預(yù)計(jì)到2027年,，全球電動(dòng)汽車(chē)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(chē)銷(xiāo)量的迅速增長(zhǎng)推動(dòng)了全球電動(dòng)汽車(chē)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(lèi)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(chē)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(lèi)型1或類(lèi)型2）,。

圖3 – PFC Vienna整流器拓?fù)?/p>

根據(jù)設(shè)計(jì)和/或客戶需求，意法半導(dǎo)體提供多種開(kāi)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(kāi)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(kāi)的Kelvin引腳，STGW40H65DFB-4可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)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(kāi)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(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(zhuān)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(kāi)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(zhuān)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(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(kāi)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(kāi)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）