배터리로 구동되는 무정전 전원 공급 장치(UPS)는 데이터 센터, 의료 시설, 공장, 통신 허브, 심지어 가정의 민감한 장비를 단기적인 전력망 급증 및 정전으로부터 보호하는 데 필수적입니다. 장기 정전 발생 시, UPS는 필요한 단기 전력을 공급하여 정전에 대비하고 데이터 손실을 방지할 수 있습니다.
UPS는 일반적으로 "온라인" 또는 "오프라인"으로 분류할 수 있습니다. 오프라인 UPS는 부하가 전력망에 직접 연결됩니다. 입력 전원이 차단되면 시스템은 배터리 전원 모드로 전환됩니다. 전환 과정은 일반적으로 약 10밀리초가 소요되므로 일부 애플리케이션에서는 오프라인 UPS 사용이 제한됩니다. 온라인 UPS는 부하와 전력망 사이에 인버터 회로와 배터리 충전 및 방전 회로를 추가하며, 입력 전원의 정상 여부와 관계없이 인버터는 계속 작동합니다. 따라서 입력 전원에 문제가 발생하면 온라인 UPS는 "무정전" 전환을 수행하고 배터리를 통해 부하에 비상 전원을 공급할 수 있습니다.
모듈형 UPS는 설계자와 사용자 모두에게 선호됩니다. 저전력 UPS를 병렬로 연결하여 증가하는 전력 수요를 충족할 수 있기 때문입니다. 모듈형 UPS는 기존 UPS 시스템을 빠르고 쉽게 확장할 수 있으며, 대규모 시스템 구축 과정에서 고객의 수익을 증대하는 데 도움이 됩니다.
그러나 다른 전원 공급 장치 설계와 마찬가지로 효율적인 UPS 설계에도 어려움이 따릅니다. 고려해야 할 핵심 요소로는 크기, 입출력 조정 기능, 배터리 관리, 토폴로지 등이 있습니다.
특히 데이터 센터와 같이 공간이 매우 중요한 애플리케이션에서는 크기가 매우 중요합니다. 과거에는 변압기가 UPS의 가장 큰 부품 중 하나였지만, 더욱 발전된 반도체 기술의 등장으로 고주파 스위치 회로가 변압기를 대체하여 공간을 절약하게 되었습니다. 변압기가 없는 UPS는 표준 크기의 캐비닛에서 대규모 데이터 센터에 수백 kVA의 비상 전력을 공급할 수 있습니다.
온라인 UPS는 고주파 PWM(펄스 폭 변조)을 사용하여 이중 변환(AC-DC 및 DC-AC)을 수행합니다. 이를 통해 오프라인 UPS가 처리할 수 없는 저전압 과전압 및 라인 노이즈와 같은 많은 입력 품질 문제를 해결하는 동시에 배터리 사용량을 줄이고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.
인버터는 UPS의 출력 품질을 결정하고 UPS의 전반적인 효율에 큰 영향을 미칩니다. 우수한 온라인 UPS는 주전원과 유사한 고품질 사인파를 출력하여 저항성 및 유도성 부하에 전원을 공급할 수 있습니다. 이를 위해서는 인버터의 스위칭 소자(IGBT/MOSFET)가 고주파수에서 작동하고 제어 알고리즘과 연동하여 스위칭 과정에서 발생하는 출력 노이즈 및 EMI 문제를 최소화해야 합니다.
일반적인 UPS에서는 여러 개의 배터리가 적층되어 완전한 배터리 팩을 형성하며, 배터리 관리 모듈에 의해 충전 및 방전이 관리됩니다. 배터리 성능을 극대화하고 수명을 연장하려면 부하 분산, 전압 및 전류 보호, 충전 및 방전 제어, 열 관리, 팬 제어, 모니터링, 통신 등의 문제를 설계 시 고려해야 합니다.