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DC充電站:ST在功率與控制層面所遇到之挑戰
 

【作者: Luigi Galioto】   2021年04月23日 星期五

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預計到2027年,全球電動汽車充電站市場規模迅速擴展,而亞太地區電動汽車銷量的迅速成長推動了全球電動汽車充電站市場的成長。意法半導體(ST)產品可支援此一市場/應用。本文介紹主要系統架構以及主要適用的ST產品。


預計到2027年,全球電動汽車充電站市場規模將從2020年估計的2,115,000個成長至30,758,000個,複合年均成長率高達46.6%。該報告的基準年為2019年,預測期為2020年至2027年。[1] 從地理位置來看,亞太地區(尤其是中國)電動汽車銷量的迅速成長推動了全球電動汽車充電站市場的成長。預測期間內歐洲有望成為第二大市場。


有鑒於30分鐘內即可將電動汽車快速充滿的便利性,3級充電(即DC快速充電)的成長速度最快。意法半導體(ST)產品可支援此一市場/應用。將在以下章節中介紹主要系統架構以及主要適用的意法半導體產品。


架構與ST產品

DC快速充電站的功率範圍為30-150kW,該技術採用15-30 kW子單元的模組化方法(圖一),並透過將子單元堆疊來形成功率更高的DC充電系統。該方法提供了一種彈性、快速、安全且實惠的解決方案。


圖一 : 充電站子單元可堆疊解決方案
圖一 : 充電站子單元可堆疊解決方案

ST產品涵蓋了每個子單元(圖二)中所包含的主功率和控制單元/驅動級。



圖二 : 子單元架構圖
圖二 : 子單元架構圖

對於功率級(PFC + DC-DC部分),設計效率為關鍵,對於功率範圍為15-30kW的子單元,ST為PFC、DC-DC和控制單元/驅動級提供合適且高效的智慧產品,如下所述。


PFC級

對於3相輸入,功率因數校正(PFC)級可透過幾種配置來實現,並通常使用Vienna整流器拓撲(圖三,類型1或類型2)。



圖三 : PFC Vienna整流器拓撲
圖三 : PFC Vienna整流器拓撲

根據設計和/或客戶需求,意法半導體提供多種開關(圖三,元件T):


第二代SiC MOSFET@內文:(650V系列SCT*N65G2)基於寬能隙材料的先進性和創新性,藉由單位面積極低的導通電阻以及出色的開關性能,可達到高效且高率配置緊密的設計。特別是,具有18mΩ RDS(on)的4腳位SCTW90N65G2V-4可在100℃下輕鬆處理90 A的漏極電流。


IGBT HB2系列@內文:(650V系列STGW*H65DFB2)可在中至高頻率下運作的應用中確保更高的效率。結合較低的飽和電壓(1.55 V典型值)和較低的總閘極電荷,該IGBT系列可確保應用在關斷期間具有最低的過沖電壓並具有較低的關斷耗能。特別是,受益於將電源路徑與驅動訊號隔開的Kelvin腳位,STGW40H65DFB-4可實現更快的開關。


功率MOSFET MDMesh M5系列@內文:(650V系列,STW*N65M5)採用創新的垂直製程,具有更高的VDSS額定值和高dv/dt性能、出色的導通電阻 x面積以及卓越的開關性能。


在輸入級中,可透過以下元件來控制浪湧電流:


SCR閘流體@內文:TN*50H-12WY(圖三,Vienna 1,元件DA)是一款經AEC-Q101認證的整流器,具有優化的功率密度和抗浪湧電流能力,可實現1200V的阻斷能力,就可避免使用限制系統效率與壽命的無源元件。


輸入橋整流器@內文:STBR*12 1200系列(圖三,Vienna1,元件DB)具有低正向壓降,可提升輸入橋的效率,並符合最嚴苛的標準。該產品適用於混合橋配置以及ST的SCR閘流體。


就二極體而言,新型SiC二極體650/1200V系列拓撲結合了最低的正向電壓與最先進的正向浪湧電流穩健性。設計人員可以選擇低額定電流二極體而不犧牲轉換器的效率,同時提升高性能系統的經濟效益。


‧ Vienna 1型為650V(STPSC*H65)(圖三,元件DC)


‧ Vienna 2型為1200V(STPSC*H12)(圖三,元件D)


DC-DC級

在DC/DC轉換級中,由於其效率、電流隔離和較少的元件,全橋諧振拓撲(圖四)通常為首選。



圖四 : FB-LLC諧振拓補
圖四 : FB-LLC諧振拓補

對於Vout= 750-900V的3相PFC轉換器以及400V-800V的高壓電池,ST為FB-LLC諧振轉換器提供:


‧ 第二代SiC MOSFET 1200V系列SCT*N120G2(圖四,元件T)


‧ SiC二極體1200V STPSC*H12(圖四,元件D)


控制單元與驅動級

根據設計需求,ST提供MCU和數位控制器:


‧ 最適合功率管理應用的32位元微控制器為STM32F334(來自STM32F3系列)和STM32G474(來自STM32G4系列)。STM32F3 MCU系列結合使用了運作頻率為72 MHz的32位元Arm Cortex-M4內核心(採用FPU和DSP指令)、高解析度計時器、複雜波形生成器及事件處理器。運作頻率為170 MHz的STM32G4系列32位元Arm Cortex-M4+內核心為STM32F3系列的延續,其在應用方面降低了成本、簡化了應用設計並為設計人員提供了探索新的細分領域和應用的機會,從而在模擬技術方面保持領先地位。


‧ STNRG388A數位控制器的核心為狀態機事件驅動(SMED),它使元件能夠採用最高解析度為1.3 ns的六個可獨立配置的PWM時脈。每個SMED均可以透過STNRG內部微控制器來配置。一組專用外部周邊完善了STNRG元件:4個類比比較器、具有可配置運算放大器和8通道定序器的10位元ADC以及可實現高輸出訊號解析度的96 MHz 的鎖相環。


新型STGAP2SICS為設計用於驅動SiC MOSFET的6kV電流隔離單閘極驅動器。它具有4A灌/拉電流能力、短傳輸延時、高達26V的供電電壓、優化的UVLO和待機功能以及SO8W封裝。


評估板

ST幾乎為所有應用均提供了合適的系統評估板,其可直接在最終系統或子系統上測試ST產品的功能。對於DC充電站,也提供一些評估板和相關固件。


STDES-VIENNARECT評估板(圖五(a))採用15 kW的三相Vienna整流器,該整流器支援功率因數校正(PFC)級的混合訊號控制。


SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET(70 kHz)的高開關頻率、STPSC20H12 1200V SiC二極體的採用以及多級結構可實現接近99%的效率,並能在尺寸與成本方面優化無源功率元件。STEVAL-VIENNARECT採用混合訊號控制,並透過STNRG388A控制器進行數位輸出電壓調節。專用類比電路提供高頻寬連續導通模式(CCM)電流調節,可在總諧波失真(THD<5%)和功率因數(PF>0.99)方面實現最高功率品質。



圖五 : 瞄準DC充電站的PFC解決方案
圖五 : 瞄準DC充電站的PFC解決方案

STDES-PFCBIDIR評估板(圖五(b))在功率因數校正(PFC)級中採用15 kW、三相、三級有源前端(AFE)雙向轉換器。電源側採用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET,可確保高效率(接近99%)。控制STM32G4系列微控制器,並具有用於通訊的連線器以及用於測試和調試的測試點與狀態指示器。開關元件的驅動訊號由對應的STGAP2S閘極驅動器來管理,以確保獨立管理開關頻率與死區時間。


STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW無橋圖騰柱升壓電路(圖五(c))透過數位浪湧電流限制器(ICL)來達到數位功率因數校正(PFC)。其有助於工程師透過以下最新的意法半導體功率套件來設計創新拓撲:碳化矽MOSFET(SCTW35N65G2V)、閘流體SCR(TN3050H-12WY)、隔離式FET驅動器(STGAP2S)和32位元MCU(STM32F334)。


(本文作者 Luigi Galioto任職於意法半導體)


參考資料

[1]來源:Markets and Markets,2021年2月


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