AC／DC 轉換器在汽車中的不同應用

無論是從 2kW 的鉛酸電池來冷啟動傳統(tǒng)發(fā)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(fā)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(huán)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(tǒng)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(fā)電機和轉換器可為無鑰匙進入系統(tǒng)、高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）或信息娛樂系統(tǒng)提供低電壓（圖 1）。而在更高的 400V 系統(tǒng)中，電動汽車的電池管理系統(tǒng)（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(tǒng)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(huán)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(huán)境僅依靠對流來冷卻。有趣的是，隨著車輛中電子設備數(shù)量增加，低功率轉換器在汽車應用上的功能與 IT、工業(yè)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(wǎng)總線通信網(wǎng)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(tǒng)提供 12V 的電源，以上都有要求要符合。隨著開發(fā)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(huán)境中的低功率 DC／DC 轉換器

車輛之電力電子環(huán)境

模塊化 DC／DC 轉換器市場很廣，包含了商用、工業(yè)甚至醫(yī)療。但是現(xiàn)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(huán)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(tǒng)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(xù)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(tài)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(shù)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(tǒng)。汽車規(guī)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(wǎng)絡。LV 標準還規(guī)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(tǒng)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(guī)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(huán)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(guī)苛刻，很大一部分成本可能會花在冷卻和防振裝置上。工業(yè)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(yè)環(huán)境相對恒定，而車輛的不同區(qū)域的溫度會大幅變化，如在極寒的環(huán)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(yè)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(tǒng)活塞發(fā)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(huán)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(xù) 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(tǒng)和發(fā)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(huán)境以及 EMC 的要求。汽車電子委員會［1］發(fā)布了電子應力測試規(guī)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(yè)電子零件的質量和認證標準。AEC－Q 采用了汽車工程師協(xié)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(yè)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(guī)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(wěn)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(jié)省輸入過壓鉗位器件的成本。

熱沖擊循環(huán)是汽車應力測試認證的關鍵部分。RECOM 使用的規(guī)格如圖 3 所示。R－78Q 和 RAQ 最近成功完成了所需的 1000 次循環(huán)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(huán)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(wěn)壓的 5V 輸出，同時具有連續(xù)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(fā)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(xù)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(tǒng)的高壓側電流傳感器供電（圖 5）。傳感器電路比系統(tǒng)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(huán)（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(jù) 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(tǒng)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(tǒng)必須在規(guī)定的時間內證明合乎規(guī)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