المُقدّمة
من المتوقع أن يصل حجم سوق محطات شحن السيارات الكهربائية العالمية إلى 30,758 ألف وحدة بحلول عام 2027 ، من ما يقدر بنحو 2,115 ألف وحدة في عام 2020 ، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 46.6٪. سنة الأساس للتقرير هي 2019 ، وفترة التوقعات من 2020 إلى 2027 (المصدر الأسواق والأسواق ، فبراير 2021).
جغرافيًا ، أدت المبيعات المتنامية بسرعة للسيارات الكهربائية في منطقة آسيا والمحيط الهادئ ، وخاصة في الصين ، إلى دفع نمو السوق العالمية لمحطات شحن السيارات الكهربائية. من المتوقع أن تكون أوروبا ثاني أكبر سوق خلال فترة التوقعات.
بالنظر إلى أنواع مستويات الشحن المختلفة ، من المتوقع أن ينمو نوع الشحن من المستوى 3 (أي الشحن السريع للتيار المستمر) بشكل أسرع خلال فترة التنبؤ. ينمو شحن المستوى 3 بأسرع معدل بسبب راحة الشحن السريع للمركبات الكهربائية في غضون 30 دقيقة. تدعم منتجات STMicroelectronics هذا السوق / التطبيق. سنلقي نظرة على هياكل النظام الرئيسية ومنتجات ST الرئيسية المناسبة في القسم التالي.
المعماريين ومنتجات سانت
يغطي نطاق الطاقة لشواحن التيار المستمر السريع 30-150 كيلو وات وينفذ نهجًا معياريًا (الشكل 1) يعتمد على وحدات فرعية 15-30 كيلو واط ، والتي يتم تكديسها بعد ذلك لإنشاء نظام شحن تيار مستمر عالي الطاقة. يوفر هذا النهج حلاً مرنًا وسريعًا وآمنًا وبأسعار معقولة.
فيما يتعلق بمرحلة الطاقة (أقسام PFC + DC-DC) ، فإن كفاءة التصميم هي المفتاح ، وبالنسبة لوحدة فرعية من نطاق طاقة يتراوح بين 15 و 30 كيلو وات ، تقدم ST منتجات مناسبة وفعالة وذكية لوحدة التحكم PFC و DC-DC ووحدة التحكم / مراحل القيادة ، كما ورد في الأقسام التالية.
مرحلة PFC
يمكن تنفيذ مرحلة تصحيح عامل القدرة (PFC) ، لإدخال ثلاثي الطور ، من خلال عدة تكوينات ، وغالبًا ما يتم استخدام طبولوجيا مقوم فيينا (الشكل 3 ، النوع 3 أو النوع 1).
بناءً على التصميم و / أو احتياجات العملاء ، تقدم ST مجموعة متنوعة من المفاتيح (الشكل 3 ، الجهاز T):
- كربيد الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة جنرال 2 يعتمد (650V series SCT * N65G2) على الخصائص المتقدمة والمبتكرة للمواد ذات فجوة الحزمة العريضة وتتميز بـ Rdson منخفض جدًا لكل منطقة مع أداء تحويل ممتاز يوفر تصميمًا فعالًا وصغير الحجم. على وجه الخصوص ، يمكن لـ SCTW4N90G65V-2 ذي 4 سنون مع 18mΩ RDS (on) التعامل بشكل مريح مع 90 A من تيار التصريف عند 100 درجة مئوية.
- IGBTسلسلة HB2 (عائلة 650 فولت STGW * H65DFB2) تضمن كفاءة أعلى في التطبيقات التي تعمل على ترددات متوسطة إلى عالية. الجمع بين كل من التشبع المنخفض الجهد االكهربى (نوع 1.55 فولت) وإجمالي شحنة بوابة أقل ، تضمن عائلة IGBT هذه الحد الأدنى من الجهد الزائد أثناء الإيقاف بالإضافة إلى انخفاض طاقة إيقاف التشغيل في التطبيق. على وجه الخصوص ، يوفر STGW40H65DFB-4 تحويلًا أسرع بفضل دبوس Kelvin الذي يفصل بين مسار الطاقة وإشارة القيادة.
- سلسلة Power MOSFETs MDMesh ™ M5 (عائلة 650 فولت ، STW * N65M5) تستخدم عملية رأسية مبتكرة للحصول على تصنيف VDSS أعلى وقدرة dv / dt عالية ، R متميزةديسون x ، وأداء تحويل ممتاز.
في مرحلة الإدخال ، من الممكن التحكم في تدفق التيار باستخدام هذه الأجهزة:
- الثايرستور SCR TN * 50H-12WY (الشكل 3 ، فيينا 1 ، الجهاز D.A) ، مقوم مؤهل AEC-Q101 ، يوفر قدرة حجب 1200 فولت مع كثافة طاقة محسّنة وقدرة تيار تصاعد. بهذه الطريقة ، من الممكن تجنب استخدام المكونات السلبية التي تحد من كفاءة النظام وعمره.
- مقومات لجسر الإدخال ، عائلة STBR * 12 1200 (الشكل 3 ، Vienna1 ، الجهاز D.B) مع انخفاض الجهد الأمامي المنخفض ، يحسن كفاءة جسور الإدخال وفقًا للمعايير الأكثر صرامة. هذه المنتجات مثالية للاستخدام في تكوينات الجسر المختلط جنبًا إلى جنب مع ST's SCR Thyristor.
بقدر ما يتعلق الأمر بالثنائيات ، فإن طبولوجيا الجديد ثنائيات SiC 650/1200 فولت تجمع السلسلة بين أدنى جهد أمامي وأحدث متانة تيار تصاعد أمامي. يمكن للمصممين تحديد الصمام الثنائي ذو التصنيف المنخفض الحالي دون المساومة على محولمستوى الكفاءة مع زيادة القدرة على تحمل تكاليف الأنظمة عالية الأداء.
- 650 فولت (STPSC * H65) على نوع فيينا 1 (الشكل 3 ، الجهاز D.C)
- 1200 فولت (STPSC * H12) في نوع فيينا 2 (الشكل 3 ، الجهاز D)
مرحلة DC-DC
في مرحلة تحويل DC / DC ، غالبًا ما يُفضل طوبولوجيا رنين الجسر الكامل (الشكل 4) نظرًا لكفاءتها ، وعزلها الجلفاني ، وعدد أقل من الأجهزة.
النظر في محول PFC ثلاثي الأطوار مع V.خارج= 750-900 فولت ، وبطارية HV 400V-800V ، لمحول الرنين FB-LLC تقترح ST:
- SiC MOSFETs الجيل 2 1200V سلسلة SCT * N120G2 (الشكل 4 ، الجهاز T)
- ثنائيات SiC 1200 فولت STPSC * H12 (الشكل 4 ، الجهاز D)
وحدة التحكم ومرحلة القيادة
اعتمادًا على احتياجات التصميم ، تقدم ST كلاً من وحدات التحكم MCU ووحدات التحكم الرقمية:
- تعد وحدات التحكم الدقيقة ذات 32 بت الأكثر ملاءمة لتطبيقات إدارة الطاقة هي STM32F334 (من عائلة STM32F3) و STM32G474 (من عائلة STM32G4). تجمع سلسلة STM32F3 MCU بين نواة ARM® Cortex®-M32 4 بت (مع تعليمات FPU و DSP) تعمل بسرعة 72 ميجاهرتز مع مؤقت عالي الدقة ومنشئ موجي معقد بالإضافة إلى معالج الأحداث. سلسلة STM32G4 '32 بت ARM® Cortex®-M4 + الأساسية التي تعمل بسرعة 170 ميجاهرتز هي استمرار لسلسلة STM32F3 ، مع الحفاظ على ريادة السلسلة في التناظرية التي تمنح خفض التكلفة على مستوى التطبيق ، وتبسيط تصميم التطبيق ، و فرصة للمصممين لاستكشاف قطاعات وتطبيقات جديدة.
قلب STNRG388A وحدة التحكم الرقمية هي SMED (مدفوعة بحدث آلة الحالة) ، والتي تسمح للجهاز بتجربة ست ساعات PWM قابلة للتكوين بشكل مستقل بدقة قصوى تبلغ 1.3 نانوثانية. يتم تكوين كل SMED عبر متحكم داخلي STNRG. تكمل مجموعة من الأجهزة الطرفية المخصصة جهاز STNRG: 4 مقارنات تناظرية ، و 10 بت ADC مع مضخمات تشغيلية قابلة للتكوين ، ومسلسِل 8 قنوات. و 96 MHz PLL لدقة إشارة خرج عالية.
الجديد STGAP2SICS هو محرك بوابة واحد معزول كلفاني 6 كيلو فولت مصمم لقيادة دوائر SiC MOSFET. إنه يتميز بقدرة تيار بالوعة / المصدر 4A ، وتأخير انتشار قصير ، وفلطية إمداد تصل إلى 26 فولت ، ووظيفة UVLO المحسنة والاستعداد ، وحزمة SO8W.
مجالس تقييم سانت
لأي نوع تطبيق تقريبًا ، توفر ST لوحات تقييم النظام المناسبة لاختبار ميزات منتجات ST مباشرةً في النظام النهائي أو النظام الفرعي. بالنسبة لمحطة شحن التيار المستمر ، تتوفر أيضًا بعض اللوحات والبرامج الثابتة ذات الصلة.
• ستدس-فييناريكت لوحة التقييم (الشكل 5-أ) تتميز بقدرة 15 كيلو واط ، ثلاث مراحل مقوم فيينا مع تحكم مختلط في الإشارة لمرحلة تصحيح عامل القدرة (PFC).
تردد التحويل العالي لـ SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFETs (70 كيلو هرتز) ، اعتماد STPSC20H12 تسمح ثنائيات SiC 1200V ، والهيكل متعدد المستويات بالكفاءة بنسبة 99 ٪ تقريبًا بالإضافة إلى تحسين مكونات الطاقة السلبية من حيث الحجم والتكلفة. تتميز STEVAL-VIENNARECT بالتحكم في الإشارات المختلطة ، مع وحدة التحكم STNRG388A التي توفر تنظيمًا رقميًا لجهد الخرج. توفر الدوائر التناظرية المخصصة تنظيمًا للتيار في وضع التوصيل المستمر ذي النطاق الترددي العالي (CCM) لأقصى جودة للطاقة من حيث التشويه التوافقي الكلي (THD <5٪) وعامل القدرة (PF> 0.99).
• STDES-PFCBIDIR لوحة التقييم (الشكل 5-ب) تتميز بقدرة 15 كيلوواط ، ثلاث مراحل ، ثلاثة مستويات للواجهة الأمامية النشطة (AFE) محول ثنائي الاتجاه لمرحلة تصحيح عامل الطاقة (PFC). يتبنى جانب القوة SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFETs التي تضمن كفاءة عالية (حوالي 99٪). يعتمد التحكم على STM32G4 متحكم متسلسل مع موصلات للاتصال ونقاط الاختبار ومؤشرات الحالة للاختبار والتصحيح. تتم إدارة إشارات القيادة لأجهزة التبديل عن طريق المقابلة STGAP2S بوابة السائقين لضمان الإدارة المستقلة لتبديل الترددات والوقت الميت.
• ستيفال- DPSTPFC1 تحقق دائرة تعزيز قطب الطوطم بدون جسر 3.6 كيلو واط (الشكل 5-ج) تصحيح عامل القدرة الرقمي (PFC) باستخدام محدد تيار التدفق الرقمي (ICL). يساعدك على تصميم طوبولوجيا مبتكرة باستخدام أحدث أجهزة ST power kit: كربيد السيليكون MOSFET (SCTW35N65G2V) ، الثايرستور SCR (TN3050H-12WY) ، سائق FET معزول (STGAP2S) و MCU 32 بت (STM32F334).