安森美豐富的SiC方案解決新一代UPS的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著云計(jì)算、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、5G應(yīng)用和大型設(shè)備的不斷發(fā)展，市場對(duì)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(fā)展，設(shè)計(jì)人員面臨如何在性能、能效、尺寸、成本、控制難度之間權(quán)衡取舍的挑戰(zhàn)，安森美(onsemi)基于新一代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)的方案，有助于變革性地優(yōu)化UPS設(shè)計(jì)。

安森美是領(lǐng)先的智能電源方案供應(yīng)商之一，也是全球少數(shù)能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應(yīng)商，提供先進(jìn)的SiC、SiC/Si 混合和 IGBT 模塊技術(shù)，以及廣泛的分立器件、門極驅(qū)動(dòng)器等周邊器件，滿足低、中、高功率UPS 設(shè)計(jì)的各種要求，加之技術(shù)團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用支援，幫助設(shè)計(jì)人員解決上述挑戰(zhàn)，滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代不斷增長的需求。本文重點(diǎn)介紹安森美應(yīng)用于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(chǎn)品)

在線式UPS更適合大功率應(yīng)用場景

UPS系統(tǒng)廣泛用于保護(hù)從電信和數(shù)據(jù)中心到各種工業(yè)設(shè)施等各種應(yīng)用中的關(guān)鍵組件的電源，提供過濾功能和補(bǔ)償電網(wǎng)的短期停電，確保可靠的電壓供應(yīng)。按工作原理，UPS分為離線式UPS、在線互動(dòng)式UPS和在線式UPS。離線式UPS和在線互動(dòng)式UPS結(jié)構(gòu)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(shí)間長，激活電池供電的情況多，輸出精度低。所以目前針對(duì)數(shù)據(jù)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(fù)載的全部功率均由逆變器給出，所以沒有間斷，輸出質(zhì)量高，經(jīng)過高頻脈寬調(diào)制(PWM)后，整體波形總諧波失真(THD)小，頻率波動(dòng)小，但價(jià)格高，控制復(fù)雜。

新一代UPS的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和考量

為了應(yīng)對(duì)持續(xù)增長的電能保護(hù)需求，新一代UPS需具有以下特點(diǎn)：

·       超過98%的高能效，高功率密度，功率因數(shù)>0.99，無變壓器設(shè)計(jì)

·       更高的輸出功率：大型數(shù)據(jù)中心對(duì)UPS要求很高，一臺(tái)3相輸出的UPS的母線電壓是800 V。模塊化UPS可拓展、高冗余，通過連接多個(gè)產(chǎn)品能達(dá)到100 kVA更大輸出功率，以應(yīng)對(duì)大型數(shù)據(jù)中心的需求

·       0切換時(shí)間：相較離線式UPS的2到10 ms切換時(shí)間，在線式UPS具有0切換時(shí)間，以應(yīng)對(duì)各種情況下的緊急問題

·       具有調(diào)節(jié)輸入電壓和優(yōu)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(shí)間，節(jié)省成本

·       優(yōu)秀的散熱能力，減少本身由散熱器帶來的重量和成本，同時(shí)有能力在受限的空間里增加額外的功率模塊

為了實(shí)現(xiàn)這些特性，我們需要權(quán)衡考慮以下因素：

·       控制總擁有成本(TCO, Total Cost of Ownership)，包括生產(chǎn)成本、運(yùn)輸安裝和后期維護(hù)的成本，以及存放設(shè)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(fēng)扇所占的空間和重量。

·       UPS的可拓展化，模塊化UPS的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)就是可拓展，當(dāng)需要增加容量時(shí)，只需要添加一個(gè)電源模塊，一個(gè)模塊尺寸重量較小，即使一個(gè)人也可以完成安裝，大大減少了成本。

·       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(zhì)量問題，減少電池使用頻率，同時(shí)其高頻逆變器能夠輸出高質(zhì)量高效率的正弦信號(hào)為負(fù)載供電。

·       拓?fù)鋵?duì)系統(tǒng)性能和能效的影響，3電平拓?fù)浔?電平拓?fù)淠苄Ц?，在額定功率下，更高能效意味著更小的散熱器和更好的可靠性，最關(guān)鍵的是電平數(shù)的增加使得電壓輸出更接近正弦波，但復(fù)雜的控制算法、更多的器件以及開關(guān)管數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致成本增加，設(shè)計(jì)人員需要在性能和價(jià)格之間權(quán)衡取舍。

·       使用SiC作為開關(guān)器件。

安森美用于UPS的SiC方案：陣容廣，性能優(yōu)

由于SiC具有更高的耐壓能力、更低的損耗以及更高的導(dǎo)熱率，可賦能UPS設(shè)計(jì)更高的功率密度和優(yōu)化的系統(tǒng)成本，較低的系統(tǒng)損耗和更高的系統(tǒng)能效。安森美在SiC領(lǐng)域有著深厚的歷史積淀，垂直整合模式確?？煽康钠焚|(zhì)和供應(yīng)。

圖2：安森美SiC的領(lǐng)先地位

安森美的SiC MOSFET和SiC二極管產(chǎn)品線非常豐富，包含各種電壓等級(jí)。SiC  MOSFET從650 V到1200 V，并且即將發(fā)布1700 V的產(chǎn)品，SiC二極管則是從650 V到1700 V都具備。對(duì)于UPS來說，SiC  MOSFET主要選擇Rdson更小的產(chǎn)品。如安森美適用于UPS的1200 V M3S SiC MOSFET比領(lǐng)先行業(yè)的競爭對(duì)手減少達(dá)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(yōu)

安森美目前主推的4-pin SiC MOSFET，相比3-pin的產(chǎn)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(guān)速度，從而降低導(dǎo)通損耗。

隨著UPS的單元功率逐漸增加，也會(huì)有更多的設(shè)計(jì)人員考慮模塊產(chǎn)品，將許多不同功能、大小的晶圓如IGBT、二極管封裝在一個(gè)模塊里，可減小由于單管引腳帶來的雜散電感，降低器件在快速關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓應(yīng)力，減少生產(chǎn)流程的工序，提高產(chǎn)線效率，減輕了電氣和結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)人員的工作量，避免了因?yàn)閱喂芄に噺?fù)雜造成的產(chǎn)品不良率，也讓BOM的采購和供應(yīng)鏈變得簡單，縮短了產(chǎn)品投入市場的時(shí)間。而且從系統(tǒng)集成的角度來分析，模塊的高成本是可以被其他優(yōu)點(diǎn)攤薄的，例如簡化生產(chǎn)流程和PCB的設(shè)計(jì)，高功率密度，較低的散熱系統(tǒng)成本，簡單的絕緣設(shè)計(jì)等。由于組裝模塊時(shí)的晶片都來自同一片晶圓上相鄰的器件，晶片的一致性更高，這有利于晶片并聯(lián)均流，增加了系統(tǒng)的長期運(yùn)行可靠性。

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(cè)溫電阻， Rdson非常低。它具有2種封裝，F(xiàn)2封裝NXH006P120MNF2的尺寸是F1 封裝NXH010P120MNF1的一倍，更適合大功率的產(chǎn)品。同時(shí)，尺寸更大的die能改減少熱阻，增加可經(jīng)過的電流。安森美的900 V M2 SiC MOSFET 維也納模塊NXH020U90MNF2由兩個(gè)900 V開關(guān)和2個(gè)1200 V SiC二極管組成，維也納拓?fù)涑Ｓ糜赑FC，相比其它的3電平方案，維也納拓?fù)渚哂衅骷?，控制簡單的特點(diǎn)。

除此之外，安森美的多通道SiC boost模塊系列如下表，可用于電池充放電部分。

不同模塊的損耗對(duì)比

我們?cè)谝粋€(gè)boost升壓電路對(duì)不同模塊進(jìn)行了對(duì)比，SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗比IGBT混合模塊低1到2倍，其關(guān)斷損耗Eoff低5倍以上。這對(duì)提高系統(tǒng)開關(guān)頻率，降低損耗意義很大。若在相同的開關(guān)頻率下，全SiC模塊較混合模塊的溫升和損耗更低，允許使用更小更經(jīng)濟(jì)的散熱器，或者說散熱條件一樣時(shí)可以輸出更高的功率。換一種評(píng)估方式，假設(shè)每路輸出功率10 kW，隨著開關(guān)頻率的增加，由于較大的開關(guān)損耗，IGBT的結(jié)溫和損耗遠(yuǎn)高于SiC MOSFET，因而全SiC 模塊在減小電感值、電感尺寸和重量方面有巨大優(yōu)勢(shì)。

圖4. 不同模塊的損耗對(duì)比

總結(jié)

SiC有助于變革性地優(yōu)化UPS設(shè)計(jì)，滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代UPS小型化、高容量化、高效化的要求。安森美在SiC領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，是世界上少數(shù)能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應(yīng)商之一，為UPS提供多種電壓等級(jí)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(duì)SiC優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)器、傳感、隔離和保護(hù)IC等周邊器件和應(yīng)用支援，幫助設(shè)計(jì)人員在性能、能效、尺寸、成本、控制難度之間做出最佳的權(quán)衡取舍。