SiC器件如何顛覆不間斷電源設(shè)計(jì)?

不間斷電源 (UPS) 和其他基于電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以確保住宅、電信設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和其他關(guān)鍵設(shè)備的持續(xù)供電。憑借先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，這些系統(tǒng)能夠確保可靠供電，提供濾波功能，并在發(fā)生短期電網(wǎng)斷電時(shí)保障供電。對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的停電，這些系統(tǒng)可以提供足夠的時(shí)間讓關(guān)鍵設(shè)備安全地關(guān)閉。 

UPS的設(shè)計(jì)要項(xiàng)一文中，我們帶大家了解了UPS的使用用例與具體產(chǎn)品規(guī)格，本文將從SiC器件的角度出發(fā)，幫助您設(shè)計(jì) UPS 或其他電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

SiC正在推動(dòng)革命

碳化硅 (SiC) 產(chǎn)品，即所謂的寬禁帶產(chǎn)品，可以對(duì) UPS關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生積極影響。高開關(guān)頻率可以減小無(wú)源組件的尺寸并降低產(chǎn)品的整體重量，方便運(yùn)輸并降低擁有成本，讓用戶有更多空間存放更大容量的 UPS，以迎接大數(shù)據(jù)時(shí)代的持續(xù)增長(zhǎng)。

安森美 SiC MOSFET 的所有器件都具有雪崩額定值并符合 100% 工作電壓要求，具有出色的穩(wěn)健性和可靠性。與許多其他平面型 SiC MOSFET 一樣，在負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓下運(yùn)行也沒有問(wèn)題。由于特殊的平面設(shè)計(jì)，安森美的所有 SiC MOSFET 產(chǎn)品系列在整個(gè)生命周期內(nèi) RDS(ON)、VTH或二極管正向電壓均無(wú)漂移。為達(dá)到理想性能，推薦的柵極電壓為 18 V，也可低至 15 V，以與上一代 SiC MOSFET 兼容。

安森美是“端到端”的 SiC 供應(yīng)商，涵蓋從基板到模塊的整個(gè)流程。憑借我們垂直整合的端到端供應(yīng)鏈和 SiC 產(chǎn)品的出色效率，我們?yōu)榭蛻籼峁┧璧墓?yīng)保證，以支持未來(lái)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

圖 1. 安森美 SiC 產(chǎn)品：從基板到系統(tǒng)

SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)器

基于 SiC 的 UPS 系統(tǒng)有利于高頻，相對(duì)于硅柵極驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器提出了更高的要求。在為新一代 UPS 系統(tǒng)選擇 SiC MOSFET 時(shí)，為了提高 SiC MOSFET 功率實(shí)施的穩(wěn)健性，需要強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：

●  高電流能力：在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)輸送高峰值電流以使 CGS 和 CGD 電容快速充電和放電。 

●  抗擾度強(qiáng)：在具有快速開關(guān) SiC MOSFET 的系統(tǒng)中，SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器必須考慮與快速 dV/dt 和感應(yīng)噪聲相關(guān)的抗擾度。特別是，允許的最大和最小電壓表示對(duì)正負(fù)浪涌事件的抗擾度。 

●  匹配的傳播延遲：傳播延遲是從 50% 的輸入到 50% 的輸出的時(shí)間延遲，這在高頻應(yīng)用中至關(guān)重要；延遲不匹配會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗和發(fā)熱。 

NCP51561 SiC MOSFET（一種隔離式雙通道 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器）滿足所有這些要求，具有 4.5 A/9 A 拉電流和灌電流峰值。NCP51561 提供快速而匹配的傳播延遲。兩個(gè)獨(dú)立的 5 kV RMS（UL1577 額定值）電氣隔離柵極驅(qū)動(dòng)器通道，具有可調(diào)死區(qū)時(shí)間，可用于兩個(gè)低邊、兩個(gè)高邊開關(guān)或半橋拓?fù)洹?/p>

評(píng)估設(shè)計(jì)權(quán)衡

效率是儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素，而效率的關(guān)鍵是高速開關(guān)和高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如 NPC 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與相對(duì)簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中配置的低速半導(dǎo)體相比，與相對(duì)復(fù)雜但高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的高開關(guān)速度半導(dǎo)體成本更高。然而，半導(dǎo)體成本的增加將被其他地方的節(jié)省所抵消。比如，高速開關(guān)轉(zhuǎn)化為更低的模塊損耗和更長(zhǎng)的電池壽命。它支持使用更小、成本更低的電容器和電感器，從而提供更緊湊的終端產(chǎn)品。在性能和成本/尺寸/控制難度之間總是存在折衷。

圖 2.逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

尋找產(chǎn)品生命周期支持

開始設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保您可以獲得所選電源產(chǎn)品的 SPICE 模型和 STEP 文件。PSpice 模型有助于研究電路、模塊和芯片層面的反向恢復(fù)行為和寄生效應(yīng)。這些模型還支持熱仿真和自發(fā)熱效應(yīng)的探索。 

此外，應(yīng)尋找對(duì)第三方仿真工具的支持。而且，您的供應(yīng)商應(yīng)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中為您提供支持，包括仿真、產(chǎn)品選擇、布局、優(yōu)化、原型制作和終端客戶系統(tǒng)的生產(chǎn)。安森美是各種功率半導(dǎo)體器件和相關(guān)組件的全方位服務(wù)供應(yīng)商，提供完整的內(nèi)部端到端供應(yīng)鏈和全球客戶支持。

結(jié)論

在本文中，我們討論了 UPS 和其他電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、用例、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及如何選擇合適的功率半導(dǎo)體。安森美憑借長(zhǎng)期以來(lái)積累的專業(yè)知識(shí)和在電源管理和轉(zhuǎn)換方面的地位，幫助全球客戶開發(fā)采用尖端技術(shù)的 UPS 系統(tǒng)，最大限度地提高負(fù)載的供電質(zhì)量和可靠性，同時(shí)降低擁有成本。

在設(shè)計(jì)穩(wěn)健的 UPS 系統(tǒng)時(shí)，采用基于碳化硅的功率級(jí)對(duì)于減少功率損耗、提高功率密度和降低散熱成本起著至關(guān)重要的作用。選擇以基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)可靠性為基礎(chǔ)構(gòu)建的高度穩(wěn)健的 SiC 功率器件是設(shè)計(jì)持久耐用的 UPS 系統(tǒng)的關(guān)鍵。安森美從原材料到完整模塊解決方案的端到端 SiC 制造流程確保了出色的供應(yīng)質(zhì)量和可靠性。