DC/DC-Wandler im Automobilbereich Klein, aber oho

Leistungselektronik im Automobilbereich.
Leistungselektronik im Automobilbereich.

In der Automobil-Leistungselektronik sind Hochleistungs- Antriebsumrichter und Ladegeräte ein wichtiges Thema. Doch in Fahrzeugen gibt es auch zahlreiche Anwendungen für DC/DC-Wandler geringerer Leistung. Für diese verfügt Recom über die nötige Konstruktions- und Fertigungsqualifizierung.

Elektrische Spitzenleistungen in Fahrzeugen können extrem sein. Zum Beispiel benötigt der Verbrennungsmotor zum Anlassen bei einem Kaltstart etwa 2 kW aus einer Blei-Säure-Batterie und ein Höchstleistungs-Elektrofahrzeug im »Ludicrous«-Modus bezieht mehr als 400 kW aus einem 400-V-Lithium-Ionen-Akku. Nichtsdestotrotz die Kapazität eines Akkus ist begrenzt. In diesem Zusammenhang schafften es in jüngster Zeit einige Stromwandler in die Schlagzeilen, da sie durch moderne Halbleitertechnik weiterentwickelt wurden und damit ihr Wirkungsgrad verbessert und ihr Gewicht und ihre Größe reduziert wurden. Zudem konnten die Verluste um Prozentbruchteile vermindert werden.

DC/DC-Wandler in Fahrzeugen

Autoelektronik muss in einer rauen Umgebung funktionieren und für den Einsatz qualifiziert sein. Dafür sind internationale und OEM-spezifische Standards hinsichtlich Qualität, Design und Konstruktion zu erfüllen.

In Fahrzeugen gibt es Subsysteme der Energieumwandlung, die genauso kritisch wie im Antriebsstrang sein können: Batterieladung mit 12 V und 48 V, Hilfs-DC-Stromversorgungen sowie Wandler für die Bereitstellung diverser niedriger Spannungen – von Batterie-Managementsystemen in Elektrofahrzeugen über Fahrerassistenzsysteme (FAS) bis zu Infotainment (Bild 1).

Auf der untersten Stufe beträgt die Leistung nur wenige Watt, so besteht die Erwartung, dass die verwendeten Wandler dementsprechend winzig sind. Daher sind die Anforderungen an einen hohen Wirkungsgrad, begrenzte Temperaturen und hohe Zuverlässigkeit ebenso ein Thema wie bei höheren Leistungen. Und auch in diesen Anwendungsfällen ist die Umgebung rau, mit extremen und schwankenden Temperaturen sowie Schwingungen und Stößen.

Jedoch haben Wandler auf der Platine meistens keinen Kühlkörper oder aktive Luftkühlung und sind von der Konvektion im engen und oft versiegelten Bereich abhängig. Automobilanwendungen mit Stromwandlern geringer Leistung sind hinsichtlich ihrer Funktionen den IT-, Industrie- und sogar Heimanwendungen ähnlich. Beispielsweise gibt es auch im Fahrzeug Anforderungen zur Bereitstellung isolierter Stromkreise für CAN- und Ethernet-Kommunikationsbusse, Versorgungen unter 1 V für Prozessoren, FPGAs und ASICs sowie 12 V für ältere Ausrüstung und Entertainment-Systeme des Zubehörmarktes.

Mit solch vielfältigen Anforderungen konfrontiert, suchen die Konstrukteure modulare DC/DC-Wandler, die eine schnelle Marktreife versprechen – mit einer vorqualifizierten Lösung, aber ohne deutlich höhere Gesamtkosten über die Lebensdauer gegenüber einem diskreten Design. Genau diesen Markt adressiert jetzt der Hersteller Recom.

Die Umgebung der Leistungselektronik im Fahrzeug

Für modulare DC/DC-Wandler mit kommerziell, industriell und sogar für Luftfahrt qualifizierten Bauteilen gibt es einen riesigen Markt. Doch die Eingangsspannungsbereiche der serienmäßigen Bauteile sind für den Automobilbereich oft ungeeignet. Batterien mit 12 V und 24 V sind in allen Fahrzeugarten weit verbreitet. In konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor kann die Spannung in einem weiten Bereich variieren – von Startbedingungen in kalter Umgebung bis zu hohen Überspannungen bei Lastabwurf.

Der Standard LV124, auch als VW80000 bekannt, definiert die Werte für Systeme mit 12-V-Nennspannung, und der Standard LV148 gilt für Systeme mit 48 V, wie sie in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) üblich sind (Bild 2). Dabei handelt es sich um Spannungen aus Quellen mit hoher Leistung. Zudem sind auch Transienten hoher Spannung mit beiden Polaritäten, aber geringerer Leistung, verfügbar. Die Standards ISO-7637-2 und ISO 16750-2 sind für Stromversorgungsleitungen anwendbar.

Den vollständigen Schwankungsbereich eines 12-V-Systems im Auto erfüllt nur ein DC/DC-Wandler, der speziell für den Automobilbereich entwickelt ist. Bei 48-V-Systemen ist es allerdings möglich, dass ein Wandler mit 4:1-Eingangsbereich den Eingang von 18 bis 72 V erfüllt, beispielsweise ein Wandler aus dem Telekommunikations-Angebot von Recom.

Die Spezifikationen im Automobilbereich enthalten normalerweise auch Verpolungsschutz und Immunität gegenüber schnellen transienten Überspannungen, sodass in jedem Fall ein externes Schutz- und Filternetzwerk erforderlich ist. Die LV-Standards definieren außerdem verschiedene Absenkungen, langsam veränderliche Spannungszustände sowie den Nennwerten überlagerte Wechselspannungen mit bis zu 6 V Spitze-Spitze mit Frequenzen von 15 Hz bis 200 kHz. Für Wandler mit geringer Leistung kann jedoch eine Stromversorgung verfügbar sein, die bereits für die Versorgung anderer Ausrüstung gefiltert und geschützt ist.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein entscheidendes Element in den Automobilsystemen, denn DC/DC-Wandler sind potenzielle Störquellen wegen des Schaltbetriebes aus Effizienzgründen. Typisch wird die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte des Standards CISPR-25 gefordert, was häufig eine zusätzliche Hochfrequenzfilterung zur in üblichen modularen DC/DC-Wandlern integrierten Filterung erfordert. Die Wandler müssen neben der statischen Entladung auch gegenüber den spezifizierten leitungsgebundenen und abgestrahlten Werten elektromagnetischer Störungen immun sein. Hersteller wie Recom haben sich diesem Thema für alle Anwendungen angenommen und bieten Filterdesigns sowie Musterplatinen an, die die Regeltreue mit verschiedenen EMV-Normen beweisen.

Hinsichtlich der Umgebungsbedingungen kann der Automobilbereich sehr von anderen Bereichen abweichen und möglicherweise sogar rauer als der Militärbereich sein, wo Geld für exotische Kühlsysteme und schwingungssichere Anordnungen verfügbar ist. DC/DC-Wandler in Industriequalität scheinen am besten für Fahrzeuge geeignet, weil sie häufig für Betriebstemperaturen von -40 °C bis 105 °C oder mehr ausgelegt sind, was in die Spezifikation für Elektrofahrzeuge fällt. Temperaturschocks können jedoch ein Problem sein.

Die Industrieumgebung ist relativ konstant, wohingegen die Temperatur an verschiedenen Stellen das Fahrzeugs rapide wechseln kann – etwa von arktischer Kälte zu großer Hitze beim Start unter arktischen Bedingungen oder bei hohen Temperaturen im Innenraum eines in der Sonne geparkten Autos zum gekühlten Zustand bei laufender Klimaanlage.

Auch die Spezifikationen für mechanische Stöße und Schwingungen können im Automobilbereich streng sein, wobei die Industriespezifikationen allgemein wieder inadäquat sind. ISO 16750-3 ist ein Standard für Straßenfahrzeuge für Stöße, Schwingungen und andere Bedingungen, die je nach Anwendung in verschiedenen Abstufungen gelten. Der Standard basiert jedoch auf herkömmlichen Kolbenmotoren und den daraus folgenden Schwingungen, sodass er bei manchen Aspekten der Elektromobilität vielleicht unrealistisch ist.

Die Beschleunigungen im Standard reichen bis zu 200 m/s2 bei bestimmten Frequenzen und über einen Temperaturbereich von -40 °C bis zur maximal angegebenen Umgebungstemperatur für die Anwendung. Die in der Norm definierten mechanischen Stöße sind für alle Fahrzeugarten relevant und können bis zu 50.000 m/s2 (5100g) für 1 ms in den schwersten Fällen für die Getriebehalterung in kommerziellen Fahrzeugen betragen.

AEC-Q Prüfung für Stromwandler

Stromwandler für kritische Anwendungen wie Sicherheitssysteme und Motorsteuerungen sind häufig diskret aufgebaut, in andere Elektronik eingebettet und aus Bauteilen gefertigt, die gemäß der maßgeblichen Stresstest-Spezifikationen zertifiziert sind. In Bereichen, wo modulare DC/DC-Wandler in Betracht kommen, erfordern die Wandler normalerweise eine spezielles Design und eine Qualifizierung, um die elektrischen Anforderungen zur Qualität, Umwelt und EMV im Automobilbereich zu erfüllen. Die Industriestandards für die Stresstest-Qualifizierung von Elektronik wurden vom Automotive Electronics Council (AEC) [1] veröffentlicht.

Das 1990 von Chrysler, Ford und Delco Electronics gegründete AEC zielte auf gemeinsame Standards für Qualität und Qualifizierung von elektronischen Bauteilen im Automobilsektor. Die AEC-Q-Dokumente mit den Standards der Society of Automotive Engineers (SAE) sowie die der IEC/ISO zusammen mit einem Qualitätssystem gemäß IATF 16949:2016 definieren die Mindestanforderungen für den Zugang von Bauelementeherstellern zur Automobilbranche. Jedoch gelten die AEC-Q-Standards nicht direkt für DC/DC-Wandler, sodass ein Hersteller den am besten geeigneten wählen muss – normalerweise AEC-Q200 für passive Bauelemente.

AEC-Q200 und die Teildokumente 001 bis 007 für passive Bauelemente betreffen einen großen Teil der Bauelemente und ihrer Prüfung. Die Anwendung ist nach der Temperatur klassifiziert. Dabei ist zu beachten, dass Bauelemente der Klasse 0 für 150 °C spezifiziert sind, 10 °C mehr als für integrierte Schaltkreise gemäß AEC-Q100. Im Übrigen dienen die AEC-Q-Standards zur Selbstzertifizierung der Zulieferer und nicht für Prüfstellen zum Nachweis der Compliance.

Zudem sind diese Normen das Basisniveau, wobei einzelne Kunden der Automobilbranche auf jeder Ebene weitere Qualifizierungsanforderungen für Bauelemente für ihren speziellen Einsatz auferlegen können. Speziell für die Automobilbranche gibt es viele Prüfverfahren, jedoch beziehen sich die AEC-Q-Standards auch auf andere Quellen für allgemeine Prüfungen wie MIL-STD-883, JEDEC, JESD, IPC und UL.

Kürzlich lies Recom einige seiner DC/DC-Wandler für die Nutzung im Automobilbereich qualifizieren. Beispielsweise ist der R-78Q5.0-0.3 ein hocheffizienter, nicht isolierter DC/DC-Wandler mit extra großem Eingangsspannungsbereich von 6,5 V bis 72 V sowie einem Ausgang von 5 V mit 0,3 A.

Seine Pinbelegung ist kompatibel zu Linearreglern mit drei Anschlüssen und daher für den direkten Anschluss an die 48-V-Batterie in Hybrid-Elektrofahrzeugen geeignet. Durch den großen Eingangsspannungsbereich von 11: 1 können die Kosten einer Eingangsüberspannungsklemme gespart werden. Thermoschock-Zyklen sind ein kritischer Bestandteil von Stresstests zur Automobilqualifizierung. Das von Recom verwendete Profil ist in Bild 3 dargestellt. Die Teile R-78Q und RAQ haben kürzlich die erforderlichen 1000-Zyklen-Tests erfolgreich abgeschlossen.

Ein weiteres für den Automobilbereich qualifiziertes Bauelement ist der RAQ-0505S (Bild 4), ein isolierter DC/DC-Wandler zur allgemeinen Verwendung für Anwendungen im Automobilbereich, bei denen eine gefilterte Spannung mit 5 VDC bereits am Eingang verfügbar ist, um einen ungeregelten Ausgang mit 5 V und 1 W mit permanenter Kurzschlussfestigkeit zu liefern.

Für RAQ-0505S/H wurde ein ähnlicher AEC-Q-Testplan wie für den R-78Q entwickelt, der auch die relevanten Anforderungen von AEC-Q200 und AEC-Q104 enthält. Letzterer ist ein relativ neuer Standard, der im September 2017 veröffentlicht wurde und sich auf »Multi-Chip«-Module mit aktiven und passiven Komponenten bezieht, die zu einem einzigen Paket für die Reflow-Lötbefestigung auf einer Leiterplatte kombiniert sind.

5 V für einen CAN-Bus-Datentrenner zu erzeugen ist eine typische Anwendung des Bauteils. Die Isolationseinstufung des SMT-Wandlers ist 5 kV DC/1s (2,8 kV AC/1min) mit >4 mm Kriechstrecke. Eine weitere wesentliche Anwendung ist die Versorgung von High-Side-Stromsensoren in den Batterie-Managementsystemen in Elektrofahrzeugen (Bild 5). Dort hat die Sensorschaltung einen Offset von der Systemerdung um die 400-V-Batteriespannung, aber benötigt lokal 5 V, die isoliert sein müssen, sodass der Ausgang auf den Sensor bezogen werden kann.

Der RAQ-0505S arbeitet von -40 °C bis 105 °C ohne Derating und das Design ist gemäß AEC-Q200 verifiziert – für Lebensdauer, Stoß und Schwingung, Leiterplatten-Flexibilität und thermische Zyklen (1000 Zyklen). Die DC/DC-Wandler sind nach IEC60950-1 für die Basisisolierung zertifiziert. Die Störemissionen sind konform zu CISPR-25 Stufe 3 und EN55032, jeweils mit einem externen Filter. Die Zuverlässigkeit beträgt eine Million Stunden bei 105 °C gemäß MIL-HDBK 217F.

Qualitätsanforderungen: IATF-16949:2016 und PPAP

Bei Lieferanten von Bauteilen für den Automobilmarkt wird vorausgesetzt, dass sie nach dem Qualitätssystem zertifiziert sind, welches die International Automotive Task Force im Standard IATF 16949:2016 definiert hat. Als Erweiterung zu ISO9001 ist der Standard prozessorientiert und gilt durch die Organisation von der Unternehmensführung über die Fertigungsprozesse bis hin zum Kundendienst. Die Zertifizierung ist ein langwieriger Prozess, der eine umfangreiche Dokumentation, interne Audits und externe Begutachtung erfordert.

Zudem muss das Qualitätsmanagementsystem über einen gewissen Zeitraum die Compliance nachweisen, bevor die volle Zertifizierung gewährt wird. Der Lieferant muss auch ein Produktionsteil-Freigabeverfahren (PPAP) durchführen, was die Freigabe von Konstruktionen und Verfahren vor, während und nach der Fertigung steuert. Bei Prozess- oder Fertigungsänderungen gibt es fünf Schweregrade, die unterschiedliche Maßnahmen vom Lieferanten erfordern. Der Produktionsstandort von Recom in Taiwan hat die volle IATF-16949:2016-Zertifizierung und betreibt ein konformes PPAP-System.

Andere Produkte in Automobil-Anwendungen

Andere Produkte von Recom durchlaufen ähnliche Tests bezüglich der Umgebung, einen beschleunigten Lebensdauertest (HALT) und Produktionstests für das RAQ-Bauteil und erfolgen in derselben für den Automobilbereich freigegebenen Einrichtung, sodass diese modularen DC/DC-Wandler in Industriequalität im weiten Bereich unkritischer Anwendungen in Fahrzeugen und Ladestationen ebenfalls ihren Platz finden können. CAN-Bus-Isolatoren sind eine beliebte Anwendung der RKE-Baureihe, die RB-Bauteile werden in Leckstromdetektoren in Autos eingesetzt und die RP- und RKE-Bauteile finden sich in Ladegeräten an Bord, um nur ein paar Beispiele zu nennen.

DC/DC-Wandler mit großem Eingangsbereich wie der REC15E-Z mit 6 bis 36 V oder 18 bis 75 V Eingangsspannung passen für Bordsysteme mit 12 V und 48 V Nennspannung mit entsprechenden Filtern. Die AC/DC-Produkte der RAC-Baureihen finden als Hilfsversorgung in Auto-Ladeschaltungen ihre Anwendung. Besonders nützlich ist der RAC05-05SK480 mit seinem Eingangsspannungsbereich bis zu 528 VAC, der zwischen den Phasen an einem Drehstrom-Ladegerät angeschlossen werden kann und die Schaltung versorgt, die die Fahrzeugverbindung erkennt und die Ladestation aktiviert.

Bidirektionale AC/DC-Anwendungen

Power Control Systems [2], jetzt Teil der Recom-Gruppe, ist ein Lieferant für individuelle Hochleistungslösungen mit hoher Zuverlässigkeit für die Branchen Eisenbahn, Medizin, Militär und Energietechnik. Ein kürzlich vorgestelltes 10-kW-Produkt ist ein bidirektionaler AC/DC-Wandler (Bild 6). Die erste Version nutzt einen Drehstromeingang für eine Ausgangsleistung von 20 V mit 500 A. Durch den integrierten bidirektionalen Energiefluss hat die Komponente für die kontrollierte Ladung und Entladung von Akkus zur Konditionierung Anwendung gefunden.

Potenziell kann sie zur interaktiven Ladung von Elektrofahrzeugen im Heimbereich genutzt werden. Beispielsweise kann ein Elektrofahrzeug bei einem gewählten günstigen Tarif oder von einer Solaranlage geladen werden und alle zusätzlichen Ladungen werden zur Versorgung zurückgeleitet, wenn der Tarif höher ist, oder werden zur Gutschrift ins Netz eingespeist. Das Gerät hat eine digitale Schnittstelle zur Steuerung und Überwachung der Lade- und Entladezyklen.

Zeit und Geld sparen

Modulare Stromwandler von Recom können eine kostengünstige Lösung für Automobil-Anwendungen mit wettbewerbsfähigen Einzelpreisen sowie Einsparungen bei Entwicklungs- und Zertifizierungszeit sein, was zu geringeren Gesamtkosten gegenüber diskreten Lösungen führt. Die Recom-Gruppe kann zusammen mit der Power Control Systems Produkte von 1 W bis 10 kW anbieten und hat ein wachsendes Portfolio an AEC-Q-qualifizierten Bauteilen.