UPS系统设计指南，电力人必看

图1：在线式 UPS 的双转换级

在线式 UPS 是一个具有多级电源转换的复杂系统。图1显示了一个三相系统的原理图。对于在线式 UPS 系统，效率非常重要，因为在混合模式（也称为正常模式）下，系统电池在充电的同时需要提供稳定的交流输出。这也意味着系统必须要能够承受这个额外的充电电流。

输入交流电压通过 PFC 级转换为直流电压。目前有多种拓扑可供选择。选择何种方法取决于功率水平和相数。对于低功率的单相系统，可以使用传统升压 PFC。有关 AC/DC 拓扑的更多信息，请参阅揭秘三相功率因数校正 (PFC) 拓扑和电池储能系统 (BESS) 的 DC-DC 电源转换拓扑。

图腾柱是一种广泛用于高功率应用的 PFC 拓扑，它用有源开关代替二极管来提高效率。图腾柱可用于单相和三相应用。图腾柱 PFC 级由快桥臂（以 100 kHz 或更高的频率切换）和慢桥臂（以市电频率切换）组成。

对于快桥臂，建议采用新兴的 SiC（碳化硅）技术。SiC 提高了功率密度，使系统能够更快速地切换，并使用更小的无源元件，从而降低整体功耗。它还支持系统在更高的电压下运行，从而减少导通损耗。安森美 (onsemi) 既提供分立 SiC 器件（MOSFET 和二极管），也提供功率集成模块 (PIM)。

安森美产品组合中的 IGBT 或 SUPER FET 可用作慢桥臂开关。

最后值得一提的是，Vienna 整流器也是一种受欢迎的三相拓扑。其功率水平最高，因此需要 SiC 技术，包括 SiC 二极管和 SiC MOSFET 或 SiC 功率集成模块。

双向电池充电器位于 PFC 级和变频段之间。双向操作意味着电流可以双向流动，充电时流向电池，供电时流向负载。在某些不需要电气隔离的情况下，可以使用非隔离拓扑。然而，隔离型拓扑更适合高压应用。最常见的隔离式 DC-DC 转换器拓扑是 CLLC 谐振转换器和双有源桥 (DAB)。双有源桥效率高，可根据其模式作为整流器或转换器运行。根据电压和功率水平，可以使用不同的开关。对于单相系统，可以使用任何 650V 技术，包括 Si、SiC、IGBT。对于三相系统，1200V SiC MOSFET 是理想选择。

逆变器决定了 UPS 系统的输出性能。为了避免损坏敏感设备，保持正弦波输出是关键。变频段采用三电平或多电平拓扑来产生高质量的交流输出。目前，IGBT（绝缘栅双极晶体管）因为价格实惠且技术成熟而成为逆变器主开关的首选。

UPS 并不像太阳能逆变器那样正在经历快速发展。FGHL40T120RWD 是一款额定电压为 1200 V 的 IGBT，采用最新的 FS7 技术并搭配 EliteSiC SiC 二极管，可在 I-NPC 逆变器中实现高性能。

半桥配置很常见。栅极驱动器用于安全高效地驱动开关。NCD57200 是一款高压双通道栅极驱动器，具有一个非隔离的低边栅极驱动器和一个电气隔离的高边或低边栅极驱动器。高边驱动器可以自举。

安森美提供混合信号控制器，无需开发 MCU 软件。

图2：临界导通模式

图3：连续导通模式

功率因数控制器 NCP1681

安森美提供具有不同额定电压的分立 SiC 二极管和 MOSFET。SiC MOSFET 在较高功率和较高开关频率下使用时，性能表现最佳。SiC MOSFET 的击穿电压为 650V 至 1700V。650V MOSFET 可用于升压 PFC 级和双向 DC-DC 转换器。1200V 和 1700V 产品组合适合图腾柱 PFC 和三相系统。由于采用特殊的平面设计，安森美的所有 SiC MOSFET 产品系列在整个生命周期内 RDS(ON)、VTH 或二极管正向电压均无漂移。

SiC MOSFET NTH4L022N120M3S

图4：NTH4L022N120M3S 在 800V、150°C 时的导通开关性能

NXH011F120M3F2PTHG 是一款 SiC 1200V 全桥模块集成一个带有 HPS DBC 的热敏电阻，采用 F2 封装。

图5：各种安森美模块封装

NXH011F120M3F2PTHG 是一款 SiC 1200V 全桥模块集成一个带有 HPS DBC 的热敏电阻，采用 F2 封装。

NXH800H120L7QDSG 是一款额定电压为   1200V、额定电流为 800A 的 IGBT 半桥功率模块。PIM11 (QD3) 封装。

表2：用于 UPS 的 IGBT 和混合 PIM 模块

图6：场截止 VII 的导通损耗（VCE=600V 时）

场截止 VII、IGBT、1200V

IGBT FGY4L140T120SWD

高压超级结 (SJ) MOSFET

MOSFET NTHL041N60S5H

图7：TO247-3 和 TO247-4 封装的场截止 VII 开关损耗比较

图8：NTHL041N605SH 与竞争产品的总开关损耗比较

功率 MOSFET 是一种电压控制器件，用作开关元件。为了操作 MOSFET，通常须将一个电压施加于栅极（相对于器件的源极或发射极）。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。

之所以需要使用栅极驱动器，是因为控制电路在低电压下工作，无法提供足够的功率来快速安全地为   MOSFET 栅极充电。图 9 显示了控制各类开关所需的电压水平。栅极驱动器用于导通和关断功率器件。

图9：MOSFET 和 IGBT 的驱动

在图9中，可以看到 SiC MOSFET 驱动的一个有趣特性：负栅极偏压电源。为栅极提供负电压有两个重要原因。

如果关断 MOSFET，在关断序列结束时，VGS（栅源电压）通常为 0V，可能会出现过度振铃。这是由非常高的 dV/dt 引起的，并且会因寄生电容而加剧，产生感应冲击。这种感应冲击可能会在 MOSFET 应该已经关断的时候造成其意外导通，导致半桥内电路短路并损坏 MOSFET。如果将 VGS 降低至负电压，则会产生额外的裕量，发生感应冲击的可能性就会减小。

此外，将关断电压降低至 0V 以下可以减少开关损耗。如图 10 所示，当驱动安森美的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 时，开关损耗可减少多达 100uJ，从而使 EOFF 损耗减少 25%。更多信息可参阅 安森美 EliteSiC 第二代 1200V SiC MOSFET M3S 系列应用手册。

图 10：负栅极偏压与开关损耗的关系