基于全新Stellar E1微控制器的22KW OBC-DC/DC ST系統(tǒng)解決方案

在當今汽車電氣化的演進過程中，車載充電器 (OBC)始終扮演著重要的角色——從車外交流取電，轉(zhuǎn)換為直流電向車內(nèi)主電池包充電，執(zhí)行整車充電指令，完成充電過程。在新能源汽車中，一般會存在兩個不同電壓等級的電池：高壓電池用于驅(qū)動電機，低壓電池用于車內(nèi)小型電子設(shè)備供電。直流-直流轉(zhuǎn)換器（DC/DC）從高壓動力電池包取電，轉(zhuǎn)換成低壓直流電，進而為車內(nèi)的不同負載進行電力輸送。

▲圖1. 典型OBC-DCDC系統(tǒng)框圖

意法半導(dǎo)體新能源汽車創(chuàng)新中心針對大功率OBC-DCDC應(yīng)用，以及終端客戶對更快速的充電需求等，提出了系統(tǒng)解決方案。方案主要由40nm工藝，32-bit Arm?架構(gòu)的車規(guī)級多核微處理器Stellar-E1，電源管理/系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SPSA068/L9396，單通道柵極隔離驅(qū)動器STGAP2SICS，以及第三代功率半導(dǎo)體1200V SiC功率器件SCT015W120G3-4AG，SCT070W120G3-4AG組成。該方案為客戶提供了完整配套的產(chǎn)品，滿足客戶大功率OBC-DC/DC的應(yīng)用需求。

▲圖2. 意法半導(dǎo)體22kW OBC-DC/DC的系統(tǒng)解決方案框圖

▲圖3. 意法半導(dǎo)體22kW OBC-DC/DC系統(tǒng)方案對應(yīng)實物圖

在架構(gòu)層面，系統(tǒng)方案通過2顆Stellar-E1微控制器分別實現(xiàn)了PFC+LLC的環(huán)路控制，以及低壓側(cè)DC-DC的環(huán)路控制和整車通訊、功能安全等功能。SCTW015(070)N120G3-4AG則分別是PFC+LLC級和PSFB（移相全橋）級的SiC功率器件。STGAP2SICS對SiC功率管進行驅(qū)動，SPSA068/L9396負責為微控制器所需要的外設(shè)I/O接口、內(nèi)核等不同電源軌供電。

在此之中，意法半導(dǎo)體重點推出了極具創(chuàng)新與技術(shù)價值的基于Arm?架構(gòu)300Mhz主頻微控制器Stellar-E1。

▲圖4. StellarE1內(nèi)部資源

Stellar E-1相關(guān)資源介紹

?內(nèi)核資源-2*300MhzCoretex-M7 Arm?核心，可配成1個lockstep核或兩個獨立核進行使用；

?電源專用高精度發(fā)波外設(shè)- HR-Timers, 模擬比較器等；

?通訊接口資源- 4路SPI, 4路CAN FD, 3路LIN, 2路I2S, 2路I2C；

?存儲資源-384kB RAM, 2MB FLASH, 64KB data FLASH,支持CAN-FD和硬件OTA(A/B swap)；

?內(nèi)置150Mhz硬件加密模塊（HSM）；

?豐富的A/D轉(zhuǎn)換資源- 8個獨立的DAC內(nèi)部采樣模塊, 2個獨立的DAC外部采樣模塊，2個獨立的16bit ΣΔ ADC模塊及相關(guān)通用ADC/ Timers等；

?系統(tǒng)相關(guān)資源-中斷, 鎖相環(huán), CRC校驗等。

Stellar-E系列MCU多種針對OBC-DCDC的專屬設(shè)計，使其對客戶系統(tǒng)具有相當優(yōu)勢。在性能、成本及安全（功能安全 信息安全）等方面均有亮點：

系統(tǒng)方案的測試表現(xiàn)

系統(tǒng)板級測試及性能表現(xiàn)實況---

?三相PFC效率測試條件和表現(xiàn)

?峰值效率-98.63%?輸入電壓-380VAC(L-L)

▲圖5. 三相PFC效率測試表現(xiàn)

?系統(tǒng)熱應(yīng)力表現(xiàn)

? SiC水冷室溫25℃，水溫21℃? 輸入電壓-380VAC(L-L)

▲圖6. 系統(tǒng)熱應(yīng)力表現(xiàn)

▲左：圖7. 800V, 16A 三相PFC SiC熱成像

▲右：圖8. 800V, 16A 3相PFC 主電感熱成像

?三相PFC滿載測試表現(xiàn)

?輸入電壓380VAC(L-L), 32A RMS?輸出電壓800VDC,25A, 20KW?相電流ITHD:3%?SiC水冷室溫25℃, 水溫21℃

???

▲圖9. 800V, 20KW 相電流THD測量

系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC---L9396

L9396的主要內(nèi)部資源及特性功能如下：

?AEC-Q100車規(guī)認證，支持環(huán)境溫度范圍-40℃~135℃

?完全符合ISO26262標準，支持客戶系統(tǒng)功能安全ASIL-D等級

?內(nèi)部集成開關(guān)、線性電源：

?升壓控制器，9V，300mA

?降壓控制器，6.5V/7.2V，1A，開關(guān)頻率465kHz

?線性穩(wěn)壓器，微控制器I/O端口和ADC供電，5V/250mA能力

?線性穩(wěn)壓器，微控制器I/O端口供電，3.3V/5V可配，100mA能力

?可通過外部FET配置線性（最大750mA）/降壓（最大1A）模式的穩(wěn)壓器，輸出范圍0.8~5V，用于微控制器內(nèi)核供電

?優(yōu)化EMC，支持展頻功能

?SPI通訊功能、可配3.3/5V I/O電平等級，可配置問答式看門狗 窗口式看門狗

?可配故障安全（fail safe）功能

?內(nèi)置10bit ADC，分立模擬輸入引腳用于外部通用測量

?過/欠壓 溫度監(jiān)控，熱關(guān)斷功能

?TQFP64EP (10x10x1mm) 封裝

▲圖10. L9396內(nèi)部功能模塊

意法半導(dǎo)體Gen 2 3 SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)品家族為OBC-DCDC應(yīng)用提供多樣選擇

意法半導(dǎo)體擁有的第二代、第三代碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)品系列，可以全方位覆蓋不同擊穿電壓等級，并具備多種不同導(dǎo)通電阻值、封裝及柵-源電壓等級，用來滿足客戶OBC-DCDC不同的功率需求。

▲圖11. 意法半導(dǎo)體第二、三代SiC功率半導(dǎo)體廣泛覆蓋

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來源：STM Automotive

審核編輯：湯梓紅