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molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

日期: 2020-06-10
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  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,为安费诺代理商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,molex正致力于这一市场。

molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

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。

  molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

  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。

   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,

molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

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。

molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

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。RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200测试计划

  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)。

  molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

 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。

  molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

  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。

  molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

  RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200测试计划

  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。

  molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

  RECOM RAQ-0505S/H汽车级DC/DC转换器

  molex连接器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。

molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

  

  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,molex在连接器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。

  molex的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

  其它汽车应用的molex产品

  molex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。

  

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