Introdução
O tamanho do mercado global de Postos de Carregamento de Veículos Elétricos é projetado para atingir 30,758 mil unidades até 2027, de uma estimativa de 2,115 mil unidades em 2020, a um CAGR de 46.6%. O ano base para o relatório é 2019 e o período de previsão é de 2020 a 2027. (fonte Mercados e Mercados., Fevereiro de 2021).
Geograficamente, o rápido crescimento das vendas de veículos elétricos na região Ásia-Pacífico, especialmente na China, impulsionou o crescimento do mercado global de estações de carregamento de veículos elétricos. Espera-se que a Europa seja o segundo maior mercado durante o período de previsão.
Considerando os vários tipos de nível de carga, espera-se que o tipo de carga de Nível 3 (ou seja, carga rápida CC) cresça mais rapidamente durante o período de previsão. O carregamento de nível 3 tem crescido na taxa mais rápida devido à conveniência de EVs de carregamento rápido em 30 minutos. Os produtos da STMicroelectronics atendem a esse mercado / aplicação. Veremos as principais arquiteturas de sistema e os principais produtos ST adequados na seção seguinte.
ARQUITETURAS E PRODUTOS DE ST
A faixa de potência para carregadores rápidos DC cobre 30-150kW e implementa uma abordagem modular (fig.1) baseada em subunidades de 15-30 kW, que são então empilhadas para criar o sistema de carregamento DC de maior potência. Essa abordagem fornece uma solução flexível, rápida, segura e acessível.
No que diz respeito ao estágio de potência (seções PFC + DC-DC), a eficiência do projeto é a chave, e para uma subunidade de faixa de potência de 15-30kW, a ST oferece produtos adequados, eficientes e inteligentes para PFC, DC-DC e unidade de controle / estágios de condução, conforme relatado nas seções a seguir.
Estágio PFC
O estágio de correção do fator de potência (PFC), para uma entrada trifásica, pode ser implementado através de várias configurações, sendo frequentemente utilizadas topologias de retificador Vienna (fig.3, tipo 3 ou tipo 1).
Com base no projeto e / ou nas necessidades do cliente, a ST oferece uma ampla variedade de interruptores (fig.3, dispositivo T):
- SiC mosfet Gen 2 (Série 650V SCT * N65G2) é baseado nas propriedades avançadas e inovadoras de materiais de largura de banda larga e apresentam Rdson muito baixo por área que, combinado com excelente desempenho de chaveamento, fornece um design compacto e eficiente. Em particular, o SCTW4N90G65V-2 de 4 pinos com seu RDS de 18mΩ (ligado), pode lidar confortavelmente com 90 A de corrente de drenagem a 100 ° C.
- IGBTSérie HB2 (Família 650V STGW * H65DFB2) garante maior eficiência em aplicações que trabalham em frequências médias a altas. Combinando ambos os níveis de saturação mais baixos Voltagem (1.55 V típico.) E carga de porta total mais baixa, esta família de IGBT garante tensões de overshoot mínimas durante o desligamento, bem como menor energia de desligamento na aplicação. Em particular, o STGW40H65DFB-4 fornece comutação mais rápida graças a um pino Kelvin que separa o caminho da alimentação e o sinal de acionamento.
- Power MOSFETs série MDMesh ™ M5 (Família 650V, STW * N65M5) usa um processo vertical inovador para ter uma classificação VDSS mais alta e alta capacidade dv / dt, excelente RFilho x área e excelente desempenho de comutação.
No estágio de entrada, é possível controlar a corrente de inrush com estes dispositivos:
- Tiristores SCR TN * 50H-12WY (fig.3, Viena 1, dispositivo DA), um retificador qualificado AEC-Q101, oferece capacidade de bloqueio de 1200 V com densidade de potência otimizada e capacidade de corrente de surto. Desta forma, é possível evitar o uso de componentes passivos que limitam a eficiência e a vida útil do sistema.
- Retificadores para a ponte de entrada, a família STBR * 12 1200 (fig.3, Viena1, dispositivo DB) com sua baixa queda de tensão direta, melhora a eficiência das pontes de entrada em conformidade com os padrões mais rigorosos. Esses produtos são ideais para uso em configurações de ponte mista junto com o tiristor SCR da ST.
No que diz respeito aos diodos, as topologias dos novos SiC Diodos 650 / 1200V A série combina a tensão direta mais baixa com a robustez da corrente de surto direta de última geração. Os projetistas podem selecionar um diodo de classificação de corrente inferior sem comprometer o conversoro nível de eficiência da empresa enquanto aumenta a acessibilidade dos sistemas de alto desempenho.
- 650 V (STPSC * H65) em Viena tipo 1 (fig.3, dispositivo DC)
- 1200 V (STPSC * H12) em Viena tipo 2 (fig.3, dispositivo D)
Estágio DC-DC
No estágio de conversão DC / DC, uma topologia ressonante em ponte completa (fig.4) é freqüentemente preferida devido à sua eficiência, isolamento galvânico e menos dispositivos.
Considerando um conversor PFC trifásico com VFora= 750-900V, e uma bateria HV de 400V-800V, para o conversor ressonante FB-LLC ST propõe:
- SiC MOSFET Gen 2 1200 V série SCT * N120G2 (fig.4, dispositivo T)
- SiC Diodos 1200V STPSC * H12 (fig.4, dispositivo D)
Unidade de controle e estágio de condução
Dependendo das necessidades do projeto, a ST oferece MCUs e controladores digitais:
- Os microcontroladores de 32 bits mais adequados para aplicações de gerenciamento de energia são os STM32F334 (da família STM32F3) e o STM32G474 (da família STM32G4). A série STM32F3 MCU combina um núcleo ARM® Cortex®-M32 de 4 bits (com instruções FPU e DSP) rodando a 72 MHz com um temporizador de alta resolução e criador de formas de onda complexas e manipulador de eventos. O núcleo ARM® Cortex®-M32 + de 4 bits da série STM32G4 rodando a 170 MHz é uma continuação da série STM32F3, mantendo a liderança da série analógica que garante redução de custos no nível do aplicativo, uma simplificação do design do aplicativo e a chance para os designers explorarem novos segmentos e aplicações.
O coração do STNRG388A O controlador digital é o SMED (State Machine Event Driven), que permite ao dispositivo pilotar seis relógios PWM configuráveis independentemente com uma resolução máxima de 1.3 ns. Cada SMED é configurado por meio do microcontrolador interno STNRG. Um conjunto de periféricos dedicados completa o dispositivo STNRG: 4 comparadores analógicos, ADC de 10 bits com amplificadores operacionais configuráveis e sequenciador de 8 canais. e um PLL de 96 MHz para alta resolução de sinal de saída.
O novo STGAP2SICS é um driver de porta única isolado galvânico de 6kV projetado para acionar MOSFETs SiC. Ele apresenta uma capacidade de corrente de fonte / dissipador de 4 A, pequeno atraso de propagação, tensão de alimentação de até 26 V, UVLO otimizado e função de espera e um pacote SO8W.
PLACAS DE AVALIAÇÃO DE ST
Para praticamente qualquer tipo de aplicação, a ST oferece as placas de avaliação do sistema certas para testar os recursos dos produtos da ST diretamente no sistema ou subsistema final. Para a estação de carregamento DC, algumas placas e firmware relacionado também estão disponíveis.
A STDES-VIENARECT placa de avaliação (fig.5-a) apresenta um 15 kW, Trifásico Retificador Vienna com controle de sinal misto para o estágio de correção do fator de potência (PFC).
A alta frequência de comutação do SCTW35N65G2V MOSFETs SiC 650V (70 kHz), a adoção de STPSC20H12 Diodos de 1200 V SiC e a estrutura multinível permitem quase 99% de eficiência, bem como a otimização de componentes de energia passiva em termos de tamanho e custo. O STEVAL-VIENNARECT apresenta controle de sinal misto, com o controlador STNRG388A fornecendo regulação de tensão de saída digital. Os circuitos analógicos dedicados fornecem regulação de corrente do modo de condução contínua (CCM) de alta largura de banda para máxima qualidade de energia em termos de distorção harmônica total (THD <5%) e fator de potência (PF> 0.99).
A STDES-PFCBIDIR placa de avaliação (fig.5-b) possui 15 kW, trifásico, conversor bidirecional Active Front End (AFE) de três níveis para o estágio de correção do fator de potência (PFC). O lado do poder adota SCTW40N120G2VAG MOSFETs de 1200V SiC que garantem alta eficiência (quase 99%). O controle é baseado no STM32G4 microcontrolador em série com conectores para comunicação e pontos de teste e indicadores de status para teste e depuração. Os sinais de condução para os dispositivos de comutação são gerenciados por STGAP2S gate drivers para garantir o gerenciamento independente de frequências de comutação e tempo morto.
A STEVAL-DPSTPFC1 O circuito de reforço de totem sem ponte de 3.6 kW (fig.5-c) atinge uma correção de fator de potência digital (PFC) com limitador de corrente de inrush digital (ICL). Ele ajuda você a projetar uma topologia inovadora com os mais recentes dispositivos de kit de energia ST: um carboneto de silício mosfet (SCTW35N65G2V), um tiristor SCR (TN3050H-12WY), um driver FET isolado (STGAP2S) e um MCU de 32 bits (STM32F334).