直流充电站:ST对电力和控制的挑战

由路易吉Galioto

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到2027年,全球电动汽车充电站市场规模预计将从2020年的211.5万辆增至3075.8万辆,CAGR为46.6%。本报告的基准年为2019年,预测期为2020年至2027年(来源市场和市场)。, 2021年2月)。

从地理上看,亚太地区特别是中国电动汽车销量的快速增长,推动了全球电动汽车充电站市场的增长。在预测期内,欧洲预计将成为第二大市场。

考虑到不同的充电等级类型,预计在预测期内,第3级充电类型(即直流快速充电)增长最快。由于电动汽车在30分钟内快速充电的便利性,3级充电的增长速度最快。意法半导体的产品支持这一市场/应用。在下面的小节中,我们将了解主要的系统架构和主要的合适的ST产品。

架构和ST的产品

直流快速充电器的功率范围覆盖30-150kW,并实现了基于15- 30kw子单元的模块化方法(图1),然后将这些子单元堆叠起来,创建更高功率的直流充电系统。这种方法提供了一种灵活、快速、安全和负担得起的解决方案。

图1 -充电站子单元可堆叠解决方案

ST的产品包括每个子单元中的主动力和控制单元/驱动级(图2)。

图2 -子单元框图

关于功率级(PFC + DC-DC段),设计效率是关键,对于15-30kW功率范围的子单元,ST提供适用于PFC、DC-DC和控制单元/驱动级的高效、智能产品,如下章节所述。

PFC阶段
功率因数校正(PFC)阶段,对于三相输入,可以通过几种配置实现,通常使用维也纳整流拓扑(图3,类型1或类型2)。

图3 - PFC维也纳整流器拓扑

根据设计和/或客户需求,ST提供了多种开关(图3,设备T):
碳化硅mosfet Gen 2(650V系列SCT*N65G2)基于宽带隙材料的先进和创新特性,每区域极低的Rdson,结合卓越的开关性能,提供了高效和紧凑的设计。特别地,4脚SCTW90N65G2V-4带18mΩ RDS(on),可以在100°C下轻松处理90a漏极电流。
igbt HB2系列(650V系列STGW*H65DFB2)确保在中高频工作的应用程序更高的效率。结合较低的饱和电压(1.55 V型)和较低的总栅电荷,该IGBT系列确保在关断过程中最小的过冲电压以及应用中较低的关断能量。特别是,STGW40H65DFB-4提供了更快的开关,得益于开尔文引脚分离电源路径和驱动信号。
功率mosfet MDMesh M5系列(650V系列,STW*N65M5)采用创新的垂直流程,具有更高的VDSS评级和高dv/dt能力,突出的RDSon x区域,以及卓越的开关性能。

在输入阶段,可以使用以下设备来控制涌流:
可控硅晶体闸流管TN*50H-12WY(图3,Vienna 1,设备DA)是AEC-Q101合格整流器,具有1200V的阻塞能力,具有优化的功率密度和浪涌电流能力。通过这种方式,可以避免使用限制系统效率和寿命的无源组件。

⦁整流器为输入桥,STBR*12 1200系列(图3,Vienna1,设备DB)与它的低正向压降提高了输入桥的效率,符合最严格的标准。该产品非常适合与ST的可控硅可控硅混合桥配置使用。

就二极管而言,新型SiC二极管650/1200V系列的拓扑结构结合了最低正向电压和最先进的正向浪涌电流稳健性。设计人员可以选择一个较低的额定电流二极管,而不损害转换器的效率水平,同时增加高性能系统的负担能力。
⦁650V (STPSC*H65) on Vienna type 1(图3,设备DC)
⦁1200V (STPSC*H12) on Vienna type 2(图3,器件D)

直流-直流阶段
在DC-DC转换阶段,全桥谐振拓扑(图4)通常是首选的,因为它的效率,电流隔离和较少的设备。

图4 - FB-LLC谐振拓扑

针对FB-LLC谐振变换器ST,考虑Vout= 750-900V三相PFC变换器和400V-800V高压电池,提出:
⦁SiC mosfet Gen 2 1200V系列SCT*N120G2(图4,器件T)
⦁SiC Diodes 1200V STPSC*H12(图4,器件D)

控制单元和驱动台
根据设计需要,ST提供mcu和数字控制器:
⦁最适合电源管理应用的32位微控制器是STM32F334(来自STM32F3家族)和STM32G474(来自STM32G4家族)。STM32F3系列MCU结合了32位ARM Cortex-M4内核(带有FPU和DSP指令),运行在72 MHz,具有高分辨率定时器和复杂的波形生成器和事件处理程序。STM32G4系列的32位ARM Cortex-M4+内核运行在170 MHz,是STM32F3系列的延续,保持了系列在模拟领域的领先地位,在应用级降低成本,简化应用设计,并为设计师探索新的细分市场和应用提供了机会。

⦁STNRG388A数字控制器的核心是SMED(状态机事件驱动),它允许设备以1.3 ns的最大分辨率控制6个独立配置的PWM时钟。每个SMED通过STNRG内部微控制器进行配置。一套专用外设完成了STNRG设备:4个模拟比较器,10位ADC与可配置运算放大器和一个8通道顺序器。和96 MHz锁相环用于高输出信号分辨率。

新型STGAP2SICS是一种6kV电隔离单栅驱动器,设计用于驱动SiC mosfet。它具有4A的汇聚/源电流能力,短的传播延迟,高达26V的电源电压,优化的UVLO和待机功能,以及SO8W封装。

圣的评估板

对于几乎任何应用类型,ST提供了正确的系统评估板,用于在最终系统或子系统中直接测试ST产品的特性。对于直流充电站,也提供了一些板和相关的固件。

STDES-VIENNARECT评估板(图5-a)具有一个15kw的三相维也纳整流器,具有功率因数校正(PFC)级的混合信号控制。

SCTW35N65G2V 650V SiC mosfet的高开关频率(70 kHz),采用STPSC20H12 1200V SiC二极管,以及多电平结构,使得近99%的效率以及无源功率元件在尺寸和成本方面的优化。STEVAL-VIENNARECT采用混合信号控制,STNRG388A控制器提供数字输出电压调节。专用模拟电路提供高带宽连续导通模式(CCM)电流调节,在总谐波失真(THD<5%)和功率因数(PF>0.99)的情况下实现最大电能质量。

图5直流充电站PFC解决方案(a) STDES-VIENNARECT (b) STDES-PFCBIDIR (c) STEVAL-DPSTPFC1

STDES-VIENNARECT评估板(图5-a)具有一个功率因数校正(PFC)级混合信号控制的15kw三相维也纳整流器。SCTW35N65G2V 650V SiC mosfet的高开关频率(70 kHz),采用STPSC20H12 1200V SiC二极管,以及多电平结构,使得近99%的效率以及无源功率元件在尺寸和成本方面的优化。STEVAL-VIENNARECT采用混合信号控制,STNRG388A控制器提供数字输出电压调节。专用模拟电路提供高带宽连续导通模式(CCM)电流调节,在总谐波失真(THD<5%)和功率因数(PF>0.99)的情况下实现最大电能质量。

STDES-PFCBIDIR评估板(图5-b)具有15kw、三相、三电平功率因数校正(PFC)级主动前端(AFE)双向变换器。电源侧采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC mosfet,效率高(接近99%)。该控制基于STM32G4系列单片机,带有连接器进行通信,测试点和状态指示灯进行测试和调试。开关器件的驱动信号由相应的STGAP2S门驱动器进行管理,保证开关频率和死区时间的独立管理。

STEVAL-DPSTPFC13.6 kW无桥图腾柱升压电路(图5-c)实现了数字功率因数校正(PFC)和数字涌流限制器(ICL)。它帮助您设计一个创新的拓扑与最新的ST电源套件设备:碳化硅MOSFET (SCTW35N65G2V),晶闸管可控硅(TN3050H-12WY),隔离FET驱动器(STGAP2S)和32位MCU (STM32F334)。

作者是意法半导体公司的技术营销经理。


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