UPS系统设计指南，电力人必看

UPS的应用场景日趋多样化，每个场景都有其独特的需求，对应不同的方案。本文将聚焦UPS设计方案展开讲述。

 

系统框图 – 离线式和在线互动式 UPS

 

 

系统框图 – 在线式 UPS

 

拓扑

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。

 

AC/DC 级

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。

 

DC-DC 电池充电器

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。

 

DC-AC 变频段

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。

 

PFC 控制器

安森美提供混合信号控制器，无需开发 MCU 软件。

 

 

功率因数控制器 FAN9672/3

2/3 通道交错式 CCM PFC 控制器

升压功率因数校正

推荐用于高功率应用

可对频率和输出电压进行编程

先进的安全特性 – 软启动、欠压锁定、电压骤降保护

三重故障检测防止反馈回路故障

图2：临界导通模式

 

图3：连续导通模式

 

功率因数控制器 NCP1681

无桥图腾柱多模式 PFC 控制器

 固定频率 CCM（恒定导通模式），具有恒定导通时间 CrM 和谷底开关频率折返功能

专有电流检测方案

专有谷底检测方案

非常适合高功率多模式应用，最高 1kW，CCM >2.5kW

 

碳化硅 MOSFET

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

全新 1200V M3S 系列平面型 SiC MOSFET

经优化，适合在高温下工作

改善了寄生电容，适合高频运行

RDS(ON)=22 mΩ @VGS=18 V

超低栅极电荷 (QG(TOT))=137 nC

高速开关和低电容(COSS=146 pF)

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

 

 

碳化硅二极管

 

与传统的 Si 二极管相比，SiC 二极管具有更低的反向恢复损耗和更低的功耗，因此可用作整流器来提高效率。安森美产品组合中包括额定电压为 650V、1200V 和 1700V 的二极管。对于 PFC 升压应用，650V 二极管即可满足要求。对于三相 DC/AC 转换，更高的电压型号会是理想选择。

 

SiC 二极管 FFSD0665B-F085

650V D2 系列 SiC 二极管

可用作升压 PFC 级的整流器

经优化，适合在高温下工作

6A 连续电流

雪崩额定值 24.5mJ

无反向恢复

DPAK 封装

 

 

UPS 系统中的功率集成模块 (PIM)

 

安森美在工业功率集成模块 (PIM) 设计领域表现出色，利用 SiC MOSFET 和 IGBT 技术实现 UPS 设计改进，其中包括使用 1200 V SiC 器件的 PFC、DC/DC 和逆变器模块。能源基础设施行业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。得益于更低的开关损耗，SiC 功率器件可以实现更高的效率，降低散热要求，或者实现更高的开关频率，减小无源元件的尺寸和成本。这些优势表明 SiC 功率器件的高成本是合理的。

 

事实证明，在电气和热性能及功率密度方面，采用 SiC MOSFET 模块均展现出明显优势。安森美已发布第二代 1200V SiC 模块，采用 M3S MOSFET 技术，着重于提升开关性能和减少 RDS(ON)*面积。

 

表1：用于 UPS 的 SiC PIM 模块

 

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。

M3S MOSFET 技术提供 RDS(ON) 典型值 = 11.3 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的条件下）。
 

使用 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型生成工具可对采用 SiC 模块的各种电源拓扑进行仿真。

 

NXH008T120M3F2PTHG 是基于 1200V M3S 技术的 T 型中性点箝位转换器 (TNPC) SiC 模块。

M3S MOSFET 技术提供 RDS(ON) 典型值 = 8.5 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的条件下）。

 

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。

新的场截止沟槽 7 IGBT 技术和第 7 代二极管可提供更低的导通损耗和开关损耗，使设计人员能够实现高效率和优异的可靠性。

NTC 热敏电阻，低电感布局。

   

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。

M3S MOSFET 技术提供 RDS(ON) 典型值 = 11.3 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的条件下）。
 

使用 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型生成工具可对采用 SiC 模块的各种电源拓扑进行仿真。

NXH008T120M3F2PTHG 是基于 1200V M3S 技术的 T 型中性点箝位转换器 (TNPC) SiC 模块。

M3S MOSFET 技术提供 RDS(ON) 典型值 = 8.5 mΩ（在 VGS = 18V、ID = 100A 的条件下）。

 

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。

新的场截止沟槽 7 IGBT 技术和第 7 代二极管可提供更低的导通损耗和开关损耗，使设计人员能够实现高效率和优异的可靠性。

NTC 热敏电阻，低电感布局。

 

表2：用于 UPS 的 IGBT 和混合 PIM 模块

 

IGBT

 

与 Si MOSFET 相比，IGBT 在同等材料厚度下可提供更高的阻断电压，因此非常适合高压应用。IGBT 开关是 DC/AC 逆变器和图腾柱 PFC 慢桥臂的理想选择。

 

图6：场截止 VII 的导通损耗（VCE=600V 时）

 

场截止 VII、IGBT、1200V

全新 1200 V 沟槽场截止 VII IGBT 系列

快速开关型，适合高开关频率应用

改善了寄生电容，适合高频操作

优化了二极管，实现低 VF 和软度
 

 

IGBT FGY4L140T120SWD

FS7 系列 1200V、140A IGBT

TO247-4 封装具有较低的 Eon，可支持更高的开关频率和功率

 

高压超级结 (SJ) MOSFET

硅高压技术

成本更低，在功率要求较低的应用中可替代 SiC

可在各种高压应用（升压 PFC、DC-DC 转换和 DC-AC 级）中用作开关，在较高功率下损耗较大

安森美 SUPERFET V (600V) 和 SUPERFET III (650V) 系列的 FAST 版本非常适合快速切换应用
 

提供多种封装
 

 

MOSFET NTHL041N60S5H

单 N 沟道，SUPERFET V，600V，57A，41mΩ
 

TO-247 封装

PD 高达 329W

Rg  @1MHz 0.6Ω

MOSFET dV/dt 120 V/ns

 

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

 

为功率开关搭配栅极驱动器

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

 

SiC 栅极驱动器产品组合如表3 所示，列出了产品的最大工作电压、拉/灌电流和通道数。隔离式 IGBT 栅极驱动器产品组合及其特性、额定电压和拉/灌电流如表4所示。

 

表3：安森美 SiC 栅极驱动器产品组合

 

表4：安森美 IGBT 栅极驱动器产品组合

 

栅极驱动器 NCD57080

隔离式高电流栅极驱动器

高电流峰值输出 (6.5 A/6.5 A)

欠压锁定，有源米勒箝位

3.75 kV 电气隔离，CMTI≥100 V/ns

传播延迟典型值 60 ns

单通道

SOIC-8 封装

 

栅极驱动器 NCP51752

适用于 SiC 器件的栅极驱动器

4.5 A/9 A 峰值拉/灌电流

30V 输出摆幅

36 ns 传播延迟，延迟匹配最大值 5 ns

 3.75 kV 电气隔离，CMTI≥200 V/ns

单通道    

集成负偏压产生功能 - 简化驱动并节省系统成本

SOIC-8 封装

 

通常采用稳压器和 LDO 来提供稳定的低电压。在要求电路简单、低成本和低工作电流的设计中，LDO 是首选。虽然开关模式稳压器能提高效率、降低功耗，但在大多数情况下，其设计更为复杂，而且更昂贵。

 

NCP730 是一款 CMOS LDO 稳压器，具有超低静态电流（典型值 1 μA）、快速瞬态响应和宽输入范围 (2.7 V – 38 V)。提供固定和可调电压两种版本。

 

 

对于 UPS 及任何其他电源应用，确保低压系统安全运行非常重要。在具有裸露连接器的系统中，包括对工业 UPS 至关重要的 CAN 总线接口，可能会发生 ESD。在安装和维护期间，此类接口可能会暴露出来。这些模块上可能会积聚过多的电荷，当将电缆连接到带 CAN 收发器的控制模块时，过多的电荷可能会从电缆流入模块，然后流入 CAN 收发器，最大放电电压可达 30 kV，可能会损坏系统。稳健的系统级保护是安森美产品具有的突出特性之一。

 

NUP2105L 旨在保护高速和容错网络中的 CAN 收发器，使其免受 ESD 和其他有害瞬态电压事件的影响。它为系统设计人员提供了一种低成本选择，可提高系统可靠性并满足严格的 EMI 要求，包括 IEC 61000-4-2、4 级、30 kV。