Autor: Hunter Freberg, onsemi
En muchas aplicaciones críticas conectadas a la red eléctrica se utiliza un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) como suministro temporal de electricidad en el caso de que se produzca un corte total de la corriente, y también para garantizar que, aunque no haya cortes de corriente, la tensión de alimentación se ajusta a las especificaciones. Ello es especialmente importante cuando la carga se ve sometida a las caídas o las fluctuaciones de la tensión de la red eléctrica.
Existen dos tipos de SAI: online y offline. Online es la opción preferida ya que puede conmutar eficientemente entre la alimentación de la red eléctrica y la alimentación de la batería cuando se necesita. La entrada de este tipo de SAI está conectada a la red eléctrica y su salida está conectada a la carga, que a menudo es un servidor en un centro de datos o un equipo crítico en la línea de producción de una fábrica.
Figura 1: Diagrama de un SAI offline y un SAI online.
El primer paso dentro de un SAI consiste en convertir la tensión CA entrante en CC mediante un convertidor CA/CC. Esta tensión alimenta la batería interna del SAI para garantizar que se cargue de manera constante con el fin de alcanzar la máxima autonomía en caso de corte del suministro. Esta tensión de la batería se convierte de nuevo a CA por medio de un convertidor CC/CA para alimentar la carga con una tensión igual a la de la red eléctrica. Dado que la batería siempre está conectada (online), este tipo de SAI se denomina SAI online.
Si hay un corte de suministro, la batería alimenta el inversor y la tensión CA de salida sigue presente mientras haya carga en la batería, permitiendo de este modo que la carga continúe siendo alimentada o que se desconecte de forma ordenada. También elimina picos en la red eléctrica, así como fluctuaciones de tensión/frecuencia para garantizar que la tensión en la carga se ajuste a las especificaciones.
La principal ventaja de un SAI online es su tiempo de reacción ya que la batería se puede conectar rápidamente a la salida. Sin embargo, esta ventaja se obtiene a expensas de la doble conversión de CA a CC y de nuevo a CA. Como la eficiencia nunca puede ser del 100%, un SAI online desperdicia algo más de energía que su homólogo offline. No obstante, este problema es menor por lo que el SAI online es de lejos la tecnología dominante.
Figura 2: Diagrama de un SAI online.
Dependiendo del diseño y de las necesidades de la carga, un SAI puede ser monofásico o trifásico. En un diseño trifásico se suele utilizar una topología denominada Rectificador Vienna para la etapa de entrada (CA-CC) que suministra CC a la batería. Después de pasar por un filtro de entrada, cada fase de la tensión entrante atraviesa un inductor antes de llegar al Rectificador Vienna.
La salida del rectificador es un bus de CC de unos 800V basado en los niveles habituales de tensión trifásica; este proporciona aproximadamente 400V a cada uno de los condensadores del bus de CC.
La energía almacenada en los condensadores del bus de CC no solo carga la batería sino que también alimenta la etapa de salida, que a menudo es un convertidor NPT (neutral-point-clamped) de tipo T. Cuando hay tensión de la red, la energía del condensador se recarga directamente con la tensión de la red. Si se produce un fallo en la red, esta energía se obtendrá de la batería, asegurando así que el NPT de tipo T siga suministrando CA a la carga.
Figura 3: Esquema de un Rectificador Vienna típico.
Un Rectificador Vienna trifásico suele estar constituido por doce componentes de potencia: seis diodos y seis IGBT cuya tensión nominal es de 1200V y 650V, respectivamente. A menudo se utiliza carburo de silicio (SiC) por su mayor rendimiento . Cuando el IGBT está optimizado para una baja VCE y se puede escoger entre velocidad media o alta, en general es mejor optar por una velocidad media ya que las pérdidas de conmutación y conducción son importantes en esta topología para el interruptor central. onsemi ofrece diversos módulos de potencia basados en estas topologías para facilitar el desarrollo y mejorar el rendimiento respecto a los diseños discretos.
Figura 4: NPC de tipo T con IGBT.
Un NPC de tipo T trifásico también utiliza doce componentes, si bien en este caso todos son IGBT con una tensión nominal de 650V. Los IGBT conectados en la figura a DC+ y DC- son de 1200V. Son doce componentes en total.
Utilización de carburo de silicio para reducir las pérdidas
Como se ha señalado, el SAI online tiene una doble conversión que permite el funcionamiento de la topología online pero aumenta las pérdidas. Se puede decir que el problema se multiplica porque las pérdidas generan calor que puede requerir a su vez un sistema de climatización más potente para mantener la temperatura ambiente. Esto acarrea costes ocasionados por la compra del sistema de climatización, costes operativos por el espacio extra y por el funcionamiento de este sistema más grande, así como el coste de la energía perdida en el SAI.
Si se puede reducir el tamaño del SAI, el operador del centro de datos saldrá beneficiado ya que este espacio se puede destinar a servidores que generan ingresos.
La reducción de las pérdidas también disminuirá los costes operativos y esto generalmente permite que la solución sea más pequeña puesto que la densidad de potencia puede aumentar si las pérdidas son menores. Dado que los materiales de banda prohibida ancha (wide-bandgap, WBG) como el carburo de silicio (SiC) suelen tener un mejor rendimiento y unas pérdidas más bajas, la adopción de esta tecnología mejorará la eficiencia del SAI. También mejoran la eficiencia con cargas pequeñas ya que la resistencia en serie es menor y no hay diodo antiparalelo, como en un IGBT, ni una caída de tensión fija.
Uno de los retos al dimensionar sistemas de telecomunicaciones (TI), incluidos los SAI destinados a sistemas TI, es la naturaleza dinámica de la carga. Un ordenador consume una cantidad de energía significativamente más baja al navegar por la web o al escribir un documento que al realizar un aprendizaje automático o al ejecutar una simulación detallada. Dado que el SiC mejora la eficiencia, sea cual sea el nivel de la carga, esta carga dinámica es una razón más por la que el SiC se está convirtiendo con rapidez en la tecnología preferida.
Debido, en parte, a los niveles más bajos de la carga de puerta (Qg), los dispositivos de SiC son capaces de mantener su eficiencia cuando conmutan a frecuencias más altas. Una consecuencia de ello es la reducción del tamaño de los componentes reactivos, que puede contribuir significativamente a reducir el tamaño total del SAI.
Figura 5: En los SAI se utiliza medio puente por fase con dispositivos de SiC.
Figura 6: Convertidor con seis interruptores de SiC.
Otra ventaja que ofrece el uso de SiC es la posibilidad de pasar de un Rectificador Vienna / NPC de tipo T a convertidores con “seis interruptores” en las etapas de entrada y salida (CA/CC y CC/CA), lo cual significa que la topología se puede reproducir y acorta el tiempo de diseño. La topología de seis interruptores consiste en tres medios puentes que reducen a la mitad el número de semiconductores en el diseño; esto representa un ahorro añadido de espacio y coste, todo ello conservando los componentes magnéticos de menor tamaño.
En este ejemplo, y debido a las tensiones de la red eléctrica, los MOSFET EliteSiC tendrán una tensión nominal de 1200V. onsemi dispone de MOSFET de SiC adecuados para convertidores de seis interruptores. Uno de ellos es el M3S NTH4L022N120M3S de alta velocidad, o bien el más reciente NTH4L040N120M3S. Para aumentar el rendimiento también se puede recurrir a módulos en el diseño como los módulos de medio puente de 1200V NXH003P120M3F2 de onsemi basados en la tecnología de SiC M3S.
La etapa de entrada CA/CC se puede utilizar de manera bidireccional, permitiendo así que la realimentación de la potencia reactiva mejore el factor de potencia, lo cual reduce la potencia aparente y, por tanto, los costes operativos.
Pasar de una solución de silicio a una de SiC exige cambiar los drivers utilizados en los interruptores. Los MOSFET de SiC seleccionados requieren doble aislamiento de 5kV y funcionamiento rápido (dv/dt, retardos de propagación) para permitir que los MOSFET de SiC alcancen un rendimiento óptimo.
Un driver apropiado es el NCP51561 de onsemi gracias a su dv/dt superior a 210V/ns y a un retardo de propagación de solo 39ns con una diferencia de 5ns entre canales. El dispositivo también incorpora control de tiempo muerto externo y un pin de habilitación que mejora la fiabilidad del sistema.
En resumen, el SAI online es fundamental para el funcionamiento continuo de servidores y maquinaria crítica. Para obtener un producto exitoso, los ingenieros necesitan ser capaces de desarrollar diseños pequeños y eficientes. La mejor manera de llevarlo a cabo consiste en adoptar topologías discretas y modernas de SiC como la conversión con seis interruptores y utilizarla junto con drivers para SiC de alto rendimiento.
