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(dá)46.6%,。該報告的基準(zhǔn)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(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(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)?/p>
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(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。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(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(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(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
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?fù)洌▓D4）通常為首選。
圖4 – FB-LLC諧振拓補(bǔ)
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(xì)分領(lǐng)域和應(yīng)用的機(jī)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(jī)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(dú)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(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(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(shí)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(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),。
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(diǎn)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(dú)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(shí)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?fù)洌禾蓟鐼OSFET （SCTW35N65G2V）,、晶閘管SCR（TN3050H-12WY）,、隔離式FET驅(qū)動器（STGAP2S）和32位MCU（STM32F334）
