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DC充电站:ST在功率与控制层面所遇到之挑战
[作者 Luigi Galioto]   2021年04月23日 星期五 浏览人次: [1453]

预计到2027年,全球电动汽车充电站市场规模迅速扩展,而亚太地区电动汽车销量的迅速成长推动了全球电动汽车充电站市场的成长。意法半导体(ST)产品可支援此一市场/应用。本文介绍主要系统架构以及主要适用的ST产品。


预计到2027年,全球电动汽车充电站市场规模将从2020年估计的2,115,000个成长至30,758,000个,复合年均成长率高达46.6%。该报告的基准年为2019年,预测期为2020年至2027年。[1] 从地理位置来看,亚太地区(尤其是中国)电动汽车销量的迅速成长推动了全球电动汽车充电站市场的成长。预测期间内欧洲有??成为第二大市场。


有鉴於30分钟内即可将电动汽车快速充满的便利性,3级充电(即DC快速充电)的成长速度最快。意法半导体(ST)产品可支援此一市场/应用。将在以下章节中介绍主要系统架构以及主要适用的意法半导体产品。


架构与ST产品

DC快速充电站的功率范围为30-150kW,该技术采用15-30 kW子单元的模组化方法(图一),并透过将子单元堆叠来形成功率更高的DC充电系统。该方法提供了一种弹性、快速、安全且实惠的解决方案。


图一 : 充电站子单元可堆叠解决方案
图一 : 充电站子单元可堆叠解决方案

ST产品涵盖了每个子单元(图二)中所包含的主功率和控制单元/驱动级。



图二 : 子单元架构图
图二 : 子单元架构图

对於功率级(PFC + DC-DC部分),设计效率为关键,对於功率范围为15-30kW的子单元,ST为PFC、DC-DC和控制单元/驱动级提供合适且高效的智慧产品,如下所述。


PFC级

对於3相输入,功率因数校正(PFC)级可透过几种配置来实现,并通常使用Vienna整流器拓扑(图三,类型1或类型2)。



图三 : PFC Vienna整流器拓扑
图三 : PFC Vienna整流器拓扑

根据设计和/或客户需求,意法半导体提供多种开关(图三,元件T):


· 第二代SiC MOSFET@内文:(650V系列SCT*N65G2)基於宽能隙材料的先进性和创新性,藉由单位面积极低的导通电阻以及出色的开关性能,可达到高效且高率配置紧密的设计。特别是,具有18mΩ RDS(on)的4脚位SCTW90N65G2V-4可在100℃下轻松处理90 A的漏极电流。


· IGBT HB2系列@内文:(650V系列STGW*H65DFB2)可在中至高频率下运作的应用中确保更高的效率。结合较低的饱和电压(1.55 V典型值)和较低的总闸极电荷,该IGBT系列可确保应用在关断期间具有最低的过冲电压并具有较低的关断耗能。特别是,受益於将电源路径与驱动讯号隔开的Kelvin脚位,STGW40H65DFB-4可实现更快的开关。


· 功率MOSFET MDMesh M5系列@内文:(650V系列,STW*N65M5)采用创新的垂直制程,具有更高的VDSS额定值和高dv/dt性能、出色的导通电阻 x面积以及卓越的开关性能。


在输入级中,可透过以下元件来控制浪涌电流:


· SCR闸流体@内文:TN*50H-12WY(图三,Vienna 1,元件DA)是一款经AEC-Q101认证的整流器,具有优化的功率密度和抗浪涌电流能力,可实现1200V的阻断能力,就可避免使用限制系统效率与寿命的无源元件。


· 输入桥整流器@内文:STBR*12 1200系列(图三,Vienna1,元件DB)具有低正向压降,可提升输入桥的效率,并符合最严苛的标准。该产品适用於混合桥配置以及ST的SCR闸流体。


就二极体而言,新型SiC二极体650/1200V系列拓扑结合了最低的正向电压与最先进的正向浪涌电流稳健性。设计人员可以选择低额定电流二极体而不牺牲转换器的效率,同时提升高性能系统的经济效益。


· Vienna 1型为650V(STPSC*H65)(图三,元件DC)


· Vienna 2型为1200V(STPSC*H12)(图三,元件D)


DC-DC级

在DC/DC转换级中,由於其效率、电流隔离和较少的元件,全桥谐振拓扑(图四)通常为首选。



图四 : FB-LLC谐振拓补
图四 : FB-LLC谐振拓补

对於Vout= 750-900V的3相PFC转换器以及400V-800V的高压电池,ST为FB-LLC谐振转换器提供:


· 第二代SiC MOSFET 1200V系列SCT*N120G2(图四,元件T)


· SiC二极体1200V STPSC*H12(图四,元件D)


控制单元与驱动级

根据设计需求,ST提供MCU和数位控制器:


· 最适合功率管理应用的32位元微控制器为STM32F334(来自STM32F3系列)和STM32G474(来自STM32G4系列)。STM32F3 MCU系列结合使用了运作频率为72 MHz的32位元Arm Cortex-M4内核心(采用FPU和DSP指令)、高解析度计时器、复杂波形生成器及事件处理器。运作频率为170 MHz的STM32G4系列32位元Arm Cortex-M4+内核心为STM32F3系列的延续,其在应用方面降低了成本、简化了应用设计并为设计人员提供了探索新的细分领域和应用的机会,从而在模拟技术方面保持领先地位。


· STNRG388A数位控制器的核心为状态机事件驱动(SMED),它使元件能够采用最高解析度为1.3 ns的六个可独立配置的PWM时脉。每个SMED均可以透过STNRG内部微控制器来配置。一组专用外部周边完善了STNRG元件:4个类比比较器、具有可配置运算放大器和8通道定序器的10位元ADC以及可实现高输出讯号解析度的96 MHz 的锁相环。


新型STGAP2SICS为设计用於驱动SiC MOSFET的6kV电流隔离单闸极驱动器。它具有4A灌/拉电流能力、短传输延时、高达26V的供电电压、优化的UVLO和待机功能以及SO8W封装。


评估板

ST几??为所有应用均提供了合适的系统评估板,其可直接在最终系统或子系统上测试ST产品的功能。对於DC充电站,也提供一些评估板和相关固件。


STDES-VIENNARECT评估板(图五(a))采用15 kW的三相Vienna整流器,该整流器支援功率因数校正(PFC)级的混合讯号控制。


SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET(70 kHz)的高开关频率、STPSC20H12 1200V SiC二极体的采用以及多级结构可实现接近99%的效率,并能在尺寸与成本方面优化无源功率元件。STEVAL-VIENNARECT采用混合讯号控制,并透过STNRG388A控制器进行数位输出电压调节。专用类比电路提供高频宽连续导通模式(CCM)电流调节,可在总谐波失真(THD<5%)和功率因数(PF>0.99)方面实现最高功率品质。



图五 : 瞄准DC充电站的PFC解决方案
图五 : 瞄准DC充电站的PFC解决方案

STDES-PFCBIDIR评估板(图五(b))在功率因数校正(PFC)级中采用15 kW、三相、三级有源前端(AFE)双向转换器。电源侧采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET,可确保高效率(接近99%)。控制STM32G4系列微控制器,并具有用於通讯的连线器以及用於测试和调试的测试点与状态指示器。开关元件的驱动讯号由对应的STGAP2S闸极驱动器来管理,以确保独立管理开关频率与死区时间。


STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW无桥图腾柱升压电路(图五(c))透过数位浪涌电流限制器(ICL)来达到数位功率因数校正(PFC)。其有助於工程师透过以下最新的意法半导体功率套件来设计创新拓扑:碳化矽MOSFET(SCTW35N65G2V)、闸流体SCR(TN3050H-12WY)、隔离式FET驱动器(STGAP2S)和32位元MCU(STM32F334)。


(本文作者 Luigi Galioto任职於意法半导体)


叁考资料

[1]来源:Markets and Markets,2021年2月


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