UPS的應用場景日趨多樣化，每個場景都有其獨特的需求，對應不同的方案。本文將聚焦UPS設計方案展開講述。

系統框圖 – 離線式和在線互動式 UPS

系統框圖 – 在線式UPS

拓撲

圖1：在線式 UPS 的雙轉換級

在線式 UPS 是一個具有多級電源轉換的復雜系統。圖1顯示了一個三相系統的原理圖。對于在線式 UPS 系統，效率非常重要，因為在混合模式（也稱為正常模式）下，系統電池在充電的同時需要提供穩定的交流輸出。這也意味著系統必須要能夠承受這個額外的充電電流。

AC/DC 級

輸入交流電壓通過 PFC 級轉換為直流電壓。目前有多種拓撲可供選擇。選擇何種方法取決于功率水平和相數。對于低功率的單相系統，可以使用傳統升壓 PFC。有關 AC/DC 拓撲的更多信息，請參閱揭秘三相功率因數校正 (PFC) 拓撲和電池儲能系統 (BESS) 的 DC-DC 電源轉換拓撲。

圖騰柱是一種廣泛用于高功率應用的 PFC 拓撲，它用有源開關代替二極管來提高效率。圖騰柱可用于單相和三相應用。圖騰柱 PFC 級由快橋臂（以 100 kHz 或更高的頻率切換）和慢橋臂（以市電頻率切換）組成。

對于快橋臂，建議采用新興的 SiC（碳化硅）技術。SiC 提高了功率密度，使系統能夠更快速地切換，并使用更小的無源元件，從而降低整體功耗。它還支持系統在更高的電壓下運行，從而減少導通損耗。安森美 (onsemi) 既提供分立 SiC 器件（MOSFET 和二極管），也提供功率集成模塊 (PIM)。

安森美產品組合中的 IGBT 或 SUPER FET 可用作慢橋臂開關。

最后值得一提的是，Vienna 整流器也是一種受歡迎的三相拓撲。其功率水平最高，因此需要 SiC 技術，包括 SiC 二極管和 SiC MOSFET 或 SiC 功率集成模塊。

DC-DC 電池充電器

雙向電池充電器位于 PFC 級和變頻段之間。雙向操作意味著電流可以雙向流動，充電時流向電池，供電時流向負載。在某些不需要電氣隔離的情況下，可以使用非隔離拓撲。然而，隔離型拓撲更適合高壓應用。最常見的隔離式 DC-DC 轉換器拓撲是 CLLC 諧振轉換器和雙有源橋 (DAB)。雙有源橋效率高，可根據其模式作為整流器或轉換器運行。根據電壓和功率水平，可以使用不同的開關。對于單相系統，可以使用任何 650V 技術，包括 Si、SiC、IGBT。對于三相系統，1200V SiC MOSFET 是理想選擇。

DC-AC 變頻段

逆變器決定了 UPS 系統的輸出性能。為了避免損壞敏感設備，保持正弦波輸出是關鍵。變頻段采用三電平或多電平拓撲來產生高質量的交流輸出。目前，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）因為價格實惠且技術成熟而成為逆變器主開關的首選。

UPS 并不像太陽能逆變器那樣正在經歷快速發展。FGHL40T120RWD 是一款額定電壓為 1200 V 的 IGBT，采用最新的 FS7 技術并搭配 EliteSiC SiC 二極管，可在 I-NPC 逆變器中實現高性能。

半橋配置很常見。柵極驅動器用于安全高效地驅動開關。NCD57200 是一款高壓雙通道柵極驅動器，具有一個非隔離的低邊柵極驅動器和一個電氣隔離的高邊或低邊柵極驅動器。高邊驅動器可以自舉。

PFC 控制器

安森美提供混合信號控制器，無需開發 MCU 軟件。

功率因數控制器 FAN9672/3

2/3 通道交錯式 CCM PFC 控制器

升壓功率因數校正

推薦用于高功率應用

可對頻率和輸出電壓進行編程

先進的安全特性 – 軟啟動、欠壓鎖定、電壓驟降保護

三重故障檢測防止反饋回路故障

圖2：臨界導通模式

圖3：連續導通模式

功率因數控制器 NCP1681

無橋圖騰柱多模式 PFC 控制器

固定頻率 CCM（恒定導通模式），具有恒定導通時間 CrM 和谷底開關頻率折返功能

專有電流檢測方案

專有谷底檢測方案

非常適合高功率多模式應用，最高 1kW，CCM >2.5kW

碳化硅 MOSFET

安森美提供具有不同額定電壓的分立 SiC 二極管和 MOSFET。SiC MOSFET 在較高功率和較高開關頻率下使用時，性能表現最佳。SiC MOSFET 的擊穿電壓為 650V 至 1700V。650V MOSFET 可用于升壓 PFC 級和雙向 DC-DC 轉換器。1200V 和 1700V 產品組合適合圖騰柱 PFC 和三相系統。由于采用特殊的平面設計，安森美的所有 SiC MOSFET 產品系列在整個生命周期內 RDS(ON)、VTH 或二極管正向電壓均無漂移。

SiC MOSFET NTH4L022N120M3S

全新 1200V M3S 系列平面型 SiC MOSFET

經優化，適合在高溫下工作

改善了寄生電容，適合高頻運行

RDS(ON)=22 mΩ @VGS=18 V

超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC

高速開關和低電容(COSS=146 pF)

圖4：NTH4L022N120M3S 在 800V、150°C 時的導通開關性能

碳化硅二極管

與傳統的 Si 二極管相比，SiC 二極管具有更低的反向恢復損耗和更低的功耗，因此可用作整流器來提高效率。安森美產品組合中包括額定電壓為 650V、1200V 和 1700V 的二極管。對于 PFC 升壓應用，650V 二極管即可滿足要求。對于三相 DC/AC 轉換，更高的電壓型號會是理想選擇。

SiC 二極管 FFSD0665B-F085

650V D2 系列 SiC 二極管

可用作升壓 PFC 級的整流器

經優化，適合在高溫下工作

6A 連續電流

雪崩額定值 24.5mJ

無反向恢復

DPAK 封裝

UPS 系統中的功率集成模塊 (PIM)

安森美在工業功率集成模塊 (PIM) 設計領域表現出色，利用 SiC MOSFET 和 IGBT 技術實現 UPS 設計改進，其中包括使用 1200 V SiC 器件的 PFC、DC/DC 和逆變器模塊。能源基礎設施行業正以非常快的速度采用 SiC 功率器件，旨在提高效率或增加功率密度。得益于更低的開關損耗，SiC 功率器件可以實現更高的效率，降低散熱要求，或者實現更高的開關頻率，減小無源元件的尺寸和成本。這些優勢表明 SiC 功率器件的高成本是合理的。

事實證明，在電氣和熱性能及功率密度方面，采用 SiC MOSFET 模塊均展現出明顯優勢。安森美已發布第二代 1200V SiC 模塊，采用 M3S MOSFET 技術，著重于提升開關性能和減少 RDS(ON)*面積。

表1：用于 UPS 的 SiC PIM 模塊

NXH011F120M3F2PTHG 是一款 SiC 1200V 全橋模塊集成一個帶有 HPS DBC 的熱敏電阻，采用 F2 封裝。

M3S MOSFET 技術提供 RDS(ON) 典型值 = 11.3 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的條件下）。

使用 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型生成工具可對采用 SiC 模塊的各種電源拓撲進行仿真。

NXH008T120M3F2PTHG 是基于 1200V M3S 技術的 T 型中性點箝位轉換器 (TNPC) SiC 模塊。

M3S MOSFET 技術提供 RDS(ON) 典型值 = 8.5 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的條件下）。

NXH800H120L7QDSG 是一款額定電壓為 1200V、額定電流為 800A 的 IGBT 半橋功率模塊。PIM11 (QD3) 封裝。

新的場截止溝槽 7 IGBT 技術和第 7 代二極管可提供更低的導通損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現高效率和優異的可靠性。

NTC 熱敏電阻，低電感布局。

圖5：各種安森美模塊封裝

NXH011F120M3F2PTHG 是一款 SiC 1200V 全橋模塊集成一個帶有 HPS DBC 的熱敏電阻，采用 F2 封裝。

M3S MOSFET 技術提供 RDS(ON) 典型值 = 11.3 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的條件下）。

使用 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型生成工具可對采用 SiC 模塊的各種電源拓撲進行仿真。

NXH008T120M3F2PTHG 是基于 1200V M3S 技術的 T 型中性點箝位轉換器 (TNPC) SiC 模塊。

M3S MOSFET 技術提供 RDS(ON) 典型值 = 8.5 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的條件下）。

NXH800H120L7QDSG 是一款額定電壓為 1200V、額定電流為 800A 的 IGBT 半橋功率模塊。PIM11 (QD3) 封裝。

新的場截止溝槽 7 IGBT 技術和第 7 代二極管可提供更低的導通損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現高效率和優異的可靠性。

NTC 熱敏電阻，低電感布局。

表2：用于 UPS 的 IGBT 和混合 PIM 模塊

IGBT

與 Si MOSFET 相比，IGBT 在同等材料厚度下可提供更高的阻斷電壓，因此非常適合高壓應用。IGBT 開關是 DC/AC 逆變器和圖騰柱 PFC 慢橋臂的理想選擇。

圖6：場截止 VII 的導通損耗（VCE=600V 時）

場截止 VII、IGBT、1200V

全新 1200 V 溝槽場截止 VII IGBT 系列

快速開關型，適合高開關頻率應用

改善了寄生電容，適合高頻操作

優化了二極管，實現低 VF 和軟度

IGBT FGY4L140T120SWD

FS7 系列 1200V、140A IGBT

TO247-4 封裝具有較低的 Eon，可支持更高的開關頻率和功率

高壓超級結 (SJ) MOSFET

硅高壓技術

成本更低，在功率要求較低的應用中可替代 SiC

可在各種高壓應用（升壓 PFC、DC-DC 轉換和 DC-AC 級）中用作開關，在較高功率下損耗較大

安森美 SUPERFET V (600V) 和 SUPERFET III (650V) 系列的 FAST 版本非常適合快速切換應用

提供多種封裝

MOSFET NTHL041N60S5H

單 N 溝道，SUPERFET V，600V，57A，41mΩ

TO-247 封裝

PD 高達 329W

Rg @1MHz 0.6Ω

MOSFET dV/dt 120 V/ns

圖7：TO247-3 和 TO247-4 封裝的場截止 VII 開關損耗比較

圖8：NTHL041N605SH 與競爭產品的總開關損耗比較

為功率開關搭配柵極驅動器

功率 MOSFET 是一種電壓控制器件，用作開關元件。為了操作 MOSFET，通常須將一個電壓施加于柵極（相對于器件的源極或發射極）。使用專用驅動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動電流。

之所以需要使用柵極驅動器，是因為控制電路在低電壓下工作，無法提供足夠的功率來快速安全地為 MOSFET 柵極充電。圖 9 顯示了控制各類開關所需的電壓水平。柵極驅動器用于導通和關斷功率器件。

圖9：MOSFET 和 IGBT 的驅動

在圖9中，可以看到 SiC MOSFET 驅動的一個有趣特性：負柵極偏壓電源。為柵極提供負電壓有兩個重要原因。

如果關斷 MOSFET，在關斷序列結束時，VGS（柵源電壓）通常為 0V，可能會出現過度振鈴。這是由非常高的 dV/dt 引起的，并且會因寄生電容而加劇，產生感應沖擊。這種感應沖擊可能會在 MOSFET 應該已經關斷的時候造成其意外導通，導致半橋內電路短路并損壞 MOSFET。如果將 VGS 降低至負電壓，則會產生額外的裕量，發生感應沖擊的可能性就會減小。

此外，將關斷電壓降低至 0V 以下可以減少開關損耗。如圖 10 所示，當驅動安森美的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 時，開關損耗可減少多達 100uJ，從而使 EOFF 損耗減少 25%。更多信息可參閱 安森美 EliteSiC 第二代 1200V SiC MOSFET M3S 系列應用手冊。

圖 10：負柵極偏壓與開關損耗的關系

SiC 柵極驅動器產品組合如表3 所示，列出了產品的最大工作電壓、拉/灌電流和通道數。隔離式 IGBT 柵極驅動器產品組合及其特性、額定電壓和拉/灌電流如表4所示。

表3：安森美 SiC 柵極驅動器產品組合

表4：安森美 IGBT 柵極驅動器產品組合

柵極驅動器 NCD57080

隔離式高電流柵極驅動器

高電流峰值輸出 (6.5 A/6.5 A)

欠壓鎖定，有源米勒箝位

3.75 kV 電氣隔離，CMTI≥100 V/ns

傳播延遲典型值 60 ns

單通道

SOIC-8 封裝

柵極驅動器 NCP51752

適用于 SiC 器件的柵極驅動器

4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

30V 輸出擺幅

36 ns 傳播延遲，延遲匹配最大值 5 ns

3.75 kV 電氣隔離，CMTI≥200 V/ns

單通道

集成負偏壓產生功能 - 簡化驅動并節省系統成本

SOIC-8 封裝

通常采用穩壓器和 LDO 來提供穩定的低電壓。在要求電路簡單、低成本和低工作電流的設計中，LDO 是首選。雖然開關模式穩壓器能提高效率、降低功耗，但在大多數情況下，其設計更為復雜，而且更昂貴。

NCP730 是一款 CMOS LDO 穩壓器，具有超低靜態電流（典型值 1 μA）、快速瞬態響應和寬輸入范圍 (2.7 V – 38 V)。提供固定和可調電壓兩種版本。

對于 UPS 及任何其他電源應用，確保低壓系統安全運行非常重要。在具有裸露連接器的系統中，包括對工業 UPS 至關重要的 CAN 總線接口，可能會發生 ESD。在安裝和維護期間，此類接口可能會暴露出來。這些模塊上可能會積聚過多的電荷，當將電纜連接到帶 CAN 收發器的控制模塊時，過多的電荷可能會從電纜流入模塊，然后流入 CAN 收發器，最大放電電壓可達 30 kV，可能會損壞系統。穩健的系統級保護是安森美產品具有的突出特性之一。

NUP2105L 旨在保護高速和容錯網絡中的 CAN 收發器，使其免受 ESD 和其他有害瞬態電壓事件的影響。它為系統設計人員提供了一種低成本選擇，可提高系統可靠性并滿足嚴格的 EMI 要求，包括 IEC 61000-4-2、4 級、30 kV。