Introduction
La taille du marché mondial des bornes de recharge pour véhicules électriques devrait atteindre 30,758 2027 2,115 unités d’ici 2020, contre 46.6 2019 2020 unités estimées en 2027, à un TCAC de 2021%. L'année de base du rapport est XNUMX et la période de prévision est de XNUMX à XNUMX. (source Markets and Markets., février XNUMX).
Sur le plan géographique, la croissance rapide des ventes de véhicules électriques dans la région Asie-Pacifique, en particulier en Chine, a propulsé la croissance du marché mondial des bornes de recharge pour véhicules électriques. L'Europe devrait être le deuxième plus grand marché au cours de la période de prévision.
Compte tenu des différents types de niveaux de charge, le type de charge de niveau 3 (c'est-à-dire la charge rapide CC) devrait croître le plus rapidement au cours de la période de prévision. La charge de niveau 3 a augmenté au rythme le plus rapide en raison de la commodité des véhicules électriques à charge rapide en 30 minutes. Les produits de STMicroelectronics supportent ce marché/application. Nous examinerons les principales architectures système et les principaux produits ST adaptés dans la section suivante.
ARCHITECTURES ET PRODUITS ST
La gamme de puissance pour les chargeurs rapides DC couvre 30-150 kW et met en œuvre une approche modulaire (fig.1) basée sur des sous-unités de 15-30 kW, qui sont ensuite empilées pour créer le système de charge DC plus puissant. Cette approche offre une solution flexible, rapide, sûre et abordable.
Concernant l'étage de puissance (sections PFC + DC-DC), l'efficacité de conception est la clé, et pour une sous-unité de gamme de puissance 15-30kW, ST propose des produits adaptés, efficaces et intelligents pour PFC, DC-DC et Unité de contrôle/ étapes de conduite, comme indiqué dans les sections suivantes.
stade PFC
L'étage de correction du facteur de puissance (PFC), pour une entrée triphasée, peut être mis en œuvre à travers plusieurs configurations, et souvent des topologies de redresseur de Vienne sont utilisées (fig.3, type 3 ou type 1).
En fonction de la conception et/ou des besoins du client, ST propose une grande variété de commutateurs (fig.3, appareil T) :
- SiC mosfet Sexe 2 (série 650V SCT*N65G2) est basé sur les propriétés avancées et innovantes des matériaux à large bande interdite et présente un très faible Rdson par zone qui, combiné à d'excellentes performances de commutation, offre une conception efficace et compacte. En particulier, le SCTW4N90G65V-2 à 4 broches avec son RDS de 18 mΩ (activé), peut gérer confortablement 90 A de courant de drain à 100°C.
- IGBTSérie HB2 (famille 650V STGW*H65DFB2) garantit une efficacité supérieure dans les applications fonctionnant à des fréquences moyennes à élevées. Combinant à la fois une saturation plus faible Tension (1.55 V typ.) et une charge de grille totale inférieure, cette famille d'IGBT garantit des tensions de dépassement minimales lors de la mise hors tension ainsi qu'une énergie de mise hors tension plus faible en application. En particulier, le STGW40H65DFB-4 offre une commutation plus rapide grâce à une broche Kelvin qui sépare le chemin d'alimentation et le signal de commande.
- MOSFET de puissance Série MDMesh™ M5 (famille 650 V, STW * N65M5) utilise un processus vertical innovant pour avoir un indice VDSS plus élevé et une capacité dv/dt élevée, un R exceptionnelDfils zone x et d'excellentes performances de commutation.
Dans l'étage d'entrée, il est possible de contrôler le courant d'appel avec ces appareils :
- Thyristors SCR TN*50H-12WY (fig.3, Vienne 1, appareil DA), un redresseur qualifié AEC-Q101, offre une capacité de blocage de 1200 V avec une densité de puissance optimisée et une capacité de courant de surtension. De cette façon, il est possible d'éviter l'utilisation de composants passifs qui limitent l'efficacité et la durée de vie du système.
- Redresseurs pour le pont d'entrée, la famille STBR*12 1200 (fig.3, Vienna1, appareil DB) avec sa faible chute de tension directe, améliore le rendement des ponts d'entrée dans le respect des normes les plus strictes. Ces produits sont idéaux pour une utilisation dans des configurations à pont mixte avec le thyristor SCR de ST.
En ce qui concerne les diodes, les topologies du nouveau Diodes SiC 650/1200V La série combine la tension directe la plus faible avec une robustesse de pointe en matière de courant de surtension directe. Les concepteurs peuvent sélectionner une diode à courant nominal inférieur sans compromettre le convertisseurle niveau d'efficacité tout en augmentant l'abordabilité des systèmes hautement performants.
- 650V (STPSC*H65) sur Vienna type 1 (fig.3, appareil DC)
- 1200V (STPSC*H12) sur Vienna type 2 (fig.3, appareil D)
Étage DC-DC
Dans l'étage de conversion DC/DC, une topologie résonante en pont complet (fig.4) est souvent préférée en raison de son efficacité, de son isolation galvanique et du nombre réduit de dispositifs.
Considérant un convertisseur PFC triphasé avec Vande= 750-900V, et une batterie HV de 400V-800V, pour convertisseur résonant FB-LLC ST propose :
- MOSFET SiC Gen 2 1200V série SCT*N120G2 (fig.4, appareil T)
- Diodes SiC 1200V STPSC*H12 (fig.4, dispositif D)
Unité de commande et étage de conduite
En fonction des besoins de la conception, ST propose à la fois des microcontrôleurs et des contrôleurs numériques :
- Les microcontrôleurs 32 bits les plus adaptés aux applications de gestion de l'alimentation sont les STM32F334 (de la famille STM32F3) et le STM32G474 (de la famille STM32G4). La série MCU STM32F3 combine un cœur ARM® Cortex®-M32 4 bits (avec instructions FPU et DSP) fonctionnant à 72 MHz avec un temporisateur haute résolution et un générateur de formes d'ondes complexes ainsi qu'un gestionnaire d'événements. Le cœur ARM® Cortex®-M32+ 4 bits de la série STM32G4 fonctionnant à 170 MHz est une continuation de la série STM32F3, maintenant le leadership de la série en analogique qui permet une réduction des coûts au niveau de l'application, une simplification de la conception de l'application, et la chance pour les concepteurs d'explorer de nouveaux segments et applications.
Le coeur de la STNRG388A Le contrôleur numérique est le SMED (State Machine Event Driven), qui permet à l'appareil de piloter six horloges PWM configurables indépendamment avec une résolution maximale de 1.3 ns. Chaque SMED est configuré via le microcontrôleur interne STNRG. Un ensemble de périphériques dédiés complète le dispositif STNRG : 4 comparateurs analogiques, ADC 10 bits avec amplis op configurables et séquenceur 8 canaux. et une PLL de 96 MHz pour une résolution de signal de sortie élevée.
Le nouveau système d’ STGAP2SICS est un pilote à grille unique isolée galvanique 6kV conçu pour piloter des MOSFET SiC. Il dispose d'une capacité de courant récepteur/source de 4 A, d'un délai de propagation court, d'une tension d'alimentation jusqu'à 26 V, d'une fonction UVLO et de veille optimisée et d'un boîtier SO8W.
COMITÉS D'ÉVALUATION DE ST
Pour à peu près tout type d'application, ST propose les cartes d'évaluation de système adaptées pour tester les fonctionnalités des produits ST directement dans le système ou sous-système final. Pour la station de charge CC, certaines cartes et micrologiciels associés sont également disponibles.
La STDES-VIENNARECT carte d'évaluation (fig.5-a) dispose d'un 15 kW, Trois phases Redresseur Vienna avec contrôle de signaux mixtes pour l'étage de correction du facteur de puissance (PFC).
La fréquence de commutation élevée du SCTW35N65G2V MOSFET SiC 650V (70 kHz), l'adoption de STPSC20H12 Les diodes SiC 1200V, et la structure multi-niveaux permettent un rendement de près de 99% ainsi que l'optimisation des composants de puissance passifs en termes de taille et de coût. Le STEVAL-VIENNARECT est doté d'un contrôle à signaux mixtes, le contrôleur STNRG388A assurant une régulation numérique de la tension de sortie. Des circuits analogiques dédiés fournissent une régulation du courant en mode de conduction continue (CCM) à large bande passante pour une qualité de puissance maximale en termes de distorsion harmonique totale (THD<5%) et de facteur de puissance (PF>0.99).
La STDES-PFCBIDIR La carte d'évaluation (fig.5-b) comprend un convertisseur bidirectionnel AFE (Active Front End) triphasé à trois niveaux de 15 kW pour l'étage de correction du facteur de puissance (PFC). Le côté pouvoir adopte SCTW40N120G2VAG MOSFET SiC 1200V qui garantissent un rendement élevé (près de 99%). Le contrôle est basé sur le STM32G4 microcontrôleur série avec connecteurs pour la communication, et points de test et indicateurs d'état pour les tests et le débogage. Les signaux de commande pour les dispositifs de commutation sont gérés par correspondant STGAP2S pilotes de grille pour assurer une gestion indépendante des fréquences de commutation et des temps morts.
La STEVAL-DPSTPFC1 Le circuit d'amplification de totem sans pont de 3.6 kW (fig.5-c) réalise une correction numérique du facteur de puissance (PFC) avec un limiteur de courant d'appel numérique (ICL). Il vous aide à concevoir une topologie innovante avec les derniers appareils du kit d'alimentation ST : un carbure de silicium mosfet (SCTW35N65G2V), un thyristor SCR (TN3050H-12WY), un pilote FET isolé (STGAP2S) et un MCU 32 bits (STM32F334).