Noodstroomvoorzieningen (UPS) op batterijen zijn cruciaal voor de bescherming van gevoelige apparatuur in datacenters, medische instellingen, fabrieken, telecommunicatiehubs en zelfs woningen tegen kortstondige stroompieken en -uitval. Bij een langdurige stroomuitval kunnen ze de benodigde kortetermijnstroom leveren om voorbereid te zijn op een stroomuitval en dataverlies te voorkomen.
UPS kan over het algemeen worden geclassificeerd als "Online" of "Offline". Bij een offline UPS is de aangesloten apparatuur rechtstreeks aangesloten op het net. Wanneer de ingangsstroom uitvalt, schakelt het systeem over op de accu. Dit omschakelproces duurt meestal ongeveer 10 milliseconden, wat het gebruik van een offline UPS in sommige toepassingen beperkt. Een online UPS voegt een omvormercircuit en een acculaad- en ontlaadcircuit toe tussen de aangesloten apparatuur en het net, en de omvormer blijft werken, ongeacht of de ingangsstroom normaal is of niet. Daarom kan de online UPS bij een ingangsprobleem "nul-onderbreking"-schakeling uitvoeren en noodstroom leveren aan de aangesloten apparatuur via de accu.
Modulaire UPS'en genieten de voorkeur bij ontwerpers en gebruikers, omdat UPS'en met een lager vermogen parallel kunnen worden aangesloten om aan een grotere elektriciteitsvraag te voldoen. Modulaire UPS'en kunnen bestaande UPS-systemen snel en eenvoudig uitbreiden en klanten helpen profiteren van de implementatie van grootschalige systemen.
Net als bij elk ontwerp van een voeding brengt het ontwerp van een efficiënte UPS echter ook uitdagingen met zich mee. Enkele belangrijke factoren om te overwegen zijn onder andere de grootte, de mogelijkheid tot input-output-regeling, het batterijbeheer en de topologie.
Grootte is cruciaal, vooral in toepassingen waar ruimte extreem kostbaar is, zoals datacenters. Vroeger waren transformatoren altijd een van de grootste componenten in UPS-systemen, maar met de opkomst van geavanceerdere halfgeleidertechnologie hebben hoogfrequente schakelcircuits transformatoren vervangen, wat ruimte bespaart. Een transformatorloze UPS kan honderden kVA aan noodstroom leveren aan grote datacenters in standaardkasten.
Online UPS maakt gebruik van hoogfrequente PWM (Pulse Width Modulation) om een dubbele conversie uit te voeren (AC naar DC en vervolgens DC naar AC). Hierdoor kunnen veel problemen met de invoerkwaliteit worden opgelost die offline UPS'en niet aankunnen, zoals te lage overspanning en lijnruis. Tegelijkertijd wordt het batterijgebruik verminderd en de levensduur van de batterij verlengd.
De omvormer bepaalt de uitgangskwaliteit van de UPS en heeft een grote invloed op de algehele efficiëntie ervan. Een uitstekende online UPS kan sinusgolven van hoge kwaliteit produceren, vergelijkbaar met netstroom, en zo ohmse en inductieve belastingen van stroom voorzien. Dit vereist dat de schakelcomponenten (IGBT/MOSFET) in de omvormer op hoge frequenties werken en samenwerken met regelalgoritmen om uitgangsruis en elektromagnetische interferentie (EMI) tijdens het schakelproces te minimaliseren.
In een typische UPS vormen meerdere gestapelde batterijen een compleet batterijpakket, dat wordt beheerd door een batterijbeheermodule voor het laden en ontladen. Om de batterijprestaties te maximaliseren en de levensduur te verlengen, moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met zaken als load balancing, spannings- en stroombeveiliging, laad- en ontlaadregeling, thermisch beheer, ventilatorregeling, monitoring en communicatie.