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molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

日期: 2020-06-10
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??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,為安費諾代理商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(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,molex正致力于這一市場。

molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

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。

??molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

??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。

? ?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(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,

molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

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。

molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

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。RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200測試計劃

??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)。

??molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

?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。

??molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

??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。

??molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

??RECOM R-78Q5.0-0.3的AEC-Q200測試計劃

??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。

??molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

??RECOM RAQ-0505S/H汽車級DC/DC轉換器

? molex連接器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。

molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

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??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計和工藝。對于流程或生產變更,有五個提交等級要求供應商采取不同的措施(表4)。在工業(yè)電源市場中,molex在連接器制造基地是獨一無二的,不僅擁有完整的IATF 16949:2016認證,還以PPAP系統(tǒng)來管理汽車產品。

??molex的 DC/DC 轉換器在汽車中的應用

??其它汽車應用的molex產品

? molex其他的系列產品也經通過類似汽車級器件的、高加速壽命(HALT)和生產測試,并由同一個汽車認證的工廠生產,因此這些高端工業(yè)級DC/DC模塊可以在車輛或充電站的控制和檢測中使用。舉例來說,RKE系列普遍應用在CAN總線隔離器,RB-系列安裝在汽車漏電流檢測器的電路中,而RP-和RKE-部件則使用在車載充電器。

??寬輸入DC/DC轉換器適合搭配具有濾波器的12V和48V汽車標稱電壓,例如16-36V或18-75V輸入的REC15E-Z,另外RAC系列的AC/DC轉換器是汽車充電器電路中的輔助電源。輸入范圍高達528VAC的RAC05-05SK/480是一個特別有用的器件,可以連接在三相充電器的各相之間為電路供電,電路檢測到車輛連接后會啟動充電器。這樣就可以使用無零線連接的L1/L2/L3/PE電源。

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2025 - 01 - 07
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