【导读】在像是基站、交换机、服务器等关键的基础设施中，都有着不能停止运转、避免断电的压力，因此不间断电源 (Uninterruptible Power Supply, UPS) 便是在电网异常的情况下，不间断的为电器负载设备提供后备交流电源，以维持电器正常运作的设备。本文将为您介绍 UPS 的运作原理，以及由安森美 (onsemi) 推出的 UPS 应用解决方案。
在线式UPS可提供更佳的效能
由电池供电的UPS在保护数据中心、医疗设施、工厂、电信枢纽、医疗，甚至家庭中的敏感设备，免受短期电网尖峰和停电影响方面非常重要。当在停电时间较长的情况下，它们能够提供必要的短期电力，以实现有准备的断电，防止数据丢失。
UPS一般可以分为“在线式”（Online）或“离线式”（Offline）。在离线式UPS中，负载直接连接到电网，当输入电源发生停电或干扰等故障时，系统会切换至UPS的电池供电模式，切换过程一般需要大约10毫秒才能完成，这限制了离线式UPS在部分应用中的使用。在线互动式UPS则是另一种离线式UPS，它可以根据需要通过升高或降低市电电压来主动调节电压，然后再将其传递给受保护的负载。通过这种方式，在线互动式UPS可以充当电压优化器，并具有更长的使用寿命，因为电池模式不会经常激活。
而在线式UPS在负载与电网中间加入DC/AC逆变电路以及电池充放电电路，无论输入电源是否正常，逆变器一直处于工作状态，在线式UPS消除了切换延迟，因此出现输入问题时，在线式UPS能够进行“零中断”切换，通过电池为负载进行紧急供电。同样，带有双向充电器的电池储能系统（BESS）可以在交流输入中断时提供连续、无缝的电源。在线式UPS在这三种类型中价格最高，但它可以解决最多的电源问题，并提供最高质量的输出，这使其最适合高敏感度设备、数据中心和其他关键设备。
一般来说，模块化UPS更加受到设计人员和用户的青睐，可通过并联较低功率的UPS以满足更大用电需求。模块化UPS能够快速简单地拓展现有的UPS系统，并且帮助客户在大规模系统的建立过程中获利。然而，与任何电源设计一样，高效UPS的设计也存在挑战，需要考虑的一些关键因素包括尺寸、输入输出调节能力、电池管理和拓扑结构。
尤其是在数据中心等空间非常宝贵的应用中，UPS的尺寸也相当重要。在过去，变压器一直是UPS中最大的器件之一，但随着更先进的半导体技术的出现，高频开关电路代替了变压器，从而节省空间。一套无变压器UPS能够在标准尺寸机柜中，为大型数据中心提供数百kVA的紧急供电。
合适的拓扑与器件材料是UPS硬件设计的关键要素
在线式UPS使用高频PWM（Pulse Width Modulation）来执行双变换（AC-DC然后DC-AC），这能够解决许多离线式UPS无法处理的输入质量问题，比如低压、过压和线路噪声等等，同时减少电池使用次数，延长电池寿命。
逆变器决定了UPS的输出质量，同时也大大影响了UPS的整体效率。优秀的在线式UPS能够输出近似于市电的高质量正弦波，为阻性负载和感性负载供电。这将要求逆变器中的开关器件（IGBT/MOSFET）进行高频工作配合控制算法，尽可能减少输出噪声，以及开关过程所产生的EMI问题。
在典型的UPS中，多个堆叠的电池组成一个完整的电池包，由电池管理模块进行充放电管理。为了使电池发挥最佳性能并延长使用寿命，设计必须考虑到负载平衡、电压和电流保护、充放电控制、热管理、风扇控制、监控和通信等问题。
UPS的硬件设计中最关键的决定之一是为应用选择合适的拓扑，从而平衡性能和成本。尽管两电平拓扑，如三相半桥，具有简单的结构和并不复杂的控制算法，但三电平拓扑（T-NPC、A-NPC或I-NPC）能够为更先进的UPS提供更高的效率和更低的损耗和噪声。
开关器件的材料也同样关键，新的宽禁带（WBG）器件，如碳化硅（SiC），能够以更高的开关频率和更低的损耗工作，同时减少无源器件的尺寸，从而优化UPS的整体设计。
高质量的SiC和创新封装工艺提升UPS效能
安森美的SiC和创新封装工艺能够提高密度、减少系统损耗和简化冷却系统，对于牵一发而动全身的关键UPS系统而言，有助于提高系统整体的可靠性。安森美的系统专业知识凝聚成一系列优化功率模块，支持各类关键的功率级拓扑，以及分立器件和定制化的隔离式栅极驱动解决方案。安森美深知UPS系统的关键性，因此制定了一个“基建级”的可靠性框架，其稳固的物理建模提供可预测的仿真结果，能反映真实的运行状况，从而加快开发时间。
安森美的碳化硅和混合碳化硅模块采用的封装技术具有出众的效能，以及比分立器件更低的热阻，拥有易于安装的封装以符合行业标准的引出线。安森美的SiC模块包含SiC MOSFET和SiC二极管，升压模块用于太阳能逆变器的DC-DC级，这些模块使用额定电压为1200 V的SiC MOSFET和SiC二极管。此外，安森美还有Si/SiC混合模块，包含IGBT、硅二极管和SiC二极管，可用于太阳能逆变器、储能系统和不间断电源的DC-AC级。
提供比硅更胜一筹的开关性能和更高可靠性
安森美碳化硅二极管系列采用一种全新技术，提供比硅更胜一筹的开关性能和更高可靠性，产品包含有D1、D2、D3系列。D1系列支持650V、1200V、1700V的电压，针对大尺寸芯片低电阻以及最高浪涌电流额定值进行优化，适用于Vienna整流器输入级；D2系列支持650V电压，D3系列则支持1200V电压，两款产品均具有低Vf的高速开关，适用于PFC级、输出整流应用。
安森美的碳化硅MOSFET系列被设计成具有快速和强固的特性，包括从高能效到减少系统尺寸和成本的系统优势，产品包含有M1、M2、M3系列。M1系列支持1200V、1700V电压，针对大尺寸芯片低电阻、开关损耗和传导损耗的平衡进行优化，适用于DC-DC固态继电器、主驱与电机驱动器、硬开关应用；M2系列支持650V、900V电压，针对低速应用的最低RDS(ON)进行优化，适用于DC-DC固态继电器、主驱与电机驱动器；M3系列则支持1200V电压，针对配备15V-18V栅极驱动器的快速开关应用进行优化，适用于硬开关应用、LLC谐振应用。若还想知道更多关于安森美针对UPS应用所推出的相关技术与产品信息，请参考:
https://www.onsemi.com/solutions/industrial/energy-infrastructure/uninterruptible-power-supply-ups#FeaturedAssets。
结语
无论是用于云计算的服务器，或是用于服务移动设备的4G/5G基站，都需要UPS来确保系统不会受到电源不稳定的影响，市场需求正在迅速增加。本文介绍的安森美UPS解决方案，凭借着优异的SiC与封装工艺，可满足多种电压、功率的UPS应用需求，将是您开发UPS产品的最佳合作伙伴。
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