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AC/DC 转换器在汽车中的不同应用

无论是从 2kW 的铅酸电池来冷启动传统发动机,还是从 400kW 以上的 400V 锂电池让电动汽车在「急速」模式下达到最高的性能,车辆的峰值功率都可能极高。任何电池的容量都有限制,因此大力开发功率转换器以提高效率、减少重量和尺寸,并采用最新的半导体技术逐步减少损耗,这一切都吸引了众人的目光。汽车电子产品当然还必须在严苛的环境中可靠地工作,同时遵循国际和 OEM 特定的质量控制标准。通过布局、设计、制造确保产品的可靠性。

车载 DC/DC 转换器

除主动力总成系统以外,车辆的功率转换级别有很多种:以 12V 至 48V 低压电源来说,辅助 DC/DC 发电机和转换器可为无钥匙进入系统、高级驾驶员辅助系统(ADAS)或信息娱乐系统提供低电压(图 1)。而在更高的 400V 系统中,电动汽车的电池管理系统(BMS)需要隔离良好的内务管理电源。最基本的功率等级可能只有几瓦,但所采用的 DC/DC 转换器的效率应该与大功率传动系统的相同以保持低温和高可靠性。许多低功率转换器的工作环境跟功率转换器相似,需要应付温度大幅变化以及具备相同的抗冲击性和抗震能力。板级上的转换器通常没有传导冷却或强制冷却,经常处于密闭环境仅依靠对流来冷却。有趣的是,随着车辆中电子设备数量增加,低功率转换器在汽车应用上的功能与 IT、工业甚至商用转换器的功能越来越趋于一致。

例如,为 CAN 总线和以太网总线通信网络提供 5V 隔离电源,为处理器、FPGA 和 ASIC 提供低于 1V 的电源,以及为旧设备和娱乐系统提供 12V 的电源,以上都有要求要符合。随着开发出各种新型纯电动和混合动力汽车,设备设计人员正在寻找模块化 DC/DC 转换器,使用预认证的方式加快上市速度,成本却不会比分立式设计来得高。作为 DC/DC 转换器历史悠久的制造商,RECOM 正致力于这一市场。

图 1:汽车环境中的低功率 DC/DC 转换器

车辆之电力电子环境

模块化 DC/DC 转换器市场很广,包含了商用、工业甚至医疗。但是现成部件的输入电压范围通常不适合汽车应用。许多车辆类型中还是很常见 12V 和 24V 电池,电压的变化范围很广,最低可以从寒冷环境的「冷启动」到最高的「重负载」高电压浪涌值。标准 LV124(也称为 VW80000)设置 12V 标称铅酸电池系统的电平,而 LV148 适用于 48V 锂离子电池,这在中度混合电动车(SHEV)中越来越常见(图 2)。除了连续重负载工作电压范围外,还有两个极性但能量较低的快速瞬态电压。ISO-7637-2 和 ISO 16750-2 为适用于电源线的标准。

图 2:符合 LV124 和 LV148 的车辆电压

虽然标准的 4:1 电信转换器可应付大多数标称 12V 的输入电压,但只有专为汽车设计的 DC/DC 产品才能满足所有 12V(9-36V)的电压变化。48V 锂电池的电压范围有更严格的限制,因此 20-60V 输入的 3:1 模块电源才适用于 48V 系统。汽车规格通常还包括反向电压保护以及快速高压瞬变抗扰度,因此在任何情况下通常都需要外部保护或滤波网络。LV 标准还规定了各种压降、缓慢变化的电压条件以及频率范围为 15Hz 至 200kHz、高达 6V 峰峰值的叠加交流电压。而低功率转换器已经有集成可用的滤波和保护功能,可以为其他设备供电。

电磁兼容性(EMC)是汽车系统的关键要素,而 DC/DC 转换器为了效率采用开关模式,成为潜在的干扰源。符合 CISPR-25 的排放限制是常见的要求,除了标准 DC/DC 模块的内置功能以外,通常还需要高频滤波。转换器还必须对规定的 EMI 传导和辐射等级以及静电放电具备足够的抗扰性。制造商如 RECOM 是 DC/DC 转换器和 EMC 的滤波专家,提供符合各种 EMC 标准的滤波器设计实例和演示板。 汽车应用的环境条件与其他领域大不相同,在某些情况下甚至可以比军规苛刻,很大一部分成本可能会花在冷却和防振装置上。工业级 DC/DC 似乎最适合车用,工作温度通常在-40°C 至+85°C 或更高。工业环境相对恒定,而车辆的不同区域的温度会大幅变化,如在极寒的环境下启动后迅速从零下变到高温,或太阳底下的汽车在开冷气之后从高温降到低温。汽车的机械冲击和振动要求也很严苛,工业标准不足以满足要求。

ISO 16750-3 是机械冲击、振动和其他条件(包括碎石轰击)的道路车辆标准,严重级别因应用不同而定。然而,该标准是以传统活塞发动机和随之产生的振动信号为基础,因此在某些方面可能不适用电动汽车。标准定义从-40°C 到应用的最高环境温度的范围之内,在特定频率下加速最高为 200m/s2,机械冲击适用所有的车辆类型。但是商用车变速箱的最严重情况是它可能持续 1ms 高达 50,000m/s2(5,100g)。

电源转换器的 AEC-Q 测试

用于关键应用(例如安全系统和发动机控制)的功率转换器通常是分立式设计,嵌入在其他电子设备中并由获得压力测试认证的器件组成。考虑使用 DC/DC 模块的时候,转换器通常需要进行特定的设计和测试才能满足汽车质量、电气、环境以及 EMC 的要求。汽車電子委员会[1]发布了电子应力测试规范的标准。AEC 是由克莱斯勒、福特和德科电子于 1990 年代成立,制定了汽车业电子零件的质量和认证标准。AEC-Q 采用了汽车工程师协会(SAE)和 IEC/ISO 的标准以及符合 IATF 16949:2016 的质量体系,为零件制造商制定了进入汽车业的最低要求。

但是 AEC-Q 标准并不直接适用于 DC/DC 转换器,因此制造商必须选择最相关的标准,通常是 IC 的 AEC-Q100 或无源元件的 AEC-Q200(表 1)。

表 1:AEC-Q 标准之器件应力测试认证规范

无源组件 AEC-Q200 和附件 001 至 007 涵盖了各种零件和测试方式。应用是以温度进行了分级(表 2)。请注意 0 级零件的温度为+150°C,比 AEC-Q100 制定的集成电路温度高了 10 度。

表 2:符合 AEC-Q200 认证的器件温度等级

AEC-Q 标准是由供应商进行自我认证来证明其符合性,而非由测试机构使用。而且这些标准对各个阶层的汽车客户来说是最基本的,因此可能针对特定应用提出进一步的器件认证要求。尽管有许多的汽车专用测试,但 AEC-Q 还参考了其他标准的测试方式,例如 MIL-STD-883、JEDEC、JESD、IPC 以及 UL。 RECOM 最近对多种车载 DC/DC 转换器进行了认证。以 R-78Q5.0-0.3 为例,它是一种高效的非隔离式 DC/DC 转换器,具有 6.5V 至 72V 的超宽输入范围以及 0.3A 和 5V 输出,适用于 12V 或 24V 铅酸蓄电池。由于引脚与三端线性稳压器兼容,因此它也适合直接连接至中度混合电动车的 48V 电池。极宽的 11:1 输入电压范围可以节省输入过压钳位器件的成本。

热冲击循环是汽车应力测试认证的关键部分。RECOM 使用的规格如图 3 所示。R-78Q 和 RAQ 最近成功完成了所需的 1000 次循环测试。表 3 列出了符合 AEC-Q200 的 R-78Q 完整测试计划。

表 3:RECOM R-78Q5.0-0.3 的 AEC-Q200 测试计划

图 3:RECOM DC/DC 转换器的 AEC-Q 认证热循环曲线

另一个汽车认证的 RECOM 部件是 RAQ-0505S/H(图 4),这是一款用于一般汽车的隔离式 DC/DC 转换器,5VDC 输入,以 1W 的功率提供未稳压的 5V 输出,同时具有连续短路保护。该器件的典型应用是给 CAN 总线提供隔离的 5V 电压。 RAQ-0505S/H 的 AEC-Q 测试条款与 R-78Q 类似,包括了 AEC-Q200 和 AEC-Q104 的相关要求。后者是较新的标准,于 2017 年 9 月发布,涵盖了具备有源和无源组件的「多芯片」模块,这些模块将有源和无源器件组合到封装中,回流焊接到印刷电路板上。

图 4:RECOM RAQ-0505S/H 汽车级 DC/DC 转换器

SMT 转换器的隔离等级为 5kVDC/1s(2.8kVAC/1min),爬电距离>4mm,可以连续承受输入和输出之间的高压电池的电压差。主要应用是给电动汽车电池管理系统的高压侧电流传感器供电(图 5)。传感器电路比系统接地高 400V 电池电压,而且需要一个 5V 隔离电源。

图 5:使用 RAQ-0505S 的高压侧电池电流传感器

RAQ-0505S/H 可以在-40°C 至+105°C 的温度范围内满载工作,使用寿命、冲击、振动、电路板弯曲和热循环(1000 次)皆获得了 AEC-Q200 设计验证。DC/DC 转换器通过了 IEC 60950-1 的「基本」绝缘认证,辐射符合 CISPR-25 第 3 级和 EN55032 标准,并具备一个简单的外部滤波器。根据 MIL-HDBK 217F,在 25°C 可靠性达到惊人的 1170 万小时。

质量要求-IATF16949:2016 和 PPAP

进入汽车市场的零部件供应商应持有国际汽车工作组的 IATF 16949:2016 标准所定义的质量系统认证。该标准是 ISO 9001 的延伸并以流程为导向,适用于整个组织,从管理领导到制造流程以及售后支持。认证是一个漫长的过程,需要大量的文档、内部审核和外部评估,并且质量管理系统必须在规定的时间内证明合乎规定,然后再授予认证。供应商还必须维护生产管理程序(PPAP),该程序管控生产前、生产过程和生产后的设

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