电动汽车隔离型DC_DC辅助电源模块的可靠性设计

电动汽车隔离型DC_DC辅助电源模块的可靠性设计 可靠性分析 lia bility Ana lys is 电动汽车隔离型 D C / D C 辅助电源模块的可靠性设计 Dependability Design That the Electric Automobile Isolating Type DC/DC Assists the Module of Power 黄会雄, 袁力辉, 王成( 湖南商务职业技术学院, 湖南 长沙 410205) Huang Hui- xiong , Yuan Li- hui, Wang Cheng (Hunan Vocational College of Commerce, Hunan Changsha 410205) 摘 要: 提出一种新型的电压前馈补偿的准谐振、零电流开关 DC/ DC 变换器电路设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 并对 DC/ DC 辅助 电源 模块电路 拓扑结 构的进行 论证和选 择, 运用电 磁兼容性( EMC ) 设计方法 , 研制并 开发 电 动 汽 车 用 隔 离 型 DC/ DC 辅助电源模块。 关键词: DC/ DC 变换; 辅助电源; 电磁兼容性 中图分类号: TN8 6 文献标识号: B 文章编号: 1 0 0 3 - 0 1 0 7 (2 0 0 8 )0 6 - 0 0 5 6 - 0 3 S u m m a ry: R esonance, a electric current switch DC/ DC changer circuit design plan that what has been compensated allows that this text puts forward a new kind of voltage feedforwards, and assist the proving and choosing of topological structure Ke yw o rd : DC/ DC varies; Auxiliary power; Electromagnetic compatibility CLC n u m b e r: T N 86 Do cu m e n t co d e :B Art icle ID:1003- 0107(2008)06- 0056- 03 所示 。1 引言 DC/DC 电 源 模 块 , 基 本 上 采 用 线 性 模 拟 或 电 压 传 统 的 电 动 汽 车 电 源 分 为 主 电 源 和 辅 助 电 源 。 主 电 源 为 驱 动 脉 宽 调 制 技 术 , 但 是 前 者 稳 压 范 围 窄 、效 率 低 下 ; 后 者 的 缺 汽 车 行 驶 的 高 压 电 源 ; 辅 助 电 源 是 为 车 载 各 种 仪 表 , 控 制 系 点 是 这 类 电 源 电 压 调 整 率 和 负 载 调 整 率 低 , 动 态 响 应 慢 , 特 统 提 供 的 直 流 低 压 电 源 。 电 动 汽 车 电 源 模 块 是 整 个 系 统 的 别 在 轻 负 载 时 DC/DC 转 换 效 率 和 稳 定 性 通 常 明 显 降 低 , 因 稳 定 运 行 的 保 障 。 电 源 的 可 靠 性 对 于 整 个 系 统 的 性 能 起 着 此不 能 满 足电 动 汽 车仪 表 对 电源 设 计 的严 格 要 求。 至 关 重 要 的 作 用 。 设 计 和 选 择 电 源 时 要 考 虑 配 电 方 案 , 布 基 于 以 上 的 原 因 , 本 方 案 根 据 开 关 电 源 DC/DC 转 换 局 , 接 地 回 路 等 , 以 实 现 对 负 载 良 好 的 供 电 , 达 到 高 电 压 调 整 精 度 , 低 噪 音 , 同 时 避 免 系 统 中 电 路 之 间 的 干 扰 , 振 荡 以 及过 热 等 问题 的 出 现。DC/DC 模 块 电 源具 有 高 功率 密 度 , 重 器 向 高 性 能 、高 可 靠 性 以 及 小 型 化 、轻 量 化 、高 功 率 密 度量 轻 , 高 效 率 , 工 作 温 度 范 围 跨 宽 , 输 入 电 压 范 围 宽 , 低 干 化 发 展 的 主 要 趋 势 , 提 出 一 种 新 型 的 电 压 前 馈 补 偿 的 准 扰 , 低 纹 波 , 低 噪 声 , 能 隔 离 电 压 等 诸 多 优 点 , 在 整 个 系 统 中 谐 振 、零 电 流 开 关 DC/DC 变 换 器 电 路 方 案 。 该 方 案 与 软 得 到 了 应 用 。 由 于 车 体 内 部 只 提 供 不 够 稳 定 的 12V 的 直 流 开 关 技 术 的 谐 振 型 转 换 器 不 同 , 软 开 关 技 术 可 使 开 关 器 电源 , 故 将 12V 作为 本 系 统的 输 入 电源 。但 系 统电 路 设 计中 件 在 零 电 压 或 零 电 流 状 态 下 通 断 , 实 现 开 关 损 耗 为 零 , 从 而 可 将 开 关 频 率 提 高 到 兆 赫 级 水 平 , 具 有 低 开 关 损 耗 、恒 频 控 制 、合 适 的 储 能 元 件 尺 寸 、较 宽 的 控 制 范 围 及 负 载 范 围 等 优 点 , 但 是 此 项 技 术 主 要 应 用 于 大 、中 功 率 只 需 5V 和 3.3V 供 电 电 压 , 故 需 要 进 行 电 平 转 换 。 另 一 方 开 关 电 源 , 成 本 偏 高 , 有 悖 性 价 比 原 则 。而 电 压 前 馈 补 偿 面, 为 了 防 止 CAN 总 线 上 的干 扰 影 响了 控 制 系统 , 在 CAN 的 准 谐 振 变 换 器 只 能 单 向 从 电 源 到 负 载 传 输 能 量 , 效 率 模 块和 核 心 模块 间 加 入了 光 电 隔 离 电 路 , 故 CAN 模 块 虽 和 较 高 并 且 具 有 固 有 的 稳 定 性 , 在 给 定 输 入 电 压 的 条 件 核 心 模 块 供 电 电 压 均 为 5V 供 电 , 但 二 者 不 可 共 享 电 源 , 需 单 独 供 电 。 本 系 统 以 东 风 爱 丽 舍 电 动 汽 车 为 例 , 研 制 设 计 DC/DC 辅 助 电 源 模 块 , 并 分 别 为 3 个 电 路 模 块 供 电 , 如 图 1 下 , 每 次 谐 振 都 传 输 相 同 的 能 量 并 且 这 些 能 量 能 够 以 不 同 的 重 复 速 率 传 输 , 因 此 可 以 改 变 传 输 到 输 出 端 的 总 功 CAN 模块 率 。这 些 能 量 经 LC 输 出 滤 波 器 平 均 与 平 滑 后 , 通 过 二 次 稳 压 电 路 获 得 稳 定 的 输 出 功 率 。当 负 载 需 要 输 出 更 大 功 变换 核心及外围DC/DC 直流 12V 率 时 , 模 块 的 重 复 速 率 将 上 升 , 以 满 足 汽 车 发 电 机 变 载 的 需 求 , 因 此 是 一 种 更 适 合 汽 车 仪 表 的 电 源 设 计 方 案 , 控制器模块 其 基 本 设 计 思 想 和 对 策 如 下 。 图 1 辅助电源 DC/DC 模块框图 -------------------------------------------- *** * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *between Apertures on a Concex Circular Cylinder Using a Hybird [6] D.B walter. A study of KC- 135 Aircraft Antenna Patterns UTD- MOM Method [J]. IEEE Trans on Antenna and Propagation, AP,1975;23(5);309-31 6. [J]. IEEE Trans,on 2001;49(4);672-67 7. EMC 由 于 干 扰 的 存 在 是 绝 对 的 , 抗 干 扰 是 相 对 的 , 所 以 2 DC/ DC 辅助电源模块电路拓扑结构的论证和选 设 计 主 要是 抑 制 干扰 源 。DC/DC 电 源模 块 干 扰源 主 要 集中 在 择 开 关 电 路 与 输 出 整 流 电 路 附 近 , 从 效 率 上 来 讲 , 通 过 控 制 脉 所谓 电 压前 馈 补 偿, 采 用 的 是一 种 提 供恒 定 功 率增 益 达 冲 波 形 的 上 升 与 下 降 时 间 不 是 一 个 好 办 法 , 因 此 应 多 管 齐 到 电 压 控 制 环 路 的 稳 定 , 快 速 响 应 输 入 电 压 的 变 化 和 单 周 下 , 综 合 采 用 滤 波 技 术 、PCB 布 局 与 布 线 技 术 、屏 蔽 技 术 、接 期 内 达 到正 确 的 占空 比 控 制的 技 术 。在前 馈 补 偿系 统 中 , 前 地 技 术 、密 封 技 术 等 , 并 通 过 加 装 电 源 EMI 滤 波 器 、输 出 滤 向 转 换 器 产 生 的 三 角 波 斜 率 可 以 正 比 于 输 入 电 压 , 从 而 消 波 器及 吸 收 电路 来 抑 制传 导 干 扰和 辐 射 干扰 。经 验 表明 , 抑 除 了 输 出 电 压 与 输 入 电 压 的 相 关 性 , 保 证 汽 车 发 电 机 电 压 制 输 出 噪 声 的 对 策 基 本 上 按 1kHz ,15kHz、150kHz , 的 波 动 不 会 影 响 其 输 出 。 准 谐 振 技 术 是 通 过 一 连 串 的 能 量 10MHz、10MHz 以 上 三 个 频 段 来 解 决 , 并 在 这 三 个 频 段 内 设 传 输 循 环 完 成 功 率 变 换 过 程 , 其 开 关 在 零 电 流 处 进 行 , 真 正 计 EMI 滤 波 器的 插 入 损耗 的 大 小和 滤 波 器网 络 结 构。 消 除 了 开关 损 耗 , 具有 转 换 效率 高 的 特点 。 此 外 , 电 源 模 块 应 充 分 考 虑 浪 涌 、跌 落 和 微 秒 级 的 瞬 变 采 用 电 压 前 馈 补 偿 的 准 谐 振 、 零 电 流 开 关 的 DC/DC 开 脉 冲带 来 的 影响 。设 计 中, 新 增 的 电源 噪 声 滤波 器 就 是为 了 关 电 源 一 般 有 八 种 拓 扑 结 构 , 分 别 是 单 端 正 激 式 、单 端 反 激 抑 制 来 自 汽 车 其 他 电 器 工 作 时 带 来 的 噪 声 干 扰 而 设 计 的 专 式 、双 管 正 激 式 、双 单 端 正 激 式 、双 正 激 式 、推 挽 式 、半 桥 、全 用 元 件, 主 要 是 用 于 模 块 进 线 的 噪 声 滤 波, 以 抑 制 脉 冲 毛 刺 桥 。单 端正 激 式 、单端 反 激 式、双 单 端 正激 式 、推 挽式 的 开 关 和 寄 生 振 荡, 噪 声 的 频 率 大 约 为 450kHz ,30MHz , 电 源 噪 声管 的 承 压 在 两 倍 输 入 电 压 以 上 , 如 果 按 降 额 使 用 , 则 使 开 关 滤 波 器 基 本 上 都 是 按 此 频 率 范 围 衰 减, 设 计 时 , 其 低 通 滤 波 管 不 易 选 型 。 在 推 挽 和 全 桥 拓 扑 结 构 中 则 可 能 出 现 单 向 偏 磁 饱 和 , 容 易 使 开 关 管 损 坏 , 而 半 桥 电 路 因 为 具 有 自 动 抗 不 平 衡 能 力, 所 以 就 不会 出 现 这个 问 题 。特别 是 双 管正 激 式 和 半 桥 电 路 开 关 管 的 承 压 仅 为 电 源 的 最 大 输 入 电 压 , 即 使 按 器的 截 止 频率 一 般 低于 100kHz, 特 性 阻抗 为 300 欧 和 50 欧 。 60% 降 额 使用 , 选 用 开关 管 也 比较 容 易 。因此 在 高 可靠 性 的 在 附 图 中 , 电 源 噪 声 滤 波 器 的 典 型 电 路 是 用 两 个 电 感 线 圈 汽 车 仪 表 上 一 般 选 用 这 双 管 正 激 式 和 半 桥 电 路 开 关 管 两 类 (L1,L2)绕 在 同 一 磁 环 上, 线 圈 圈 数 一 样 , 绕 线 方 向 相 反, 在 任 电 路 拓扑 结 构 形式 。 一 时刻 电 流 在 L1,L2 上 产 生 的磁 通 相 互 抵 消 , 磁 环 采 用 高 导 磁 率 材 料, 只 需 绕 较 少 的 圈 数, 就 可 以 得 到 较 高 的 电 感 量, 分 布 电 容 也 较 小, 这 样 就 可 以 得 到 宽 频 带 的 衰 减 特 性 , 电 容 采 用 高 耐 压, 无 感 电 容 器 , 采 取 上 述 措 施 后 , 电 源 噪 声 滤 波 器 可 对 汽 车 电器 额 定 能量 以 下 的传 导 噪 声有 良 好 的衰 减 特 性。 3 控制方法和策略的选择 控 制 策 略 上 , 模 块 采 用 电 流 型 PWM 控 制 方 法 , 它 较 电 压 控 制 型 有 如 下 优 点 , 一 是 具 有 逐 周 期 电 流 限 制 的 优 点 , 比 5 DC/ DC 电源模块的结构设计 电 压 型 控 制 更 快 , 理 论 上 可 证 明 , 采 用 这 种 电 路 拓 扑 结 构 其 汽 车 仪 表 用 DC/DC 电 源 模 块 采 用 卧 式 7 脚 封 装 形 式 , 动态 响 应 比传 统 电 路 快 近 3.5 倍 以 上 , 不 会 因 过 流 而 使 开 关 结 构设 计 上 充分 考 虑 三防 措 施 。三防 措 施 包括 防 潮 措施 、防 管 损 坏 , 大 大 减 小 过 载 过 程 ; 二 是 具 有 短 路 的 保 护 功 能 ; 三 尘措 施 和防 霉 菌 措施 。设 计 时 , 采 用 环 氧树 脂 加 石英 沙 灌 封 是 具 有 优 良 的 电 压 调 整 率 和 迅 捷 的 瞬 态 响 应 ; 四 是 具 有 闭 电源 模 块, 电 源 模 块所 用 元 器件 、原 材 料的 吸 湿 度应 较 小 , 环 路 稳 定 性 , 输 出 容 易 补 偿 , 纹 波 比 电 压 控 制 型 小 得 多 ; 五 灌 封 前 线 路 板 零 部 件 的 表 面 通 过 镀 涂 一 层 涂 覆 专 用 的 三 防 是 具 有 柔顺 起 动 特性 和 过 热自 动 保 护功 能 。 清 漆 非 金 属 保 护 膜 以 隔 离 周 围 介 质 , 可 以 有 效 地 避 免 导 线 之 间 的 电晕 、击 穿 , 提高 电 源 的可 靠 性 。电感 、变 压 器均 应 进 行浸 漆 , 以防 潮 气 进入 引 发 短路 。此 外 由于 在 结 构上 实 行 电 磁封 闭 的密 封 屏 蔽技 术 , 可 有效 的 降 低辐 射 干 扰。 4 电磁兼容性(EMC)设计 国际 电 工委 员 会( IEC) 对 EMC 的 定 义 是: 指 在 不 损 害 信 号 所含 信 息 的条 件 下 , 信号 和 干 扰能 够 共 存。研 究 电 磁兼 容 的 目 的 是 为 了 保 证 电 器 组 件 或 装 置 在 电 磁 环 境 中 能 够 具 有 6 DC/ DC 辅助电源模块的电路设计及原理图 正 常 工 作 的 能 力 , 以 及 研 究 电 磁 波 对 社 会 生 产 活 动 和 人 体 ( 图 见下 页6.1 电路原理图设计2 ) 健 康 造成 危 害 的机 理 和 预防 措 施 。 本 开 关 电 源 模 块 因 采 用 脉 冲 宽 度 调 制(PWM)技 术 , 其 脉 6.2 主要技术指标: 冲 波 形 呈 矩 形 , 上 升 沿 与 下 降 沿 均 包 含 大 量 的 高 次 谐 波 成 (1)输入 电 压范 围 : 12V; 分 , 另 外 输 出 整 流 管 的 反 向 恢 复 也 会 产 生 电 磁 干 扰(EMI), 这 (2)输出 电 压: 5V300mA, 5V1000 mA, 3.3V800mA; 是 影 响 可 靠 性 的 不 利 因 素 , 因 而 使 电 磁 兼 容 性 成 为 电 源 系 (3)静态 工 作电 流:0.5mA; 统 的 重 要 问 题 。 采 用 这 种 方 案 设 计 的 电 源 是 否 会 对 汽 车 仪 (4)工作 温 度范 围 : - 40?,+ 85?; 表 本身 产 生 干扰 , 这 是 EMC 设计 必 须 正视 和 解 决的 问 题 。事 (5)开机 启 动电 流:1mA; 实 上 , 由 于 产 生 电 磁 干 扰 有 三 个 充 分 必 要 条 件 , 即 干 扰 源 、 (6)过热 保 护温 度 : ?125?; 传输 介 质 和敏 感 的 接收 单 元 , 电磁 兼 容 性 EMC 设 计 就 是 破 (8)复位 延 迟时 间:外 部调 整; 坏 这 三个 条 件 中之 一 , 切 断 " 场 " 与 " 路 " 的干 扰 途 径。 (9)高共 模 输入 输 出 隔离 : 1500V; 可靠性分析 lia bility Ana lys is 芯 复 位 电 路 能 够 产 生 镜 像 磁 化 电 流 , 使 变 换 器 有 效 工 作 于 B- H 磁 滞 回 线 的 第 1 和 第 3 象 限 , 使 变 压 器 磁 芯 在 不 改 变 尺 寸 和 形状 的 条 件下 具 有 最大 磁 通 量。 6.5 电源的智能保护 为了 使 电源 模 块 能在 各 种 恶劣 环 境 下可 靠 地 工作 , 应 设 置 多 种 保 护 电 路 , 如 防 浪 涌 冲 击 、过 压 、欠 压 、过 载 、短 路 、过 热 等保 护 电 路。智 能 保 护的 特 色 在于 当 瞬 态 电 压 过 冲 达 65V 输 入 时 可 以 工 作 400ms 而 不 损 坏 器 件 , 为 此 电 路 内 部 还 要 求 具 有 安 全 工 作 区 调 整 、反 极 性 保 护 和 功 率 管 过 饱 和 控 制 电 路 , 可 考 虑 配 置 内 嵌 式 的 电 压 监 视 器 电 路 、复 位 电 路 和 看 门 狗 电 路 , 使 其 既 可 实 现 自 身 在 线 检 测 保 护 , 又 可 实 时 监 视 受 电 的 汽 车 计 算 机 系 统 或 仪 表 系 统。 7 结束语 电源 的 可靠 性 问 题即 基 本 失效 率 问 题, 这 是 一 种随 机 性 图 2 辅助电源 DC/DC 模块原理图 质的 失 效。在 电 路 设计 完 成 并经 过 验 证后 , 元 器 件直 接 决 定 了电 源 的可 靠 性 , 质量 问 题 造成 的 失 效与 工 作 应力 无 关 。质 (10)电流 传 感和 电 压 反馈 输 入- 0.3V,+ 5.5V; 量 不 合 格 的 可 以 通 过 严 格 的 检 验 加 以 剔 除 , 在 批 量 生 产 时 (11)误差 放 大输 出 吸 入电 流 10 mA; 应 选 用 定 点 生 产 厂 家 的 成 熟 器 件 , 不 允 许 使 用 没 有 经 过 认 85% , 稳 定 度转 换 效 率 (12) 最 高 开 关 频 率 500 kHz, 证 的 产 品。这 样 在 一定 的 应 力水 平 下 , 元器 件 的 失效 率 会 大 0.2% 。 大下 降 。通过 筛 选 进一 步 可 使元 器 件 失效 率 降 低 1,2 个 数 量级 , 这 是提 高 电 源模 块 可 靠性 的 基 本保 证 之 一。? 6.3 开关变压器的设计 本 隔 离 型 电 源 的 关 键 器 件 是 变 压 器 的 选 型 设 计 。 变 压 器 铁 心 、 原 边 和 副 边 的 设 计 不 当 直 接 影 响 模 块 的 效 率 和 可 参考文献靠 性 , 而 邻 近 效 应 和 集 肤 效 应 以 及 变 压 器 涡 流 的 处 置 , 确 定 [1]深 圳 斯 比 泰 电 子 开 发 部 . 通 讯 式 正 激 励 DC/DC 电 源 系 统 最 大 占 空 比 以 避 免 变 压 器 磁 饱 和 , 这 些 磁 路 设 计 则 应 设 计[J].2004,(6). 通 过 多 次 测 试 加 以 验 证 。 此 外 , 选 用 平 滑 滤 波 电 感 、扼 流 圈 [2] 香 凝 . DC- DC 电 荷 泵 的 研 究 与 设 计 [J]. 电 源 世 界 , 的 铁 基 非 晶 、超 微 晶 制 作 的 电 感 铁 芯(FILTERING ELECTRIC INDUCTANCE CORES)材料 , 是 保证 具 有 高 饱 和 磁 感 强 度 、高 2007,(6). 电感 量 、高 频损 耗 低 、频带 宽 的 主要 要 素 。 [3] 南金 瑞, 孙逢 春, 王 建群. 纯 电 动汽 车 电 池 管 理 系 统 的 设 计 及应 用[J]. 清 华大 学 学 报,2007,47(S2). [4] 李 顶 根 . 电 动 汽 车 锂 离 子 电 池 能 量 管 理 系 统 的 研 究 [J]. 仪 器 仪表 学 报,2007,(8). 6.4 磁芯复位电路的设计 磁 芯 复 位 电 路 是 一 种 降 低 变 换 器 成 本 的 关 键 技 术 , 磁 -------------------------------------------- *** * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 博士 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 一、单 项 1.D 2.C 3.D 4.D 5.D 6.A 7.D 8.D 9.B 10.D 二、不 定 项 BCDE