Introduzione
Si prevede che la dimensione del mercato globale delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici raggiungerà le 30,758 mila unità entro il 2027, da una stima di 2,115 mila unità nel 2020, con un CAGR del 46.6%. L'anno base per il rapporto è il 2019 e il periodo di previsione va dal 2020 al 2027 (fonte Markets and Markets., febbraio 2021).
Geograficamente, le vendite in rapida crescita di veicoli elettrici nella regione dell'Asia Pacifico, in particolare in Cina, hanno stimolato la crescita del mercato globale delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici. L'Europa dovrebbe essere il secondo mercato più grande durante il periodo di previsione.
Considerando i vari tipi di livello di carica, si prevede che il tipo di carica di Livello 3 (cioè la ricarica rapida CC) cresca più velocemente durante il periodo di previsione. La ricarica di livello 3 è cresciuta al ritmo più rapido grazie alla comodità dei veicoli elettrici a ricarica rapida entro 30 minuti. I prodotti STMicroelectronics supportano questo mercato/applicazione. Daremo un'occhiata alle principali architetture di sistema e ai principali prodotti ST adatti nella sezione seguente.
ARCHITETTURE E PRODOTTI ST
La gamma di potenza per i caricabatterie rapidi CC copre 30-150 kW e implementa un approccio modulare (fig.1) basato su subunità da 15-30 kW, che vengono poi impilate per creare il sistema di ricarica CC a potenza maggiore. Questo approccio fornisce una soluzione flessibile, veloce, sicura e conveniente.
Per quanto riguarda lo stadio di potenza (sezioni PFC + DC-DC), l'efficienza del design è la chiave, e per una sottounità della gamma di potenza 15-30kW, ST offre prodotti adatti, efficienti e intelligenti per PFC, DC-DC e unità di controllo/ fasi di guida, come riportato nelle sezioni seguenti.
stadio PFC
Lo stadio di correzione del fattore di potenza (PFC), per un ingresso trifase, può essere implementato attraverso diverse configurazioni, e spesso vengono utilizzate topologie di raddrizzatori Vienna (fig.3, tipo 3 o tipo1).
In base al progetto e/o alle esigenze del cliente, ST offre un'ampia varietà di interruttori (fig.3, dispositivo T):
- Sic mosfet Sesso 2 (serie 650V SCT*N65G2) si basa sulle proprietà avanzate e innovative dei materiali ad ampio bandgap e presenta un Rdson molto basso per area che, combinato con eccellenti prestazioni di commutazione, fornisce un design efficiente e compatto. In particolare, l'SCTW4N90G65V-2 a 4 pin con il suo RDS da 18 mΩ (on), può gestire comodamente 90 A di corrente di drain a 100°C.
- IGBTs Serie HB2 (famiglia 650V STGW*H65DFB2) garantisce una maggiore efficienza nelle applicazioni che lavorano a frequenze medio-alte. Combinando entrambe le saturazioni inferiori voltaggio (1.55 V typ.) e una carica di gate totale inferiore, questa famiglia di IGBT garantisce tensioni di overshoot minime durante lo spegnimento e una minore energia di spegnimento durante l'applicazione. In particolare, l'STGW40H65DFB-4 fornisce una commutazione più rapida grazie a un pin Kelvin che separa il percorso di alimentazione e il segnale di pilotaggio.
- MOSFET di potenza serie MDMesh™ M5 (famiglia 650V, STW*N65M5) utilizza un innovativo processo verticale per avere un rating VDSS più elevato e un'elevata capacità dv/dt, eccezionale RD Figlio x area ed eccellenti prestazioni di commutazione.
Nella fase di ingresso è possibile controllare la corrente di spunto con questi dispositivi:
- Tiristori SCR TN*50H-12WY (fig.3, Vienna 1, dispositivo DA), un raddrizzatore qualificato AEC-Q101, offre capacità di blocco di 1200 V con densità di potenza ottimizzata e capacità di picchi di corrente. In questo modo è possibile evitare l'utilizzo di componenti passivi che limitano l'efficienza e la durata del sistema.
- Raddrizzatori per il ponte di ingresso, la famiglia STBR*12 1200 (fig.3, Vienna1, dispositivo DB) con la sua bassa caduta di tensione diretta, migliorano l'efficienza dei ponti di ingresso nel rispetto delle norme più rigorose. Questi prodotti sono ideali per l'uso in configurazioni a ponte misto insieme al tiristore SCR della ST.
Per quanto riguarda i diodi, le topologie del nuovo Diodi SiC 650/1200V combina la tensione diretta più bassa con la robustezza della corrente di picco diretta all'avanguardia. I progettisti possono selezionare un diodo con corrente nominale inferiore senza compromettere il convertitoreil livello di efficienza aumentando l'accessibilità dei sistemi ad alte prestazioni.
- 650V (STPSC*H65) su Vienna tipo 1 (fig.3, dispositivo DC)
- 1200V (STPSC*H12) su Vienna tipo 2 (fig.3, dispositivo D)
Stadio CC-CC
Nella fase di conversione DC/DC, spesso si preferisce una topologia risonante full bridge (fig.4) per la sua efficienza, isolamento galvanico e minor numero di dispositivi.
Considerando un convertitore PFC trifase con Vsu= 750-900V, e una batteria HV da 400V-800V, per il convertitore risonante FB-LLC ST propone:
- MOSFET SiC Gen 2 Serie 1200V SCT*N120G2 (fig.4, dispositivo T)
- Diodi SiC 1200V STPSC*H12 (fig.4, dispositivo D)
Centralina e fase di guida
A seconda delle esigenze del progetto, la ST offre sia MCU che controller digitali:
- I microcontrollori a 32 bit più adatti per le applicazioni di gestione dell'alimentazione sono i STM32F334 (della famiglia STM32F3) e il STM32G474 (della famiglia STM32G4). La serie MCU STM32F3 combina un core ARM® Cortex®-M32 a 4 bit (con istruzioni FPU e DSP) in esecuzione a 72 MHz con un timer ad alta risoluzione e un generatore di forme d'onda complesse più un gestore di eventi. Il core ARM® Cortex®-M32+ a 4 bit della serie STM32G4 funzionante a 170 MHz è una continuazione della serie STM32F3, mantenendo la leadership della serie nell'analogico che garantisce una riduzione dei costi a livello di applicazione, una semplificazione della progettazione dell'applicazione e la possibilità per i progettisti di esplorare nuovi segmenti e applicazioni.
Il cuore del STNRG388A il controller digitale è lo SMED (State Machine Event Driven), che consente al dispositivo di pilotare sei clock PWM configurabili in modo indipendente con una risoluzione massima di 1.3 ns. Ogni SMED è configurato tramite il microcontrollore interno STNRG. Un set di periferiche dedicate completa il dispositivo STNRG: 4 comparatori analogici, ADC a 10 bit con amplificatori operazionali configurabili e sequencer a 8 canali. e un PLL a 96 MHz per un'elevata risoluzione del segnale in uscita.
Il nuovo STGAP2SICS è un driver a gate singolo isolato galvanicamente da 6 kV progettato per pilotare MOSFET SiC. È dotato di una capacità di corrente sink/source da 4 A, breve ritardo di propagazione, tensione di alimentazione fino a 26 V, UVLO ottimizzato e funzione di standby e un pacchetto SO8W.
SCHEDE DI VALUTAZIONE ST
Per qualsiasi tipo di applicazione, la ST offre le giuste schede di valutazione del sistema per testare le caratteristiche dei prodotti ST direttamente nel sistema o sottosistema finale. Per la stazione di ricarica DC sono disponibili anche alcune schede e relativo firmware.
I STDES-VIENNARECT scheda di valutazione (fig.5-a) dispone di 15 kW, Trifase Raddrizzatore Vienna con controllo a segnale misto per lo stadio di correzione del fattore di potenza (PFC).
L'elevata frequenza di commutazione del SCTW35N65G2V MOSFET SiC 650V (70 kHz), l'adozione di STPSC20H12 I diodi SiC da 1200V e la struttura multilivello consentono un'efficienza di quasi il 99% nonché l'ottimizzazione dei componenti di potenza passivi in termini di dimensioni e costi. Lo STEVAL-VIENNARECT è dotato di controllo a segnale misto, con il controller STNRG388A che fornisce la regolazione della tensione di uscita digitale. Il circuito analogico dedicato fornisce una regolazione della corrente in modalità di conduzione continua (CCM) ad alta larghezza di banda per la massima qualità dell'alimentazione in termini di distorsione armonica totale (THD <5%) e fattore di potenza (PF> 0.99).
I STDES-PFCBIDIR scheda di valutazione (fig.5-b) dispone di un convertitore bidirezionale Active Front End (AFE) da 15 kW, trifase, a tre livelli per la fase di correzione del fattore di potenza (PFC). Il lato del potere adotta SCTW40N120G2VAG MOSFET SiC da 1200V che garantiscono un'elevata efficienza (quasi il 99%). Il controllo si basa sul STM32G4 microcontrollore di serie con connettori per la comunicazione e test-point e indicatori di stato per test e debug. I segnali di pilotaggio per i dispositivi di commutazione sono gestiti da corrispondenti STGAP2S gate driver per garantire una gestione indipendente delle frequenze di commutazione e dei tempi morti.
I STEVAL-DPSTPFC1 Il circuito boost totem pole senza ponte da 3.6 kW (fig.5-c) raggiunge una correzione del fattore di potenza digitale (PFC) con limitatore di corrente di spunto digitale (ICL). Ti aiuta a progettare una topologia innovativa con i più recenti dispositivi del kit di alimentazione ST: un carburo di silicio mosfet (SCTW35N65G2V), un SCR a tiristori (TN3050H-12WY), un driver FET isolato (STGAP2S) e un MCU a 32 bit (STM32F334).