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(jì)到2027年，全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)規(guī)模將從2020年估計(jì)的2,115,000單位增長(zhǎng)至30,758,000單位，復(fù)合年均增長(zhǎng)率高達(dá)46.6%。該報(bào)告的基準(zhǔn)年為2019年，預(yù)測(cè)期為2020年至2027年。（來(lái)源：Markets and Markets，2021年2月）

從地理上來(lái)看，亞太地區(qū)（尤其是中國(guó)）電動(dòng)汽車銷量的迅速增長(zhǎng)推動(dòng)了全球電動(dòng)汽車充電站市場(chǎng)的增長(zhǎng)。預(yù)測(cè)期內(nèi)歐洲有望成為第二大市場(chǎng)。

考慮到各種充電等級(jí)類型，3級(jí)充電（即DC快速充電）預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期內(nèi)增長(zhǎng)最快。鑒于30分鐘內(nèi)即可將電動(dòng)汽車快速充滿的便利性，3級(jí)充電的增長(zhǎng)速度最快。意法半導(dǎo)體產(chǎn)品可支持這一市場(chǎng)/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(guò)將子單元堆疊來(lái)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(shí)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(gè)子單元（圖2）中所包含的主功率和控制單元/驅(qū)動(dòng)級(jí)。

圖2 子單元框圖

對(duì)于功率級(jí)（PFC + DC-DC部分），設(shè)計(jì)效率為關(guān)鍵，對(duì)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(dòng)級(jí)提供合適且高效的智能產(chǎn)品，如以下幾節(jié)所述。

PFC級(jí)

對(duì)于3相輸入，功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)可通過(guò)幾種配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通常使用Vienna整流器拓?fù)洌▓D3，類型1或類型2）。

圖3 PFC Vienna整流器拓?fù)?/em>

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)高效且緊湊的設(shè)計(jì)。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(guò)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(dòng)信號(hào)隔開的Kelvin引腳，STGW40H65DFB-4可實(shí)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(jí)中，可通過(guò)以下器件來(lái)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(rèn)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(shí)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(wú)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(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。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?fù)浣Y(jié)合了最低的正向電壓與最先進(jìn)的正向浪涌電流穩(wěn)健性。設(shè)計(jì)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(shí)提高高性能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(jí)

在DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)中，由于其效率、電流隔離和較少的器件，全橋諧振拓?fù)洌▓D4）通常為首選。

圖4 FB-LLC諧振拓補(bǔ)

對(duì)于V_out= 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(dòng)級(jí)

根據(jù)設(shè)計(jì)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(lái)自STM32F3系列）和STM32G474（來(lái)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(shí)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(jiǎn)化了應(yīng)用設(shè)計(jì)并為設(shè)計(jì)人員提供了探索新的細(xì)分領(lǐng)域和應(yīng)用的機(jī)會(huì)，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(jī)事件驅(qū)動(dòng)），它使器件能夠采用最高分辨率為1.3 ns的六個(gè)可獨(dú)立配置的PWM時(shí)鐘。每個(gè)SMED均可以通過(guò)STNRG內(nèi)部微控制器來(lái)配置。一組專用外設(shè)完善了STNRG器件：4個(gè)模擬比較器、具有可配置運(yùn)算放大器和8通道定序器的10位ADC以及可實(shí)現(xiàn)高輸出信號(hào)分辨率的96 MHz 的鎖相環(huán)。

新型STGAP2SICS為設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的6kV電流隔離單柵極驅(qū)動(dòng)器。它具有4A灌/拉電流能力、短傳輸延時(shí)、高達(dá)26V的供電電壓、優(yōu)化的UVLO和待機(jī)功能以及SO8W封裝。

意法半導(dǎo)體評(píng)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(píng)估板，其可直接在最終系統(tǒng)或子系統(tǒng)上測(cè)試意法半導(dǎo)體產(chǎn)品的功能。對(duì)于DC充電站，也提供一些評(píng)估板和相關(guān)固件。

STDES-VIENNARECT評(píng)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(jí)的混合信號(hào)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(jí)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)接近99%的效率，并能在尺寸與成本方面優(yōu)化無(wú)源功率元件。STEVAL-VIENNARECT采用混合信號(hào)控制，并通過(guò)STNRG388A控制器進(jìn)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(shí)現(xiàn)最高功率品質(zhì)。

(a)

(b)

(c)

圖5 – 面向DC充電站的PFC解決方案

STDES-PFCBIDIR評(píng)估板（圖5-b）在功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)中采用15 kW、三相、三級(jí)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(cè)試和調(diào)試的測(cè)試點(diǎn)與狀態(tài)指示器。開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由相應(yīng)的STGAP2S柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)管理，以確保獨(dú)立管理開關(guān)頻率與死區(qū)時(shí)間。

STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW無(wú)橋圖騰柱升壓電路（圖5-c）通過(guò)數(shù)字浪涌電流限制器（ICL）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字功率因子校正（PFC）。它有助于您通過(guò)以下最新的意法半導(dǎo)體功率套件器件來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新拓?fù)洌禾蓟鐼OSFET （SCTW35N65G2V）、晶閘管SCR（TN3050H-12WY）、隔離式FET驅(qū)動(dòng)器（STGAP2S）和32位MCU（STM32F334）。