Introductie
De wereldwijde markt voor laadstations voor elektrische voertuigen zal naar verwachting in 30,758 2027 duizend eenheden bereiken, van naar schatting 2,115 duizend eenheden in 2020, met een CAGR van 46.6%. Het basisjaar voor het rapport is 2019 en de prognoseperiode is van 2020 tot 2027. (bron Markets and Markets., februari 2021).
Geografisch gezien heeft de snel groeiende verkoop van elektrische voertuigen in de regio Azië-Pacific, vooral in China, de groei van de wereldwijde markt voor oplaadstations voor elektrische voertuigen gestimuleerd. Europa zal naar verwachting de op een na grootste markt zijn tijdens de prognoseperiode.
Gezien de verschillende soorten laadniveaus, zal het laadtype van niveau 3 (dwz snelladen met gelijkstroom) naar verwachting het snelst groeien tijdens de prognoseperiode. Laden op niveau 3 groeit het snelst dankzij het gemak van snelladende EV's binnen 30 minuten. De producten van STMicroelectronics ondersteunen deze markt/toepassing. We zullen de belangrijkste systeemarchitecturen en de belangrijkste geschikte ST-producten in de volgende sectie bekijken.
ARCHITECTUREN EN ST'S PRODUCTEN
Het vermogensbereik voor DC-snelladers beslaat 30-150 kW en implementeert een modulaire aanpak (fig. 1) op basis van subunits van 15-30 kW, die vervolgens worden gestapeld om het DC-laadsysteem met hoger vermogen te creëren. Deze aanpak biedt een flexibele, snelle, veilige en betaalbare oplossing.
Wat betreft de vermogensfase (PFC + DC-DC secties), is ontwerpefficiëntie de sleutel, en voor een sub-unit van 15-30kW vermogensbereik biedt ST geschikte, efficiënte en slimme producten voor PFC, DC-DC en Control unit/ rijfasen, zoals vermeld in de volgende paragrafen.
PFC-fase:
De PFC-trap (Power Factor Correction) voor een driefasige ingang kan via verschillende configuraties worden geïmplementeerd en vaak worden Wenen-gelijkrichtertopologieën gebruikt (fig.3, type 3 of type1).
Op basis van het ontwerp en/of de behoeften van de klant biedt ST een breed scala aan schakelaars (fig.3, apparaat T):
- SiC mosfets Gen 2 (650V-serie SCT*N65G2) is gebaseerd op de geavanceerde en innovatieve eigenschappen van materialen met een brede bandgap en heeft een zeer lage Rdson per gebied die in combinatie met uitstekende schakelprestaties zorgt voor een efficiënt en compact ontwerp. In het bijzonder kan de 4-pins SCTW90N65G2V-4 met zijn 18mΩ RDS(aan), comfortabel 90 A afvoerstroom aan bij 100°C.
- IGBTs HB2-serie (650V-familie STGW*H65DFB2) zorgt voor een hogere efficiëntie in toepassingen die werken bij middelhoge tot hoge frequenties. Beide lagere verzadiging combineren spanning (1.55 V typ.) en een lagere totale poortlading, deze IGBT-familie zorgt voor minimale doorschietspanningen tijdens het uitschakelen en een lagere uitschakelenergie bij toepassing. Met name de STGW40H65DFB-4 zorgt voor sneller schakelen dankzij een Kelvin-pin die het stroompad en het stuursignaal scheidt.
- Power MOSFET's MDMesh™ M5-serie (650V-familie, STW*N65M5) gebruikt een innovatief verticaal proces voor een hogere VDSS-classificatie en een hoge dv/dt-capaciteit, uitstekende RDzoon x gebied en uitstekende schakelprestaties.
In de ingangstrap is het mogelijk om de inschakelstroom te regelen met deze apparaten:
- SCR-thyristors TN*50H-12WY (fig.3, Wenen 1, apparaat DA), een AEC-Q101 gekwalificeerde gelijkrichter, biedt 1200V blokkeringscapaciteit met geoptimaliseerde vermogensdichtheid en piekstroomcapaciteit. Op deze manier is het mogelijk om het gebruik van passieve componenten te vermijden die de efficiëntie en levensduur van het systeem beperken.
- Gelijkrichters voor de ingangsbrug, de STBR*12 1200-familie (fig.3, Wenen1, apparaat DB) met zijn lage voorwaartse spanningsval, de efficiëntie van de ingangsbruggen verbeteren in overeenstemming met de strengste normen. Die producten zijn ideaal voor gebruik in configuraties met gemengde bruggen, samen met ST's SCR Thyristor.
Wat diodes betreft, zijn de topologieën van de nieuwe SiC-diodes 650/1200V serie combineert de laagste voorwaartse spanning met state-of-the-art voorwaartse piekstroom robuustheid. Ontwerpers kunnen een diode met een lagere stroomsterkte selecteren zonder afbreuk te doen aan de omvormer's efficiëntieniveau terwijl de betaalbaarheid van hoogwaardige systemen wordt vergroot.
- 650V (STPSC*H65) op Vienna type 1 (fig.3, apparaat DC)
- 1200V (STPSC*H12) op Vienna type 2 (fig.3, apparaat D)
DC-DC-trap
In de DC/DC-conversiefase wordt vaak de voorkeur gegeven aan een volledige brugresonantietopologie (fig. 4) vanwege de efficiëntie, galvanische isolatie en minder apparaten.
Overweeg een 3-fasen PFC-converter met Vuit= 750-900V, en een HV-batterij van 400V-800V, voor FB-LLC resonantieomvormer ST stelt voor:
- SiC MOSFET's Gen 2 1200V serie SCT*N120G2 (fig.4, apparaat T)
- SiC-diodes 1200V STPSC*H12 (fig.4, apparaat D)
Besturingseenheid en rijfase
Afhankelijk van de behoeften van het ontwerp biedt ST zowel MCU's als digitale controllers:
- De 32-bits microcontrollers die het meest geschikt zijn voor energiebeheertoepassingen zijn de STM32F334 (uit de STM32F3-familie) en de STM32G474 (uit de STM32G4-familie). De STM32F3 MCU-serie combineert een 32-bits ARM® Cortex®-M4-kern (met FPU- en DSP-instructies) die draait op 72 MHz met een timer met hoge resolutie en een complexe golfvormbouwer plus event-handler. De 32-bits ARM® Cortex®-M4+-kern van de STM32G4-serie, die draait op 170 MHz, is een voortzetting van de STM32F3-serie, waarbij het leiderschap van de serie op het gebied van analoog behouden blijft, wat zorgt voor kostenreductie op applicatieniveau, een vereenvoudiging van het applicatieontwerp en de kans voor ontwerpers om nieuwe segmenten en toepassingen te verkennen.
Het hart van de STNRG388A digitale controller is de SMED (State Machine Event Driven), waarmee het apparaat zes onafhankelijk configureerbare PWM-klokken kan besturen met een maximale resolutie van 1.3 ns. Elke SMED wordt geconfigureerd via de interne microcontroller van STNRG. Een set speciale randapparatuur maakt het STNRG-apparaat compleet: 4 analoge comparatoren, 10-bit ADC met configureerbare op-amps en 8-kanaals sequencer. en een 96 MHz PLL voor een hoge resolutie van het uitgangssignaal.
De nieuwe STGAP2SICS is een 6kV galvanisch geïsoleerde single gate driver ontworpen om SiC MOSFET's aan te sturen. Het beschikt over een 4A-sink/source-stroomcapaciteit, korte voortplantingsvertraging, tot 26V voedingsspanning, geoptimaliseerde UVLO- en stand-byfunctie en een SO8W-pakket.
ST'S EVALUATIEBORDEN
Voor zowat elk toepassingstype biedt ST de juiste systeemevaluatiekaarten voor het testen van eigenschappen van ST-producten rechtstreeks in het uiteindelijke systeem of subsysteem. Voor DC-laadstation zijn ook enkele kaarten en gerelateerde firmware beschikbaar.
De STDES-WENENRECT evaluatiebord (fig.5-a) met een 15 kW, Drie fase Wenen gelijkrichter met mixed-signal regeling voor de power factor correction (PFC) trap.
De hoge schakelfrequentie van de SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET's (70 kHz), de goedkeuring van STPSC20H12 1200V SiC-diodes en de structuur met meerdere niveaus maken een efficiëntie van bijna 99% mogelijk, evenals de optimalisatie van passieve vermogenscomponenten in termen van grootte en kosten. De STEVAL-VIENNARECT beschikt over mixed-signal control, waarbij de STNRG388A-controller digitale uitgangsspanningsregeling biedt. Toegewijde analoge circuits bieden stroomregeling met hoge bandbreedte door continue geleidingsmodus (CCM) voor maximale stroomkwaliteit in termen van totale harmonische vervorming (THD <5%) en vermogensfactor (PF> 0.99).
De STDES-PFCBIDIR evaluatiebord (fig.5-b) is voorzien van een 15 kW, driefasige, drietraps Active Front End (AFE) bidirectionele omzetter voor vermogensfactorcorrectie (PFC)-trap. De machtskant keurt goed SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET's die een hoog rendement garanderen (bijna 99%). De besturing is gebaseerd op de STM32G4 serie microcontroller met connectoren voor communicatie, en testpunten en statusindicatoren voor testen en debuggen. De stuursignalen voor de schakelapparaten worden beheerd door overeenkomstige STGAP2S gate-drivers om onafhankelijk beheer van schakelfrequenties en dode tijd te garanderen.
De STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW brugloos totempaal-boostcircuit (fig.5-c) bereikt een digitale vermogensfactorcorrectie (PFC) met digitale inschakelstroombegrenzer (ICL). Het helpt u bij het ontwerpen van een innovatieve topologie met de nieuwste ST power kit-apparaten: een siliciumcarbide mosfet (SCTW35N65G2V)), een thyristor-SCR (TN3050H-12WY), een geïsoleerde FET-driver (STGAP2S) en een 32-bits MCU (STM32F334).