SiC器件如何颠覆不间断电源设计?

不间断电源 (UPS) 和其他基于电池的储能系统可以确保住宅、电信设施、数据中心、工业设备、医疗设备和其他关键设备的持续供电。凭借先进的半导体技术，这些系统能够确保可靠供电，提供滤波功能，并在发生短期电网断电时保障供电。对于更长时间的停电，这些系统可以提供足够的时间让关键设备安全地关闭。

UPS的设计要项一文中，我们带大家了解了UPS的使用用例与具体产品规格，本文将从SiC器件的角度出发，帮助您设计 UPS 或其他电池储能系统。

SiC正在推动革命

碳化硅 (SiC) 产品，即所谓的宽禁带产品，可以对 UPS关键参数产生积极影响。高开关频率可以减小无源组件的尺寸并降低产品的整体重量，方便运输并降低拥有成本，让用户有更多空间存放更大容量的 UPS，以迎接大数据时代的持续增长。

安森美 SiC MOSFET 的所有器件都具有雪崩额定值并符合 100% 工作电压要求，具有出色的稳健性和可靠性。与许多其他平面型 SiC MOSFET 一样，在负栅极驱动电压下运行也没有问题。由于特殊的平面设计，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。为达到理想性能，推荐的栅极电压为 18 V，也可低至 15 V，以与上一代 SiC MOSFET 兼容。

安森美是“端到端”的 SiC 供应商，涵盖从基板到模块的整个流程。凭借我们垂直整合的端到端供应链和 SiC 产品的出色效率，我们为客户提供所需的供应保证，以支持未来快速增长的市场。

图 1. 安森美 SiC 产品：从基板到系统

SiC MOSFET的驱动器

基于 SiC 的 UPS 系统有利于高频，相对于硅栅极驱动器，对于 SiC 栅极驱动器提出了更高的要求。在为新一代 UPS 系统选择 SiC MOSFET 时，为了提高 SiC MOSFET 功率实施的稳健性，需要强调以下几点：

高电流能力：在导通和关断时输送高峰值电流以使 CGS 和 CGD 电容快速充电和放电。

抗扰度强：在具有快速开关 SiC MOSFET 的系统中，SiC 栅极驱动器必须考虑与快速 dV/dt 和感应噪声相关的抗扰度。特别是，允许的最大和最小电压表示对正负浪涌事件的抗扰度。

匹配的传播延迟：传播延迟是从 50% 的输入到 50% 的输出的时间延迟，这在高频应用中至关重要；延迟不匹配会导致开关损耗和发热。

NCP51561 SiC MOSFET（一种隔离式双通道 SiC MOSFET 栅极驱动器）满足所有这些要求，具有 4.5 A/9 A 拉电流和灌电流峰值。NCP51561 提供快速而匹配的传播延迟。两个独立的 5 kV RMS（UL1577 额定值）电气隔离栅极驱动器通道，具有可调死区时间，可用于两个低边、两个高边开关或半桥拓扑。

评估设计权衡

效率是储能系统的一个重要考虑因素，而效率的关键是高速开关和高效拓扑结构，例如 NPC 逆变器拓扑结构。与相对简单的拓扑结构中配置的低速半导体相比，与相对复杂但高效的拓扑结构相结合的高开关速度半导体成本更高。然而，半导体成本的增加将被其他地方的节省所抵消。比如，高速开关转化为更低的模块损耗和更长的电池寿命。它支持使用更小、成本更低的电容器和电感器，从而提供更紧凑的终端产品。在性能和成本/尺寸/控制难度之间总是存在折衷。

图 2.逆变器拓扑结构比较

寻找产品生命周期支持

开始设计时，应确保您可以获得所选电源产品的 SPICE 模型和 STEP 文件。PSpice 模型有助于研究电路、模块和芯片层面的反向恢复行为和寄生效应。这些模型还支持热仿真和自发热效应的探索。

此外，应寻找对第三方仿真工具的支持。而且，您的供应商应在整个产品生命周期中为您提供支持，包括仿真、产品选择、布局、优化、原型制作和终端客户系统的生产。安森美是各种功率半导体器件和相关组件的全方位服务供应商，提供完整的内部端到端供应链和全球客户支持。

结论

在本文中，我们讨论了 UPS 和其他电池储能系统、用例、拓扑结构以及如何选择合适的功率半导体。安森美凭借长期以来积累的专业知识和在电源管理和转换方面的地位，帮助全球客户开发采用尖端技术的 UPS 系统，最大限度地提高负载的供电质量和可靠性，同时降低拥有成本。

在设计稳健的 UPS 系统时，采用基于碳化硅的功率级对于减少功率损耗、提高功率密度和降低散热成本起着至关重要的作用。选择以基础设施级可靠性为基础构建的高度稳健的 SiC 功率器件是设计持久耐用的 UPS 系统的关键。安森美从原材料到完整模块解决方案的端到端 SiC 制造流程确保了出色的供应质量和可靠性。