บทนำ
ขนาดตลาดสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกคาดว่าจะสูงถึง 30,758 พันหน่วยภายในปี 2027 จากประมาณ 2,115 หน่วยในปี 2020 ที่ CAGR ที่ 46.6% ปีฐานสำหรับรายงานคือปี 2019 และระยะเวลาคาดการณ์คือปี 2020 ถึง 2027 (แหล่งที่มา Markets and Markets., กุมภาพันธ์ 2021)
ตามภูมิศาสตร์ ยอดขายรถยนต์ไฟฟ้าที่เติบโตอย่างรวดเร็วในภูมิภาคเอเชียแปซิฟิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเทศจีน ได้ขับเคลื่อนการเติบโตของตลาดโลกสำหรับสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า คาดว่ายุโรปจะเป็นตลาดที่ใหญ่เป็นอันดับสองในช่วงเวลาคาดการณ์
เมื่อพิจารณาจากประเภทระดับการชาร์จที่หลากหลาย ประเภทการชาร์จระดับ 3 (เช่น การชาร์จแบบเร็ว DC) คาดว่าจะเติบโตเร็วที่สุดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ การชาร์จระดับ 3 เติบโตในอัตราที่เร็วที่สุดเนื่องจากความสะดวกของการชาร์จ EV ที่รวดเร็วภายใน 30 นาที ผลิตภัณฑ์ของ STMicroelectronics รองรับตลาด/แอพพลิเคชั่นนี้ เราจะพิจารณาสถาปัตยกรรมระบบหลักและผลิตภัณฑ์ ST ที่เหมาะสมหลักในหัวข้อต่อไปนี้
สถาปัตยกรรมและผลิตภัณฑ์ของเซนต์
ช่วงพลังงานสำหรับเครื่องชาร์จเร็ว DC ครอบคลุม 30-150kW และใช้วิธีการแบบแยกส่วน (รูปที่ 1) ตามหน่วยย่อย 15-30 kW ซึ่งจะถูกวางซ้อนกันเพื่อสร้างระบบการชาร์จ DC กำลังสูง แนวทางนี้มอบโซลูชันที่ยืดหยุ่น รวดเร็ว ปลอดภัย และราคาไม่แพง
ในส่วนของพาวเวอร์สเตจ (ส่วน PFC + DC-DC) ประสิทธิภาพการออกแบบเป็นกุญแจสำคัญ และสำหรับยูนิตย่อยที่มีช่วงกำลังไฟฟ้า 15-30kW ST ขอเสนอผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสม มีประสิทธิภาพ และชาญฉลาดสำหรับ PFC, DC-DC และชุดควบคุม/ ขั้นตอนการขับเคลื่อนตามที่รายงานในหัวข้อต่อไปนี้
เวที PFC
ขั้นตอนการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) สำหรับอินพุต 3 เฟส สามารถใช้งานได้ผ่านการกำหนดค่าต่างๆ และมักจะใช้โทโพโลยีตัวเรียงกระแสของเวียนนา (รูปที่ 3 ประเภท 1 หรือประเภท 2)
ขึ้นอยู่กับการออกแบบและ/หรือความต้องการของลูกค้า ST มีสวิตช์ที่หลากหลาย (รูปที่ 3 อุปกรณ์ T):
- ซีซี มอสเฟต Gen 2 (650V ซีรีส์ SCT*N65G2) อิงจากคุณสมบัติขั้นสูงและนวัตกรรมของวัสดุที่มีแถบคาดแบบกว้าง และมีคุณสมบัติ Rdson ต่อพื้นที่ที่ต่ำมาก ซึ่งรวมกับประสิทธิภาพการสลับที่ยอดเยี่ยมทำให้มีการออกแบบที่มีประสิทธิภาพและกะทัดรัด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SCTW4N90G65V-2 แบบ 4 พินที่มี 18mΩ RDS (เปิด) สามารถรองรับกระแสไฟระบาย 90 A ได้อย่างสบายที่ 100°C
- IGBTซีรีส์ HB2 (ตระกูล 650V STGW*H65DFB2) ช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในการใช้งานที่ทำงานที่ความถี่ปานกลางถึงสูง ผสมผสานทั้งความอิ่มตัวที่ต่ำกว่า lower แรงดันไฟฟ้า (1.55 V typ.) และค่าเกตรวมที่ต่ำกว่า ตระกูล IGBT นี้ช่วยให้เกิดแรงดันไฟเกินที่น้อยที่สุดในระหว่างการเปิดเครื่อง รวมถึงพลังงานในการปิดเครื่องที่ต่ำลงในการใช้งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง STGW40H65DFB-4 ให้การสลับที่เร็วขึ้นด้วยพินเคลวินที่แยกเส้นทางพลังงานและสัญญาณการขับขี่
- มอสเฟตกำลัง MDMesh™ M5 series (ตระกูล 650V, STW*N65M5) ใช้กระบวนการแนวตั้งที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อให้มีพิกัด VDSS ที่สูงขึ้นและความสามารถ dv/dt สูง R ที่โดดเด่นดีซอน พื้นที่ x และประสิทธิภาพการสลับที่ยอดเยี่ยม
ในขั้นตอนอินพุต สามารถควบคุมกระแสไฟเข้าด้วยอุปกรณ์เหล่านี้ได้:
- SCR ไทริสเตอร์ TN*50H-12WY (รูปที่ 3, เวียนนา 1, อุปกรณ์ DA) วงจรเรียงกระแสที่ผ่านการรับรอง AEC-Q101 มีความสามารถในการบล็อก 1200V พร้อมความหนาแน่นของพลังงานที่เหมาะสมและความสามารถกระแสไฟกระชาก ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถหลีกเลี่ยงการใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่จำกัดประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของระบบ
- วงจรเรียงกระแสสำหรับสะพานอินพุต ตระกูล STBR*12 1200 (รูปที่ 3, Vienna1, อุปกรณ์ DB) ด้วยแรงดันตกคร่อมต่ำ ปรับปรุงประสิทธิภาพของสะพานอินพุตให้เป็นไปตามมาตรฐานที่เข้มงวดที่สุด ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในการกำหนดค่าแบบสะพานผสมพร้อมกับ SCR Thyristor ของ ST
เท่าที่เกี่ยวข้องกับไดโอด โทโพโลยีของใหม่ SiC ไดโอด 650/1200V ซีรีส์นี้รวมเอาแรงดันไปข้างหน้าที่ต่ำที่สุดเข้ากับความแข็งแกร่งของกระแสไฟกระชากไปข้างหน้าที่ล้ำสมัย นักออกแบบสามารถเลือกไดโอดเรตติ้งกระแสไฟที่ต่ำกว่าโดยไม่กระทบต่อ Converterระดับประสิทธิภาพในขณะที่เพิ่มความสามารถในการจ่ายสำหรับระบบที่มีประสิทธิภาพสูง
- 650V (STPSC*H65) บนเวียนนาประเภท 1 (รูปที่ 3 อุปกรณ์ DC)
- 1200V (STPSC*H12) บนเวียนนาประเภท 2 (รูปที่ 3 อุปกรณ์ D)
เวที DC-DC
ในขั้นตอนการแปลง DC/DC โทโพโลยีแบบเรโซแนนซ์แบบเต็มบริดจ์ (รูปที่ 4) มักถูกเลือกใช้เนื่องจากประสิทธิภาพ การแยกด้วยไฟฟ้า และอุปกรณ์จำนวนน้อยลง
พิจารณาตัวแปลง PFC แบบ 3 เฟสด้วย Vออก= 750-900V และแบตเตอรี่ HV 400V-800V สำหรับตัวแปลงเรโซแนนซ์ FB-LLC ST เสนอ:
- SiC MOSFET เจนเนอเรชั่น 2 ซีรี่ส์ 1200V SCT*N120G2 (รูปที่ 4 อุปกรณ์ T)
- SiC ไดโอด 1200V STPSC*H12 (รูปที่ 4 อุปกรณ์ D)
ชุดควบคุมและระยะขับขี่
ขึ้นอยู่กับความต้องการของการออกแบบ ST มีทั้ง MCU และตัวควบคุมแบบดิจิทัล:
- ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32 บิตที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันการจัดการพลังงานคือ STM32F334 (จากตระกูล STM32F3) และ STM32G474 (จากตระกูล STM32G4) ซีรีส์ STM32F3 MCU รวมแกน ARM® Cortex®-M32 แบบ 4 บิต (พร้อมคำสั่ง FPU และ DSP) ที่ทำงานที่ 72 MHz พร้อมตัวจับเวลาความละเอียดสูงและตัวสร้างรูปคลื่นที่ซับซ้อนพร้อมตัวจัดการเหตุการณ์ แกน ARM® Cortex®-M32+ แบบ 4 บิตของซีรีส์ STM32G4 ที่ทำงานที่ 170 MHz เป็นความต่อเนื่องของซีรีส์ STM32F3 โดยรักษาความเป็นผู้นำของซีรีส์ในด้านอะนาล็อกที่ช่วยลดต้นทุนในระดับแอปพลิเคชัน ทำให้การออกแบบแอปพลิเคชันง่ายขึ้น และ โอกาสสำหรับนักออกแบบในการสำรวจกลุ่มและแอปพลิเคชันใหม่ๆ
หัวใจของเ STNRG388A ตัวควบคุมแบบดิจิตอลคือ SMED (State Machine Event Driven) ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์นำร่องนาฬิกา PWM ที่กำหนดค่าได้อย่างอิสระหกตัวด้วยความละเอียดสูงสุด 1.3 ns SMED แต่ละรายการได้รับการกำหนดค่าผ่านไมโครคอนโทรลเลอร์ภายใน STNRG ชุดอุปกรณ์ต่อพ่วงเฉพาะทำให้อุปกรณ์ STNRG สมบูรณ์: เครื่องเปรียบเทียบแอนะล็อก 4 เครื่อง, ADC 10 บิตพร้อมออปแอมป์ที่กำหนดค่าได้และซีเควนเซอร์ 8 แชนเนล และ 96 MHz PLL สำหรับความละเอียดสัญญาณเอาท์พุตสูง
ใหม่ STGAP2SICS เป็นไดร์เวอร์ประตูเดียวแบบแยกกระแสไฟฟ้าขนาด 6kV ที่ออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อน SiC MOSFET มีคุณสมบัติกระแสไฟซิงก์/แหล่งจ่ายกระแสไฟ 4A, หน่วงเวลาการแพร่กระจายสั้น, แรงดันไฟสูงสุด 26V, UVLO ที่ปรับให้เหมาะสมและฟังก์ชันสแตนด์บาย และแพ็คเกจ SO8W
บอร์ดประเมินของ ST
สำหรับแอปพลิเคชันเกือบทุกประเภท ST ขอเสนอบอร์ดประเมินผลระบบที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ของ ST โดยตรงในระบบสุดท้ายหรือระบบย่อย สำหรับสถานีชาร์จ DC บอร์ดบางตัวและเฟิร์มแวร์ที่เกี่ยวข้องก็พร้อมให้ใช้งานเช่นกัน
พื้นที่ STDES-เวียนนา คณะกรรมการประเมินผล (fig.5-a) มี 15 กิโลวัตต์, สามเฟส วงจรเรียงกระแสแบบเวียนนาพร้อมการควบคุมสัญญาณผสมสำหรับขั้นตอนการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC)
ความถี่สวิตชิ่งสูงของ SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFETs (70 kHz) การนำ STPSC20H12 ไดโอด SiC 1200V และโครงสร้างหลายระดับช่วยให้มีประสิทธิภาพเกือบ 99% รวมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนประกอบพลังงานแฝงในแง่ของขนาดและต้นทุน STEVAL-VIENNARECT มีการควบคุมสัญญาณแบบผสม โดยมีตัวควบคุม STNRG388A ที่ให้การควบคุมแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตแบบดิจิตอล วงจรแอนะล็อกเฉพาะให้การควบคุมกระแสไฟแบบต่อเนื่องแบนด์วิดธ์สูง (CCM) สำหรับคุณภาพกำลังไฟฟ้าสูงสุดในแง่ของความเพี้ยนของฮาร์มอนิกทั้งหมด (THD<5%) และตัวประกอบกำลัง (PF>0.99)
พื้นที่ STDES-PFCBIDIR บอร์ดประเมินผล (fig.5-b) มีตัวแปลงแบบสองทิศทาง 15 kW, สามเฟส, สามระดับ Active Front End (AFE) สำหรับขั้นตอนการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) ด้านพลังงานนำมาใช้ SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET ซึ่งรับประกันประสิทธิภาพสูง (เกือบ 99%) การควบคุมจะขึ้นอยู่กับ STM32G4 ไมโครคอนโทรลเลอร์ซีรีส์พร้อมตัวเชื่อมต่อสำหรับการสื่อสาร จุดทดสอบและตัวบ่งชี้สถานะสำหรับการทดสอบและการดีบัก สัญญาณการขับเคลื่อนสำหรับอุปกรณ์สวิตชิ่งได้รับการจัดการโดยที่สอดคล้องกัน STGAP2S ตัวขับเกทเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดการความถี่สวิตชิ่งและเวลาตายอย่างอิสระ
พื้นที่ สตีวาล-DPSTPFC1 วงจรบูสต์เสาโทเท็มไร้สะพานขนาด 3.6 กิโลวัตต์ (fig.5-c) บรรลุการแก้ไขตัวประกอบกำลังแบบดิจิทัล (PFC) ด้วยตัวจำกัดกระแสไฟเข้าแบบดิจิตอล (ICL) ช่วยให้คุณออกแบบโทโพโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่ด้วยอุปกรณ์ชุดจ่ายไฟ ST ล่าสุด: ซิลิกอนคาร์ไบด์ MOSFET (SCTW35N65G2V .)) ไทริสเตอร์ SCR (TN3050H-12WY) ไดรเวอร์ FET ที่แยกได้ (STGAP2S) และ MCU 32 บิต (STM32F334).