向 煜碳化硅SiC功率器件实战派2025年07月11日 10:04广东

文章来源：《科学技术创新》

作 者：向 煜 （民航云南空管分局，云南 昆明）

摘 要：功率电子器件在不间断电源(UPS)系统中的应用及其性能表现是一个值得深入探讨的主题。UPS 系统的基本结构和工作原理为理解功率电子器件的作用奠定了基础。各类功率电子器件，如 IGBT、MOSFET 等，在 UPS 系统中发挥着关键作用。通过对比分析不同器件的特性，可以评估它们在效率、可靠性、功率密度等 方面的性能表现。新型宽禁带半导体材料（如 SiC、GaN）的出现为 UPS 系统带来了新的发展机遇。功率电子器 件在提升 UPS 系统整体性能方面起着至关重要的作用，其未来发展趋势将持续影响 UPS 技术的进步。

关键词：#不间断电源系统(UPS)；#功率电子器件；#IGBT；#宽禁带半导体

随着现代社会对电能质量和供电可靠性要求日 益提高，不间断电源(UPS)系统在关键基础设施中扮演 着至关重要的角色。功率电子技术的革新，尤其是先 进功率器件的应用，为 UPS 系统性能的提升带来了突 破性进展。本文旨在深入探讨功率电子器件在 UPS 系 统中的应用现状，全面评估其在效率、可靠性和功率 密度等方面的性能表现。

1 UPS 系统中的功率电子器件

1.1 UPS 系统的基本结构与功率电子器件的作用

UPS 系统通常由整流器、逆变器、电池组和静态 旁路开关构成（详见图 1）。整流器将交流电转换为直 流电，为电池充电并为逆变器供电。逆变器将直流电 转换回交流电，为负载提供稳定电源。功率电子器件 在这些关键部件中扮演核心角色。

1.2 常用功率电子器件类型及其特性

UPS 系统中常用的功率电子器件包括 IGBT、 MOSFET、二极管和晶闸管。IGBT 结合了 MOSFET 的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通损耗特性，适用 于中高压、大电流应用。其典型参数包括：击穿电压 600 V-6.5 kV，电流额定值几十到几千安培，开关频 率可达 20 kHz。MOSFET 具有更高的开关速度，适用 于低压大电流场合，其导通电阻可低至几毫欧，开关 频率可达数百 kHz。快恢复二极管在 UPS 中用于整流 和续流，其反向恢复时间可低至几十纳秒。晶闸管虽 然开关速度较慢，但具有大电流承载能力，常用于静 态转换开关[1]。

2 功率电子器件在 UPS 系统中的具体应用

2.1 整流器中的功率电子器件应用

UPS 系统整流器采用功率因数校正 (PFC) 技术， IGBT 或 MOSFET 作为核心开关器件。典型的 Boost PFC 电路通过高频 PWM 控制，实现近似正弦的输入 电流波形，功率因数达 0.99 以上，总谐波失真(THD)降 至 5%以下。大功率 UPS 系统常用三相 Vienna 整流器 拓扑，使用 6 个 IGBT/MOSFET 和 18 个二极管，实现 双向能量流动。Vienna 整流器采用空间矢量 PWM 技 术，实现低开关损耗和高效率[2] 。

2.2 逆变器中的功率电子器件应用

UPS 逆变器核心是全桥逆变电路，由四个 IGBT 或 MOSFET 构成。通过 PWM 控制策略进行高频开关，生成高质量交流波形。控制方法包括 SPWM 和 SVPWM，后者可提高直流母线电压利用 率，减少开关损耗，典型的开关频率范围为 10~20 kHz。大功率 UPS 常用三电平 NPC 结构，每相使用 4 个 IGBT 和 2 个钳位二极 管，可产生三个电压电平，降低滤波器要求， 输出电压 THD 可控制在 2%以下[3] 。逆变器 采用双闭环控制结构，包括内环电流控制和 外环电压控制。

3 UPS 系统中功率电子器件的性能分析

3.1 效率与功耗分析

为评估功率电子器件在 UPS 系统中的性能，设计 了综合测试平台，用于分析 10 kVA 三相 UPS 系统的 效率与功耗特性。测试平台配置如下：

（1） 高精度功率分析仪：Yokogawa WT5000，精 度±0.01%。

（2） 热像仪：FLIR T1020，温度分辨率 0.02 ℃。

（3） 数 据 采 集 系 统 ：National Instruments PXIe-1085，采样率 2 MS/s。

实验方案设计如下:

（1） 效率测试：在 25%到 100%负载范围内，以 25%为步进，测量整机效率和各级功率变换单元的效 率。这种梯度测试方法可以全面评估 UPS 系统在不同 负载条件下的性能表现，特别是在轻载和重载条件下 的效率变化。

（2） 温度分布测试：利用热像仪和温度传感器， 在不同负载条件下记录关键器件的温度分布。这项测 试对于评估散热设计的有效性和识别潜在的热点至 关重要，有助于优化热管理策略。

分别测试采用传统 IGBT 和 SiC MOSFET 的方 案。实验结果如表 1 所示。SiC MOSFET 和 Si IGBT 方 案在不同负载条件下的效率对比见图 2。

3.2 可靠性与寿命评估

为全面评估功率器件在 UPS 系统中的可靠性和 寿命特性，设计并实施一套综合的测试方案，包括加 速老化试验和长期现场监测。这种方法使能够在较短 时间内获得可靠的寿命数据，同时也能反映实际应用 环境中的性能表现。

加速老化试验设置如下：

（1） 环境箱：ESPEC ESX-4CA, 温度范围 -40 ℃ ~150 ℃，湿度范围 20%~98% RH。

（2） 温度循环：-40 ℃~125 ℃，2 小时 / 循环。

（3） 湿度：85% RH。

（4） 样本：100 个 SiC MOSFET 模块和 100 个等 效 IGBT 模块。

（5） 电气应力：使用 Keysight N8937A 程控电源 和 Chroma 63800 系列电子负载模拟实际工作条件。

3.3 功率密度与热管理特性

实验验证：

（1） 构建 1:1 比例的 UPS 原型，装配多个 PT100 温度传感器和 K 型热电偶。这种大规模原型的使用确 保了实验结果能真实反映实际系统的性能。

（2） 测试环境：ESPEC Walk-in 温度试验箱, 温度范围 5 ℃~50 ℃。这个宽广的温度范围允许我们 评估系统在不同环境条件下的性能表现。

（3） 冷却方案：传统风冷、微通道液冷和相变材 料复合冷却。这三种方案代表了从传统到先进的冷却技术演进，使我们能够全面评估 SiC MOSFET 在不同 冷却条件下的性能。

（4） 使用 FLIR T1020 热像仪捕获整机温度分 布。高精度的热成像技术使我们能够直观地观察和分 析系统的热点分布，为冷却系统优化提供直接依据。

实验结果表明（见表 2），采用 SiC MOSFET 和优 化的电路拓扑，功率密度达到 8 kW/L，比传统方案提 升 60%。创新的相变材料与微通道液冷相结合的散热 方案，在脉冲负载下将温度波动控制在±5 ℃以内。

4 UPS 系统功率电子技术的优化与创新

4.1 新型半导体器件在 UPS 中的应用与性能优化

在 50 kW 三相 UPS 原型中，采用 1200 V/100 A SiC MOSFET 模块替代 Si IGBT，逆变效率从 97.2%提 升至 98.8%。优化栅极驱动电路，采用双极性 +20 V/ -5 V 驱动，将开关损耗降低 45%。通过精确控制 dv/dt 为 50 V/ns，抑制了寄生振荡，降低 EMI。热设计采用直 接铜键合（DBC）基板，热阻降至 0.08℃/W。辅助电源 使用 650V GaN HEMT，DC-DC 变换效率达 97.5%， 开关频率 500 kHz。准谐振拓扑实现零电压开关，磁性 元件体积减小 60%。结合 SiC 高温特性，冷却系统简 化 为 自 然 对 流 [5]，SiC MOSFET 和 Si IGBT 的性 能对比见图 3。

4.2 UPS 智能控制系统与高频设计技术

开发基于 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC 的智能 控制系统（系统框架见图 4）。FPGA 实现 PWM 生成 和保护逻辑，响应时间 <100 ns。ARM 核心执行高 级算法和通信功能。实时 以太网协议实现多模块同步，抖动 <1 μs。模型预测控制（MPC）将动态响应优 化至 2 ms。

5 结论

研究深入分析了功率电子器件在 UPS 系统中的应用及性能，得出以下结论：

（1） SiC MOSFET 方案显著提升了 UPS 系统效率，整流器效率达 98.5%，整机效率在宽负载范围内保持在 96%以上，优化 PWM 策略有效提高了轻载效率。

（2） SiC MOSFET 方案大幅提高了 UPS 系统的可靠性，MTBF 达 150,000 小时，优化设计和新工艺显著降低了故障率，预测 10 年使用寿命内累积故障率低于 2%。

（3） 采用 SiC MOSFET 和创新散热方案，UPS 功率密度提升 60%达 8 kW/L，温度控制精度大幅提高，同时实现了磁性元件体积和散热器重量的显著减少。

（4） 新型半导体器件在 UPS 中的应用极大提升 了系统性能，SiC MOSFET 将逆变效率提高到 98.8%， GaN 器件实现了高效率高频运行，同时显著改善了 EMI 性能和热管理效果。

（5） UPS 智能控制系统与高频设计技术的创新 实现了快速响应、高精度控制和卓越的系统可靠性， 同时高频设计技术克服了多项技术挑战，保证了系统 在广范围负载下的高效率运行。

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