UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南，電力人必看

UPS的應(yīng)用場(chǎng)景日趨多樣化，每個(gè)場(chǎng)景都有其獨(dú)特的需求，對(duì)應(yīng)不同的方案。本文將聚焦UPS設(shè)計(jì)方案展開講述。

系統(tǒng)框圖 – 離線式和在線互動(dòng)式 UPS

系統(tǒng)框圖 – 在線式UPS

拓?fù)?/strong>

圖1：在線式 UPS 的雙轉(zhuǎn)換級(jí)

在線式 UPS 是一個(gè)具有多級(jí)電源轉(zhuǎn)換的復(fù)雜系統(tǒng)。圖1顯示了一個(gè)三相系統(tǒng)的原理圖。對(duì)于在線式 UPS 系統(tǒng)，效率非常重要，因?yàn)樵诨旌夏Ｊ剑ㄒ卜Q為正常模式）下，系統(tǒng)電池在充電的同時(shí)需要提供穩(wěn)定的交流輸出。這也意味著系統(tǒng)必須要能夠承受這個(gè)額外的充電電流。

AC/DC 級(jí)

輸入交流電壓通過 PFC 級(jí)轉(zhuǎn)換為直流電壓。目前有多種拓?fù)淇晒┻x擇。選擇何種方法取決于功率水平和相數(shù)。對(duì)于低功率的單相系統(tǒng)，可以使用傳統(tǒng)升壓 PFC。有關(guān) AC/DC 拓?fù)涞母?a target="_blank">信息，請(qǐng)參閱揭秘三相功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)浜碗姵貎?chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 的 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洹?/p>

圖騰柱是一種廣泛用于高功率應(yīng)用的 PFC 拓?fù)洌糜性撮_關(guān)代替二極管來提高效率。圖騰柱可用于單相和三相應(yīng)用。圖騰柱 PFC 級(jí)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(duì)于快橋臂，建議采用新興的 SiC（碳化硅）技術(shù)。SiC 提高了功率密度，使系統(tǒng)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(tǒng)在更高的電壓下運(yùn)行，從而減少導(dǎo)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(chǎn)品組合中的 IGBT 或 SUPER FET 可用作慢橋臂開關(guān)。

最后值得一提的是，Vienna 整流器也是一種受歡迎的三相拓?fù)?。其功率水平最高，因此需?SiC 技術(shù)，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(jí)和變頻段之間。雙向操作意味著電流可以雙向流動(dòng)，充電時(shí)流向電池，供電時(shí)流向負(fù)載。在某些不需要電氣隔離的情況下，可以使用非隔離拓?fù)洹Ｈ欢?，隔離型拓?fù)涓m合高壓應(yīng)用。最常見的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫?CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器和雙有源橋 (DAB)。雙有源橋效率高，可根據(jù)其模式作為整流器或轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。根據(jù)電壓和功率水平，可以使用不同的開關(guān)。對(duì)于單相系統(tǒng)，可以使用任何 650V 技術(shù)，包括 Si、SiC、IGBT。對(duì)于三相系統(tǒng)，1200V SiC MOSFET 是理想選擇。

DC-AC 變頻段

逆變器決定了 UPS 系統(tǒng)的輸出性能。為了避免損壞敏感設(shè)備，保持正弦波輸出是關(guān)鍵。變頻段采用三電平或多電平拓?fù)鋪懋a(chǎn)生高質(zhì)量的交流輸出。目前，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）因?yàn)閮r(jià)格實(shí)惠且技術(shù)成熟而成為逆變器主開關(guān)的首選。

UPS 并不像太陽能逆變器那樣正在經(jīng)歷快速發(fā)展。FGHL40T120RWD 是一款額定電壓為 1200 V 的 IGBT，采用最新的 FS7 技術(shù)并搭配 EliteSiC SiC 二極管，可在 I-NPC 逆變器中實(shí)現(xiàn)高性能。

半橋配置很常見。柵極驅(qū)動(dòng)器用于安全高效地驅(qū)動(dòng)開關(guān)。NCD57200 是一款高壓雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器，具有一個(gè)非隔離的低邊柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)電氣隔離的高邊或低邊柵極驅(qū)動(dòng)器。高邊驅(qū)動(dòng)器可以自舉。

PFC 控制器

安森美提供混合信號(hào)控制器，無需開發(fā) MCU 軟件。

功率因數(shù)控制器 FAN9672/3

2/3 通道交錯(cuò)式 CCM PFC 控制器

升壓功率因數(shù)校正

推薦用于高功率應(yīng)用

可對(duì)頻率和輸出電壓進(jìn)行編程

先進(jìn)的安全特性 – 軟啟動(dòng)、欠壓鎖定、電壓驟降保護(hù)

三重故障檢測(cè)防止反饋回路故障

圖2：臨界導(dǎo)通模式

圖3：連續(xù)導(dǎo)通模式

功率因數(shù)控制器 NCP1681

無橋圖騰柱多模式 PFC 控制器

固定頻率 CCM（恒定導(dǎo)通模式），具有恒定導(dǎo)通時(shí)間 CrM 和谷底開關(guān)頻率折返功能

專有電流檢測(cè)方案

專有谷底檢測(cè)方案

非常適合高功率多模式應(yīng)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(guān)頻率下使用時(shí)，性能表現(xiàn)最佳。SiC MOSFET 的擊穿電壓為 650V 至 1700V。650V MOSFET 可用于升壓 PFC 級(jí)和雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。1200V 和 1700V 產(chǎn)品組合適合圖騰柱 PFC 和三相系統(tǒng)。由于采用特殊的平面設(shè)計(jì)，安森美的所有 SiC MOSFET 產(chǎn)品系列在整個(gè)生命周期內(nèi) 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(jīng)優(yōu)化，適合在高溫下工作

改善了寄生電容，適合高頻運(yùn)行

RDS(ON)=22 mΩ @VGS=18 V

超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC

高速開關(guān)和低電容(COSS=146 pF)

圖4：NTH4L022N120M3S 在 800V、150°C 時(shí)的導(dǎo)通開關(guān)性能

碳化硅二極管

與傳統(tǒng)的 Si 二極管相比，SiC 二極管具有更低的反向恢復(fù)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(chǎn)品組合中包括額定電壓為 650V、1200V 和 1700V 的二極管。對(duì)于 PFC 升壓應(yīng)用，650V 二極管即可滿足要求。對(duì)于三相 DC/AC 轉(zhuǎn)換，更高的電壓型號(hào)會(huì)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(jí)的整流器

經(jīng)優(yōu)化，適合在高溫下工作

6A 連續(xù)電流

雪崩額定值 24.5mJ

無反向恢復(fù)

DPAK 封裝

UPS 系統(tǒng)中的功率集成模塊 (PIM)

安森美在工業(yè)功率集成模塊 (PIM) 設(shè)計(jì)領(lǐng)域表現(xiàn)出色，利用 SiC MOSFET 和 IGBT 技術(shù)實(shí)現(xiàn) UPS 設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(chǔ)設(shè)施行業(yè)正以非?？斓乃俣炔捎?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(guān)損耗，SiC 功率器件可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，降低散熱要求，或者實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，減小無源元件的尺寸和成本。這些優(yōu)勢(shì)表明 SiC 功率器件的高成本是合理的。

事實(shí)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(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。安森美已發(fā)布第二代 1200V SiC 模塊，采用 M3S MOSFET 技術(shù)，著重于提升開關(guān)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(gè)帶有 HPS DBC 的熱敏電阻，采用 F2 封裝。

M3S MOSFET 技術(shù)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(duì)采用 SiC 模塊的各種電源拓?fù)溥M(jìn)行仿真。

NXH008T120M3F2PTHG 是基于 1200V M3S 技術(shù)的 T 型中性點(diǎn)箝位轉(zhuǎn)換器 (TNPC) SiC 模塊。

M3S MOSFET 技術(shù)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(chǎng)截止溝槽 7 IGBT 技術(shù)和第 7 代二極管可提供更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和優(yōu)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(gè)帶有 HPS DBC 的熱敏電阻，采用 F2 封裝。

M3S MOSFET 技術(shù)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(duì)采用 SiC 模塊的各種電源拓?fù)溥M(jìn)行仿真。

NXH008T120M3F2PTHG 是基于 1200V M3S 技術(shù)的 T 型中性點(diǎn)箝位轉(zhuǎn)換器 (TNPC) SiC 模塊。

M3S MOSFET 技術(shù)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(chǎng)截止溝槽 7 IGBT 技術(shù)和第 7 代二極管可提供更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和優(yōu)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(yīng)用。IGBT 開關(guān)是 DC/AC 逆變器和圖騰柱 PFC 慢橋臂的理想選擇。

圖6：場(chǎng)截止 VII 的導(dǎo)通損耗（VCE=600V 時(shí)）

場(chǎng)截止 VII、IGBT、1200V

全新 1200 V 溝槽場(chǎng)截止 VII IGBT 系列

快速開關(guān)型，適合高開關(guān)頻率應(yīng)用

改善了寄生電容，適合高頻操作

優(yōu)化了二極管，實(shí)現(xiàn)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(guān)頻率和功率

高壓超級(jí)結(jié) (SJ) MOSFET

硅高壓技術(shù)

成本更低，在功率要求較低的應(yīng)用中可替代 SiC

可在各種高壓應(yīng)用（升壓 PFC、DC-DC 轉(zhuǎn)換和 DC-AC 級(jí)）中用作開關(guān)，在較高功率下?lián)p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(yīng)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(dá) 329W

Rg @1MHz 0.6Ω

MOSFET dV/dt 120 V/ns

圖7：TO247-3 和 TO247-4 封裝的場(chǎng)截止 VII 開關(guān)損耗比較

圖8：NTHL041N605SH 與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的總開關(guān)損耗比較

為功率開關(guān)搭配柵極驅(qū)動(dòng)器

功率 MOSFET 是一種電壓控制器件，用作開關(guān)元件。為了操作 MOSFET，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極（相對(duì)于器件的源極或發(fā)射極）。使用專用驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。

之所以需要使用柵極驅(qū)動(dòng)器，是因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/soft/data/4-10/" target="_blank">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(guān)所需的電壓水平。柵極驅(qū)動(dòng)器用于導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件。

圖9：MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)

在圖9中，可以看到 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)的一個(gè)有趣特性：負(fù)柵極偏壓電源。為柵極提供負(fù)電壓有兩個(gè)重要原因。

如果關(guān)斷 MOSFET，在關(guān)斷序列結(jié)束時(shí)，VGS（柵源電壓）通常為 0V，可能會(huì)出現(xiàn)過度振鈴。這是由非常高的 dV/dt 引起的，并且會(huì)因寄生電容而加劇，產(chǎn)生感應(yīng)沖擊。這種感應(yīng)沖擊可能會(huì)在 MOSFET 應(yīng)該已經(jīng)關(guān)斷的時(shí)候造成其意外導(dǎo)通，導(dǎo)致半橋內(nèi)電路短路并損壞 MOSFET。如果將 VGS 降低至負(fù)電壓，則會(huì)產(chǎn)生額外的裕量，發(fā)生感應(yīng)沖擊的可能性就會(huì)減小。

此外，將關(guān)斷電壓降低至 0V 以下可以減少開關(guān)損耗。如圖 10 所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)安森美的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 時(shí)，開關(guān)損耗可減少多達(dá) 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(yīng)用手冊(cè)。

圖 10：負(fù)柵極偏壓與開關(guān)損耗的關(guān)系

SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合如表3 所示，列出了產(chǎn)品的最大工作電壓、拉/灌電流和通道數(shù)。隔離式 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)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(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合

表4：安森美 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合

柵極驅(qū)動(dòng)器 NCD57080

隔離式高電流柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器 NCP51752

適用于 SiC 器件的柵極驅(qū)動(dòng)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(fù)偏壓產(chǎn)生功能 - 簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)并節(jié)省系統(tǒng)成本

SOIC-8 封裝

通常采用穩(wěn)壓器和 LDO 來提供穩(wěn)定的低電壓。在要求電路簡(jiǎn)單、低成本和低工作電流的設(shè)計(jì)中，LDO 是首選。雖然開關(guān)模式穩(wěn)壓器能提高效率、降低功耗，但在大多數(shù)情況下，其設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，而且更昂貴。

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

對(duì)于 UPS 及任何其他電源應(yīng)用，確保低壓系統(tǒng)安全運(yùn)行非常重要。在具有裸露連接器的系統(tǒng)中，包括對(duì)工業(yè) UPS 至關(guān)重要的 CAN 總線接口，可能會(huì)發(fā)生 ESD。在安裝和維護(hù)期間，此類接口可能會(huì)暴露出來。這些模塊上可能會(huì)積聚過多的電荷，當(dāng)將電纜連接到帶 CAN 收發(fā)器的控制模塊時(shí)，過多的電荷可能會(huì)從電纜流入模塊，然后流入 CAN 收發(fā)器，最大放電電壓可達(dá) 30 kV，可能會(huì)損壞系統(tǒng)。穩(wěn)健的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)是安森美產(chǎn)品具有的突出特性之一。

NUP2105L 旨在保護(hù)高速和容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)中的 CAN 收發(fā)器，使其免受 ESD 和其他有害瞬態(tài)電壓事件的影響。它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種低成本選擇，可提高系統(tǒng)可靠性并滿足嚴(yán)格的 EMI 要求，包括 IEC 61000-4-2、4 級(jí)、30 kV。