意法半導體在功率與控制方面遇到的挑戰(zhàn)

引言

預計到2027年，全球電動汽車充電站市場規(guī)模將從2020年估計的2,115,000單位增長至30,758,000單位，復合年均增長率高達46.6%。該報告的基準年為2019年，預測期為2020年至2027年。（來源：Markets and Markets，2021年2月）

從地理上來看，亞太地區(qū)（尤其是中國）電動汽車銷量的迅速增長推動了全球電動汽車充電站市場的增長。預測期內歐洲有望成為第二大市場。

考慮到各種充電等級類型，3級充電（即DC快速充電）預計在預測期內增長最快。鑒于30分鐘內即可將電動汽車快速充滿的便利性，3級充電的增長速度最快。意法半導體產品可支持這一市場/應用。將在以下章節(jié)中介紹主要系統(tǒng)架構以及主要適用的意法半導體產品。

架構與意法半導體產品

DC快速充電站的功率范圍為30-150kW，該技術采用基于15-30 kW子單元的模塊化方法（圖1），并通過將子單元堆疊來形成功率更高的DC充電系統(tǒng)。該方法提供了一種靈活、快速、安全且實惠的解決方案。

圖1 充電站子單元可堆疊解決方案

意法半導體產品涵蓋了每個子單元（圖2）中所包含的主功率和控制單元/驅動級。

圖2 子單元框圖

對于功率級（PFC + DC-DC部分），設計效率為關鍵，對于功率范圍為15-30kW的子單元，意法半導體為PFC、DC-DC和控制單元/驅動級提供合適且高效的智能產品，如以下幾節(jié)所述。

PFC級

對于3相輸入，功率因數校正（PFC）級可通過幾種配置來實現，并通常使用Vienna整流器拓撲（圖3，類型1或類型2）。

圖3 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3，器件T）：

●   第二代SiC MOSFET（650V系列SCT*N65G2）基于寬帶隙材料的先進性和創(chuàng)新性，憑借單位面積極低的導通電阻以及出色的開關性能，可實現高效且緊湊的設計。特別是，具有18mΩ RDS(on)的4引腳SCTW90N65G2V-4可在100℃下輕松處理90 A的漏極電流。

●   IGBT HB2系列（650V系列STGW*H65DFB2）可在中至高頻率下工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）和較低的總柵極電荷，該IGBT系列可確保應用在關斷期間具有最低的過沖電壓并具有較低的關斷能耗。特別是，得益于將電源路徑與驅動信號隔開的Kelvin引腳，STGW40H65DFB-4可實現更快的開關。

●   功率MOSFET MDMesh? M5系列（650V系列，STW*N65M5）采用創(chuàng)新的垂直工藝，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，可通過以下器件來控制浪涌電流：

●   SCR晶閘管 TN*50H-12WY（圖3，Vienna 1，器件DA）是一款經AEC-Q101認證的整流器，具有優(yōu)化的功率密度和抗浪涌電流能力，可實現1200V的阻斷能力。從而就可避免使用限制系統(tǒng)效率與壽命的無源元件。

●   輸入橋整流器，STBR*12 1200系列（圖3，Vienna1，器件DB）具有低正向壓降，可提高輸入橋的效率，并符合最嚴苛的標準。該產品非常適用于混合橋配置以及意法半導體的SCR晶閘管。

就二極管而言，新型SiC二極管650/1200V系列拓撲結合了最低的正向電壓與最先進的正向浪涌電流穩(wěn)健性。設計人員可以選擇低額定電流二極管而不犧牲轉換器的效率水平，同時提高高性能系統(tǒng)的經濟效益。

●   Vienna 1型為650V（STPSC*H65）（圖3，器件DC）

●   Vienna 2型為1200V（STPSC*H12）（圖3，器件D）

DC-DC級

在DC/DC轉換級中，由于其效率、電流隔離和較少的器件，全橋諧振拓撲（圖4）通常為首選。

圖4 FB-LLC諧振拓補

對于V_out= 750-900V的3相PFC轉換器以及400V-800V的高壓電池，意法半導體為FB-LLC諧振轉換器提供：

●   第二代SiC MOSFET 1200V系列SCT*N120G2（圖4，器件T）

●   SiC二極管1200V STPSC*H12（圖4，器件D）

控制單元與驅動級

根據設計需求，意法半導體提供MCU和數字控制器：

●   最適合功率管理應用的32位微控制器為STM32F334（來自STM32F3系列）和STM32G474（來自STM32G4系列）。STM32F3 MCU系列結合使用了工作頻率為72 MHz的32位ARM? Cortex?-M4內核（采用FPU和DSP指令）、高分辨率定時器、復雜波形生成器及事件處理器。工作頻率為170 MHz的STM32G4系列32位ARM? Cortex?-M4+內核為STM32F3系列的延續(xù)，它在應用層面降低了成本、簡化了應用設計并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數字控制器的核心為SMED（狀態(tài)機事件驅動），它使器件能夠采用最高分辨率為1.3 ns的六個可獨立配置的PWM時鐘。每個SMED均可以通過STNRG內部微控制器來配置。一組專用外設完善了STNRG器件：4個模擬比較器、具有可配置運算放大器和8通道定序器的10位ADC以及可實現高輸出信號分辨率的96 MHz 的鎖相環(huán)。

新型STGAP2SICS為設計用于驅動SiC MOSFET的6kV電流隔離單柵極驅動器。它具有4A灌/拉電流能力、短傳輸延時、高達26V的供電電壓、優(yōu)化的UVLO和待機功能以及SO8W封裝。

意法半導體評估板

意法半導體幾乎為所有應用均提供了合適的系統(tǒng)評估板，其可直接在最終系統(tǒng)或子系統(tǒng)上測試意法半導體產品的功能。對于DC充電站，也提供一些評估板和相關固件。

STDES-VIENNARECT評估板（圖5-a）采用15 kW的三相Vienna整流器，該整流器支持功率因數校正（PFC）級的混合信號控制。

SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET（70 kHz）的高開關頻率、STPSC20H12 1200V SiC二極管的采用以及多級結構可實現接近99%的效率，并能在尺寸與成本方面優(yōu)化無源功率元件。STEVAL-VIENNARECT采用混合信號控制，并通過STNRG388A控制器進行數字輸出電壓調節(jié)。專用模擬電路提供高帶寬連續(xù)導通模式（CCM）電流調節(jié)，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。

(a)

(b)

(c)

圖5 – 面向DC充電站的PFC解決方案

STDES-PFCBIDIR評估板（圖5-b）在功率因數校正（PFC）級中采用15 kW、三相、三級有源前端（AFE）雙向轉換器。電源側采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET，可確保高效率（接近99%）。控制基于STM32G4系列微控制器，并具有用于通信的連接器以及用于測試和調試的測試點與狀態(tài)指示器。開關器件的驅動信號由相應的STGAP2S柵極驅動器來管理，以確保獨立管理開關頻率與死區(qū)時間。

STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW無橋圖騰柱升壓電路（圖5-c）通過數字浪涌電流限制器（ICL）來實現數字功率因子校正（PFC）。它有助于您通過以下最新的意法半導體功率套件器件來設計創(chuàng)新拓撲：碳化硅MOSFET （SCTW35N65G2V）、晶閘管SCR（TN3050H-12WY）、隔離式FET驅動器（STGAP2S）和32位MCU（STM32F334）。