AC／DC轉換器在汽車系統(tǒng)中的應用分析

（文章來源：電子工程世界）

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。

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。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，RECOM 正致力于這一市場。

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。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。

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）。
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