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RECOM 的DC/DC转换器在汽车行业中的应用

供稿:RECOM Asia Pte. Ltd. 2020/2/19 10:53:06

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  • 关键词: 工业电源 DC/DC转换器
  • 摘要:高功率牵引逆变器和充电器占满了汽车电力电子的头条,但低功率DC/DC转换器在传统和电动汽车中仍有很多用途。本文将介绍RECOM的模块电源在汽车行业中的典型应用以及符合严苛的汽车环境要求的设计和制造资格。

高功率牵引逆变器和充电器占满了汽车电力电子的头条,但低功率DC/DC转换器在传统和电动汽车中仍有很多用途。本文将介绍RECOM的模块电源在汽车行业中的典型应用以及符合严苛的汽车环境要求的设计和制造资格。

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。

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图1:汽车环境中的低功率DC/DC转换器(图片来源:Annalize Batista)

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。

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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)。

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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。

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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。

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表3:RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200测试计划

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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。

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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。

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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:IATF-16949:2016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计和工艺。对于流程或生产变更,有五个提交等级要求供应商采取不同的措施(表4)。在工业电源市场中,RECOM在台湾的制造基地是独一无二的,不仅拥有完整的IATF 16949:2016认证,还以PPAP系统来管理汽车产品。

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表4:PPAP提交等级

 

其他汽车应用的RECOM产品

RECOM其他的系列产品也经通过类似汽车级器件的、高加速寿命(HALT)和生产测试,并由同一个汽车认证的工厂生产,因此这些高端工业级DC/DC模块可以在车辆或充电站的控制和检测中使用。举例来说,RKE系列普遍应用在CAN总线隔离器,RB-系列安装在汽车漏电流检测器的电路中,而RP-和RKE-部件则使用在车载充电器。

宽输入DC/DC转换器适合搭配具有滤波器的12V和48V汽车标称电压,例如16-36V或18-75V输入的REC15E-Z,另外RAC系列的AC/DC转换器是汽车充电器电路中的辅助电源。输入范围高达528VAC的RAC05-05SK/480是一个特别有用的器件,可以连接在三相充电器的各相之间为电路供电,电路检测到车辆连接后会启动充电器。这样就可以使用无零线连接的L1/L2/L3/PE电源。

RECOM之姊妹公司Power Control Systems致力于双向AC/DC应用

Power Control Systems [2]现在是RECOM集团的一部分,是一家提供定制大功率电源给要求高可靠性的铁路、医疗、军事和能源市场的历史悠久的供应商。最近推出一款10kW双向AC/DC转换器(图6)。初始版本具有三相交流输入和20V 500A输出。该电源实现双向调节来控制新电池的充放电。有机会应用在电动汽车的交互式家用充电。例如,电动汽车可以以选定的低电价或以太阳能充电,然后在电价高时将多余的电力退回或反馈给电网。该产品具有数字接口用来控制和监控充电和放电周期。

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图6:Power Control Systems的10kW双向AC/DC

RECOM模块化转换器可节省时间和金钱

RECOM [3] 的模块化电源转换器可以成为经济高效的汽车应用解决方案,价格不但具有竞争力同时还能节省开发和认证时间,拥有成本比分立式解决方案来得更低。收购了Power Control Systems之后,RECOM集团能够提供1W至10kW的产品以及符合 AEC-Q的产品组合。

 

参考文献

[1] Automotive Electronics Council www.aecouncil.com

[2] Power Control Systems https://www.powercontrolsystems.com

[3] RECOM www.recom-power.com

审核编辑(王静)
更多内容请访问 RECOM Asia Pte. Ltd.(http://c.gongkong.com/?cid=57810)

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