無停電電源装置（UPS）システムは、短期間の停電時にさまざまな重要なインフラストラクチャのバックアップ電源として広く使用されており、非常に成熟したアプリケーションです。しかし、シリコンカーバイド (SiC) 技術の急速な発展により、UPSシステムに新しい設計コンセプトがもたらされ、運用効率が向上しました。この記事では、UPSシステムの開発と、onsemiが導入したパワーMOSFETソリューションについて説明します。
UPSはインフラに安定した電力供給を提供します
無停電電源装置 (UPS) システムは、通信、データ センター、病院、産業施設などの多くのアプリケーションを保護するために広く使用されており、これらのシステムの重要なコンポーネントに電力を供給します。UPSシステムは、電力網が短時間停電した場合のバックアップ電源として機能するだけでなく、信頼性の高い電圧供給を確保するための電源フィルター機能も備えています。
UPSシステムには、通常、オフラインとオンラインの2つの主要な構成があります。オフライン システムは主供給ラインと並列に接続され、主ラインをサポートします。違いは、オンライン システムは主電源ライン上にあり、より高い電力または要求の厳しいアプリケーションで一般的に使用される、より優れたパフォーマンスと電力品質を提供できることです。
通信、データセンター、病院などのインフラでは、可能な限り低コストで効率的かつ信頼性の高い電力を実現する必要があり、UPSシステムはその中で重要な役割を果たします。従来のシリコンベースの電源デバイスやその他のオプションと比較して、UPSシステムの設計にSiCベースのテクノロジーを採用すると、これらのインフラストラクチャのエネルギー効率が大幅に向上します。
最近、UPS電源段にSiCトランジスタが採用され、効率が98% 以上と大幅に向上しました。このような高い効率は、MOSFETやIGBTなどの従来のシリコンベースのデバイスよりも高い温度、周波数、電圧で動作できるSiCなどのワイドバンドギャップ (WBG) 半導体を使用することで実現されます。SiCベースのUPSは放熱性に優れているため、より高温でも動作できます。SiCデバイスを使用したUPSは、より小型、軽量、かつ効率的になります。
完全なSiCパワー半導体ソリューションを提供
onsemiは、電力管理と変換の分野で長年の専門知識とリーダーシップを誇り、世界中のお客様が負荷電力の品質と信頼性を最大限に高め、所有コストを削減する最先端技術を備えたUPSシステムを開発できるよう支援しています。With SiC, SiC/Si hybrid and IGBT module technology, onsemi provides advanced discrete SiC MOSFET, IGBT and medium voltage SJ MOSFET, as well as versatile gate driver, power conversion, sensing and protection IC series, which can help meet various requirements of low, medium and high power UPS design.
onsemi developed SiC module that consists of SiC MOSFET and SiC diode, and SiC MOSFET and SiC driver by using SiC technology. onsemi's SiC MOSFET features robustness and durability, with 10x dielectric breakdown field strength, 2x electron saturation velocity, 3x energy band gap, and 3x thermal conductivity.All of onsemi's SiC MOSFETs include AEC-Q101 and PPAP compliant options designed and certified specifically for automotive and industrial applications.Its system advantages include maximum efficiency by reducing power loss, higher power density, higher operating frequency, higher operating temperature, reduced EMI and, most importantly, reduced system size and cost.
Ideal for high power applications, onsemi's high-performance GaN, IGBT, MOSFET, galvanic isolation, optical isolation and SiC MOSFET drivers are designed for high system efficiency, high reliability, short propagation delay, etc. The ideal performance characteristics of these gate drivers enable them to meet the requirements of automotive, industrial, cloud power supply and computing applications. onsemi's SiC related solutions will be described as follows.
SiC modules for improving efficiency or power density
The NXH006P120MNF2 SiC module introduced by onsemi is a half-bridge or two-PACK SiC module with two 6 mΩ 1200V SiC MOSFET switches and an F2 package thermistor.SiC MOSFET switches use powerful M1 planar technology and are driven by 18V-20V gate drivers.They improve reliability through planar technology and lower die thermal resistance, operate at 20V to reduce losses, and are compatible with other modules if operated at 18V.The NXH006P120MNF2 SiC module can be applied to DC-AC conversion, DC-DC conversion and AC-DC conversion.Common end products include UPS, energy storage system, electric vehicle charging station and solar inverter.
The other NXH010P120MNF1 SiC module is a two-PACK half-bridge topology that containing a 10 mΩ 1200V SiC MOSFET half-bridge and an NTC thermistor in the F1 module.The NXH010P120MNF1 SiC module has a recommended gate voltage of 18V-20V, with low thermal resistance, Thermal Interface Material (TIM) or no TIM option, which can improve RDS(ON) at higher voltage, resulting in improved efficiency or increased power density.It is a flexible solution with a highly reliable thermal interface, and can be used in AC/DC conversion, DC-AC conversion and DC-DC conversion.The end products include an electric vehicle charger, energy storage system, three-phase solar inverter and UPS.
Easy-to-mount integrated module with higher output power
onsemi's NXH400N100H4Q2 SiC hybrid module is a power integrated module (PIM), which contains an I-type NPC stage, including 100 A, 1200 V SiC diodes for the neutral point clamps, 400 A, 1000 V IGBTs for the outer IGBT, and 400 A, 1000 V IGBTs for the inner IGBTs.An onboard thermistor is included.The NXH400N100H4Q2 SiC hybrid module has a low thermal impedance baseplate module, soldering and press-fit options, and an optimized combination of 1000V low VCE(SAT) IGBT and 1200V SiC diode, which can be used for DC-AC conversion, featuring easy module mounting and higher output power, flexible support for different manufacturing processes, excellent efficiency and thermal loss under normal and reactive power conditions.It is an IGBT solution with output power higher than 1200V and can be applied to DC-AC conversion of 1500V system.The end products include a 1500V decentralized utility solar inverter and a 1500V energy storage system.
The NXH300B100H4Q2 Si/SiC hybrid module is a three-channel flying capacitor boost module, each channel containing two 1000 V, 100 A IGBTs, two 1200 V, 30 A SiC diodes, and two 1600 V, 30 A bypass diodes.The module also includes an NTC thermistor, with a low thermal impedance baseplate module and soldering and press-fit options, supporting 1000V low VCE (SAT) fast switching IGBT, and optimized combination of 1200V SiC diode, which can be used for flying capacitor boost stage.It has easy module mounting and higher output power can flexibly support different manufacturing processes, has excellent efficiency and thermal loss, and is an IGBT solution with output power higher than 1200V.The NXH300B100H4Q2 Si/SiC hybrid module can be applied to the MPPT boost stage, and the end products include a 1500V decentralized utility-scale solar inverter and energy storage system.
onsemi's NXH200T120H3Q2 Si/SiC hybrid module is also a PIM that containing a split T-type neutral-point clamped three-level inverter consisting of two 200A/1200V half-bridge IGBTs with inverse diodes, two neutral point 100A/50V SiC diodes, two 150A/650V neutral point IGBTs with inverse diodes, two half-bridge 150A/1200V rectifiers, and a negative temperature coefficient (NTC) thermistor.The NXH200T120H3Q2 Si/SiC hybrid module has low VCE(SAT) fast switching IGBT, combined with SiC diode at the neutral point, low thermal impedance baseplate and solder pin, which has the highest power density and efficiency, high robustness under short-term high power conditions, can be mounting without press-fit tools, and can be applied to DC-AC stage.The end products include solar inverters, UPS and energy storage systems.
The NXH80T120L2Q0 is a PIM containing a T-type neutral point clamped (NPC) three-level inverter consisting of two 80 A/1200 V half-bridge IGBTs, 40 A/1200 V half-bridge diodes and two 50 A/600 V NPC diodes to form an IGBT with two 50 A/600 V NPC diodes.The module also contain an on-board thermistor.The NXH80T120L2Q0 is a high-speed 1200V and 650V IGBT with low VCE(SAT), with and without pre-applied TIM, and press-fit pins and solder pins for improved power efficiency, simpler mounting process, and a wider selection of module mounting processes.It can be applied to solar inverters, UPS inverters, and the end product is solar string inverters.
Development evaluation board for improving development efficiency
onsemi has also launched a variety of development evaluation boards for developing power systems.SEC-3PH-11-OBC-EVB is a three-phase onboard charger (OBC) PFC-LLC platform, which can realize the most advanced system efficiency through AEC-Q SiC power devices and drivers.The system boasts a high-performance SiC MOSFET 1200 V, 80 mΩ (NVHL080N120SC1), a SiC MOSFET 6A gate driver (NCV51705) and a 650 V, 30 A SiC diode (FFSB3065B-F085).The kit is designed in a modular approach and equipped with a user-friendly GUI (graphical user interface), which is helpful to evaluate SiC devices in OBC applications.LLC system is driven by embedded software in voltage or current control modes, which can be used as a learning environment for three-phase AC/DC power conversion.
SEC-3PH-11-OBC-EVB can be used to develop AC/DC three-phase PFC full bridge (voltage source inverter), DC/DC LLC full bridge, executable software FOC (field-oriented control), CC (constant voltage) and CV (constant voltage), with an input voltage of 195-265 Vac, DC bus current of max 735 Vdc, an output voltage of 200-450 Vdc, an output current of 0-40A, a sampling frequency of up to 400 Hz, and state-of-the-art proven achievable efficiency (> 95%) that facilitate system evaluation tests and measurements.これは、OBC、電気自動車の充電、および3相AC/DC変換に適用可能な3相PFC/LLCトポロジ システムを確立するための独自のものです。
もう1つのSECO-GDBB-EVBは、ゲート ドライバー プラグ アンド プレイ エコシステムのベースボードであり、これを使用して、さまざまなゲート ドライバーとテクノロジ (NCP51705、FOD8334、NCV57000など) の動的パフォーマンスと機能を比較できます。さらに、このスイートは、最終アプリケーションに最適化されたゲート抵抗 (Rg) を選択するのに役立ちます。SECO-GDBB-EVBは、ゲート ドライバーを備えた最大6枚の異なるドーター カードに対応し、共通のPWM制御信号を提供し、ゲート ドライバー間の信頼性の高い比較のために同等の動作条件を提供します。スイッチング周波数 (10 ～ 200 kHz) とデューティ サイクルは手動で調整可能で、周波数範囲はBNCコネクタを介して微調整および拡張できます。回路基板上には電圧と電流を測定するための複数のテスト ポイントがあります。
SECO-GDBB-EVBの入力電圧は15 V ± 1 Vです。周波数とデューティ サイクルを調整できるオンボードPWMジェネレーターを備えており、外部PWMによって生成されるBCNコネクタに使用できます。また、SiCおよびIGBTゲート ドライバー (4レール +15 V/-9 Vおよび2レール +20 V/-4 V) と選択したドーター カードの絶縁電圧を備えています。さまざまなミニボードを使用して、すぐにゲート ドライバーをテストできます。例としては、NCP51705SMDGEVB、SECO-NCD5700-GEVB、SECO-NCD57000-GEVB、SECO-NCP51530HB-GEVB、SECO-NCP51561BADWR2G-GEVBがあり、さまざまなゲート ドライバ テクノロジの比較に適用でき、ゲート抵抗の選択を容易にし、産業およびオートメーション分野で使用されます。
結論
UPSシステムは、通信、データ センター、病院、産業施設など、多くのアプリケーションの重要なインフラストラクチャにとって重要なバックアップ電源です。SiCテクノロジはUPSの動作効率を向上させることができ、新世代のUPS設計に最適なソリューションです。onsemiは完全なSiCデバイスおよびモジュール ソリューションを提供し、UPSシステムの開発に最適な選択肢となる便利なソフトウェアおよびハードウェア開発環境を提供します。