从分立器件到集成模块，安森美全链路提升UPS功率密度与效率
作者：安森美
20 世纪不间断电源（UPS）刚问世时，其唯一用途是在停电时提供应急供电，而高昂的成本限制了它的应用范围。如今，随着电力电子技术的持续发展，UPS 已能够高效优化电能质量、过滤线路噪声、抑制电压浪涌，并可在任意场景下按需提供更长时间的备用电源。在低碳社会背景下，低能耗、高可靠性、小占地面积已成为 UPS 的新发展方向。
不间断电源（UPS）能够保护所连接的设备免受电力问题影响，并在停电时提供电池备用供电。此外，它还能避免昂贵设备受损、数据丢失及停机情况的发生；根据型号不同，部分 UPS 还可应对电压异常问题。输出容量是 UPS 的核心性能指标之一，指连接负载可从 UPS 系统获取的最大电力，单位以伏安（VA）表示。
框图 – 在线式 UPS
下面的框图展示了由 安森美 (onsemi) 打造的在线式不间断电源 (UPS) 方案，通过将输入交流电 (AC) 转换为直流电(DC) ，再将直流电逆变为交流电的方式提供持续电力，确保实现稳定且不间断的供电。 安森美可提供品类丰富的产品，包括碳化硅 (SiC) 分立器件、 IGBT 分立器件、功率模块、隔离型栅极驱动器及电源管理控制器，助力系统实现更高的功率密度与效率。
分立式 UPS 方案
碳化硅 (SiC) JFET 产品组合
安森美的全新 EliteSiC 系列 JFET 产品组合具备出色的开关速度与极低的单位面积导通电阻（ RDS(ON)x 面积） ， 可显著提升 UPS 系统的效率， 并降低热损耗。 此外， SiC JFET 还能提升静态开关的性能与可靠性， 是静态开关应用的理想选择。
SiC Combo JFET
关键特性：
- • 1 个封装内含 2 颗芯片 → Combo JFET
- • 可分别接入 MOSFET 与 JFET 的栅极 → 实现更优的开关电压变化率 (dV/dt) 控制
- • 超低 RDS(ON)、高脉冲电流
- • 1200V ， RDS(ON)≤10mΩ
- • 750V ， RDS(ON)… 5mΩ -10mΩ
- • 目标应用：固态断路器、隔离开关
SiC Cascode JFET关键特性：
- • Cascode 结构共封装 2 颗芯片
- • 兼容拾取贴装工艺，可直接替换标准常关型MOSFET
- • 超低RDS(ON)、高脉冲电流
- • 1700V ， RDS(ON)… 410mΩ
- • 1200V ， RDS(ON)… 9mΩ - 410mΩ
- • 750V ， RDS(ON)… 5.4mΩ - 58mΩ
- • 目标应用：电源、逆变器、车载充电器、 DC -DC 转换器
IGBT 分立器件
与 Si MOSFET 相比， IGBT 在同等材料厚度下可提供更高的阻断电压， 因此非常适合高压应用。 IGBT 开关是 DC/AC逆变器和图腾柱 PFC 慢桥臂的理想选择。
场截止 VII、 IGBT 、 1200V
- • 全新 1200 V 沟槽场截止 VII IGBT 系列
- • 快速开关型，适合高开关频率应用
- • 改善了寄生电容，适合高频操作
- • 优化了二极管，实现低 VF 和软度
图 1：场截止 VII 的导通损耗 (V CE=600V)
图 2： TO247 -3 和 TO247 -4 封装的场截止 VII 开关损耗比较
IGBT FGY4L140T120SWD
- • FS7 系列 1200V 、 140A IGBT
- • TO247 -4 封装具有较低的 Eon，可支持更高的开关频率和功率
UPS 系统中的功率集成模块 (PIM)
安森美在工业功率集成模块 (PIM) 设计领域表现出色， 利用 SiC MOSFET 和 IGBT 技术实现 UPS 设计改进， 其中包括使用 1200 V SiC 器件的 PFC 、 DC/DC 和逆变器模块。 能源基础设施行业以非常快的速度采用了 SiC 功率器件， 旨在提高效率或增加功率密度。 得益于更低的开关损耗， SiC 功率器件可以实现更高的效率， 降低散热要求， 或者实现更高的开关频率， 减小无源元件的尺寸和成本， 从而弥补 SiC 功率器件成本较高的缺点。
事实证明 ， 在电气和热性能及功率密度方面 ， 采用 SiC MOSFET 模块均展现出明显优势 。 安森美已发布第二代1200 V SiC 模块， 采用 M3S MOSFET 技术， 着重于提升开关性能和减少 RDS(ON) * 面积。
表 1：用于 UPS 的 SiC PIM 模块
全 SiC PIM NXH011F120M3F2PTHG
SiC 1200 V 全桥模块还包含一个带有 HPS DBC 的热敏电阻， 采用 F2 封装。
- • M3S MOSFET 技术提供 RDS(ON) 典型值 = 11.3mΩ（ 在 VGS = 18V、 ID = 100 A 条件下）
- • 使用 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型生成工具可对采用 SiC 模块的各种电源拓扑进行仿真。
全 SiC PIM NXH008T120M3F2PTHG
基于 1200 V M3S 技术的 T 型中性点箝位转换器(TNPC) SiC 模块
- • M3S MOSFET 技术提供 RDS(ON) 典型值 = 8.5 mΩ（在 VGS = 18V 、 ID = 100A 条件下）
IGBT PIM NXH 800 H 120 L 7QDSG
额定电压为 1200 V、 额定电流为 800 A 的 IGBT 半桥功率模块， 采用 PIM11 (QD 3) 封装
- • 新的场截止沟槽 7 IGBT 技术和第 7 代二极管可提供更低的导通损耗和开关损耗，使设计人员能够实现高效率和优异的可靠性
- • NTC 热敏电阻，低电感布局
图 3：各种安森美模块封装
表 2：用于 UPS 的 IGBT 和混合 PIM 模块
