电源云讲坛回顾 | UPS 与储能系统可靠性设计要点全揭秘！

近日，由中国电源学会发起的以“电力电子装置可靠性”为主题的第六期“电源云讲堂”在云端举行。伊顿电气亚太区关键能源技术平台研发经理曹磊通过《不间断电源（UPS）及储能变流器（PCS）的可靠性设计》，论述了高可靠产品的实现。  

 

接下来，让我们一起回顾这场云端之旅！

通过 UPS、光伏与微电网储能系统的功能框图，曹磊详细介绍了两者的多种工作模式，提出如果 UPS 整流器使用双向能流设计，将具备储能并网发电能力，且 UPS 系统包含了储能应用中所有的功率子件。因此，UPS 与储能变流器（PCS）可共用核心功率变换模块设计。


                                        
                                        
                                       

功率变换设备可靠性是 UPS 与储能系统的核心价值所在，而可靠性设计则是极为复杂的系统工程。安装与运行环境复杂、生命周期长、维护成本高等都影响着系统的健康运行，一旦出现严重故障将给用户带来巨额经济损失。

                                   
                        OVH Cloud 数据中心由于 UPS 故障引起严重火灾，360 万个网站因此宕机，损失无法估量。

模型与评估

让可靠性有据可依 

伊顿始终专注于产品安全与可靠性的实现，以标准和科学的模型工具，结合可靠性预估方法，使可靠性贯穿产品整个开发周期，希望该模型能够为电能变换装置的优化设计提供参考。

                                       
                                                                      产品可靠性设计模型

*概念阶段  

可靠性的关键字是目标。定义系统和产品的 MTBF、可靠度、年不良率等可靠性需求。

*定义阶段 

可靠性关键字是分配。应用可靠性模型将系统可靠性需求逐层分解至子系统与元器件。

*设计阶段 

可靠性关键字是预估。对各部分可靠性进行预测、评估、优化，利用应用模型设计系统使之鲁棒。

*验证阶段 

可靠性关键字是论证，应用可靠性模型从下往上评定各级的可靠性，并开发可靠性成长模型，对生产流程进行验证。

*量产和稽核阶段

对大批量生产产品的持续监控和改善，以及对产品的维护和稽核。

关键元件

打造高可靠产品的核心

以 UPS 产品为例，曹磊分析了 UPS 功率模块可靠性设计的诸多要点。UPS 的可靠性模型属于串联模型，失效率是每个模块的失效率之和。因此，功率半导体、电感、滤波电容、母线电容等关键元件是决定其可靠性的首要因素，伊顿也为此给出了具体的建议方案。 

         
                                                                   UPS 功率模块功能结构参考


*功率半导体

推荐选用模块封装功率半导体，相比分离式器件等其他方案，UPS 使用的器件更少，一致性与均流性能更好，并且换流回路设计与散热方案设计更简单，内置的温度采样接近芯片结温，能提供更快的过温保护与更精确的寿命预测。

*薄膜滤波电容

推荐选用金属壳油浸式电容，相较于传统的塑壳干式电容，密封性更好，单体可通过严苛的双 85（85% 湿度/85 度）2000 小时验证，内置的失效保护装置，杜绝了 UPS 因电容失效引起的冒烟与起火风险。

*风扇

推荐选用 DC 风扇与 PWM 无级调速方案，能根据负载量与温度调节风扇转速，大部分情况下风扇速度运转低于最高速度，避免了因使用最大固定速度运转而缩短使用寿命，获得可靠性、效率与低噪最优解。

 

同时，采用寿命加速测试（ALT）对关键元件建模，不仅可以在设计阶段确认产品在不同工况下的运行寿命，还可以在产品运行中通过寿命预测进行预防性维护，提高产品全生命周期的可靠性。

产品实现

伊顿 UPS 可靠性进阶  

基于多年的研发经验，曹磊对高可靠 UPS 功率模块方案设计的考虑点进行了总结，涵盖了控制拓扑结构的复杂性、关键器件的可靠性、以冗余设计降低失效影响、合理规划风道布局等，而这些 UPS 必备的优秀技能均在伊顿 93PR 系列中大功率模块化 UPS 产品中得以实现。

         
                                                    93PR 200-1200kW UPS

01  UPS 与 PCS 共用功率模块

能耗持续上升的数据中心行业正在加快能源转型步伐。93PR 200-1200kW UPS 基于储能应用，采用双向整流拓扑，UPS 与 PCS 共用功率模块，统一的器件种类减少了关键元件数量，确保连续供电和储能应用的高可靠性，并以高达 97.5% 的双转换效率，助力数据中心低碳运行。


02    独立风道高效隔离热源

在关键器件选型上，伊顿 93PR 系列 UPS 遵循可靠性设计，应用成熟的 IGBT 模块封装技术、金属壳油浸式电容、直流 PWM 无级智能调速风扇。同时，针对 UPS 长时间运行内部产生的热量，伊顿对风道进行独立设计，以降低对热敏感元件的影响。

                                 
主风道内仅通过直流母线电解电容、功率主散热器和电感，通过优化布局将风扇、直流母线电解电容位于进风口，其他电路器件则在主风道外，免受主发热器热辐射影响且不易积尘，低温环境运行使各器件寿命更长。整体散热器与特殊均温设计，也让各功率半导体模块获得更好的均温性，杜绝“木桶效应”。

03    系统冗余设计不止一点

93PR 系列 UPS 不仅基于模块化系统架构，对功率模块进行冗余设计，使其可依据负载自动 N+X 冗余，辅助电源的旁路模块、风扇也都采用了冗余设计，降低或避免了关键器件故障带来的停机风险。

04    数字化定义动力可靠性

伊顿 UPS 产品监控与寿命预测平台 PredictPulse，融合伊顿元件寿命建模技术、内置多功能传感技术与云端大数据分析技术等创新应用，可以准确预测风扇、电容、半导体等关键器件寿命，为预测性维护提供数据支撑。

                                  


“双碳”战略下，数据中心正在不断探索对风光绿电的应用，以此提高能源利用效率。伊顿依托在 UPS 领域 60 余年的丰富经验和全球实践，以及在微网控制、电池管理、功率变换等领域深厚的技术底蕴，全力打造的储能型 UPS 产品，聚焦能源需求侧，可满足用户削峰填谷、电能质量治理等不同用能需求，以高可靠性助力数据中心能源变革。