Giriş
Küresel Elektrikli Araç Şarj İstasyonu Pazarı büyüklüğünün, 30,758 yılında tahmini 2027 bin adetten 2,115 yılına kadar %2020'lık bir Bileşik Büyüme Oranı (CAGR) ile 46.6 bin adede ulaşması öngörülüyor. Raporun temel yılı 2019, tahmin dönemi ise 2020 ile 2027 arasıdır (kaynak Markets and Markets., Şubat 2021).
Coğrafi olarak, Asya Pasifik bölgesinde, özellikle de Çin'de, hızla artan Elektrikli Araç satışları, elektrikli araç şarj istasyonlarına yönelik küresel pazarın büyümesine ivme kazandırdı. Avrupa'nın tahmin döneminde ikinci büyük pazar olması bekleniyor.
Çeşitli şarj seviyesi türleri göz önüne alındığında, Seviye 3 şarj türünün (yani DC hızlı şarjın) tahmin dönemi boyunca en hızlı şekilde büyümesi bekleniyor. EV'lerin 3 dakika içinde hızlı şarj edilmesinin rahatlığı nedeniyle Seviye 30 şarjı en hızlı şekilde artıyor. STMicroelectronics'in ürünleri bu pazarı/uygulamayı desteklemektedir. Bir sonraki bölümde ana sistem mimarilerine ve uygun ana ST ürünlerine göz atacağız.
MİMARLIK VE ST ÜRÜNLERİ
DC hızlı şarj cihazlarının güç aralığı 30-150 kW'ı kapsar ve daha sonra daha yüksek güçlü DC şarj sistemi oluşturmak için istiflenen 1-15 kW'lık alt birimlere dayalı modüler bir yaklaşım (Şekil 30) uygular. Bu yaklaşım esnek, hızlı, güvenli ve uygun maliyetli bir çözüm sağlar.
Güç aşamasına (PFC + DC-DC bölümleri) ilişkin olarak tasarım verimliliği anahtardır ve 15-30kW güç aralığına sahip bir alt ünite için ST, PFC, DC-DC ve Kontrol ünitesi/ için uygun, verimli ve akıllı ürünler sunar. sürüş aşamaları, aşağıdaki bölümlerde anlatıldığı gibi.
PFC aşaması
3 fazlı bir giriş için güç faktörü düzeltme (PFC) aşaması çeşitli konfigürasyonlar aracılığıyla uygulanabilir ve sıklıkla Viyana doğrultucu topolojileri kullanılır (şekil 3, tip 1 veya tip2).
ST, tasarıma ve/veya müşteri ihtiyaçlarına bağlı olarak çok çeşitli anahtarlar sunar (şekil 3, cihaz T):
- SiC mosfetler Gen 2 (650V serisi SCT*N65G2), geniş bant aralıklı malzemelerin gelişmiş ve yenilikçi özelliklerini temel alır ve alan başına çok düşük Rdson özelliğine sahiptir ve mükemmel anahtarlama performansıyla birleşerek verimli ve kompakt bir tasarım sağlar. Özellikle, 4 mΩ RDS(açık) özelliğine sahip 90 pinli SCTW65N2G4V-18, 90°C'de 100 A drenaj akımını rahatlıkla işleyebilir.
- IGBTHB2 serisi (650V ailesi STGW*H65DFB2), orta ve yüksek frekanslarda çalışan uygulamalarda daha yüksek verimlilik sağlar. Her iki düşük doygunluğun birleştirilmesi Voltaj (1.55 V tipik) ve daha düşük toplam kapı şarjı ile bu IGBT ailesi, kapatma sırasında minimum aşırı gerilim voltajının yanı sıra uygulamada daha düşük kapatma enerjisi sağlar. Özellikle STGW40H65DFB-4, güç yolu ile sürüş sinyalini ayıran Kelvin pimi sayesinde daha hızlı anahtarlama sağlar.
- Güç MOSFET'leri MDMesh™ M5 serisi (650V ailesi, STW*N65M5), daha yüksek bir VDSS derecesine ve yüksek dv/dt kapasitesine, olağanüstü R'ye sahip olmak için yenilikçi bir dikey işlem kullanırOğlum x alanı ve mükemmel anahtarlama performansı.
Giriş aşamasında ani akımı şu cihazlarla kontrol etmek mümkündür:
- SCR Tristörler TN*50H-12WY (şekil 3, Viyana 1, cihaz D)AAEC-Q101 nitelikli bir redresör, optimize edilmiş güç yoğunluğu ve aşırı akım kapasitesi ile 1200V engelleme yeteneği sunar. Bu şekilde sistemin verimliliğini ve ömrünü sınırlayan pasif bileşenlerin kullanımının önüne geçmek mümkün olur.
- Giriş köprüsü için doğrultucular, STBR*12 1200 ailesi (şek.3, Viyana1, cihaz D)B) düşük ileri gerilim düşüşüyle, giriş köprülerinin verimliliğini en sıkı standartlara uygun olarak artırır. Bu ürünler, ST'nin SCR Tristörünün yanı sıra karma köprü konfigürasyonlarında kullanım için idealdir.
Diyotlar söz konusu olduğunda, yeni diyotların topolojileri SiC Diyotlar 650/1200V serisi, en düşük ileri voltajı son teknoloji ürünü ileri dalgalanma akımı sağlamlığıyla birleştirir. Tasarımcılar, güçten ödün vermeden daha düşük akım dereceli bir diyot seçebilirler. DönüştürücüYüksek performanslı sistemlerin uygun fiyatını artırırken verimlilik düzeyini de artırır.
- Viyana tip 650'de 65V (STPSC*H1) (şek.3, cihaz D)C)
- Viyana tip 1200'de 12V (STPSC*H2) (şek.3, cihaz D)
DC-DC aşaması
DC/DC dönüşüm aşamasında, verimliliği, galvanik izolasyonu ve daha az cihaz olması nedeniyle tam köprü rezonans topolojisi (Şekil 4) sıklıkla tercih edilir.
V'li 3 fazlı bir PFC dönüştürücü göz önüne alındığındadışarı= 750-900V ve 400V-800V'lik bir HV akü, FB-LLC rezonans dönüştürücü ST için şunu önerir:
- SiC MOSFET'ler Gen 2 1200V serisi SCT*N120G2 (Şekil 4, cihaz T)
- SiC Diyotlar 1200V STPSC*H12 (Şekil 4, cihaz D)
Kontrol ünitesi ve sürüş aşaması
ST, tasarımın ihtiyaçlarına bağlı olarak hem MCU'lar hem de dijital kontrolörler sunar:
- Güç yönetimi uygulamaları için en uygun 32 bit mikrodenetleyiciler şunlardır: STM32F334 (STM32F3 ailesinden) ve STM32G474 (STM32G4 ailesinden). STM32F3 MCU serisi, 32 MHz'de çalışan 4 bit ARM® Cortex®-M72 çekirdeğini (FPU ve DSP talimatlarıyla), yüksek çözünürlüklü bir zamanlayıcı ve karmaşık dalga biçimi oluşturucu artı olay işleyiciyle birleştirir. STM32G4 serisinin 32 MHz'de çalışan 4 bit ARM® Cortex®-M170+ çekirdeği, STM32F3 serisinin devamı olup, serinin analogdaki liderliğini koruyarak uygulama seviyesinde maliyet düşüşü, uygulama tasarımının basitleştirilmesi ve tasarımcılara yeni segmentleri ve uygulamaları keşfetme şansı.
kalbi STNRG388A dijital denetleyici, cihazın maksimum 1.3 ns çözünürlükle bağımsız olarak yapılandırılabilir altı PWM saatini yönlendirmesine olanak tanıyan SMED'dir (Durum Makinesi Olayına Dayalı). Her SMED, STNRG dahili mikro denetleyici aracılığıyla yapılandırılır. Bir dizi özel çevre birimi STNRG cihazını tamamlar: 4 analog karşılaştırıcı, yapılandırılabilir işlem amplifikatörlü 10 bit ADC ve 8 kanallı sıralayıcı. ve yüksek çıkış sinyali çözünürlüğü için 96 MHz PLL.
Yeni STGAP2SICS SiC MOSFET'leri sürmek için tasarlanmış 6kV galvanik izoleli tek kapılı sürücüdür. 4A negatif/kaynak akım kapasitesi, kısa yayılma gecikmesi, 26V'a kadar besleme voltajı, optimize edilmiş UVLO ve bekleme fonksiyonu ve SO8W paketine sahiptir.
ST'NİN DEĞERLENDİRME KURULLARI
Hemen hemen her uygulama türü için ST, ST ürünlerinin özelliklerini doğrudan nihai sistem veya alt sistemde test etmek için doğru sistem değerlendirme kartlarını sunar. DC Şarj istasyonu için bazı kartlar ve ilgili donanım yazılımı da mevcuttur.
The STDES-VİYANA değerlendirme panosu (şekil 5-a) 15 kW'lık bir güce sahiptir, Üç faz Güç faktörü düzeltme (PFC) aşaması için karışık sinyal kontrollü Viyana doğrultucu.
Yüksek anahtarlama frekansı SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET'ler (70 kHz), benimsenmesi STPSC20H12 1200V SiC diyotlar ve çok seviyeli yapı, %99'a yakın verim sağlamanın yanı sıra pasif güç bileşenlerinin boyut ve maliyet açısından optimizasyonuna olanak sağlar. STEVAL-VIENNARECT, dijital çıkış voltajı regülasyonu sağlayan STNRG388A kontrol cihazı ile karışık sinyal kontrolü özelliğine sahiptir. Özel analog devre, toplam harmonik bozulma (THD5) açısından maksimum güç kalitesi için yüksek bant genişliğinde sürekli iletim modu (CCM) akım düzenlemesi sağlar.
The STDES-PFCBIDIR değerlendirme panosunda (şek. 5-b), güç faktörü düzeltme (PFC) aşaması için 15 kW, üç fazlı, üç seviyeli Aktif Ön Uç (AFE) çift yönlü dönüştürücü bulunur. Güç tarafı benimsiyor SCTW40N120G2VAG Yüksek verimliliği (neredeyse %1200) garanti eden 99V SiC MOSFET'ler. Kontrol aşağıdakilere dayanmaktadır: STM32G4 İletişim için konektörlere sahip seri mikro denetleyici ve test etme ve hata ayıklama için test noktaları ve durum göstergeleri. Anahtarlama cihazlarının tahrik sinyalleri karşılık gelen cihazlar tarafından yönetilir. STGAP2S anahtarlama frekanslarının ve ölü zamanın bağımsız yönetimini sağlamak için kapı sürücüleri.
The STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW köprüsüz totem direği yükseltme devresi (şekil 5-c), dijital ani akım sınırlayıcı (ICL) ile dijital güç faktörü düzeltmesine (PFC) ulaşır. En yeni ST güç kiti cihazlarıyla yenilikçi bir topoloji tasarlamanıza yardımcı olur: silisyum karbür mosfet (SCTW35N65G2V), bir tristör SCR (TN3050H-12WY), yalıtılmış bir FET sürücüsü (STGAP2S) ve 32 bit MCU (STM32F334).