【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 shejidegezhongyaoqiu，jiazhijishutuanduideyingyongzhiyuan，bangzhushejirenyuanjiejueshangshutiaozhan，manzudashujushidaibuduanzengchangdexuqiu。benwenzhongdianjieshaoansenmeiyingyongyuUPS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
、chengbendi
，zaishurumeiyouyichangdeqingkuangxia，nengxiaogao
，dancunzaiqiehuanshijianchang
，jihuodianchigongdiandeqingkuangduo，shuchujingdudi。suoyimuqianzhenduishujuzhongxindengdagonglvUPS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UPS的de一yi個ge巨ju大da優you勢shi就jiu是shi可ke拓tuo展zhan
，當dang需xu要yao增zeng加jia容rong量liang時shi
，隻zhi需xu要yao添tian加jia一yi個ge電dian源yuan模mo塊kuai
，一yi個ge模mo塊kuai尺chi寸cun重zhong量liang較jiao小xiao

，即ji使shi一yi個ge人ren也ye可ke以yi完wan成cheng安an裝zhuang，大da大da減jian少shao了le成cheng本ben。

●    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、erjiguanfengzhuangzaiyigemokuaili，kejianxiaoyouyudanguanyinjiaodailaidezasandiangan，jiangdiqijianzaikuaisuguanduanshichanshengdedianyayingli，jianshaoshengchanliuchengdegongxu，tigaochanxianxiaolv
，jianqingledianqihejiegouyanfashejirenyuandegongzuoliang，bimianleyinweidanguangongyifuzazaochengdechanpinbulianglv，yerangBOM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hePCBdesheji，gaogonglvmidu
，jiaodidesanrexitongchengben
，jiandandejueyuanshejideng。youyuzuzhuangmokuaishidejingpiandoulaizitongyipianjingyuanshangxianglindeqijian，jingpiandeyizhixinggenggao
，zheyouliyujingpianbinglianjunliu，zengjialexitongdechangqiyunxingkekaoxing。

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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