DC充電站：意法半導(dǎo)體在功率與控制方面遇到的挑戰(zhàn)

引言

預(yù)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(fù)合年均增長率高達46.6%。該報告的基準年為2019年，預(yù)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(yù)測期內(nèi)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(yù)計在預(yù)測期內(nèi)增長最快。鑒于30分鐘內(nèi)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(dǎo)體產(chǎn)品可支持這一市場/應(yīng)用。將在以下章節(jié)中介紹主要系統(tǒng)架構(gòu)以及主要適用的意法半導(dǎo)體產(chǎn)品。

架構(gòu)與意法半導(dǎo)體產(chǎn)品

DC快速充電站的功率范圍為30-150kW，該技術(shù)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(dǎo)體產(chǎn)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(qū)動級。

圖2 – 子單元框圖

對于功率級(PFC + DC-DC部分)，設(shè)計效率為關(guān)鍵，對于功率范圍為15-30kW的子單元，意法半導(dǎo)體為PFC、DC-DC和控制單元/驅(qū)動級提供合適且高效的智能產(chǎn)品，如以下幾節(jié)所述。

PFC級

對于3相輸入，功率因數(shù)校正(PFC)級可通過幾種配置來實現(xiàn)，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(jù)設(shè)計和/或客戶需求，意法半導(dǎo)體提供多種開關(guān)(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(dǎo)通電阻以及出色的開關(guān)性能，可實現(xiàn)高效且緊湊的設(shè)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(yīng)用中確保更高的效率。結(jié)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(yīng)用在關(guān)斷期間具有最低的過沖電壓并具有較低的關(guān)斷能耗。特別是，得益于將電源路徑與驅(qū)動信號隔開的Kelvin引腳，STGW40H65DFB-4可實現(xiàn)更快的開關(guān)。

· 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(dǎo)通電阻 x面積以及卓越的開關(guān)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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)品非常適用于混合橋配置以及意法半導(dǎo)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(jié)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(shè)計人員可以選擇低額定電流二極管而不犧牲轉(zhuǎn)換器的效率水平，同時提高高性能系統(tǒng)的經(jīng)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(zhuǎn)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Vout= 750-900V的3相PFC轉(zhuǎn)換器以及400V-800V的高壓電池，意法半導(dǎo)體為FB-LLC諧振轉(zhuǎn)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(qū)動級

根據(jù)設(shè)計需求，意法半導(dǎo)體提供MCU和數(shù)字控制器：

· 最適合功率管理應(yīng)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(jié)合使用了工作頻率為72 MHz的32位ARM® Cortex®-M4內(nèi)核(采用FPU和DSP指令)、高分辨率定時器、復(fù)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(nèi)核為STM32F3系列的延續(xù)，它在應(yīng)用層面降低了成本、簡化了應(yīng)用設(shè)計并為設(shè)計人員提供了探索新的細分領(lǐng)域和應(yīng)用的機會，從而在模擬技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位。

· STNRG388A數(shù)字控制器的核心為SMED(狀態(tài)機事件驅(qū)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(nèi)部微控制器來配置。一組專用外設(shè)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(xiàn)高輸出信號分辨率的96 MHz 的鎖相環(huán)。

新型STGAP2SICS為設(shè)計用于驅(qū)動SiC MOSFET的6kV電流隔離單柵極驅(qū)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(dǎo)體評估板

意法半導(dǎo)體幾乎為所有應(yīng)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(dǎo)體產(chǎn)品的功能。對于DC充電站，也提供一些評估板和相關(guān)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(shù)校正(PFC)級的混合信號控制。

SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET(70 kHz)的高開關(guān)頻率、STPSC20H12 1200V SiC二極管的采用以及多級結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)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(shù)字輸出電壓調(diào)節(jié)。專用模擬電路提供高帶寬連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)電流調(diào)節(jié)，可在總諧波失真(THD<5%)和功率因數(shù)(PF>0.99)方面實現(xiàn)最高功率品質(zhì)。

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(shù)校正(PFC)級中采用15 kW、三相、三級有源前端(AFE)雙向轉(zhuǎn)換器。電源側(cè)采用SCTW40N120G2VAG 1200V SiC MOSFET，可確保高效率(接近99%)?？刂苹赟TM32G4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(diào)試的測試點與狀態(tài)指示器。開關(guān)器件的驅(qū)動信號由相應(yīng)的STGAP2S柵極驅(qū)動器來管理，以確保獨立管理開關(guān)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(shù)字浪涌電流限制器(ICL)來實現(xiàn)數(shù)字功率因子校正(PFC)。它有助于您通過以下最新的意法半導(dǎo)體功率套件器件來設(shè)計創(chuàng)新拓撲：碳化硅MOSFET (SCTW35N65G2V)、晶閘管SCR(TN3050H-12WY)、隔離式FET驅(qū)動器(STGAP2S)和32位MCU(STM32F334)。