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SiC撞见UPS,挑战性能、能效、尺寸、成本设计

随着云计算、超大规模数据中心、5G应用和大型设备的不断发展,市场对不间断电源(UPS)的需求保持高位,且正在往小型化、高容量化、高效化发展,设计人员面临如何在性能、能效、尺寸、成本、控制难度之间权衡取舍的挑战,安森美(onsemi)基于新一代半导体材料碳化硅(SiC)的方案,有助于变革性地优化UPS设计。

安森美是领先的智能电源方案供应商之一,也是全球少数能提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商,提供先进的SiC、SiC/Si混合和IGBT模块技术,以及广泛的分立器件、门极驱动器等周边器件,满足低、中、高功率UPS设计的各种要求,加之技术团队的应用支援,帮助设计人员解决上述挑战,满足大数据时代不断增长的需求。本文重点介绍安森美应用于UPS的SiC方案。

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图1:在线式UPS典型框图(橙色代表安森美能提供的产品)

在线式UPS更适合大功率应用场景

UPS系统广泛用于保护从电信和数据中心到各种工业设施等各种应用中的关键组件的电源,提供过滤功能和补偿电网的短期停电,确保可靠的电压供应。

按工作原理,UPS分为离线式UPS、在线互动式UPS和在线式UPS。离线式UPS和在线互动式UPS结构简单、成本低,在输入没有异常的情况下,能效高,但存在切换时间长,激活电池供电的情况多,输出精度低。

所以目前针对数据中心等大功率UPS需求的场所,在线式UPS是最常用的,在线式UPS也称为双变换式UPS,无论市电是否正常,负载的全部功率均由逆变器给出,所以没有间断,输出质量高,经过高频脉宽调制(PWM)后,整体波形总谐波失真(THD)小,频率波动小,但价格高,控制复杂。

新一代UPS的设计挑战和考量

为了应对持续增长的电能保护需求,新一代UPS需具有以下特点:

● 超过98%的高能效,高功率密度,功率因数>0.99,无变压器设计

● 更高的输出功率:大型数据中心对UPS要求很高,一台3相输出的UPS的母线电压是800 V。模块化UPS可拓展、高冗余,通过连接多个产品能达到100 kVA更大输出功率,以应对大型数据中心的需求

● 0切换时间:相较离线式UPS的2到10 ms切换时间,在线式UPS具有0切换时间,以应对各种情况下的紧急问题

● 具有调节输入电压和优化输出电压的能力,以减少电池的使用频率,从而增加使用时间,节省成本

● 优秀的散热能力,减少本身由散热器带来的重量和成本,同时有能力在受限的空间里增加额外的功率模块

为了实现这些特性,我们需要权衡考虑以下因素:

● 控制总拥有成本(TCO,Total Cost of Ownership),包括生产成本、运输安装和后期维护的成本,以及存放设备的空间成本等。需要去考虑如何减小散热片、电感和电解电容以及风扇所占的空间和重量。

● UPS的可拓展化,模块化UPS的一个巨大优势就是可拓展,当需要增加容量时,只需要添加一个电源模块,一个模块尺寸重量较小,即使一个人也可以完成安装,大大减少了成本。

● 采用在线式UPS,在线式UPS相比其它种类的UPS能够处理更多输入电能质量问题,减少电池使用频率,同时其高频逆变器能够输出高质量高效率的正弦信号为负载供电。

● 拓扑对系统性能和能效的影响,3电平拓扑比2电平拓扑能效更高,在额定功率下,更高能效意味着更小的散热器和更好的可靠性,最关键的是电平数的增加使得电压输出更接近正弦波,但复杂的控制算法、更多的器件以及开关管数量增加会导致成本增加,设计人员需要在性能和价格之间权衡取舍。

● 使用SiC作为开关器件。

安森美用于UPS的SiC方案:阵容广,性能优

由于SiC具有更高的耐压能力、更低的损耗以及更高的导热率,可赋能UPS设计更高的功率密度和优化的系统成本,较低的系统损耗和更高的系统能效。安森美在SiC领域有着深厚的历史积淀,垂直整合模式确保可靠的品质和供应。

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图2:安森美SiC的领先地位

安森美的SiC MOSFET和SiC二极管产品线非常丰富,包含各种电压等级。SiC MOSFET从650 V到1200 V,并且即将发布1700 V的产品,SiC二极管则是从650 V到1700 V都具备。

对于UPS来说,SiC MOSFET主要选择Rdson更小的产品。如安森美适用于UPS的1200 V M3S SiC MOSFET比领先行业的竞争对手减少达20%的功率损耗,原因是其使用更大尺寸的晶片(die),从而减少Rdson。

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图3:安森美的SiC方案阵容广,性能优

安森美目前主推的4-pin SiC MOSFET,相比3-pin的产品,额外的一根开尔文引脚(Kelvin Source)可消除源极引脚上的寄生电感,可提供更快的开关速度,从而降低导通损耗。

随着UPS的单元功率逐渐增加,也会有更多的设计人员考虑模块产品,将许多不同功能、大小的晶圆如IGBT、二极管封装在一个模块里,可减小由于单管引脚带来的杂散电感,降低器件在快速关断时产生的电压应力,减少生产流程的工序,提高产线效率,减轻了电气和结构研发设计人员的工作量,避免了因为单管工艺复杂造成的产品不良率,也让BOM的采购和供应链变得简单,缩短了产品投入市场的时间。

而且从系统集成的角度来分析,模块的高成本是可以被其他优点摊薄的,例如简化生产流程和PCB的设计,高功率密度,较低的散热系统成本,简单的绝缘设计等。由于组装模块时的晶片都来自同一片晶圆上相邻的器件,晶片的一致性更高,这有利于晶片并联均流,增加了系统的长期运行可靠性。

安森美的半桥1200 V SiC MOSFET 2-PACK模块,含有2颗1200 V M1 SiC MOSFET,和一颗热敏测温电阻, Rdson非常低。它具有2种封装,F2封装NXH006P120MNF2的尺寸是F1 封装NXH010P120MNF1的一倍,更适合大功率的产品。同时,尺寸更大的die能改减少热阻,增加可经过的电流。

安森美的900 V M2 SiC MOSFET 维也纳模块NXH020U90MNF2由两个900 V开关和2个1200 V SiC二极管组成,维也纳拓扑常用于PFC,相比其它的3电平方案,维也纳拓扑具有器件少,控制简单的特点。

除此之外,安森美的多通道SiC boost模块系列如下表,可用于电池充放电部分。

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不同模块的损耗对比

我们在一个boost升压电路对不同模块进行了对比,SiC MOSFET的导通损耗比IGBT混合模块低1到2倍,其关断损耗Eoff低5倍以上。这对提高系统开关频率,降低损耗意义很大。若在相同的开关频率下,全SiC模块较混合模块的温升和损耗更低,允许使用更小更经济的散热器,或者说散热条件一样时可以输出更高的功率。换一种评估方式,假设每路输出功率10 kW,随着开关频率的增加,由于较大的开关损耗,IGBT的结温和损耗远高于SiC MOSFET,因而全SiC模块在减小电感值、电感尺寸和重量方面有巨大优势。

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图4. 不同模块的损耗对比

总结

SiC有助于变革性地优化UPS设计,满足大数据时代UPS小型化、高容量化、高效化的要求。安森美在SiC领域处于领先地位,是世界上少数能提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商之一,为UPS提供多种电压等级的高能效、高性能SiC MOSFET、SiC二极管、全SiC模块和混合SiC模块,配合安森美针对SiC优化的门极驱动器、传感、隔离和保护IC等周边器件和应用支援,帮助设计人员在性能、能效、尺寸、成本、控制难度之间做出最佳的权衡取舍。



THE END
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