【導讀】隨著雲計算

、超大規模數據中心
、5G應用和大型設備的不斷發展
，市場對不間斷電源 (UPS)的需求保持高位
，且正在往小型化
、高容量化、高效化發展
，設計人員麵臨如何在性能、能效、尺寸、成本、控製難度之間權衡取舍的挑戰，安森美(onsemi)基於新一代半導體材料碳化矽(SiC)的方案，有助於變革性地優化UPS設計。

安森美是領先的智能電源方案供應商之一，也是全球少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商，提供先進的SiC、SiC/Si 混合和 IGBT 模塊技術

，以及廣泛的分立器件、門極驅動器等周邊器件，滿足低

、中、高功率UPS 設(she)計(ji)的(de)各(ge)種(zhong)要(yao)求(qiu)，加(jia)之(zhi)技(ji)術(shu)團(tuan)隊(dui)的(de)應(ying)用(yong)支(zhi)援(yuan)，幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)解(jie)決(jue)上(shang)述(shu)挑(tiao)戰(zhan)
，滿(man)足(zu)大(da)數(shu)據(ju)時(shi)代(dai)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)需(xu)求(qiu)。本(ben)文(wen)重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)安(an)森(sen)美(mei)應(ying)用(yong)於(yu)UPS的SiC方案。

圖1：在線式UPS典型框圖(橙色代表安森美能提供的產品)

在線式UPS更適合大功率應用場景

UPS係xi統tong廣guang泛fan用yong於yu保bao護hu從cong電dian信xin和he數shu據ju中zhong心xin到dao各ge種zhong工gong業ye設she施shi等deng各ge種zhong應ying用yong中zhong的de關guan鍵jian組zu件jian的de電dian源yuan，提ti供gong過guo濾lv功gong能neng和he補bu償chang電dian網wang的de短duan期qi停ting電dian，確que保bao可ke靠kao的de電dian壓ya供gong應ying。按an工gong作zuo原yuan理li
，UPS分為離線式UPS、在線互動式UPS和在線式UPS。離線式UPS和在線互動式UPS結構簡單
、成cheng本ben低di，在zai輸shu入ru沒mei有you異yi常chang的de情qing況kuang下xia，能neng效xiao高gao
，但dan存cun在zai切qie換huan時shi間jian長chang，激ji活huo電dian池chi供gong電dian的de情qing況kuang多duo，輸shu出chu精jing度du低di。所suo以yi目mu前qian針zhen對dui數shu據ju中zhong心xin等deng大da功gong率lvUPS需求的場所，在線式UPS是最常用的，在線式UPS也稱為雙變換式UPS
，無論市電是否正常，負載的全部功率均由逆變器給出，所以沒有間斷
，輸出質量高，經過高頻脈寬調製(PWM)後，整體波形總諧波失真(THD)小，頻率波動小，但價格高，控製複雜。

新一代UPS的設計挑戰和考量

為了應對持續增長的電能保護需求，新一代UPS需具有以下特點：

●    超過98%的高能效，高功率密度，功率因數>0.99，無變壓器設計

●    更高的輸出功率：大型數據中心對UPS要求很高
，一台3相輸出的UPS的母線電壓是800 V。模塊化UPS可拓展
、高冗餘，通過連接多個產品能達到100 kVA更大輸出功率，以應對大型數據中心的需求

●    0切換時間：相較離線式UPS的2到10 ms切換時間，在線式UPS具有0切換時間，以應對各種情況下的緊急問題

●    具有調節輸入電壓和優化輸出電壓的能力，以減少電池的使用頻率，從而增加使用時間，節省成本

●    優秀的散熱能力
，減少本身由散熱器帶來的重量和成本
，同時有能力在受限的空間裏增加額外的功率模塊

為了實現這些特性，我們需要權衡考慮以下因素：

●    控製總擁有成本(TCO, Total Cost of Ownership)
，包括生產成本、運輸安裝和後期維護的成本，以及存放設備的空間成本等。需要去考慮如何減小散熱片、電感和電解電容以及風扇所占的空間和重量。

●    UPS的可拓展化，模塊化UPSdeyigejudayoushijiushiketuozhan
，dangxuyaozengjiarongliangshi，zhixuyaotianjiayigedianyuanmokuai，yigemokuaichicunzhongliangjiaoxiao
，jishiyigerenyekeyiwanchenganzhuang，dadajianshaolechengben。

●    采用在線式UPS，在線式UPS相比其它種類的UPS能夠處理更多輸入電能質量問題，減少電池使用頻率
，同時其高頻逆變器能夠輸出高質量高效率的正弦信號為負載供電。

●    拓撲對係統性能和能效的影響，3電平拓撲比2電(dian)平(ping)拓(tuo)撲(pu)能(neng)效(xiao)更(geng)高(gao)，在(zai)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)下(xia)
，更(geng)高(gao)能(neng)效(xiao)意(yi)味(wei)著(zhe)更(geng)小(xiao)的(de)散(san)熱(re)器(qi)和(he)更(geng)好(hao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，最(zui)關(guan)鍵(jian)的(de)是(shi)電(dian)平(ping)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)使(shi)得(de)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)更(geng)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)，但(dan)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)、更多的器件以及開關管數量增加會導致成本增加，設計人員需要在性能和價格之間權衡取舍。

●    使用SiC作為開關器件。

安森美用於UPS的SiC方案：陣容廣，性能優

由於SiC具有更高的耐壓能力、更低的損耗以及更高的導熱率
，可賦能UPS設計更高的功率密度和優化的係統成本，較低的係統損耗和更高的係統能效。安森美在SiC領域有著深厚的曆史積澱
，垂直整合模式確保可靠的品質和供應。

圖2：安森美SiC的領先地位

安森美的SiC MOSFET和SiC二極管產品線非常豐富
，包含各種電壓等級。SiC  MOSFET從650 V到1200 V，並且即將發布1700 V的產品

，SiC二極管則是從650 V到1700 V都具備。對於UPS來說

，SiC  MOSFET主要選擇Rdson更小的產品。如安森美適用於UPS的1200 V M3S SiC MOSFET比領先行業的競爭對手減少達20%的功率損耗
，原因是其使用更大尺寸的晶片(die)，從而減少Rdson。

圖3：安森美的SiC方案陣容廣

，性能優

安森美目前主推的4-pin SiC MOSFET
，相比3-pin的產品，額外的一根開爾文引腳(Kelvin Source)可消除源極引腳上的寄生電感，可提供更快的開關速度，從而降低導通損耗。

隨著UPS的單元功率逐漸增加，也會有更多的設計人員考慮模塊產品，將許多不同功能
、大小的晶圓如IGBT、二er極ji管guan封feng裝zhuang在zai一yi個ge模mo塊kuai裏li，可ke減jian小xiao由you於yu單dan管guan引yin腳jiao帶dai來lai的de雜za散san電dian感gan，降jiang低di器qi件jian在zai快kuai速su關guan斷duan時shi產chan生sheng的de電dian壓ya應ying力li，減jian少shao生sheng產chan流liu程cheng的de工gong序xu，提ti高gao產chan線xian效xiao率lv，減jian輕qing了le電dian氣qi和he結jie構gou研yan發fa設she計ji人ren員yuan的de工gong作zuo量liang
，避bi免mian了le因yin為wei單dan管guan工gong藝yi複fu雜za造zao成cheng的de產chan品pin不bu良liang率lv，也ye讓rangBOM的de采cai購gou和he供gong應ying鏈lian變bian得de簡jian單dan，縮suo短duan了le產chan品pin投tou入ru市shi場chang的de時shi間jian。而er且qie從cong係xi統tong集ji成cheng的de角jiao度du來lai分fen析xi
，模mo塊kuai的de高gao成cheng本ben是shi可ke以yi被bei其qi他ta優you點dian攤tan薄bo的de，例li如ru簡jian化hua生sheng產chan流liu程cheng和hePCB的(de)設(she)計(ji)，高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，較(jiao)低(di)的(de)散(san)熱(re)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)，簡(jian)單(dan)的(de)絕(jue)緣(yuan)設(she)計(ji)等(deng)。由(you)於(yu)組(zu)裝(zhuang)模(mo)塊(kuai)時(shi)的(de)晶(jing)片(pian)都(dou)來(lai)自(zi)同(tong)一(yi)片(pian)晶(jing)圓(yuan)上(shang)相(xiang)鄰(lin)的(de)器(qi)件(jian)，晶(jing)片(pian)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)更(geng)高(gao)
，這(zhe)有(you)利(li)於(yu)晶(jing)片(pian)並(bing)聯(lian)均(jun)流(liu)，增(zeng)加(jia)了(le)係(xi)統(tong)的(de)長(chang)期(qi)運(yun)行(xing)可(ke)靠(kao)性(xing)。

安森美的半橋1200 V SiC MOSFET 2-PACK模塊，含有2顆1200 V M1 SiC MOSFET，和一顆熱敏測溫電阻， Rdson非常低。它具有2種封裝
，F2封裝NXH006P120MNF2的尺寸是F1 封裝NXH010P120MNF1的一倍
，更適合大功率的產品。同時
，尺寸更大的die能改減少熱阻，增加可經過的電流。安森美的900 V M2 SiC MOSFET 維也納模塊NXH020U90MNF2由兩個900 V開關和2個1200 V SiC二極管組成，維也納拓撲常用於PFC
，相比其它的3電平方案，維也納拓撲具有器件少
，控製簡單的特點。

除此之外，安森美的多通道SiC boost模塊係列如下表，可用於電池充放電部分。

不同模塊的損耗對比

我們在一個boost升壓電路對不同模塊進行了對比，SiC MOSFET的導通損耗比IGBT混合模塊低1到2倍
，其關斷損耗Eoff低5倍以上。這對提高係統開關頻率，降低損耗意義很大。若在相同的開關頻率下，全SiCmokuaijiaohunhemokuaidewenshenghesunhaogengdi

，yunxushiyonggengxiaogengjingjidesanreqi，huozheshuosanretiaojianyiyangshikeyishuchugenggaodegonglv。huanyizhongpinggufangshi，jiashemeilushuchugonglv10 kW

，隨著開關頻率的增加

，由於較大的開關損耗，IGBT的結溫和損耗遠高於SiC MOSFET
，因而全SiC 模塊在減小電感值、電感尺寸和重量方麵有巨大優勢。

圖4. 不同模塊的損耗對比

總結

SiC有助於變革性地優化UPS設計，滿足大數據時代UPS小型化、高容量化、高效化的要求。安森美在SiC領域處於領先地位，是世界上少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商之一，為UPS提供多種電壓等級的高能效、高性能SiC MOSFET
、SiC二極管、全SiC模塊和混合SiC模塊，配合安森美針對SiC優化的門極驅動器、傳感、隔離和保護IC等周邊器件和應用支援，幫助設計人員在性能、能效
、尺寸

、成本、控製難度之間做出最佳的權衡取舍。更多的UPS方案，請點擊這裏查看。

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