基于全新Stellar E1微控制器的22KW OBC-DC/DC ST系统解决方案

在当今汽车电气化的演进过程中，车载充电器 (OBC) 始终扮演着重要的角色——从车外交流取电，转换为直流电向车内主电池包充电，执行整车充电指令，完成充电过程。在新能源汽车中，一般会存在两个不同电压等级的电池：高压电池用于驱动电机，低压电池用于车内小型电子设备供电。直流-直流转换器（DC/DC）从高压动力电池包取电，转换成低压直流电，进而为车内的不同负载进行电力输送。

▲图1. 典型OBC-DCDC系统框图

意法半导体新能源汽车创新中心针对大功率OBC-DCDC应用，以及终端客户对更快速的充电需求等，提出了系统解决方案。方案主要由40nm工艺，32-bit Arm®架构的车规级多核微处理器Stellar-E1，电源管理/系统基础芯片SPSA068/L9396，单通道栅极隔离驱动器STGAP2SICS，以及第三代功率半导体1200V SiC功率器件SCT015W120G3-4AG，SCT070W120G3-4AG组成。该方案为客户提供了完整配套的产品，满足客户大功率OBC-DC/DC的应用需求。

▲图2. 意法半导体22kW OBC-DC/DC的系统解决方案框图

▲图3. 意法半导体22kW OBC-DC/DC系统方案对应实物图

在架构层面，系统方案通过2颗Stellar-E1微控制器分别实现了PFC+LLC的环路控制，以及低压侧DC-DC的环路控制和整车通讯、功能安全等功能。SCTW015(070)N120G3-4AG则分别是PFC+LLC级和PSFB（移相全桥）级的SiC功率器件。STGAP2SICS对SiC功率管进行驱动，SPSA068/L9396负责为微控制器所需要的外设I/O接口、内核等不同电源轨供电。

在此之中，意法半导体重点推出了极具创新与技术价值的基于Arm®架构300Mhz主频微控制器Stellar-E1。

▲图4. Stellar E1内部资源

Stellar E-1相关资源介绍

✦ 内核资源- 2*300Mhz Coretex-M7 Arm® 核心，可配成1个lockstep核或两个独立核进行使用；

✦ 电源专用高精度发波外设- HR-Timers, 模拟比较器等；

✦ 通讯接口资源- 4路SPI, 4路CAN FD, 3路LIN, 2路I2S, 2路I2C；

✦ 存储资源- 384kB RAM, 2MB FLASH, 64KB data FLASH, 支持CAN-FD和硬件OTA(A/B swap)；

✦ 内置150Mhz硬件加密模块（HSM）；

✦ 丰富的A/D转换资源- 8个独立的DAC内部采样模块, 2个独立的DAC外部采样模块，2个独立的16bit ΣΔ ADC模块及相关通用ADC/ Timers等；

✦ 系统相关资源-中断, 锁相环, CRC校验等。

Stellar-E系列MCU多种针对OBC-DCDC的专属设计，使其对客户系统具有相当优势。在性能、成本及安全（功能安全 信息安全）等方面均有亮点：

系统方案的测试表现

系统板级测试及性能表现实况---

✦ 三相PFC效率测试条件和表现

➤ 峰值效率-98.63%➤ 输入电压-380VAC(L-L)

▲图5. 三相PFC效率测试表现  

✦ 系统热应力表现

➤ SiC水冷室温25℃，水温21℃➤ 输入电压-380VAC(L-L)

▲图6. 系统热应力表现 

▲左：图7. 800V, 16A 三相PFC SiC热成像 

▲右：图8. 800V, 16A 3相PFC 主电感热成像

✦ 三相PFC满载测试表现

➤ 输入电压380VAC(L-L), 32A RMS➤ 输出电压800VDC, 25A, 20KW➤ 相电流ITHD: 3%➤ SiC水冷室温25℃, 水温21℃                                  

   

▲图9. 800V, 20KW 相电流THD测量

系统基础芯片SBC---L9396

L9396的主要内部资源及特性功能如下：

✦ AEC-Q100车规认证，支持环境温度范围-40℃~135℃

✦ 完全符合ISO26262标准，支持客户系统功能安全ASIL-D等级

✦ 内部集成开关、线性电源：

➤ 升压控制器，9V，300mA

➤ 降压控制器，6.5V/7.2V，1A，开关频率465kHz

➤ 线性稳压器，微控制器I/O端口和ADC供电，5V/250mA能力

➤ 线性稳压器，微控制器I/O端口供电，3.3V/5V可配，100mA能力

➤ 可通过外部FET配置线性（最大750mA）/降压（最大1A）模式的稳压器，输出范围0.8~5V，用于微控制器内核供电

✦ 优化EMC，支持展频功能 

✦ SPI通讯功能、可配3.3/5V I/O电平等级，可配置问答式看门狗 窗口式看门狗

✦ 可配故障安全（fail safe）功能

✦ 内置10bit ADC，分立模拟输入引脚用于外部通用测量

✦ 过/欠压 温度监控，热关断功能

✦ TQFP64EP (10x10x1mm) 封装

▲图10. L9396内部功能模块

意法半导体Gen 2 3 SiC功率半导体产品家族为OBC-DCDC应用提供多样选择

意法半导体拥有的第二代、第三代碳化硅功率半导体产品系列，可以全方位覆盖不同击穿电压等级，并具备多种不同导通电阻值、封装及栅-源电压等级，用来满足客户OBC-DCDC不同的功率需求。

▲图11. 意法半导体第二、三代SiC功率半导体广泛覆盖

您可以登陆意法半导体官方网站---www.st.com了解更多产品及系统解决方案等相关信息，同时欢迎联系当地的ST销售办事处和分销商，获取有关产品定价和样品信息。 

来源：STM Automotive

　　审核编辑：汤梓红