【導讀】UPS 技術已從初代單一應急供電演進為兼具電能優(yōu)化、故障防護等多元功能的核心電力設備，低能耗、高可靠性成為新時代發(fā)展方向。本文聚焦安森美在線式 UPS 方案，系統(tǒng)解析其“AC-DC-AC”核心架構，并深入闡述碳化硅（SiC）器件、IGBT 器件及功率集成模塊（PIM）等關鍵產品的特性與價值，展現(xiàn)功率器件技術升級對 UPS 系統(tǒng)效率與功率密度提升的核心驅動作用。
20 世紀不間斷電源（UPS）剛問世時，其唯一用途是在停電時提供應急供電，而高昂的成本限制了它的應用范圍。如今，隨著電力電子技術的持續(xù)發(fā)展，UPS 已能夠高效優(yōu)化電能質量、過濾線路噪聲、抑制電壓浪涌，并可在任意場景下按需提供更長時間的備用電源。在低碳社會背景下，低能耗、高可靠性、小占地面積已成為 UPS 的新發(fā)展方向。
不間斷電源（UPS）能夠保護所連接的設備免受電力問題影響，并在停電時提供電池備用供電。此外，它還能避免昂貴設備受損、數(shù)據丟失及停機情況的發(fā)生；根據型號不同，部分 UPS 還可應對電壓異常問題。輸出容量是 UPS 的核心性能指標之一，指連接負載可從 UPS 系統(tǒng)獲取的最大電力，單位以伏安（VA）表示。
框圖 – 在線式 UPS
下面的框圖展示了由 安森美 (onsemi) 打造的在線式不間斷電源 (UPS) 方案，通過將輸入交流電 (AC) 轉換為直流電(DC) ，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷姆绞教峁┏掷m(xù)電力，確保實現(xiàn)穩(wěn)定且不間斷的供電。 安森美可提供品類豐富的產品，包括碳化硅 (SiC) 分立器件、 IGBT 分立器件、功率模塊、隔離型柵極驅動器及電源管理控制器，助力系統(tǒng)實現(xiàn)更高的功率密度與效率。
碳化硅 (SiC) JFET 產品組合
安森美的全新 EliteSiC 系列 JFET 產品組合具備出色的開關速度與極低的單位面積導通電阻（ RDS(ON)x 面積） ， 可顯著提升 UPS 系統(tǒng)的效率， 并降低熱損耗。 此外， SiC JFET 還能提升靜態(tài)開關的性能與可靠性， 是靜態(tài)開關應用的理想選擇。
SiC Combo JFET
關鍵特性：
1 個封裝內含 2 顆芯片 → Combo JFET
可分別接入 MOSFET 與 JFET 的柵極 → 實現(xiàn)更優(yōu)的開關電壓變化率 (dV/dt) 控制
超低 RDS(ON)、高脈沖電流
1200V ， RDS(ON)≤10m?
750V ， RDS(ON)… 5m? -10m?
目標應用：固態(tài)斷路器、隔離開關
SiC Cascode JFET關鍵特性：
Cascode 結構共封裝 2 顆芯片
兼容拾取貼裝工藝，可直接替換標準常關型MOSFET
超低RDS(ON)、高脈沖電流
1700V ， RDS(ON)… 410m?
1200V ， RDS(ON)… 9m? - 410m?
750V ， RDS(ON)… 5.4m? - 58m?
目標應用：電源、逆變器、車載充電器、 DC -DC 轉換器
IGBT 分立器件
與 Si MOSFET 相比， IGBT 在同等材料厚度下可提供更高的阻斷電壓， 因此非常適合高壓應用。 IGBT 開關是 DC/AC逆變器和圖騰柱 PFC 慢橋臂的理想選擇。
場截止 VII、 IGBT 、 1200V
全新 1200 V 溝槽場截止 VII IGBT 系列
快速開關型，適合高開關頻率應用
改善了寄生電容，適合高頻操作
優(yōu)化了二極管，實現(xiàn)低 VF 和軟度
圖 1：場截止 VII 的導通損耗 (V CE=600V)
圖 2： TO247 -3 和 TO247 -4 封裝的場截止 VII 開關損耗比較
IGBT FGY4L140T120SWD
FS7 系列 1200V 、 140A IGBT
TO247 -4 封裝具有較低的 Eon，可支持更高的開關頻率和功率
UPS 系統(tǒng)中的功率集成模塊 (PIM)
安森美在工業(yè)功率集成模塊 (PIM) 設計領域表現(xiàn)出色， 利用 SiC MOSFET 和 IGBT 技術實現(xiàn) UPS 設計改進， 其中包括使用 1200 V SiC 器件的 PFC 、 DC/DC 和逆變器模塊。 能源基礎設施行業(yè)以非常快的速度采用了 SiC 功率器件， 旨在提高效率或增加功率密度。 得益于更低的開關損耗， SiC 功率器件可以實現(xiàn)更高的效率， 降低散熱要求， 或者實現(xiàn)更高的開關頻率， 減小無源元件的尺寸和成本， 從而彌補 SiC 功率器件成本較高的缺點。
事實證明 ， 在電氣和熱性能及功率密度方面 ， 采用 SiC MOSFET 模塊均展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢 。 安森美已發(fā)布第二代1200 V SiC 模塊， 采用 M3S MOSFET 技術， 著重于提升開關性能和減少 RDS(ON) * 面積。
表 1：用于 UPS 的 SiC PIM 模塊
全 SiC PIM NXH011F120M3F2PTHG
SiC 1200 V 全橋模塊還包含一個帶有 HPS DBC 的熱敏電阻， 采用 F2 封裝。
M3S MOSFET 技術提供 RDS(ON) 典型值 = 11.3mΩ（ 在 VGS = 18V、 ID = 100 A 條件下）
使用 Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型生成工具可對采用 SiC 模塊的各種電源拓撲進行仿真。
全 SiC PIM NXH008T120M3F2PTHG
基于 1200 V M3S 技術的 T 型中性點箝位轉換器(TNPC) SiC 模塊
M3S MOSFET 技術提供 RDS(ON) 典型值 = 8.5 mΩ（在 VGS = 18V 、 ID = 100A 條件下）
IGBT PIM NXH 800 H 120 L 7QDSG
額定電壓為 1200 V、 額定電流為 800 A 的 IGBT 半橋功率模塊， 采用 PIM11 (QD 3) 封裝
新的場截止溝槽 7 IGBT 技術和第 7 代二極管可提供更低的導通損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現(xiàn)高效率和優(yōu)異的可靠性
NTC 熱敏電阻，低電感布局
圖 3：各種安森美模塊封裝
表 2：用于 UPS 的 IGBT 和混合 PIM 模塊
從功能迭代到技術革新，UPS 系統(tǒng)的發(fā)展始終與功率器件技術突破深度綁定。安森美憑借豐富的 EliteSiC 系列器件、高性能 IGBT 及集成化 PIM 解決方案，為在線式 UPS 實現(xiàn)高效、可靠、小型化設計提供了核心支撐。隨著 SiC 等寬禁帶半導體技術的持續(xù)成熟與應用深化，未來 UPS 系統(tǒng)將進一步契合低碳發(fā)展需求，在能源基礎設施等關鍵領域發(fā)揮更重要的電力保障作用。
