsatz von 600-V-Geräten und stellt die am besten geeignete Topologie für Anwendungen mit einer Schaltfrequenz von mehr als 20 kHz sowie für USV-Modelle mit hoher Ausgangsspannung dar. Die Dreipunkt-NPC 2-Technologie kann sowohl für 600-V- als auch für 1200-V-Geräte eingesetzt werden und bietet die ideale Topologie für Anwendungen mit einer Schaltfrequenz von weniger als 20 kHz sowie für USV-Modelle mit niedriger Ausgangsspannung.
Die Infineon-Technologie auf der Basis von 1200-V-CoolSiC™-MOSFETs bietet beim Design von Umrichtern die Möglichkeit, eine einfache Zweipunkttechnologie zu nutzen, um im Vergleich mit der komplexen Dreipunkttechnologie höhere Werte bei Wirkungsgrad und Leistungsdichte zu erzielen.
Weitere Informationen:
Angesichts des raschen Wachstums in den Bereichen vernetzte Geräte, intelligente Industrie und Internet der Dinge wird sowohl unser privates als auch unser berufliches Leben immer stärker von Vernetzung geprägt. Dabei ist es von einer robusten, durchgängigen Stromversorgung abhängig, sodass in Zukunft der Schutz durch unterbrechungsfreie Stromversorgungen immer wichtiger wird. Der heute bereits bestehende Bedarf an USV-Systemen mit erhöhter Zuverlässigkeit und ohne Ausfallzeiten hat dazu geführt, dass robustere Komponenten für solche Systeme entwickelt wurden. Hochwertige Produkte von Infineon bieten Ihnen Lösungen, die den gesamten Leistungsbereich von USV-Anwendungen abdecken. USV-Systeme, in denen unsere Halbleiter verbaut sind, erzielen Bestmarken beim Wirkungsgrad in der Stromwandlung sowie eine konkurrenzlose Leistungsdichte.
Bei USV-Systemen für SOHO-Umgebungen handelt es sich hauptsächlich um Offline- oder Online-Line-Interactive-Typen. Diese lassen sich grob in Systeme für niedrige Frequenzen auf der Basis von Blechpaket-Transformatoren und Systeme für hohe Frequenzen mit Ferritkern-Transistoren unterteilen. Die meisten einfachen USV-Systeme liefern ein ungeregeltes Rechtecksignal mit 50-60 Hz. Vorzugsweise werden jedoch Umrichter mit sinusförmigem Ausgangssignal eingesetzt, da sie mit einer regulierten Ausgangsspannung eine bessere Stromqualität bieten. So werden die bei einigen Gerätetypen möglicherweise auftretenden Belastungen vermieden. Es gibt auch Systeme, die ein fast sinusförmiges Ausgangssignal mit hoher Verzerrung erzeugen. Das hier erörterte Evaluation Board basiert auf einem Niederfrequenz-Transformator und erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal mit geringer Verzerrung.
Die Produktfamilie der XMC™-Mikrocontroller basiert auf ARM® Cortex®-M-Kernen und eignet sich für kritische Echtzeit-Anwendungen, bei denen Kerne gemäß Industriestandard benötigt werden. Diese Produkte kommen speziell bei Anwendungen in den Bereichen Stromwandlung, Fabrik- und Gebäudeautomatisierung, Transportwesen und Haushaltsgeräte zum Einsatz. Die Serie XMC1000 kombiniert ARM® Cortex®-M0-Kerne mit bewährten, konkurrenzlosen Peripheriekomponenten und wird mittels innovativer 65-nm-Technologie gefertigt.
Die optionalen Mikrocontroller der Produktfamilie XMC13x bieten Ihnen die Möglichkeit, Ihre USV um die Funktionalität des CCU8-Timer-/PWM-Moduls zu erweitern. Dies ist notwendig, um die erforderlichen Gate-Treibersignale bereitzustellen. Bei einer Taktrate von 32 MHz können Sie mit einer Schaltfrequenz von 20 kHz ausreichend kleinteilige Anpassungen zum Schalten der PWM-Ausgangssignale vornehmen. Da zum Beispiel bei einer Offline-USV-Anwendung der MATH-Coprozessor und der BCCU für die LED-Beleuchtungsansteuerung nicht benötigt werden, ist das Modell XMC1301 ausreichend. So verfügt die Variante XMC1301-T016F0032 in einem 16-Pin-PG-TSSOP-16-8-Gehäuse über 32 KB Flash-Speicher und 16 KB SRAM sowie ausreichend E/A-Pins zur Unterstützung der erforderlichen Offline-USV-Funktionen.
Zur Entwicklung der Firmware können Sie die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) DAVE™ verwenden, die kostenlos zum Download zur Verfügung steht. Programmierung und Debugging erfolgen dann über die elektrisch isolierte Debug-Sonde XMC™ Link. Sie können Ihr Projekt innerhalb der DAVE™ DIE erstellen. Es enthält dann die Gerätedefinition, die Einstellungen und die Quelldateien, die zum Kompilieren und Generieren des ausführbaren Codes erforderlich sind. Dieser kann auf den Flash-Programmspeicher des Mikrocontrollers XMC™ heruntergeladen werden. Es stehen mehrere Programmier-/Debug-Protokolle zur Verfügung.
This e-learning is about Infineon’s power solution positioning for uninterruptible power supply (UPS) applications. We will cover also different types of UPS and topologies commonly used.
This training will show you what makes CoolSiC™ the perfect choice for UPS applications.
Do you know what industrial automation is? Join us on this journey through the world of factory automation and find out how semiconductor solutions help factories become smart! Modern industries typically require many coordinated single steps to accomplish a finished product or any activity flow. Imagine this with no automation in place: any high volume outputs or uninterrupted courses of action at a high level of quality and in a short time would not be possible, would it?
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