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。
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
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800V。模块化UPS可拓展、高冗余，通过连接多个产品能达到100kVA更大输出功率，以应对大型数据中心的需求
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,TotalCostofOwnership)，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。
图2：安森美SiC的领先地位
安森美的SiCMOSFET和SiC二极管产品线非常丰富，包含各种电压等级。SiCMOSFET从650V到1200V，并且即将发布1700V的产品，SiC二极管则是从650V到1700V都具备。对于UPS来说，SiCMOSFET主要选择Rdson更小的产品。如安森美适用于UPS的1200VM3SSiCMOSFET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。
图3：安森美的SiC方案阵容广，性能优
安森美目前主推的4-pinSiCMOSFET，相比3-pin的产品，额外的一根开尔文引脚(KelvinSource)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。
安森美的半桥1200VSiCMOSFET2-PACK模块，含有2颗1200VM1SiCMOSFET，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900VM2SiCMOSFET维也纳模块NXH020U90MNF2由两个900V开关和2个1200VSiC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SiCboost模块系列如下表，可用于电池充放电部分。
NXH100B120H3Q0
2通道50A/1200VIGBT,20A/1200VSiC二极管
NXH40B120MNQ0SNG
2通道40m/1200VSiCMOSFET,40ASiC二极管
NXH80B120MNQ0SNG
2通道80m/1200VSiCMOSFET,20ASiC二极管
NXH40B120MNQ1SNG
3通道40m/1200VSiCMOSFET,40ASiC二极管
NXH240B120H3Q1PG
3通道60A/1200VIGBT,20A/1200VSiC二极管
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，SiCMOSFET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10kW，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SiCMOSFET，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。