Giới thiệu
Quy mô thị trường trạm sạc xe điện toàn cầu được dự báo sẽ đạt 30,758 nghìn chiếc vào năm 2027, từ mức ước tính 2,115 nghìn chiếc vào năm 2020, với tốc độ CAGR là 46.6%. Năm cơ sở cho báo cáo là năm 2019 và giai đoạn dự báo là từ năm 2020 đến năm 2027. (nguồn Thị trường và Thị trường., Tháng 2021 năm XNUMX).
Về mặt địa lý, doanh số bán Xe điện đang tăng nhanh ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương, đặc biệt là ở Trung Quốc, đã thúc đẩy sự phát triển của thị trường toàn cầu cho các trạm sạc xe điện. Châu Âu dự kiến sẽ là thị trường lớn thứ hai trong giai đoạn dự báo.
Xem xét các loại mức sạc khác nhau, loại sạc Cấp 3 (tức là sạc nhanh DC) dự kiến sẽ phát triển nhanh nhất trong khoảng thời gian dự báo. Tính năng sạc cấp độ 3 đang phát triển với tốc độ nhanh nhất do sự tiện lợi của EVs sạc nhanh trong vòng 30 phút. Các sản phẩm của STMicroelectronics hỗ trợ thị trường / ứng dụng này. Chúng ta sẽ xem xét các kiến trúc hệ thống chính và các sản phẩm ST phù hợp chính trong phần sau.
KIẾN TRÚC VÀ SẢN PHẨM CỦA ST
Phạm vi công suất cho bộ sạc nhanh DC bao gồm 30-150kW và thực hiện phương pháp mô-đun (hình 1) dựa trên các đơn vị con 15-30 kW, sau đó được xếp chồng lên nhau để tạo ra hệ thống sạc DC công suất cao hơn. Cách tiếp cận này cung cấp một giải pháp linh hoạt, nhanh chóng, an toàn và giá cả phải chăng.
Liên quan đến giai đoạn công suất (phần PFC + DC-DC), hiệu quả thiết kế là chìa khóa và đối với khối phụ có dải công suất 15-30kW, ST cung cấp các sản phẩm phù hợp, hiệu quả và thông minh cho PFC, DC-DC và Bộ điều khiển / giai đoạn lái xe, như được báo cáo trong các phần sau.
Sân khấu PFC
Giai đoạn hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC), đối với đầu vào 3 pha, có thể được thực hiện thông qua một số cấu hình và thường sử dụng cấu trúc liên kết chỉnh lưu Vienna (hình 3, loại 1 hoặc loại 2).
Dựa trên thiết kế và / hoặc nhu cầu của khách hàng, ST cung cấp nhiều loại công tắc (hình 3, thiết bị T):
- SiC mosfet Gen 2 (Dòng 650V SCT * N65G2) dựa trên các đặc tính tiên tiến và sáng tạo của vật liệu băng tần rộng và có Rdson rất thấp trên mỗi khu vực kết hợp với hiệu suất chuyển mạch tuyệt vời mang lại một thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả. Đặc biệt, SCTW4N90G65V-2 4 chân với RDS 18mΩ (bật), có thể thoải mái xử lý dòng xả 90 A ở 100 ° C.
- IGBTdòng HB2 của (650V dòng STGW * H65DFB2) đảm bảo hiệu quả cao hơn trong các ứng dụng làm việc ở tần số trung bình đến cao. Kết hợp cả hai độ bão hòa thấp hơn Vôn (1.55 V điển hình) và tổng điện tích cổng thấp hơn, dòng IGBT này đảm bảo điện áp vượt quá mức tối thiểu trong quá trình quay cũng như năng lượng tắt thấp hơn trong ứng dụng. Đặc biệt, STGW40H65DFB-4 cung cấp khả năng chuyển đổi nhanh hơn nhờ một chân Kelvin phân tách đường dẫn điện và tín hiệu truyền động.
- Nguồn MOSFETs Dòng MDMesh ™ M5 (Dòng 650V, STW * N65M5) sử dụng quy trình dọc sáng tạo để có xếp hạng VDSS cao hơn và khả năng dv / dt cao, R vượt trộidsơn khu vực x và hiệu suất chuyển mạch tuyệt vời.
Trong giai đoạn đầu vào, có thể kiểm soát dòng điện khởi động bằng các thiết bị sau:
- SCR Thyristor TN * 50H-12WY (hình 3, Viên 1, thiết bị DA), một bộ chỉnh lưu đủ tiêu chuẩn AEC-Q101, cung cấp khả năng chặn 1200V với mật độ công suất được tối ưu hóa và khả năng tăng dòng điện. Bằng cách này có thể tránh sử dụng các thành phần thụ động làm hạn chế hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống.
- Bộ chỉnh lưu cho cầu đầu vào, họ STBR * 12 1200 (hình 3, Vienna1, thiết bị DB) với mức giảm điện áp chuyển tiếp thấp, cải thiện hiệu quả của các cầu đầu vào tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhất. Sản phẩm đó lý tưởng để sử dụng trong các cấu hình cầu hỗn hợp cùng với SCR Thyristor của ST.
Liên quan đến điốt, cấu trúc liên kết của Điốt SiC 650 / 1200V sê-ri kết hợp điện áp thuận thấp nhất với độ bền dòng điện tăng tiến hiện đại nhất. Các nhà thiết kế có thể chọn một diode xếp hạng hiện tại thấp hơn mà không ảnh hưởng đến chuyển đổimức hiệu quả trong khi tăng khả năng chi trả của các hệ thống hiệu suất cao.
- 650V (STPSC * H65) trên Vienna loại 1 (hình 3, thiết bị DC)
- 1200V (STPSC * H12) trên Vienna loại 2 (hình 3, thiết bị D)
Giai đoạn DC-DC
Trong giai đoạn chuyển đổi DC / DC, cấu trúc liên kết cộng hưởng toàn cầu (hình 4) thường được ưa thích hơn do hiệu quả, cách ly điện và ít thiết bị hơn.
Xem xét bộ chuyển đổi PFC 3 pha với Vra= 750-900V và pin HV 400V-800V, cho bộ chuyển đổi cộng hưởng FB-LLC ST đề xuất:
- SiC MOSFETs thế hệ 2 Dòng 1200V SCT * N120G2 (hình 4, thiết bị T)
- Điốt SiC 1200V STPSC * H12 (hình 4, thiết bị D)
Bộ phận điều khiển và giai đoạn lái xe
Tùy thuộc vào nhu cầu của thiết kế, ST cung cấp cả MCU và bộ điều khiển kỹ thuật số:
- Các bộ vi điều khiển 32-bit phù hợp nhất cho các ứng dụng quản lý năng lượng là STM32F334 (từ họ STM32F3) và STM32G474 (từ họ STM32G4). Dòng MCU STM32F3 kết hợp lõi ARM® Cortex®-M32 4-bit (với các lệnh FPU và DSP) chạy ở 72 MHz với bộ hẹn giờ độ phân giải cao và trình tạo dạng sóng phức tạp cùng với trình xử lý sự kiện. Lõi 32-bit ARM® Cortex®-M4 + của sê-ri STM32G4 chạy ở 170 MHz là sự tiếp nối của sê-ri STM32F3, duy trì sự dẫn đầu của sê-ri về chất tương tự giúp giảm chi phí ở cấp ứng dụng, đơn giản hóa thiết kế ứng dụng và cơ hội cho các nhà thiết kế khám phá các phân khúc và ứng dụng mới.
Trái tim của STNRG388A bộ điều khiển kỹ thuật số là SMED (State Machine Event Driven), cho phép thiết bị điều khiển sáu đồng hồ PWM có thể cấu hình độc lập với độ phân giải tối đa 1.3 ns. Mỗi SMED được cấu hình thông qua vi điều khiển nội bộ STNRG. Một bộ thiết bị ngoại vi chuyên dụng hoàn thiện thiết bị STNRG: 4 bộ so sánh tương tự, bộ ADC 10 bit với bộ khuếch đại op có thể định cấu hình và bộ tuần tự 8 kênh. và một PLL 96 MHz cho độ phân giải tín hiệu đầu ra cao.
Mới STGAP2SICS là một trình điều khiển cổng đơn cách ly bằng điện 6kV được thiết kế để điều khiển các MOSFET SiC. Nó có khả năng dòng điện / nguồn chìm 4A, độ trễ lan truyền ngắn, điện áp cung cấp lên đến 26V, chức năng chờ và UVLO được tối ưu hóa, và một gói SO8W.
BAN ĐÁNH GIÁ CỦA ST
Đối với bất kỳ loại ứng dụng nào, ST cung cấp các bảng đánh giá hệ thống phù hợp để kiểm tra các tính năng của sản phẩm của ST trực tiếp trong hệ thống cuối cùng hoặc hệ thống con. Đối với Trạm sạc DC, một số bo mạch và chương trình cơ sở liên quan cũng có sẵn.
Sản phẩm STDES-VIENNARECT bảng đánh giá (hình 5-a) có công suất 15 kW, Ba giai đoạn Bộ chỉnh lưu Vienna với điều khiển tín hiệu hỗn hợp cho giai đoạn hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC).
Tần số chuyển mạch cao của SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET (70 kHz), việc sử dụng STPSC20H12 Điốt 1200V SiC và cấu trúc đa cấp cho phép hiệu suất gần 99% cũng như tối ưu hóa các thành phần nguồn thụ động về kích thước và chi phí. STEVAL-VIENNARECT có tính năng điều khiển tín hiệu hỗn hợp, với bộ điều khiển STNRG388A cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra kỹ thuật số. Mạch tương tự chuyên dụng cung cấp khả năng điều chỉnh dòng điện ở chế độ dẫn liên tục (CCM) băng thông cao cho chất lượng điện năng tối đa trong điều kiện méo hài tổng (THD <5%) và hệ số công suất (PF> 0.99).
Sản phẩm STDES-PFCBIDIR bảng đánh giá (hình 5-b) có bộ chuyển đổi hai chiều Active Front End (AFE) 15 kW, ba pha, ba cấp cho giai đoạn hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC). Bên quyền lực thông qua SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFETs đảm bảo hiệu suất cao (gần 99%). Kiểm soát dựa trên STM32G4 bộ vi điều khiển loạt với các đầu nối để giao tiếp, các điểm kiểm tra và chỉ báo trạng thái để kiểm tra và gỡ lỗi. Các tín hiệu điều khiển cho các thiết bị chuyển mạch được quản lý bởi STGAP2S trình điều khiển cổng để đảm bảo quản lý độc lập tần số chuyển mạch và thời gian chết.
Sản phẩm STEVAL-DPSTPFC1 Mạch tăng cực vật tổ không cầu nối 3.6 kW (hình 5-c) đạt được hiệu chỉnh hệ số công suất kỹ thuật số (PFC) với bộ giới hạn dòng khởi động kỹ thuật số (ICL). Nó giúp bạn thiết kế một cấu trúc liên kết sáng tạo với các thiết bị bộ nguồn ST mới nhất: một cacbua silicon mosfet (SCTW35N65G2V), một SCR thyristor (TN3050H-12WY), một trình điều khiển FET bị cô lập (STGAP2S) và MCU 32 bit (STM32F334).