Pengenalan
Ukuran Pasaran Pengecasan Kenderaan Elektrik global diunjurkan mencapai 30,758 ribu unit pada tahun 2027, dari anggaran 2,115 ribu unit pada tahun 2020, dengan CAGR 46.6%. Tahun asas laporan adalah 2019, dan jangka masa adalah 2020 hingga 2027. (sumber Pasar dan Pasar. Februari 2021).
Secara geografis, penjualan Kenderaan Elektrik yang berkembang pesat di rantau Asia Pasifik, terutama di China, telah mendorong pertumbuhan pasaran global untuk stesen pengisian kenderaan elektrik. Eropah dijangka menjadi pasaran kedua terbesar dalam tempoh ramalan.
Dengan mempertimbangkan pelbagai jenis tahap pengecasan, jenis pengecasan Tahap 3 (iaitu pengecasan pantas DC) dijangka berkembang paling cepat dalam tempoh ramalan. Pengecasan tahap 3 telah berkembang pada kadar yang paling cepat kerana kemudahan pengecasan EV yang cepat dalam masa 30 minit. Produk STMicroelectronics menyokong pasaran / aplikasi ini. Kami akan melihat seni bina sistem utama dan produk ST utama yang sesuai di bahagian berikut.
ARKITEK DAN PRODUK ST
Julat kuasa untuk pengecas cepat DC meliputi 30-150kW dan menerapkan pendekatan modular (rajah 1) berdasarkan subunit 15-30 kW, yang kemudian ditumpuk untuk membuat sistem pengecasan daya DC yang lebih tinggi. Pendekatan ini memberikan penyelesaian yang fleksibel, cepat, selamat, dan berpatutan.
Mengenai tahap kuasa (bahagian PFC + DC-DC), kecekapan reka bentuk adalah kunci, dan untuk sub-unit julat kuasa 15-30kW, ST menawarkan produk yang sesuai, cekap dan pintar untuk PFC, DC-DC dan Unit kawalan / tahap memandu, seperti yang dilaporkan dalam bahagian berikut.
Peringkat PFC
Tahap pembetulan faktor kuasa (PFC), untuk input 3 fasa, dapat dilaksanakan melalui beberapa konfigurasi, dan seringkali topologi penerus Vienna digunakan (rajah 3, jenis 1 atau jenis2).
Berdasarkan reka bentuk dan / atau keperluan pelanggan, ST menawarkan pelbagai suis (rajah 3, peranti T):
- SiC mosfet Jen 2 (Seri 650V SCT * N65G2) didasarkan pada sifat maju dan inovatif dari bahan jurang lebar dan mempunyai Rdson yang sangat rendah per kawasan yang digabungkan dengan prestasi pensuisan yang sangat baik memberikan reka bentuk yang cekap dan padat. Khususnya, SCTW4N90G65V-2 4-pin dengan 18mΩ RDS (on), dapat mengendalikan arus saliran 90 A pada suhu 100 ° C dengan selesa.
- IGBTs siri HB2 (Keluarga 650V STGW * H65DFB2) memastikan kecekapan yang lebih tinggi dalam aplikasi yang berfungsi pada frekuensi sederhana hingga tinggi. Menggabungkan kedua-dua tepu yang lebih rendah voltan (Jenis 1.55 V.) Dan jumlah caj gerbang yang lebih rendah, keluarga IGBT ini memastikan voltan overhoot minimum semasa turnoff serta tenaga turn-off yang lebih rendah dalam aplikasi. Khususnya, STGW40H65DFB-4 memberikan pertukaran yang lebih pantas berkat pin Kelvin yang memisahkan jalan kuasa dan isyarat pemanduan.
- Power MOSFETs siri MDMesh ™ M5 (Keluarga 650V, STW * N65M5) menggunakan proses menegak yang inovatif untuk mempunyai penilaian VDSS yang lebih tinggi dan keupayaan dv / dt tinggi,DSon kawasan x, dan prestasi pertukaran yang sangat baik.
Pada peringkat input, adalah mungkin untuk mengawal arus masuk dengan peranti ini:
- Thyristors SCR TN * 50H-12WY (rajah 3, Vienna 1, peranti DA), penyearah yang memenuhi syarat AEC-Q101, menawarkan keupayaan menyekat 1200V dengan kepadatan kuasa yang dioptimumkan dan keupayaan arus lonjakan. Dengan cara ini adalah mungkin untuk mengelakkan penggunaan komponen pasif yang membatasi kecekapan dan jangka hayat sistem.
- Penyearah untuk jambatan input, keluarga STBR * 12 1200 (rajah 3, Vienna1, peranti DB) dengan penurunan voltan ke hadapan yang rendah, meningkatkan kecekapan jambatan input sesuai dengan piawaian yang paling ketat. Produk tersebut sangat sesuai untuk digunakan dalam konfigurasi jambatan campuran bersama dengan ST's SCR Thyristor.
Sejauh dioda, topologi baru SiC Diodes 650 / 1200V siri menggabungkan voltan hadapan paling rendah dengan kekuatan arus lonjakan maju yang canggih. Pereka boleh memilih diod penarafan semasa yang lebih rendah tanpa menjejaskan Penukartahap kecekapan sambil meningkatkan kemampuan sistem berprestasi tinggi.
- 650V (STPSC * H65) pada Vienna jenis 1 (rajah 3, peranti DC)
- 1200V (STPSC * H12) pada Vienna jenis 2 (rajah 3, peranti D)
Pentas DC-DC
Pada peringkat penukaran DC / DC, topologi resonan jambatan penuh (rajah 4) sering disukai kerana kecekapannya, pengasingan galvanik, dan lebih sedikit peranti.
Memandangkan penukar PFC 3 fasa dengan Vkeluar= 750-900V, dan bateri HV 400V-800V, untuk penukar resonan FB-LLC ST mencadangkan:
- MOSFET SiC Gen 2 1200V siri SCT * N120G2 (rajah 4, peranti T)
- Diod SiC 1200V STPSC * H12 (rajah 4, peranti D)
Unit kawalan dan tahap pemanduan
Bergantung pada keperluan reka bentuk, ST menawarkan MCU dan pengawal digital:
- Mikrokontroler 32-bit yang paling sesuai untuk aplikasi pengurusan kuasa adalah STM32F334 (dari keluarga STM32F3) dan STM32G474 (dari keluarga STM32G4). Seri STM32F3 MCU menggabungkan teras ARM® Cortex®-M32 4-bit (dengan arahan FPU dan DSP) yang berjalan pada 72 MHz dengan pemasa beresolusi tinggi dan pembangun bentuk gelombang kompleks serta pengendali acara. Inti STM32G4 '32-bit ARM® Cortex®-M4 + core yang berjalan pada 170 MHz adalah kesinambungan dari siri STM32F3, mengekalkan kepemimpinan siri ini dalam analog yang memberikan pengurangan kos pada tahap aplikasi, penyederhanaan reka bentuk aplikasi, dan peluang bagi pereka untuk meneroka segmen dan aplikasi baru.
Jantung dari STNRG388A pengawal digital adalah SMED (State Machine Event Driven), yang membolehkan peranti memandu enam jam PWM yang boleh dikonfigurasi secara bebas dengan resolusi maksimum 1.3 ns. Setiap SMED dikonfigurasi melalui mikrokontroler dalaman STNRG. Satu set periferal khusus melengkapkan peranti STNRG: 4 pembanding analog, ADC 10-bit dengan op amp yang boleh dikonfigurasi dan penjujukan 8-saluran. dan 96 MHz PLL untuk resolusi isyarat output tinggi.
Baru STGAP2SICS adalah pemacu gerbang tunggal terpencil galvanik 6kV yang direka untuk menggerakkan SiC MOSFET. Ia mempunyai keupayaan arus 4A sink / sumber, kelewatan penyebaran pendek, voltan bekalan sehingga 26V, fungsi UVLO dan siap sedia yang dioptimumkan, dan pakej SO8W.
LEMBAGA PENILAIAN ST
Untuk apa sahaja jenis aplikasi, ST menawarkan papan penilaian sistem yang tepat untuk menguji ciri produk ST secara langsung di sistem akhir atau sub-sistem. Untuk stesen Pengecasan DC, beberapa papan dan firmware yang berkaitan juga tersedia.
. STDES-VIENNARECT papan penilaian (rajah 5-a) mempunyai 15 kW, Tiga Fasa Penyearah Vienna dengan kawalan isyarat campuran untuk tahap pembetulan faktor kuasa (PFC).
Frekuensi pensuisan tinggi dari SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET (70 kHz), penggunaan STPSC20H12 Dioda 1200C SiC, dan struktur bertingkat membolehkan kecekapan hampir 99% serta pengoptimuman komponen daya pasif dari segi ukuran dan kos. STEVAL-VIENNARECT mempunyai kawalan isyarat campuran, dengan pengawal STNRG388A menyediakan peraturan voltan output digital. Litar analog berdedikasi memberikan peraturan arus mod konduksi berterusan (CCM) lebar jalur tinggi untuk kualiti daya maksimum dari segi distorsi harmonik total (THD <5%) dan faktor kuasa (PF> 0.99).
. STDES-PFCBIDIR papan penilaian (rajah 5-b) mempunyai penukar arah dua arah Active Front End (AFE) 15 kW, tiga fasa, tiga tahap untuk tahap pembetulan faktor kuasa (PFC). Bahagian kuasa mengamalkan SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET yang menjamin kecekapan tinggi (hampir 99%). Kawalan berdasarkan pada STM32G4 mikrokontroler siri dengan penyambung untuk komunikasi, dan titik ujian dan petunjuk status untuk ujian dan penyahpepijatan. Isyarat pemanduan untuk peranti pensuisan diuruskan dengan sesuai STGAP2S pemandu gerbang untuk memastikan pengurusan frekuensi beralih dan masa mati secara bebas.
. STEVAL-DPSTPFC1 Litar peningkatan tiang totem bridgeless 3.6 kW (rajah 5-c) mencapai pembetulan faktor kuasa digital (PFC) dengan pembatas arus masuk digital (ICL). Ini membantu anda merancang topologi inovatif dengan peranti ST power kit terkini: silikon karbida mosfet (SCTW35N65G2VSCR thyristor (TN3050H-12WY), pemacu FET terpencil (STGAP2S) dan MCU 32-bit (STM32F334).