Introducción
Se proyecta que el tamaño del mercado global de estaciones de carga de vehículos eléctricos alcance 30,758 mil unidades para 2027, desde un estimado de 2,115 mil unidades en 2020, a una tasa compuesta anual de 46.6%. El año base para el informe es 2019 y el período de pronóstico es de 2020 a 2027 (fuente Markets and Markets., Febrero de 2021).
Geográficamente, el rápido crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos en la región de Asia Pacífico, especialmente en China, ha impulsado el crecimiento del mercado global de estaciones de carga de vehículos eléctricos. Se espera que Europa sea el segundo mercado más grande durante el período de pronóstico.
Teniendo en cuenta los distintos tipos de niveles de carga, se espera que el tipo de carga de Nivel 3 (es decir, carga rápida de CC) crezca más rápidamente durante el período de pronóstico. La carga de nivel 3 ha estado creciendo al ritmo más rápido debido a la conveniencia de cargar vehículos eléctricos rápidamente en 30 minutos. Los productos de STMicroelectronics apoyan este mercado / aplicación. Echaremos un vistazo a las principales arquitecturas del sistema y los principales productos ST adecuados en la siguiente sección.
ARQUITECTURAS Y PRODUCTOS ST
El rango de potencia para cargadores rápidos de CC cubre 30-150kW e implementa un enfoque modular (figura 1) basado en subunidades de 15-30 kW, que luego se apilan para crear el sistema de carga de CC de mayor potencia. Este enfoque proporciona una solución flexible, rápida, segura y asequible.
En cuanto a la etapa de potencia (secciones PFC + DC-DC), la eficiencia del diseño es la clave, y para una subunidad de rango de potencia de 15-30kW, ST ofrece productos adecuados, eficientes e inteligentes para PFC, DC-DC y Unidad de control / etapas de conducción, como se informa en las siguientes secciones.
Etapa de PFC
La etapa de corrección del factor de potencia (PFC), para una entrada trifásica, se puede implementar a través de varias configuraciones y, a menudo, se utilizan topologías de rectificador Vienna (figura 3, tipo 3 o tipo 1).
Según el diseño y / o las necesidades del cliente, ST ofrece una amplia variedad de interruptores (figura 3, dispositivo T):
- SiC mosfets Gen 2 (Serie 650V SCT * N65G2) se basa en las propiedades avanzadas e innovadoras de los materiales con banda prohibida amplia y presenta un Rdson muy bajo por área que, combinado con un excelente rendimiento de conmutación, proporciona un diseño eficiente y compacto. En particular, el SCTW4N90G65V-2 de 4 pines con su RDS de 18 mΩ (encendido) puede manejar cómodamente 90 A de corriente de drenaje a 100 ° C.
- IGBTSerie HB2 (Familia 650V STGW * H65DFB2) asegura una mayor eficiencia en aplicaciones que trabajan a frecuencias medias a altas. Combinando ambas saturaciones más bajas voltaje (1.55 V típ.) Y una carga total de puerta más baja, esta familia de IGBT garantiza voltajes de sobreimpulso mínimos durante el apagado, así como una menor energía de apagado en la aplicación. En particular, el STGW40H65DFB-4 proporciona una conmutación más rápida gracias a un pin Kelvin que separa la ruta de alimentación y la señal de conducción.
- MOSFET de potencia serie MDMesh ™ M5 (Familia de 650 V, STW * N65M5) utiliza un proceso vertical innovador para tener una clasificación VDSS más alta y una alta capacidad dv / dt, excelente Rhijo x área y excelente rendimiento de conmutación.
En la etapa de entrada, es posible controlar la corriente de entrada con estos dispositivos:
- Tiristores SCR TN * 50H-12WY (figura 3, Viena 1, dispositivo DA), un rectificador calificado AEC-Q101, ofrece capacidad de bloqueo de 1200 V con densidad de potencia optimizada y capacidad de sobrecorriente. De esta forma es posible evitar el uso de componentes pasivos que limitan la eficiencia y la vida útil del sistema.
- Rectificadores para el puente de entrada, la familia STBR * 12 1200 (figura 3, Viena1, dispositivo DB) con su baja caída de tensión directa, mejoran la eficiencia de los puentes de entrada de acuerdo con las normas más estrictas. Que los productos son ideales para usar en configuraciones de puentes mixtos junto con el tiristor SCR de ST.
En lo que respecta a los diodos, las topologías del nuevo Diodos SiC 650 / 1200V La serie combina el voltaje directo más bajo con la robustez de la corriente de sobretensión directa de última generación. Los diseñadores pueden seleccionar un diodo de corriente nominal más baja sin comprometer la convertidornivel de eficiencia a la vez que aumenta la asequibilidad de los sistemas de alto rendimiento.
- 650V (STPSC * H65) en Vienna tipo 1 (figura 3, dispositivo DC)
- 1200V (STPSC * H12) en Vienna tipo 2 (figura 3, dispositivo D)
Etapa DC-DC
En la etapa de conversión CC / CC, a menudo se prefiere una topología resonante de puente completo (figura 4) debido a su eficiencia, aislamiento galvánico y menos dispositivos.
Considerando un convertidor PFC trifásico con Vsalir= 750-900V, y una batería HV de 400V-800V, para el convertidor resonante FB-LLC ST propone:
- MOSFET SiC Gen 2 Serie 1200V SCT * N120G2 (figura 4, dispositivo T)
- Diodos SiC 1200V STPSC * H12 (figura 4, dispositivo D)
Unidad de control y etapa de conducción
Dependiendo de las necesidades del diseño, ST ofrece MCU y controladores digitales:
- Los microcontroladores de 32 bits más adecuados para aplicaciones de gestión de energía son los STM32F334 (de la familia STM32F3) y el STM32G474 (de la familia STM32G4). La serie STM32F3 MCU combina un núcleo ARM® Cortex®-M32 de 4 bits (con instrucciones FPU y DSP) que se ejecuta a 72 MHz con un temporizador de alta resolución y un generador de formas de onda complejas y un controlador de eventos. El núcleo ARM® Cortex®-M32 + de 4 bits de la serie STM32G4 que se ejecuta a 170 MHz es una continuación de la serie STM32F3, manteniendo el liderazgo de la serie en analógico que otorga reducción de costos a nivel de aplicación, una simplificación del diseño de la aplicación y la oportunidad para que los diseñadores exploren nuevos segmentos y aplicaciones.
El corazon de la STNRG388A El controlador digital es el SMED (State Machine Event Driven), que permite al dispositivo controlar seis relojes PWM configurables de forma independiente con una resolución máxima de 1.3 ns. Cada SMED se configura a través del microcontrolador interno STNRG. Un conjunto de periféricos dedicados completan el dispositivo STNRG: 4 comparadores analógicos, ADC de 10 bits con amplificadores operacionales configurables y secuenciador de 8 canales. y un PLL de 96 MHz para una alta resolución de señal de salida.
El nuevo STGAP2SICS es un controlador de puerta única aislado galvánicamente de 6 kV diseñado para impulsar MOSFET de SiC. Cuenta con capacidad de corriente de fuente / sumidero de 4 A, retardo de propagación corto, voltaje de suministro de hasta 26 V, función de espera y UVLO optimizada, y un paquete SO8W.
TABLAS DE EVALUACIÓN DE ST
Para casi cualquier tipo de aplicación, ST ofrece las placas de evaluación de sistemas adecuadas para probar las características de los productos de ST directamente en el sistema o subsistema final. Para la estación de carga de CC, también están disponibles algunas placas y firmware relacionado.
El STDES-RECTO DE VIENA La placa de evaluación (figura 5-a) cuenta con 15 kW, Tres fases Rectificador Vienna con control de señal mixta para la etapa de corrección del factor de potencia (PFC).
La alta frecuencia de conmutación del SCTW35N65G2V MOSFET de 650 V SiC (70 kHz), la adopción de STPSC20H12 Los diodos 1200V SiC y la estructura multinivel permiten una eficiencia de casi el 99%, así como la optimización de los componentes de energía pasiva en términos de tamaño y costo. El STEVAL-VIENNARECT cuenta con control de señal mixta, con el controlador STNRG388A que proporciona regulación de voltaje de salida digital. Los circuitos analógicos dedicados proporcionan una regulación de corriente en modo de conducción continua (CCM) de alto ancho de banda para obtener la máxima calidad de energía en términos de distorsión armónica total (THD <5%) y factor de potencia (PF> 0.99).
El STDES-PFCBIDIR La placa de evaluación (figura 5-b) cuenta con un convertidor bidireccional Active Front End (AFE) trifásico de tres niveles de 15 kW para la etapa de corrección del factor de potencia (PFC). El lado del poder adopta SCTW40N120G2VAG MOSFET de 1200 V SiC que garantizan una alta eficiencia (casi el 99%). El control se basa en el STM32G4 microcontrolador de la serie con conectores para comunicación y puntos de prueba e indicadores de estado para pruebas y depuración. Las señales de activación de los dispositivos de conmutación se gestionan mediante los correspondientes STGAP2S controladores de puerta para garantizar una gestión independiente de las frecuencias de conmutación y el tiempo muerto.
El STEVAL-DPSTPFC1 El circuito de refuerzo de tótem sin puente de 3.6 kW (figura 5-c) logra una corrección digital del factor de potencia (PFC) con un limitador de corriente de entrada digital (ICL). Le ayuda a diseñar una topología innovadora con los últimos dispositivos de kit de potencia ST: un carburo de silicio mosfet (SCTW35N65G2V), un tiristor SCR (TN3050H-12WY), un controlador FET aislado (STGAP2S) y una MCU de 32 bits (STM32F334).