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AC/DC 轉換器在汽車中的不同應用

放大字體??縮小字體 發布日期:2020-01-21 09:00:06 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:5629
核心提示:2020年01月21日關于AC/DC 轉換器在汽車中的不同應用的最新消息:無論是從 2kW 的鉛酸電池來冷啟動傳統發動機,還是從 400kW 以上的 400V 鋰電池讓電動汽車在「急速」模式下達到最高的性能,車輛的峰值功率都可能極高。任何電池的容量都有限
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無論是從 2kW 的鉛酸電池來冷啟動傳統發動機,還是從 400kW 以上的 400V 鋰電池讓電動汽車在「急速」模式下達到最高的性能,車輛的峰值功率都可能極高。任何電池的容量都有限制,因此大力開發功率轉換器以提高效率、減少重量和尺寸,并采用最新的半導體技術逐步減少損耗,這一切都吸引了眾人的目光。汽車電子產品當然還必須在嚴苛的環境中可靠地工作,同時遵循國際和 OEM 特定的質量控制標準。通過布局、設計、制造確保產品的可靠性。

車載 DC/DC 轉換器

除主動力總成系統以外,車輛的功率轉換級別有很多種:以 12V 至 48V 低壓電源來說,輔助 DC/DC 發電機和轉換器可為無鑰匙進入系統、高級駕駛員輔助系統(ADAS)或信息娛樂系統提供低電壓(圖 1)。而在更高的 400V 系統中,電動汽車的電池管理系統(BMS)需要隔離良好的內務管理電源。最基本的功率等級可能只有幾瓦,但所采用的 DC/DC 轉換器的效率應該與大功率傳動系統的相同以保持低溫和高可靠性。許多低功率轉換器的工作環境跟功率轉換器相似,需要應付溫度大幅變化以及具備相同的抗沖擊性和抗震能力。板級上的轉換器通常沒有傳導冷卻或強制冷卻,經常處于密閉環境僅依靠對流來冷卻。有趣的是,隨著車輛中電子設備數量增加,低功率轉換器在汽車應用上的功能與 IT、工業甚至商用轉換器的功能越來越趨于一致。

例如,為 CAN 總線和以太網總線通信網絡提供 5V 隔離電源,為處理器、FPGA 和 ASIC 提供低于 1V 的電源,以及為舊設備和娛樂系統提供 12V 的電源,以上都有要求要符合。隨著開發出各種新型純電動和混合動力汽車,設備設計人員正在尋找模塊化 DC/DC 轉換器,使用預認證的方式加快上市速度,成本卻不會比分立式設計來得高。作為 DC/DC 轉換器歷史悠久的制造商,RECOM 正致力于這一市場。

圖 1:汽車環境中的低功率 DC/DC 轉換器

車輛之電力電子環境

模塊化 DC/DC 轉換器市場很廣,包含了商用、工業甚至醫療。但是現成部件的輸入電壓范圍通常不適合汽車應用。許多車輛類型中還是很常見 12V 和 24V 電池,電壓的變化范圍很廣,最低可以從寒冷環境的「冷啟動」到最高的「重負載」高電壓浪涌值。標準 LV124(也稱為 VW80000)設置 12V 標稱鉛酸電池系統的電平,而 LV148 適用于 48V 鋰離子電池,這在中度混合電動車(SHEV)中越來越常見(圖 2)。除了連續重負載工作電壓范圍外,還有兩個極性但能量較低的快速瞬態電壓。ISO-7637-2 和 ISO 16750-2 為適用于電源線的標準。

圖 2:符合 LV124 和 LV148 的車輛電壓

雖然標準的 4:1 電信轉換器可應付大多數標稱 12V 的輸入電壓,但只有專為汽車設計的 DC/DC 產品才能滿足所有 12V(9-36V)的電壓變化。48V 鋰電池的電壓范圍有更嚴格的限制,因此 20-60V 輸入的 3:1 模塊電源才適用于 48V 系統。汽車規格通常還包括反向電壓保護以及快速高壓瞬變抗擾度,因此在任何情況下通常都需要外部保護或濾波網絡。LV 標準還規定了各種壓降、緩慢變化的電壓條件以及頻率范圍為 15Hz 至 200kHz、高達 6V 峰峰值的疊加交流電壓。而低功率轉換器已經有集成可用的濾波和保護功能,可以為其他設備供電。

電磁兼容性(EMC)是汽車系統的關鍵要素,而 DC/DC 轉換器為了效率采用開關模式,成為潛在的干擾源。符合 CISPR-25 的排放限制是常見的要求,除了標準 DC/DC 模塊的內置功能以外,通常還需要高頻濾波。轉換器還必須對規定的 EMI 傳導和輻射等級以及靜電放電具備足夠的抗擾性。制造商如 RECOM 是 DC/DC 轉換器和 EMC 的濾波專家,提供符合各種 EMC 標準的濾波器設計實例和演示板。 汽車應用的環境條件與其他領域大不相同,在某些情況下甚至可以比軍規苛刻,很大一部分成本可能會花在冷卻和防振裝置上。工業級 DC/DC 似乎最適合車用,工作溫度通常在-40°C 至+85°C 或更高。工業環境相對恒定,而車輛的不同區域的溫度會大幅變化,如在極寒的環境下啟動后迅速從零下變到高溫,或太陽底下的汽車在開冷氣之后從高溫降到低溫。汽車的機械沖擊和振動要求也很嚴苛,工業標準不足以滿足要求。

ISO 16750-3 是機械沖擊、振動和其他條件(包括碎石轟擊)的道路車輛標準,嚴重級別因應用不同而定。然而,該標準是以傳統活塞發動機和隨之產生的振動信號為基礎,因此在某些方面可能不適用電動汽車。標準定義從-40°C 到應用的最高環境溫度的范圍之內,在特定頻率下加速最高為 200m/s2,機械沖擊適用所有的車輛類型。但是商用車變速箱的最嚴重情況是它可能持續 1ms 高達 50,000m/s2(5,100g)。

電源轉換器的 AEC-Q 測試

用于關鍵應用(例如安全系統和發動機控制)的功率轉換器通常是分立式設計,嵌入在其他電子設備中并由獲得壓力測試認證的器件組成??紤]使用 DC/DC 模塊的時候,轉換器通常需要進行特定的設計和測試才能滿足汽車質量、電氣、環境以及 EMC 的要求。汽車電子委員會[1]發布了電子應力測試規范的標準。AEC 是由克萊斯勒、福特和德科電子于 1990 年代成立,制定了汽車業電子零件的質量和認證標準。AEC-Q 采用了汽車工程師協會(SAE)和 IEC/ISO 的標準以及符合 IATF 16949:2016 的質量體系,為零件制造商制定了進入汽車業的最低要求。

但是 AEC-Q 標準并不直接適用于 DC/DC 轉換器,因此制造商必須選擇最相關的標準,通常是 IC 的 AEC-Q100 或無源元件的 AEC-Q200(表 1)。

表 1:AEC-Q 標準之器件應力測試認證規范

無源組件 AEC-Q200 和附件 001 至 007 涵蓋了各種零件和測試方式。應用是以溫度進行了分級(表 2)。請注意 0 級零件的溫度為+150°C,比 AEC-Q100 制定的集成電路溫度高了 10 度。

表 2:符合 AEC-Q200 認證的器件溫度等級

AEC-Q 標準是由供應商進行自我認證來證明其符合性,而非由測試機構使用。而且這些標準對各個階層的汽車客戶來說是最基本的,因此可能針對特定應用提出進一步的器件認證要求。盡管有許多的汽車專用測試,但 AEC-Q 還參考了其他標準的測試方式,例如 MIL-STD-883、JEDEC、JESD、IPC 以及 UL。 RECOM 最近對多種車載 DC/DC 轉換器進行了認證。以 R-78Q5.0-0.3 為例,它是一種高效的非隔離式 DC/DC 轉換器,具有 6.5V 至 72V 的超寬輸入范圍以及 0.3A 和 5V 輸出,適用于 12V 或 24V 鉛酸蓄電池。由于引腳與三端線性穩壓器兼容,因此它也適合直接連接至中度混合電動車的 48V 電池。極寬的 11:1 輸入電壓范圍可以節省輸入過壓鉗位器件的成本。

熱沖擊循環是汽車應力測試認證的關鍵部分。RECOM 使用的規格如圖 3 所示。R-78Q 和 RAQ 最近成功完成了所需的 1000 次循環測試。表 3 列出了符合 AEC-Q200 的 R-78Q 完整測試計劃。

表 3:RECOM R-78Q5.0-0.3 的 AEC-Q200 測試計劃

圖 3:RECOM DC/DC 轉換器的 AEC-Q 認證熱循環曲線

另一個汽車認證的 RECOM 部件是 RAQ-0505S/H(圖 4),這是一款用于一般汽車的隔離式 DC/DC 轉換器,5VDC 輸入,以 1W 的功率提供未穩壓的 5V 輸出,同時具有連續短路保護。該器件的典型應用是給 CAN 總線提供隔離的 5V 電壓。 RAQ-0505S/H 的 AEC-Q 測試條款與 R-78Q 類似,包括了 AEC-Q200 和 AEC-Q104 的相關要求。后者是較新的標準,于 2017 年 9 月發布,涵蓋了具備有源和無源組件的「多芯片」模塊,這些模塊將有源和無源器件組合到封裝中,回流焊接到印刷電路板上。

圖 4:RECOM RAQ-0505S/H 汽車級 DC/DC 轉換器

SMT 轉換器的隔離等級為 5kVDC/1s(2.8kVAC/1min),爬電距離>4mm,可以連續承受輸入和輸出之間的高壓電池的電壓差。主要應用是給電動汽車電池管理系統的高壓側電流傳感器供電(圖 5)。傳感器電路比系統接地高 400V 電池電壓,而且需要一個 5V 隔離電源。

圖 5:使用 RAQ-0505S 的高壓側電池電流傳感器

RAQ-0505S/H 可以在-40°C 至+105°C 的溫度范圍內滿載工作,使用壽命、沖擊、振動、電路板彎曲和熱循環(1000 次)皆獲得了 AEC-Q200 設計驗證。DC/DC 轉換器通過了 IEC 60950-1 的「基本」絕緣認證,輻射符合 CISPR-25 第 3 級和 EN55032 標準,并具備一個簡單的外部濾波器。根據 MIL-HDBK 217F,在 25°C 可靠性達到驚人的 1170 萬小時。

質量要求-IATF16949:2016 和 PPAP

進入汽車市場的零部件供應商應持有國際汽車工作組的 IATF 16949:2016 標準所定義的質量系統認證。該標準是 ISO 9001 的延伸并以流程為導向,適用于整個組織,從管理領導到制造流程以及售后支持。認證是一個漫長的過程,需要大量的文檔、內部審核和外部評估,并且質量管理系統必須在規定的時間內證明合乎規定,然后再授予認證。供應商還必須維護生產管理程序(PPAP),該程序管控生產前、生產過程和生產后的設

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關鍵詞: 轉換器 標準 克萊斯勒 福特


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