【導讀】用于汽車的被動器件不同于一般民用產品,一直要求具有高信賴性,能適應高溫,振動,沖擊這類嚴酷的環境。特別是驅動控制系的被動器件發生問題,很可能會引起重大事故。為了防止控制系的不良發生,生產被動器件時,應在汽車專用工序生產線上徹底實施特殊的品質管理。
從前,在車載用這一框架范圍里,如果是用于汽車的話,要求所有的零部件都具備高信賴性,連材料,構造都采用專用物品。
但是,同樣是用于汽車,使用的部位不同,對零部件的要求也不盡相同。因此,近來根據不同要求的使用環境,更細化地選擇最合適的零部件,總成本也降低了。
比如:使用在引擎,動力傳輸,排氣這種驅動系部位時,就需要使用車載信賴性達到可對應125~175度的部件。汽車導航,車載影音,ETC系統這種使用在車廂內部的情況,也可以采用適用溫度范圍在105度以下的一般民用被動器件。
關于使用在高溫環境下的被動器件,不僅是在材料方面選擇耐高溫的材料,還需要應付由于各種材料熱膨脹產生的應力對器件造成的破壞(裂縫等)。部件的形狀越大,發生的應力就越大,所以就需要下功夫想辦法減小熱沖擊時的應力。
舉個例子:SMD Power Inductor 為了減少基板的膨脹應力,不依靠粘著劑,采用發生應力較少的應力釋放(Stress Release)構造的端子構造。
另外,比較下組成電感的主要材料,磁性體,卷線和端子,熱膨脹系數有很大差異的樹脂底座和粘著劑等輔助材料,都盡可能不使用或少使用,不單在基板的應力上下功夫,還努力抑制產品內部應力的產生。
近年來,在不斷應對環保,汽車節省燃油費,安全化的進程中,測試胎壓系統(TPMS),無鑰進入系統(RKE),汽車防盜系統(Immobilizer)等越來越多的使用起接收電波的天線線圈(Transponder Coil)另外,加上ECU和安全氣囊,HEV的逆變器(Inverter)控制,ECB,HID leveling,EPS升壓,帶AFS功能的HID,車載相機,及車輛控制都導入了新的通信控制系統,電子器件也不斷進入,汽車的電子化進程越來越快了。隨著使用的車載器件增加,包括噪音對策部件,被動線圈產品的需求將不斷擴大。
車載電子器件的使用不斷增加,又因為必須最大程度地保證車內空間,所以,各種電子器件將從車內挪至車外,特別會被安裝在引擎等更加惡劣的環境里。
引擎室內裝的不僅是從前的ECU,還有很多其他的零部件,引擎室的空間就更加不夠了。特別是把電池電壓轉換至各種必要電壓的DCDC轉換器的需求增大,安裝的空間就更小了,因此,就要求零部件小型化。
提高開關頻率對DCDC轉換器的小型化轉變很有效。由于開關頻率上升,即便相同的電流值,也能降低電源電感的感值,就能實現小型化。
以前,車載用的DCDC轉換器和一般的民用品相比,一般普遍使用100kHz不到的比較低的驅動,但是最近為了小型化,民用的電子設備里使用的開關頻率迅速上升,過去的環狀卷線型的電源電感小型化了,向SMD化轉變。
環狀卷線的線圈基本上是靠手工卷線,操作員工不同,參差很大。但是由于SMD化后,自動卷線,不僅做到了小型化,更提高了品質的穩定性。
另一方面,汽車大部分都有AM收音,考慮到收音噪音的影響,DCDC轉換器的開關頻率需要避開AM收音頻率帶(AM收音頻率帶540~1620kHz)。
因此,要將開關頻率提高到500kHz以上,就必須一下子把頻率帶做到1.6MHz之上,但是以現狀來看很難。這是轉換器小型化的難點。
另外,電源電感會伴隨發熱,在高溫下使用的情況下,有適用溫度的上限,還受自身升溫的制約。
也就是說假定周圍溫度為室溫~65℃,民用可以上升40℃,與此相對使用在高溫環境下的話,允許溫度上升的空間小,可能會導致通過的電流小于民用產品的電流。
一直以來,一般的電感是以Ni-Zn系的鐵氧體作為磁芯的,這種材料雖然強度較高,但是飽和磁束密度較低,高溫時,飽和磁束密度會降低,在電子部件驅動日趨低電壓,大電流化的今日,這類小型化產品無法對應大電流。要在高溫環境下通過更大的電流,就要使用由飽和磁束密度高且損耗小的Mn-Zn鐵氧體磁芯構成的電感。
一般而言,Mn-Zn鐵氧體材料的電感,磁芯的中腳部分會形成Gap,磁芯的中腳部分開始較容易飽和。如圖4 VLM所示,結構是由口字形磁芯(磁性結合型磁芯)和棒狀磁芯組成。采用了這種構造后,將本來容易產生飽和的中心磁芯的中腳部分分成上下兩部分,在上下根部形成Gap,不易出現部分飽和,能夠容許更大電流通過。
另外,由于Gap分散在卷線的上下兩端,可以減少從Gap泄漏的磁束對卷線的影響。過電流損失減少,電源效率也提高了。再者,還可使用金屬磁芯的電感。它的飽和磁束密度更高,受溫度影響飽和電流的變化很少。如圖6 ERM6050所示。金屬磁芯的電感還有另外一款復合金屬型的電感(圖7 SPM系列)。
我們不能否定電源電感中泄漏的磁束不會引起各9種誤動作,所以就致力于把Gap做到線圈的下方(圖2 LTF5022);把Gap轉到電感內部(圖4 VLM系列)。
受各種電子器件控制的影響,電源電感的可聽頻率帶信號可能重疊,發出嘶響。如果安裝在引擎室內沒有任何問題,但是隨著對車內環境安靜性的提高,這類器件安裝在引擎室之外的場所時,電源電感的低噪音對策就顯得尤為重要。
可聽頻率帶的信號只要通電,就不能完全抑制鳴叫的發生。但是為了降低鳴叫,可以通過采取使用低磁致伸縮材料,減少組成部件,向更小型化發展,及固定部件盡可能把固有頻率提高到可聽頻率帶之上這類方法解決。
如同圖7 SPM系列這類的復合金屬型產品不僅僅能對應高溫時的大電流,因為繞線和磁芯材料是一體成形的,更能有效抑制繞線的振動,降低鳴叫。
隨著今后電動汽車及混合動力車的發展,汽車的電子化也將加速發展。與此同時,對應的被動部件也將不斷地向小型化,生產自動化,SMD化演變。可以預計未來的需求會越來越大。
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