直流充电站:ST对电源和控制的挑战

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达到30758千台,而2020年预计为211.5万台,复合年增长率为46.6%。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)。

从地理位置上看,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。预计在预测期内,欧洲将成为第二大市场。

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。

体系结构和ST的产品

直流快速充电器的功率范围为30-150kW,并采用基于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,以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、安全且价格合理的解决方案。

图1–充电站子单元可堆叠解决方案

ST的产品涵盖每个子单元中包含的主电源和控制单元/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
三相输入的功率因数校正(PFC)级可通过多种配置实现,通常使用维也纳整流器拓扑(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提供多种开关(图3,设备T):
SiC MOSFET第2代(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中具有更高的效率。结合了较低的饱和电压(1.55 V典型值)和较低的总栅极电荷,该IGBT系列确保了关断期间最小的过冲电压以及应用中较低的关断能量。特别是,STGW40H65DFB-4通过分离电源路径和驱动信号的开尔文引脚提供更快的切换。
功率MOSFET MDMesh M5系列(650V系列,STW*N65M5)采用创新的垂直工艺,具有更高的VDSS额定值和高的dv/dt能力,出色的RDSon x面积和优异的开关性能。

在输入级,可以使用以下装置控制涌流:
晶闸管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。

⦁ 输入电桥整流器,STBR*12 1200系列(图3,Vienna1,设备DB)具有低正向压降,可根据最严格的标准提高输入电桥的效率。该产品非常适合与ST的SCR晶闸管一起用于混合电桥配置。

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。设计者可以选择一个额定电流较低的二极管,而不会影响转换器的效率水平,同时提高高性能系统的可承受性。
⦁650V (STPSC*H65) on Vienna type 1(图3,设备DC)
⦁ 维也纳2型(图3,装置D)上的1200V(STPSC*H12)

DC-DC级
在DC-DC转换阶段,全桥谐振拓扑(图4)由于其效率、电流隔离和较少的设备,通常是首选。

图4 - FB-LLC谐振拓扑

对于FB-LLC谐振变换器ST,考虑Vout=750-900V的三相PFC变换器和400V-800V的高压电池,建议:
⦁ SiC MOSFET Gen 2 1200V系列SCT*N120G2(图4,装置T)
⦁ SiC二极管1200V STPSC*H12(图4,装置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系列)和STM32G474(来自STM32G4系列)。STM32F3 MCU系列将运行在72 MHz的32位ARM Cortex-M4内核(带FPU和DSP指令)与高分辨率计时器和复杂波形生成器+事件处理程序相结合。STM32G4系列的32位ARM Cortex-M4+内核以170 MHz的频率运行,是STM32F3系列的延续,保持了该系列在模拟方面的领先地位,从而在应用程序层面降低了成本,简化了应用程序设计,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),它允许设备引导六个独立可配置的PWM时钟,最大分辨率为1.3 ns。每个SMED通过STNRG内部微控制器进行配置。一套专用外围设备完成了STNRG设备:4个模拟比较器、带可配置运算放大器的10位ADC和一个8通道定序器。以及一个96兆赫的锁相环,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。

圣路易斯大学评估委员会

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三相Vienna整流器,具有功率因数校正(PFC)级的混合信号控制。

SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET(70 kHz)的高开关频率、STPSC20H12 1200V SiC二极管的采用以及多电平结构允许近99%的效率以及无源功率元件在尺寸和成本方面的优化。STEVAL-VienRect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传导模式(CCM)电流调节,以实现总谐波失真(THD<5%)和功率因数(PF>0.99)方面的最大电能质量。

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

这个STDES-VIENNARECT评估板(图5-A)具有15 kW,三相维也纳整流器,具有用于功率因数校正(PFC)级的混合信号控制。SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET(70 kHz)的高开关频率、STPSC20H12 1200V SiC二极管的采用以及多电平结构允许近99%的效率以及无源功率元件在尺寸和成本方面的优化。STEVAL-VienRect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传导模式(CCM)电流调节,以实现总谐波失真(THD<5%)和功率因数(PF>0.99)方面的最大电能质量。

这个STDES-PFCBIDIR评估板(图5-b)具有用于功率因数校正(PFC)级的15 kW三相三电平有源前端(AFE)双向转换器。电源侧采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET,保证高效率(接近99%)。该控制基于STM32G4系列微控制器,带有用于通信的连接器、用于测试和调试的测试点和状态指示器。开关设备的驱动信号由相应的STGAP2S门驱动器管理,以确保开关频率和死区时间的独立管理。

这个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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