作者：安森美Hunter Freberg
 
许多交流电源供电的关键应用均配有不间断电源 (UPS)，以便在完全断电时 UPS 能够作为临时电源，确保供电电压保持在规格范围内，这对于负载容易受电源电压突降或波动影响的情况尤为重要。
UPS 有两种类型：在线式和离线式。在线式 UPS 是首选方法，因为它能够在需要时从电网供电无缝切换到电池供电。此类 UPS 从电网接收输入功率，并将输出供应给负载，通常是数据中心中的服务器或工厂生产线上的关键设备。


图 1：离线式 UPS 和在线式 UPS 原理图

在 UPS 内部结构中，首先是使用 AC-DC 转换器将输入的交流电压转换为直流电压。然后将该电压馈入 UPS 内部电池，确保持续充电，以便在停电时提供尽可能长的运行时间。然后，使用 DC-AC 转换器将电池电压转换回交流电，以提供与电网电压相同的电压来为负载供电。由于电池始终连接或在线，此类 UPS 被称为在线式 UPS。
在停电的情况下，电池为逆变器供电，当电池保持充电状态时，输出交流电压仍然存在，使负载能够继续运行和/或有序关闭。它还能消除电网尖峰和电压/频率波动，确保负载电压保持在规格范围内。
在线式 UPS 的主要优点是反应快速，因为电池可以快速连接到输出端。然而，实现这一优点的代价是需要从交流电转换为直流电，再转换为交流电的双重转换。由于效率永远无法达到 100%，在线式 UPS 浪费的能源略高于离线式 UPS。不过这只是一个小问题，目前在线式 UPS 技术仍然更为普及。


图 2：在线式 UPS 原理图

根据设计和负载的需求，UPS 可设计为单相或三相。在三相设计中，通常使用一种称为 Vienna 整流器的拓扑，作为将直流馈送到电池的输入 (AC-DC) 级。在输入滤波器之后，输入电压的每个相位在进入 Vienna 整流器之前都要经过电感器。
整流器输出为约 800V 的直流母线，基于典型的三相电压电平，为每个直流母线电容提供了约 400V 电压。
直流母线电容中储存的能量不仅能为电池充电，还能驱动输出级，通常是中性点箝位 (NPC) T 型转换器。存在电网电压的情况下，可直接从电网电压中补充电容能量。电网故障的情况下，将通过电池提供该能量，确保 T 型 NPC 能够继续向负载提供交流电。


图 3：典型 Vienna 整流器原理图

典型的三相 Vienna 整流器由十二个功率器件组成，包括六个二极管和六个 IGBT。为获得性能优势，碳化硅 (SiC) 通常与二极管和 IGBT 搭配使用，其电压额定值分别为 1200V 和 650V。当需要进行 IGBT 优化以实现低 V_CE，并且有中速或高速选项供选择时，通常会优先选择中速选项，因为在该拓扑中，开关损耗和导通损耗都对中央开关非常重要。安森美 (onsemi) 提供基于此类拓扑的多种功率模块，相比分立设计可简化开发并提高性能。
 


图 4：使用 IGBT 的 T 型 NPC

三相 T 型 NPC 也使用了十二个器件，但全部为 IGBT。背靠背器件的额定电压为 650V。连接 DC+ 和 DC- 的 IGBT 为 1200V。总共有十二个器件。
 
使用碳化硅降低损耗
如前所述，在线式 UPS 采用双重转换原理实现了在线式拓扑的正常运作，但会带来额外的损耗。由于损耗会产生热量，可能需要更强大的暖通空调系统以保持室内温度，因此问题变得更加复杂。这将产生购买暖通空调系统的资本成本，额外空间及更大的暖通空调系统的运营成本，以及 UPS 损失的能量成本。
如果能够缩减 UPS 的尺寸，就能使数据中心运营商从中受益，因为可以将节省的空间用于放置能够创收的服务器。
减少损耗还能降低运营成本，通常可以缩小方案规模，因为低损耗可以提高功率密度。由于通常碳化硅 (SiC) 等宽禁带 (WBG) 材料具有更好的性能和更低的损耗，采用这种技术将提高 UPS 的效率。它们在轻载下效率更高，因为串联电阻较低，并且不像 IGBT 那样有反向并联二极管或固定压降。
在确定 IT 系统规模（包括将 UPS 用于 IT 系统）时，其中一个挑战是负载的动态特性。在用户浏览网页或撰写文档时，计算机能耗明显少于用户进行机器学习或运行细节丰富的模拟时的能耗。由于 SiC 提供了更高的效率，所以无论负载水平如何，动态负载是 SiC 迅速成为首选技术的另一个原因。
SiC 器件能够在较高的开关频率下保持效率，部分原因是由于栅极电荷 (Q_g) 较低。效果之一是减小了无功组件的尺寸，从而显著减小了 UPS 的整体尺寸。
 

图 5：使用 SiC 器件的 UPS 采用了每相半桥设计
 


图 6：SiC 六开关转换器

使用 SiC 的另一个好处是能够将输入和输出（AC-DC 和 DC-AC）级的 Vienna 整流器/T 型 NPC 改为“六开关”转换器，这意味着可以复制拓扑，从而节省设计时间。六开关拓扑由三个半桥组成，将设计中的半导体数量减少了一半，进一步节省了空间和成本，并保留了较小的磁性元件。
在本例中，由于电网电压的原因，EliteSiC MOSFET 的额定电压为 1200V。安森美有多种 SiC MOSFET 适用于六开关转换器，例如高速 M3S NTH4L022N120M3S，或者新版 NTH4L040N120M3S。为了进一步提高性能，还可以考虑在设计中使用模块，比如安森美基于 M3S SiC 技术的NXH003P120M3F2 1200V 半桥模块。
AC-DC 前端可以双向使用，允许反馈无功功率以改善功率因子，从而降低视在功率和运营成本。
从硅方案转换到 SiC 需要改变开关所用的驱动器。选择的 SiC MOSFET 需要具备双重 5kV 隔离和快速操作性能（dv/dt、传播延迟），以使 SiC MOSFET 以理想性能运行。
安森美 NCP51561 是一款合适的驱动器，其 dv/dt 能力超过 210V/ns，传播延迟仅为 39ns，通道间匹配为 5ns。该器件还具有外部死区时间控制和使能引脚，从而提高了系统可靠性。
总之，单个在线式 UPS 对于服务器和关键设备的持续运行至关重要。为了实现成功的产品设计，工程师需要开发出小巧而高效的设计。为此，最好的方式是采用分立 SiC 技术、新型拓扑（如六开关转换），并结合使用高性能 SiC 驱动器。

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