AC/DC 转换器在汽车中的不同应用

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。

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