Einleitung
Die globale Marktgröße für Elektrofahrzeug-Ladestationen wird voraussichtlich bis 30,758 2027 Tausend Einheiten erreichen, von geschätzten 2,115 Tausend Einheiten im Jahr 2020 bei einer CAGR von 46.6 %. Das Basisjahr für den Bericht ist 2019 und der Prognosezeitraum ist von 2020 bis 2027. (Quelle Markets and Markets., Februar 2021).
Geografisch gesehen hat der schnell wachsende Absatz von Elektrofahrzeugen im asiatisch-pazifischen Raum, insbesondere in China, das Wachstum des globalen Marktes für Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorangetrieben. Europa wird im Prognosezeitraum voraussichtlich der zweitgrößte Markt sein.
Unter Berücksichtigung der verschiedenen Ladestufen wird erwartet, dass die Ladeart der Stufe 3 (dh DC-Schnellladen) im Prognosezeitraum am schnellsten wächst. Das Aufladen der Stufe 3 ist am schnellsten gewachsen, da Elektroautos innerhalb von 30 Minuten schnell aufgeladen werden können. Die Produkte von STMicroelectronics unterstützen diesen Markt/diese Anwendung. Wir werden uns im folgenden Abschnitt die wichtigsten Systemarchitekturen und die wichtigsten geeigneten ST-Produkte ansehen.
ARCHITEKTUREN UND ST'S PRODUKTE
Der Leistungsbereich für DC-Schnellladegeräte umfasst 30-150kW und implementiert einen modularen Ansatz (Abb.1) basierend auf 15-30-kW-Untereinheiten, die dann gestapelt werden, um das DC-Ladesystem mit höherer Leistung zu bilden. Dieser Ansatz bietet eine flexible, schnelle, sichere und kostengünstige Lösung.
Bei der Leistungsstufe (PFC + DC-DC-Sektionen) ist die Designeffizienz der Schlüssel, und für eine Untereinheit im Leistungsbereich von 15-30 kW bietet ST geeignete, effiziente und intelligente Produkte für PFC, DC-DC und Control Unit/ Fahrstufen, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben.
PFC-Stufe
Die Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) für einen 3-Phasen-Eingang kann durch mehrere Konfigurationen implementiert werden, und oft werden Wiener Gleichrichtertopologien verwendet (Abb. 3, Typ 1 oder Typ 2).
Je nach Design und/oder Kundenwunsch bietet ST eine Vielzahl von Schaltern an (Abb.3, Gerät T):
- SiC Mosfets Gen 2 (650V-Serie SCT*N65G2) basiert auf den fortschrittlichen und innovativen Eigenschaften von Materialien mit großer Bandlücke und zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Rdson pro Fläche aus, der in Kombination mit einer hervorragenden Schaltleistung ein effizientes und kompaktes Design bietet. Insbesondere der 4-polige SCTW90N65G2V-4 mit seinem 18mΩ RDS(on) kann problemlos 90 A Drainstrom bei 100 °C verarbeiten.
- IGBTs HB2-Serie (650-V-Familie STGW*H65DFB2) sorgt für eine höhere Effizienz bei Anwendungen, die bei mittleren bis hohen Frequenzen arbeiten. Kombination beider niedrigerer Sättigung Spannung (1.55 V typ.) und einer geringeren Gate-Gesamtladung gewährleistet diese IGBT-Familie minimale Überschwingungsspannungen beim Ausschalten sowie eine geringere Abschaltenergie in der Anwendung. Insbesondere der STGW40H65DFB-4 bietet dank eines Kelvin-Pins, der Strompfad und Ansteuersignal trennt, ein schnelleres Schalten.
- Leistungs-MOSFETs MDmesh™ M5-Serie (650-V-Familie, STW*N65M5) verwendet einen innovativen vertikalen Prozess, um eine höhere VDSS-Bewertung und eine hohe du/dt-Fähigkeit zu erreichen, einen hervorragenden RDSohn x-Bereich und hervorragende Schaltleistung.
In der Eingangsstufe ist es mit diesen Geräten möglich, den Einschaltstrom zu steuern:
- SCR-Thyristoren TN*50H-12WY (Abb.3, Wien 1, Gerät DA), ein AEC-Q101-qualifizierter Gleichrichter, bietet 1200 V Blockierfähigkeit mit optimierter Leistungsdichte und Stoßstromfähigkeit. Auf diese Weise kann der Einsatz von passiven Komponenten vermieden werden, die die Effizienz und Lebensdauer des Systems einschränken.
- Gleichrichter für die Eingangsbrücke, die STBR*12 1200 Familie (Abb.3, Vienna1, Gerät DB) verbessert mit seinem geringen Durchlassspannungsabfall die Effizienz der Eingangsbrücken nach strengsten Standards. Diese Produkte sind ideal für den Einsatz in gemischten Brückenkonfigurationen zusammen mit dem SCR-Thyristor von ST.
Bei den Dioden sind die Topologien der neuen SiC-Dioden 650/1200V Serie kombiniert niedrigste Durchlassspannung mit modernster Durchlassstoßstrom-Robustheit. Designer können eine Diode mit niedrigerem Nennstrom auswählen, ohne Kompromisse bei der Konverters Effizienzniveau bei gleichzeitiger Erhöhung der Erschwinglichkeit leistungsstarker Systeme.
- 650V (STPSC*H65) auf Wien Typ 1 (Abb.3, Gerät DC)
- 1200V (STPSC*H12) auf Wien Typ 2 (Abb.3, Gerät D)
DC-DC-Stufe
In der DC/DC-Wandlungsstufe wird aufgrund der Effizienz, der galvanischen Trennung und der geringeren Anzahl von Geräten häufig eine resonante Vollbrückentopologie (Abb. 4) bevorzugt.
Betrachtet man einen 3-Phasen-PFC-Wandler mit V = 750-900V, und eine HV-Batterie von 400V-800V, für FB-LLC-Resonanzwandler ST schlägt vor:
- SiC-MOSFETs Gen 2 1200V Serie SCT*N120G2 (Abb.4, Gerät T)
- SiC-Dioden 1200V STPSC*H12 (Abb.4, Gerät D)
Steuergerät und Fahrstufe
Abhängig von den Anforderungen des Designs bietet ST sowohl MCUs als auch digitale Controller an:
- Die 32-Bit-Mikrocontroller, die sich am besten für Power-Management-Anwendungen eignen, sind die STM32F334 (aus der STM32F3-Familie) und die STM32G474 (aus der STM32G4-Familie). Die STM32F3-MCU-Serie kombiniert einen 32-Bit-ARM® Cortex®-M4-Kern (mit FPU- und DSP-Befehlen), der mit 72 MHz läuft, mit einem hochauflösenden Timer und einem komplexen Waveform-Builder plus Event-Handler. Der 32-Bit-ARM® Cortex®-M4+-Kern der STM32G4-Serie mit 170 MHz ist eine Fortsetzung der STM32F3-Serie und behält die Führungsrolle der Serie im Analogbereich, die Kostensenkung auf Anwendungsebene, eine Vereinfachung des Anwendungsdesigns und grant die Chance für Designer, neue Segmente und Anwendungen zu erkunden.
Das Herz der STNRG388A Der digitale Controller ist der SMED (State Machine Event Driven), der es dem Gerät ermöglicht, sechs unabhängig konfigurierbare PWM-Takte mit einer maximalen Auflösung von 1.3 ns zu steuern. Jedes SMED wird über den internen STNRG-Mikrocontroller konfiguriert. Ein Satz dedizierter Peripheriegeräte vervollständigt das STNRG-Gerät: 4 analoge Komparatoren, 10-Bit-ADC mit konfigurierbaren Operationsverstärkern und 8-Kanal-Sequenzer. und eine 96-MHz-PLL für eine hohe Auflösung des Ausgangssignals.
The new STGAP2SICS ist ein galvanisch isolierter 6-kV-Single-Gate-Treiber zum Ansteuern von SiC-MOSFETs. Er verfügt über eine Senken-/Quellenstromfähigkeit von 4 A, eine kurze Laufzeitverzögerung, eine Versorgungsspannung von bis zu 26 V, eine optimierte UVLO- und Standby-Funktion und ein SO8W-Gehäuse.
BEWERTUNGSBOARDS VON ST
Für nahezu jeden Anwendungstyp bietet ST die passenden System Evaluation Boards zum Testen von Funktionen der Produkte von ST direkt im finalen System oder Subsystem. Für die DC-Ladestation sind auch einige Boards und zugehörige Firmware verfügbar.
Das STDES-WIENNARECT Evaluation Board (Abb.5-a) mit 15 kW, Drei Phasen Wiener Gleichrichter mit Mixed-Signal-Steuerung für die Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC).
Die hohe Schaltfrequenz des SCTW35N65G2V 650-V-SiC-MOSFETs (70 kHz), die Einführung von STPSC20H12 1200-V-SiC-Dioden und die Multilevel-Struktur ermöglichen einen Wirkungsgrad von fast 99% sowie die Optimierung passiver Leistungskomponenten in Bezug auf Größe und Kosten. Der STEVAL-VIENNARECT verfügt über eine Mixed-Signal-Steuerung, wobei der Controller STNRG388A eine digitale Ausgangsspannungsregelung bietet. Dedizierte analoge Schaltkreise bieten eine Stromregelung im Dauerleitungsmodus (CCM) mit hoher Bandbreite für maximale Stromqualität in Bezug auf Gesamtklirrfaktor (THD < 5 %) und Leistungsfaktor (PF > 0.99)
Das STDES-PFCBIDIR Evaluation Board (Abb.5-b) verfügt über einen 15 kW, dreiphasigen, dreistufigen Active Front End (AFE) bidirektionalen Wandler für die Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC). Die Machtseite übernimmt SCTW40N120G2VAG 1200-V-SiC-MOSFETs, die einen hohen Wirkungsgrad (fast 99%) garantieren. Die Steuerung basiert auf der STM32G4 Mikrocontroller der Serie mit Anschlüssen für die Kommunikation sowie Testpunkten und Statusanzeigen zum Testen und Debuggen. Die Ansteuersignale für die Schaltgeräte werden durch entsprechende STGAP2S Gate-Treiber, um eine unabhängige Verwaltung von Schaltfrequenzen und Totzeiten zu gewährleisten.
Das STEVAL-DPSTPFC1 Die brückenlose 3.6-kW-Totempfahl-Boost-Schaltung (Abb.5-c) erreicht eine digitale Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit digitalem Einschaltstrombegrenzer (ICL). Es hilft Ihnen, eine innovative Topologie mit den neuesten ST Power Kit-Geräten zu entwerfen: einem Siliziumkarbid MOSFET (SCTW35N65G2V), ein Thyristor SCR (TN3050H-12WY), ein isolierter FET-Treiber (STGAP2S) und eine 32-Bit-MCU (STM32F334).