Введение
По прогнозам, к 30,758 году объем мирового рынка зарядных станций для электромобилей достигнет 2027 2,115 тысяч единиц по сравнению с 2020 тысячами единиц в 46.6 году при среднегодовом темпе роста 2019%. Базовым годом для отчета является 2020 год, а период прогноза - с 2027 по 2021 год (источник Markets and Markets., Февраль XNUMX года).
Географически быстро растущие продажи электромобилей в Азиатско-Тихоокеанском регионе, особенно в Китае, стимулировали рост мирового рынка зарядных станций для электромобилей. Ожидается, что в прогнозируемый период Европа станет вторым по величине рынком.
Принимая во внимание различные типы уровней зарядки, ожидается, что тип зарядки уровня 3 (то есть быстрая зарядка постоянным током) будет расти быстрее всего в течение прогнозируемого периода. Уровень зарядки 3 растет самыми быстрыми темпами благодаря удобству быстрой зарядки электромобилей в течение 30 минут. Продукция STMicroelectronics поддерживает этот рынок / приложение. В следующем разделе мы рассмотрим основные системные архитектуры и основные подходящие продукты ST.
АРХИТЕКТУРЫ И ПРОДУКТЫ ST
Диапазон мощности для быстрых зарядных устройств постоянного тока составляет 30–150 кВт и реализует модульный подход (рис. 1), основанный на подблоках мощностью 15–30 кВт, которые затем объединяются в стек для создания более мощной системы зарядки постоянного тока. Такой подход обеспечивает гибкое, быстрое, безопасное и доступное решение.
Что касается силового каскада (секции PFC + DC-DC), конструктивная эффективность является ключевым моментом, и для субблока с диапазоном мощности 15-30 кВт ST предлагает подходящие, эффективные и интеллектуальные продукты для PFC, DC-DC и блока управления / этапы вождения, как описано в следующих разделах.
Стадия PFC
Этап коррекции коэффициента мощности (PFC) для трехфазного входа может быть реализован в нескольких конфигурациях, и часто используются топологии венского выпрямителя (рис. 3, тип 3 или тип 1).
В зависимости от конструкции и / или потребностей заказчика ST предлагает широкий выбор переключателей (рис.3, устройство T):
- карбид кремния МОП-транзисторы Gen 2 (SCT * N650G65 серии 2V) основан на передовых и инновационных свойствах материалов с широкой запрещенной зоной и отличается очень низким значением Rdson на площадь, что в сочетании с отличными характеристиками переключения обеспечивает эффективную и компактную конструкцию. В частности, 4-контактный SCTW90N65G2V-4 с его RDS 18 мОм (включен) может комфортно выдерживать ток стока 90 А при 100 ° C.
- IGBTсерия HB2 (Семейство 650V STGW * H65DFB2) обеспечивает более высокую эффективность в приложениях, работающих на средних и высоких частотах. Сочетание более низкой насыщенности напряжение (1.55 В тип.) И более низкий общий заряд затвора, это семейство IGBT обеспечивает минимальные выбросы напряжения во время выключения, а также более низкую энергию выключения в приложении. В частности, STGW40H65DFB-4 обеспечивает более быстрое переключение благодаря контакту Кельвина, который разделяет путь питания и управляющий сигнал.
- Силовые полевые МОП-транзисторы серии MDMesh ™ M5 (Семейство 650V, STW * N65M5) использует инновационный вертикальный процесс для получения более высокого рейтинга VDSS и высокой способности dv / dt, выдающегося RДСон x и отличные характеристики переключения.
На этапе ввода можно управлять пусковым током с помощью следующих устройств:
- Тиристоры SCR TN * 50H-12WY (рис.3, Вена 1, прибор DA), выпрямитель, соответствующий требованиям AEC-Q101, предлагает возможность блокировки 1200 В с оптимизированной плотностью мощности и стойкостью к импульсным токам. Таким образом можно избежать использования пассивных компонентов, ограничивающих эффективность и срок службы системы.
- Выпрямители для входного моста, семейство СТБР * 12 1200 (рис.3, Вена1, прибор DB) с низким падением прямого напряжения, повышают эффективность входных мостов в соответствии с самыми строгими стандартами. Эти продукты идеально подходят для использования в конфигурациях со смешанным мостом вместе с тиристором SCR ST.
Что касается диодов, то топологии новых SiC диоды 650/1200 В серия сочетает самое низкое прямое напряжение с современной устойчивостью к прямому импульсному току. Разработчики могут выбрать диод с более низким номинальным током без ущерба для Преобразовательуровень эффективности при увеличении доступности высокопроизводительных систем.
- 650V (STPSC * H65) на вене тип 1 (рис.3, прибор DC)
- 1200 В (STPSC * H12) на Вену тип 2 (рис.3, устройство D)
DC-DC этап
На стадии преобразования постоянного / постоянного тока часто предпочтительнее использовать полную мостовую резонансную топологию (рис. 4) из-за ее эффективности, гальванической развязки и меньшего количества устройств.
Рассматривая 3-фазный преобразователь PFC с Vвнешний= 750-900 В, а высоковольтная АКБ 400-800 В, для резонансного преобразователя FB-LLC ST предлагает:
- SiC МОП-транзисторы 2-го поколения Серия 1200V SCT * N120G2 (рис.4, устройство Т)
- SiC диоды 1200V STPSC * H12 (рис.4, устройство D)
Блок управления и приводная ступень
В зависимости от требований проекта ST предлагает как микроконтроллеры, так и цифровые контроллеры:
- 32-битные микроконтроллеры, наиболее подходящие для приложений управления питанием, - это STM32F334 (из семейства STM32F3) и СТМ32Г474 (из семейства STM32G4). Серия микроконтроллеров STM32F3 объединяет 32-битное ядро ARM® Cortex®-M4 (с инструкциями FPU и DSP), работающее на частоте 72 МГц, с таймером высокого разрешения и сложным построителем сигналов, а также обработчиком событий. 32-разрядное ядро ARM® Cortex®-M4 + серии STM32G4, работающее на частоте 170 МГц, является продолжением серии STM32F3, сохраняя лидерство серии в аналоговом исполнении, что обеспечивает снижение затрат на уровне приложений, упрощение конструкции приложения и шанс для дизайнеров изучить новые сегменты и приложения.
Сердце СТНРГ388А Цифровым контроллером является SMED (State Machine Event Driven), который позволяет устройству управлять шестью независимо настраиваемыми тактовыми импульсами ШИМ с максимальным разрешением 1.3 нс. Каждый SMED настраивается через внутренний микроконтроллер STNRG. Набор специализированных периферийных устройств завершает устройство STNRG: 4 аналоговых компаратора, 10-разрядный АЦП с настраиваемыми операционными усилителями и 8-канальный секвенсор. и ФАПЧ 96 МГц для высокого разрешения выходного сигнала.
Новый STGAP2SICS представляет собой одностворчатый драйвер с гальванической развязкой на 6 кВ, предназначенный для управления SiC MOSFET. Он имеет ток потребления / источника 4 А, короткую задержку распространения, напряжение питания до 26 В, оптимизированный UVLO и функцию ожидания, а также корпус SO8W.
ОЦЕНОЧНЫЕ ДОСКИ ST
Практически для любого типа приложений ST предлагает подходящие системные оценочные платы для тестирования функций продуктов ST непосредственно в окончательной системе или подсистеме. Для зарядной станции постоянного тока также доступны некоторые платы и соответствующая прошивка.
Ассоциация СТДЕС-ВЕННАРЕКТ оценочная плата (рис. 5-а) имеет мощность 15 кВт, Трехфазный Венский выпрямитель с управлением смешанными сигналами для ступени коррекции коэффициента мощности (PFC).
Высокая частота переключения SCTW35N65G2V SiC MOSFET на 650 В (70 кГц), внедрение СТПСК20H12 SiC-диоды на 1200 В и многоуровневая структура обеспечивают КПД почти 99%, а также оптимизацию пассивных компонентов питания с точки зрения размера и стоимости. STEVAL-VIENNARECT имеет управление смешанными сигналами, а контроллер STNRG388A обеспечивает цифровое регулирование выходного напряжения. Специальная аналоговая схема обеспечивает регулирование тока в режиме непрерывной проводимости (CCM) с широким диапазоном частот для максимального качества электроэнергии с точки зрения общего гармонического искажения (THD <5%) и коэффициента мощности (PF> 0.99).
Ассоциация STDES-PFCBIDIR Оценочная плата (рис. 5-b) оснащена трехфазным трехуровневым двунаправленным преобразователем Active Front End (AFE) мощностью 15 кВт для ступени коррекции коэффициента мощности (PFC). Сторона власти принимает SCTW40N120G2VAG SiC MOSFET на 1200 В, гарантирующий высокий КПД (почти 99%). Управление основано на СТМ32Г4 микроконтроллер серии с разъемами для связи, а также контрольными точками и индикаторами состояния для тестирования и отладки. Управляющие сигналы для коммутационных устройств управляются соответствующими СТГАП2С драйверы затворов для независимого управления частотами переключения и мертвым временем.
Ассоциация СТИВАЛ-DPSTPFC1 В безмостовой схеме повышения на тотемном полюсе мощностью 3.6 кВт (рис. 5-c) достигается цифровая коррекция коэффициента мощности (PFC) с цифровым ограничителем пускового тока (ICL). Это поможет вам разработать инновационную топологию с использованием новейших устройств ST power kit: карбид кремния. MOSFET (SCTW35N65G2V), тиристорный тиристор (TN3050H-12WY), изолированный драйвер полевого транзистора (СТГАП2С) и 32-битный MCU (STM32F334).