DC充電站：ST在功率與控制層面所遇到之挑戰

預計到2027年，全球電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)規模迅速擴展，而亞太地區電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的迅速成長(cháng)推動(dòng)了全球電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)的成長(cháng)。意法半導體（ST）產(chǎn)品可支持此一市場(chǎng)／應用。本文介紹主要系統架構以及主要適用的ST產(chǎn)品。
預計到2027年，全球電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)規模將從2020年估計的2,115,000個(gè)成長(cháng)至30,758,000個(gè)，復合年均成長(cháng)率高達46.6%。該報告的基準年為2019年，預測期為2020年至2027年。[1] 從地理位置來(lái)看，亞太地區（尤其是中國）電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的迅速成長(cháng)推動(dòng)了全球電動(dòng)汽車(chē)充電站市場(chǎng)的成長(cháng)。預測期間內歐洲有望成為第二大市場(chǎng)。
有鑒于30分鐘內即可將電動(dòng)汽車(chē)快速充滿(mǎn)的便利性，3級充電（即DC快速充電）的成長(cháng)速度最快。意法半導體（ST）產(chǎn)品可支持此一市場(chǎng)／應用。將在以下章節中介紹主要系統架構以及主要適用的意法半導體產(chǎn)品。

架構與ST產(chǎn)品
DC快速充電站的功率范圍為30-150kW，該技術(shù)采用15-30 kW子單元的模塊化方法（圖一），并透過(guò)將子單元堆棧來(lái)形成功率更高的DC充電系統。該方法提供了一種彈性、快速、安全且實(shí)惠的解決方案。
ST產(chǎn)品涵蓋了每個(gè)子單元（圖二）中所包含的主功率和控制單元/驅動(dòng)級。

圖一 : 充電站子單元可堆棧解決方案

對于功率級（PFC + DC-DC部分），設計效率為關(guān)鍵，對于功率范圍為15-30kW的子單元，ST為PFC、DC-DC和控制單元／驅動(dòng)級提供合適且高效的智能產(chǎn)品，如下所述。

PFC級
對于3相輸入，功率因子校正（PFC）級可透過(guò)幾種配置來(lái)實(shí)現，并通常使用Vienna整流器拓撲（圖三，類(lèi)型1或類(lèi)型2）。
 

圖二 : 子單元架構圖

 
圖三 : PFC Vienna整流器拓撲

根據設計和/或客戶(hù)需求，意法半導體提供多種開(kāi)關(guān)（圖三，組件T）：
? 第二代SiC MOSFET@內文:（650V系列SCT*N65G2）基于寬能隙材料的先進(jìn)性和創(chuàng )新性，藉由單位面積極低的導通電阻以及出色的開(kāi)關(guān)性能，可達到高效且高率配置緊密的設計。特別是，具有18mΩ RDS(on)的4腳位SCTW90N65G2V-4可在100℃下輕松處理90 A的漏極電流。
? IGBT HB2系列@內文:（650V系列STGW*H65DFB2）可在中至高頻率下運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）和較低的總閘極電荷，該IGBT系列可確保應用在關(guān)斷期間具有最低的過(guò)沖電壓并具有較低的關(guān)斷耗能。特別是，受益于將電源路徑與驅動(dòng)訊號隔開(kāi)的Kelvin腳位，STGW40H65DFB-4可實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)。
? 功率MOSFET MDMesh M5系列@內文:（650V系列，STW*N65M5）采用創(chuàng )新的垂直制程，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(kāi)關(guān)性能。

在輸入級中，可透過(guò)以下組件來(lái)控制浪涌電流：

? SCR閘流體@內文:TN*50H-12WY（圖三，Vienna 1，組件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(shí)現1200V的阻斷能力，就可避免使用限制系統效率與壽命的無(wú)源組件。
? 輸入橋整流器@內文:STBR*12 1200系列（圖三，Vienna1，組件DB）具有低正向壓降，可提升輸入橋的效率，并符合最嚴苛的標準。該產(chǎn)品適用于混合橋配置以及ST的SCR閘流體。
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(jìn)的正向浪涌電流穩健性。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，同時(shí)提升高性能系統的經(jīng)濟效益。
? Vienna 1型為650V（STPSC*H65）（圖三，組件DC）
? Vienna 2型為1200V（STPSC*H12）（圖三，組件D）

DC-DC級
在DC/DC轉換級中，由于其效率、電流隔離和較少的組件，全橋諧振拓撲（圖四）通常為首選。
 

圖四 : FB-LLC諧振拓補

對于Vout= 750-900V的3相PFC轉換器以及400V-800V的高壓電池，ST為FB-LLC諧振轉換器提供：
? 第二代SiC MOSFET 1200V系列SCT*N120G2（圖四，組件T）
? SiC二極管1200V STPSC*H12（圖四，組件D）

控制單元與驅動(dòng)級

根據設計需求，ST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(lái)自STM32F3系列）和STM32G474（來(lái)自STM32G4系列）。STM32F3 MCU系列結合使用了運作頻率為72 MHz的32位Arm Cortex-M4內核心（采用FPU和DSP指令）、高分辨率定時(shí)器、復雜波形生成器及事件處理器。運作頻率為170 MHz的STM32G4系列32位Arm Cortex-M4+內核心為STM32F3系列的延續，其在應用方面降低了成本、簡(jiǎn)化了應用設計并為設計人員提供了探索新的細分領(lǐng)域和應用的機會(huì )，從而在模擬技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位。

? STNRG388A數字控制器的核心為狀態(tài)機事件驅動(dòng)（SMED），它使組件能夠采用最高分辨率為1.3 ns的六個(gè)可獨立配置的PWM頻率。每個(gè)SMED均可以透過(guò)STNRG內部微控制器來(lái)配置。一組專(zhuān)用外部周邊完善了STNRG組件：4個(gè)模擬比較器、具有可配置運算放大器和8信道序列發(fā)生器的10位ADC以及可實(shí)現高輸出訊號分辨率的96 MHz 的鎖相環(huán)。
新型STGAP2SICS為設計用于驅動(dòng)SiC MOSFET的6kV電流隔離單閘極驅動(dòng)器。它具有4A灌/拉電流能力、短傳輸延時(shí)、高達26V的供電電壓、優(yōu)化的UVLO和待機功能以及SO8W封裝。

評估板
ST幾乎為所有應用均提供了合適的系統評估板，其可直接在最終系統或子系統上測試ST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（圖五(a)）采用15 kW的三相Vienna整流器，該整流器支持功率因子校正（PFC）級的混合訊號控制。
SCTW35N65G2V 650V SiC MOSFET（70 kHz）的高開(kāi)關(guān)頻率、STPSC20H12 1200V SiC二極管的采用以及多級結構可實(shí)現接近99%的效率，并能在尺寸與成本方面優(yōu)化無(wú)源功率組件。STEVAL-VIENNARECT采用混合訊號控制，并透過(guò)STNRG388A控制器進(jìn)行數字輸出電壓調節。專(zhuān)用模擬電路提供高帶寬連續導通模式（CCM）電流調節，可在總諧波失真（THD<5%）和功率因子（PF>0.99）方面實(shí)現最高功率質(zhì)量。

圖五 : 瞄準DC充電站的PFC解決方案

STDES-PFCBIDIR評估板（圖五(b)）在功率因子校正（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%）?？刂芐TM32G4系列微控制器，并具有用于通訊的聯(lián)機器以及用于測試和調試的測試點(diǎn)與狀態(tài)指示器。開(kāi)關(guān)組件的驅動(dòng)訊號由對應的STGAP2S閘極驅動(dòng)器來(lái)管理，以確保獨立管理開(kāi)關(guān)頻率與死區時(shí)間。
STEVAL-DPSTPFC1 3.6 kW無(wú)橋圖騰柱升壓電路（圖五(c)）透過(guò)數字浪涌電流限制器（ICL）來(lái)達到數位功率因子校正（PFC）。其有助于工程師透過(guò)以下最新的意法半導體功率套件來(lái)設計創(chuàng )新拓撲：碳化硅MOSFET（SCTW35N65G2V）、閘流體SCR（TN3050H-12WY）、隔離式FET驅動(dòng)器（STGAP2S）和32位MCU（STM32F334）。