RECOM 的 DC/DC 转换器在汽车中的应用

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。

表4：PPAP提交等级

其它汽车应用的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 ControlSystems ［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。

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。