【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UPSshejidegezhongyaoqiu，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。

按工作原理
，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、成本低，在輸入沒有異常的情況下，能效高
，但存在切換時間長，激活電池供電的情況多，輸出精度低。

所以目前針對數據中心等大功率UPS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2dianpingtuopunengxiaogenggao
，zaiedinggonglvxia
，genggaonengxiaoyiweizhegengxiaodesanreqihegenghaodekekaoxing，zuiguanjiandeshidianpingshudezengjiashidedianyashuchugengjiejinzhengxianbo
，danfuzadekongzhisuanfa、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的采購和供應鏈變得簡單，縮短了產品投入市場的時間。

而且從係統集成的角度來分析，模塊的高成本是可以被其他優點攤薄的
，例如簡化生產流程和PCBdesheji，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。

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