מבוא
שוק שוק תחנת הטעינה של כלי רכב חשמליים צפוי להגיע עד 30,758 ל 2027 אלף יחידות, משער של 2,115 אלף יחידות בשנת 2020, ב- CAGR של 46.6%. שנת הבסיס לדו"ח היא 2019, ותקופת התחזית היא מ -2020 עד 2027. (מקור השווקים והשווקים., פברואר 2021).
מבחינה גיאוגרפית, מכירות גדלות במהירות של כלי רכב חשמליים באזור אסיה האוקיאנוס השקט, במיוחד בסין, הניעה את הצמיחה של השוק העולמי לתחנות טעינה לרכבים חשמליים. אירופה צפויה להיות השוק השני בגודלו בתקופת התחזית.
בהתחשב בסוגי רמת הטעינה השונים, סוג הטעינה ברמה 3 (כלומר טעינה מהירה DC) צפוי לצמוח במהירות בתקופת התחזית. הטעינה ברמה 3 גדלה בקצב המהיר ביותר בגלל הנוחות של רכבי טעינה מהירים תוך 30 דקות. מוצרי STMicroelectronics תומכים בשוק / יישום זה. אנו נסתכל על ארכיטקטורות המערכת העיקריות ומוצרי ה- ST המתאימים העיקריים בסעיף הבא.
אדריכלים ומוצרי סנט
טווח ההספק למטענים מהירים של DC מכסה 30-150 קילוואט ומיישם גישה מודולארית (איור 1) המבוסס על יחידות משנה של 15-30 קילוואט, אשר נערמות לאחר מכן ליצירת מערכת הטעינה של הספק גבוה יותר. גישה זו מספקת פיתרון גמיש, מהיר, בטוח ומשתלם.
לגבי שלב ההספק (קטעי PFC + DC-DC), יעילות התכנון היא המפתח, ועבור יחידת משנה של טווח הספק של 15-30 קילוואט, ST מציעה מוצרים מתאימים, יעילים וחכמים עבור PFC, DC-DC ויחידת בקרה / שלבי נהיגה, כפי שדווח בסעיפים הבאים.
שלב ה- PFC
ניתן ליישם את שלב תיקון פקטור הספק (PFC) עבור קלט תלת פאזי באמצעות מספר תצורות, ולעיתים קרובות משתמשים בטופולוגיות מיישר וינה (איור 3, סוג 3 או סוג 1).
בהתבסס על תכנון ו / או צרכי הלקוח, ST מציעה מגוון רחב של מתגים (איור 3, מכשיר T):
- SiC מוספים Gen 2 (650V סדרת SCT * N65G2) מבוססת על המאפיינים המתקדמים והחדשניים של חומרי פס רחב. הם כוללים Rdson נמוך מאוד לאזור, בשילוב עם ביצועי מיתוג מעולים מספקים עיצוב יעיל וקומפקטי. בפרט, SCTW4N90G65V-2 עם 4 פינים עם RDS 18mΩ (מופעל), יכול להתמודד בנוחות עם זרם ניקוז של 90 A ב 100 מעלות צלזיוס.
- IGBTסדרת HB2 (650V משפחתית STGW * H65DFB2) מבטיח יעילות גבוהה יותר ביישומים העובדים בתדרים בינוניים עד גבוהים. שילוב של שניהם רוויה נמוכה יותר מתח (1.55 וולט טיפוסיים) וטעינה נמוכה יותר של שער, משפחת IGBT זו מבטיחה מתח מינימלי של מעבר יתר במהלך הכיבוי, כמו גם אנרגיית כיבוי נמוכה יותר ביישום. בפרט, STGW40H65DFB-4 מספק מיתוג מהיר יותר הודות לסיכת קלווין המפרידה בין נתיב הכוח לבין אות הנהיגה.
- סדרת MDMesh ™ M5 Power MOSFETs (650V משפחתית, STW * N65M5) משתמשת בתהליך אנכי חדשני כדי לקבל דירוג VDSS גבוה יותר ויכולת dv / dt גבוהה, R מצטייןDSon שטח x וביצועי מיתוג מעולים.
בשלב הקלט ניתן לשלוט על זרם הזרימה במכשירים אלה:
- SCR תיריסטורים TN * 50H-12WY (איור 3, וינה 1, מכשיר DA), מיישר מוסמך של AEC-Q101, מציע יכולת חסימה של 1200 וולט עם צפיפות הספק אופטימלית ויכולת זרם נחשול. באופן זה ניתן להימנע משימוש ברכיבים פסיביים המגבילים את יעילות ומשך החיים של המערכת.
- מיישרים לגשר הקלט, משפחת STBR * 12 1200 (איור 3, Vienna1, מכשיר DB) עם ירידת המתח הנמוכה קדימה, משפרים את היעילות של גשרי הכניסה בהתאם לתקנים המחמירים ביותר. מוצרים אלה הם אידיאליים לשימוש בתצורות של גשר מעורב יחד עם תיריסטור SCR של ST.
מבחינת דיודות, הטופולוגיות של החדש דיודות SiC 650 / 1200V סדרה משלבת את המתח הקדמי הנמוך ביותר עם חוסן הנוכחי של זרם נחשול קדימה. מעצבים יכולים לבחור דיודת דירוג זרם נמוכה יותר מבלי להתפשר על מֵמִיררמת היעילות תוך הגדלת הזמינות של מערכות בעלות ביצועים גבוהים.
- 650 וולט (STPSC * H65) בסוג וינה 1 (איור 3, מכשיר DC)
- 1200 וולט (STPSC * H12) בסוג וינה 2 (איור 3, מכשיר D)
שלב DC-DC
בשלב ההמרה של DC / DC, לעתים קרובות עדיף טופולוגיית תהודה מלאה בגשר (איור 4) בשל יעילותו, בידודו הגלווני ופחות מכשירים.
שוקל ממיר PFC תלת פאזי עם V.הַחוּצָה= 750-900V, וסוללת HV של 400V-800V, עבור ממיר תהודה FB-LLC ST מציע:
- SiC MOSFETs דור 2 1200V סדרת SCT * N120G2 (איור 4, מכשיר T)
- דיודות SiC 1200V STPSC * H12 (איור 4, מכשיר D)
יחידת בקרה ובמת נהיגה
בהתאם לצרכי העיצוב, ST מציעה MCU וגם בקרים דיגיטליים:
- מיקרו-בקרי 32 סיביות המתאימים ביותר ליישומי ניהול צריכת חשמל הם STM32F334 (ממשפחת STM32F3) וה- STM32G474 (ממשפחת STM32G4). סדרת MCM STM32F3 משלבת ליבת ARM® Cortex®-M32 של 4 סיביות (עם הוראות FPU ו- DSP) הפועלת על 72 מגה הרץ עם טיימר ברזולוציה גבוהה ובונה צורות גל מורכב בתוספת מטפל אירועים. ליבת ARM® Cortex®-M32 + של 4 סיביות של סדרת STM32G4 הפועלת ב -170 מגה הרץ מהווה המשך לסדרת STM32F3, תוך שמירה על מנהיגות הסדרה באנלוגית המעניקה הפחתת עלויות ברמת היישום, פשט עיצוב האפליקציות, ו את הסיכוי של מעצבים לחקור פלחים ויישומים חדשים.
הלב של STNRG388A הבקר הדיגיטלי הוא ה- SMED (State Machine Event Driven), המאפשר למכשיר להניע שישה שעוני PWM הניתנים להגדרה באופן עצמאי ברזולוציה מקסימאלית של 1.3 ns. כל SMED מוגדר באמצעות המיקרו-בקר הפנימי STNRG. סט ציוד היקפי ייעודי משלים את מכשיר STNRG: 4 משווים אנלוגיים, 10 סיביות ADC עם מגברי אופציה הניתנים להגדרה ורצף 8 ערוצים. ו- PLL 96 מגה-הרץ לרזולוציית אות פלט גבוהה.
DELETE THIS STGAP2SICS הוא נהג בעל שער בודד גלווני מבודד 6kV המיועד להניע MOSFET של SiC. הוא כולל יכולת זרם כיור / מקור 4A, עיכוב התפשטות קצר, מתח אספקה של עד 26 וולט, פונקציית UVLO ומצב המתנה וחבילת SO8W.
לוחות ההערכה של ST
כמעט לכל סוג יישום, ST מציעה את לוחות הערכת המערכת המתאימים לבדיקת תכונות של מוצרי ST ישירות במערכת הסופית או במערכת המשנה. עבור תחנת טעינה של DC, ישנם גם כמה לוחות וקושחה קשורה.
אל האני STDES-VIENNARECT לוח הערכה (איור 5-א) כולל 15 קילוואט, תלת פאזי מיישר וינה עם בקרת אותות מעורבים לשלב תיקון מקדם הספק (PFC).
תדר המיתוג הגבוה של SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFETs (70 קילוהרץ), אימוץ STPSC20H12 דיודות SiC 1200V, והמבנה הרב-מפלסי מאפשרים יעילות של כמעט 99% וכן אופטימיזציה של רכיבי הספק פסיבי מבחינת גודל ועלות. ה- STEVAL-VIENNARECT כולל בקרת אותות מעורבים, כאשר בקר STNRG388A מספק ויסות מתח יציאה דיגיטלי. מעגלים אנלוגיים ייעודיים מספקים ויסות זרם מצב הולכה רציף (CCM) ברוחב פס לאיכות הספק מרבית במונחים של עיוות הרמוני כולל (THD <5%) וגורם הספק (PF> 0.99).
אל האני STDES-PFCBIDIR לוח ההערכה (איור 5-ב) כולל 15 כ"ס, ממיר דו כיווני פעיל (AFE) תלת פאזי, תלת-מפלסי, לשלב תיקון מקדם הספק (PFC). צד הכוח מאמץ SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET שמבטיחים יעילות גבוהה (כמעט 99%). השליטה מבוססת על STM32G4 מיקרו-בקר סדרתי עם מחברים לתקשורת, ונקודות בדיקה ואינדיקטורי מצב לבדיקה וניקוי באגים. אותות הנהיגה למכשירי המיתוג מנוהלים על ידי התאמה STGAP2S נהגי שער כדי להבטיח ניהול עצמאי של תדרי החלפה וזמן מת.
אל האני STEVAL-DPSTPFC1 מעגל דחיפה של מוט טוטם ללא גשר של 3.6 קילוואט (איור 5-ג) משיג תיקון מקדם הספק דיגיטלי (PFC) עם מגביל זרם זרם דיגיטלי (ICL). זה עוזר לך לעצב טופולוגיה חדשנית עם התקני ערכת החשמל העדכניים של ST: קרביד סיליקון MOSFET (SCTW35N65G2V), תיריסטור SCR (TN3050H-12WY), נהג FET מבודד (STGAP2S) ו- MCU של 32 סיביות (STM32F334).