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DC 充电站：意法半导体在功率与控制方面遇到的挑战

时间：2021-05-17 13:44来源：Luigi Galioto，意法半导体

摘要：考虑到各种充电等级类型，3级充电（即DC快速充电）预计在预测期内增长最快。鉴于30分钟内即可将电动汽车快速充满的便利性，3级充电的增长速度最快。意法半导体产品可支持这一市场应用。将在以下章节中介绍主要系统架构以及主要适用的意法半导体产品。

引言
预计到2027年，全球电动汽车充电站市场规模将从2020年估计的2,115,000单位增长至30,758,000单位，复合年均增长率高达46.6%。该报告的基准年为2019年，预测期为2020年至2027年。（来源：Markets and Markets，2021年2月）
 
从地理上来看，亚太地区（尤其是中国）电动汽车销量的迅速增长推动了全球电动汽车充电站市场的增长。预测期内欧洲有望成为第二大市场。
 
考虑到各种充电等级类型，3级充电（即DC快速充电）预计在预测期内增长最快。鉴于30分钟内即可将电动汽车快速充满的便利性，3级充电的增长速度最快。意法半导体产品可支持这一市场/应用。将在以下章节中介绍主要系统架构以及主要适用的意法半导体产品。
 
架构与意法半导体产品
DC快速充电站的功率范围为30-150kW，该技术采用基于15-30 kW子单元的模块化方法（图1），并通过将子单元堆叠来形成功率更高的DC充电系统。该方法提供了一种灵活、快速、安全且实惠的解决方案。
 
图1 – 充电站子单元可堆叠解决方案
 
意法半导体产品涵盖了每个子单元（图2）中所包含的主功率和控制单元/驱动级。

 
图2 – 子单元框图

对于功率级（PFC + DC-DC部分），设计效率为关键，对于功率范围为15-30kW的子单元，意法半导体为PFC、DC-DC和控制单元/驱动级提供合适且高效的智能产品，如以下几节所述。
 
PFC级

对于3相输入，功率因数校正（PFC）级可通过几种配置来实现，并通常使用Vienna整流器拓扑（图3，类型1或类型2）。
 
 
图3 – PFC Vienna整流器拓扑
 
根据设计和/或客户需求，意法半导体提供多种开关（图3，器件T）：
· 第二代SiC MOSFET（650V系列SCT*N65G2）基于宽带隙材料的先进性和创新性，凭借单位面积极低的导通电阻以及出色的开关性能，可实现高效且紧凑的设计。特别是，具有18mΩ RDS(on)的4引脚SCTW90N65G2V-4可在100℃下轻松处理90 A的漏极电流。
IGBT HB2系列（650V系列STGW*H65DFB2）可在中至高频率下工作的应用中确保更高的效率。结合较低的饱和电压（1.55 V典型值）和较低的总栅极电荷，该IGBT系列可确保应用在关断期间具有最低的过冲电压并具有较低的关断能耗。特别是，得益于将电源路径与驱动信

· 号隔开的Kelvin引脚，STGW40H65DFB-4可实现更快的开关。
· 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dv/dt性能、出色的导通电阻 x面积以及卓越的开关性能。
在输入级中，可通过以下器件来控制浪涌电流：
· SCR晶闸管 TN*50H-12WY（图3，Vienna 1，器件DA）是一款经AEC-Q101认证的整流器，具有优化的功率密度和抗浪涌电流能力，可实现1200V的阻断能力。从而就可避免使用限制系统效率与寿命的无源元件。
 
· 输入桥整流器，STBR*12 1200系列（图3，Vienna1，器件DB）具有低正向压降，可提高输入桥的效率，并符合最严苛的标准。该产品非常适用于混合桥配置以及意法半导体的SCR晶闸管。
就二极管而言，新型SiC二极管650/1200V系列拓扑结合了最低的正向电压与最先进的正向浪涌电流稳健性。设计人员可以选择低额定电流二极管而不牺牲转换器的效率水平，同时提高高性能系统的经济效益。
· Vienna 1型为650V（STPSC*H65）（图3，器件DC）
· Vienna 2型为1200V（STPSC*H12）（图3，器件D）
 
DC-DC级
在DC/DC转换级中，由于其效率、电流隔离和较少的器件，全桥谐振拓扑（图4）通常为首选。
 
图4 – FB-LLC谐振拓补
 
对于Vout= 750-900V的3相PFC转换器以及400V-800V的高压电池，意法半导体为FB-LLC谐振转换器提供：

· 第二代SiC MOSFET 1200V系列SCT*N120G2（图4，器件T）
· SiC二极管1200V STPSC*H12（图4，器件D）

控制单元与驱动级
根据设计需求，意法半导体提供MCU和数字控制器：
· 最适合功率管理应用的32位微控制器为STM32F334（来自STM32F3系列）和STM32G474（来自STM32G4系列）。STM32F3 MCU系列结合使用了工作频率为72 MHz的32位ARM® Cortex®-M4内核（采用FPU和DSP指令）、高分辨率定时器、复杂波形生成器及事件处理器。工作频率为170 MHz的STM32G4系列32位ARM® Cortex®-M4+内核为STM32F3系列的延续，它在应用层面降低了成本、简化了应用设计并为设计人员提供了探索新的细分领域和应用的机会，从而在模拟技术方面保持领先地位。
· STNRG388A数字控制器的核心为SMED（状态机事件驱动），它使器件能够采用最高分辨率为1.3 ns的六个可独立配置的PWM时钟。每个SMED均可以通过STNRG内部微控制器来配置。一组专用外设完善了STNRG器件：4个模拟比较器、具有可配置运算放大器和8通道定序器的10位ADC以及可实现高输出信号分辨率的96 MHz 的锁相环。
 
新型STGAP2SICS为设计用于驱动SiC MOSFET的6kV电流隔离单栅极驱动器。它具有4A灌/拉电流能力、短传输延时、高达26V的供电电压、优化的UVLO和待机功能以及SO8W封装。
 
意法半导体评估板
意法半导体几乎为所有应用均提供了合适的系统评估板，其可直接在最终系统或子系统上测试意法半导体产品的功能。对于DC充电站，也提供一些评估板和相关固件。
 
STDES-VIENNARECT评估板（图5-a）采用15 kW的三相Vienna整流器，该整流器支持功率因数校正（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级结构可实现接近99%的效率，并能在尺寸与成本方面优化无源功率元件。STEVAL-VIENNARECT采用混合信号控制，并通过STNRG388A控制器进行数字输出电压调节。专用模拟电路提供高带宽连续导通模式（CCM）电流调节，可在总谐波失真（THD<5%）和功率因数（PF>0.99）方面实现最高功率品质。
 
图5 – 面向DC充电站的PFC解决方案
 
STDES-PFCBIDIR评估板（图5-b）在功率因数校正（PFC）级中采用15 kW、三相、三级有源前端（AFE）双向转换器。电源侧采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET，可确保高效率（接近99%）。控制基于STM32G4系列微控制器，并具有用于通信的连接器以及用于测试和调试的测试点与状态指示器。开关器件的驱动信号由相应的STGAP2S栅极驱动器来管理，以确保独立管理开关频率与死区时间。
 
STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW无桥图腾柱升压电路（图5-c）通过数字浪涌电流限制器（ICL）来实现数字功率因子校正（PFC）。它有助于您通过以下最新的意法半导体功率套件器件来设计创新拓扑：碳化硅MOSFET （SCTW35N65G2V）、晶闸管SCR（TN3050H-12WY）、隔离式FET驱动器（STGAP2S）和32位MCU（STM32F334）。

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