Przetwornica DC-DC 36V/48V/60V/72V do 12V – schematy, LM5576, UCC2897A, Vicor, TDK-Lambda

Pytanie

schemat Przetwornicy DC do pojazdów elektrycznych DC36V 48V 60V 72V do 12V

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Do obniżenia napięcia trakcyjnego 36 – 72 V DC do 12 V w pojeździe elektrycznym najczęściej stosuje się:
  1. niesymetryczną synchroniczną przetwornicę buck (nieizolowaną) dla mocy ≤ 120-150 W, np. opartą na układzie LM5145/LM5576 lub LM6140.
  2. izolowaną, dwutranzystorową przetwornicę forward (Two-Switch Forward) lub LLC dla mocy 150-400 W, sterowaną np. UCC2897A.
• Schemat blokowy oraz dobór elementów kluczowych (MOSFETy 100 V, cewka/transformator, kondensatory niskiego ESR, sprzężenie zwrotne przez transoptor) przedstawiono poniżej.
• Sprawność projektowa > 90 %, obowiązkowe zabezpieczenia: OVP, OCP, OTP, UVLO, EMI-filter.

Szczegółowa analiza problemu

1. Wymagania wejściowe / wyjściowe

• Vin: 36 – 72 V (rzeczywiste 30 – 90 V z uwagi na rozładowanie/ładowanie pakietu)
• Vout: 12,0 V ± 5 %
• Iout: 5 – 30 A (60 – 360 W) – należy wybrać topologię adekwatnie do obciążenia.
• Środowisko: –25 … +85 °C, wibracje, wilgoć (IP-klasa ≥ IP65 zalecana).
• Normy: UNECE R10 (EMC), ISO 7637-2 (przepięcia), ISO 26262 (funkcjonalne bezpieczeństwo).

2. Dobór topologii

Zalety Buck: prostota, niska cena, brak transformatora. Wady: brak galwanicznej separacji, wysoki prąd wejściowy przy głębokim bucku.
Zalety Two-Switch Forward: izolacja, ograniczone napięcie V_DS≈Vin_max, dobra sprawność do ~400 W.

3. Przykładowy schemat – niesymetryczny Buck 120 W (LM5576)

(układ odpowiada fragmentowi zamieszczonemu w odpowiedzi offline – wzbogacony o synchronizację FET-ów).

Vin 30-90 V ─F1─LC_EMI─CIN─┬─> VCC   LM5576   SW ─L1─┬─ Vout 12 V /10 A
                           │           |            │
                           └──EN/Uvlo──┴──FB─Rdiv───┴─Cout
                             |                    |
                              --- DTVS, NTC, Rcs ---

Kluczowe parametry (dla 10 A, f_sw = 300 kHz):
L1 ≈ 22 µH, ΔI_L ≈ 30 %, R_CS = 0,01 Ω (OCP), MOSFET: 100 V, 18 mΩ, Qg < 50 nC, Schottky 100 V/15 A jako freewheel (lub MOSFET synch.).

4. Przykładowy schemat blokowy – izolowany Two-Switch Forward 300 W

Vin 30-90 V ─ EMI LC ─ Cbulk ─ Q1 │T1_pri│ Q2 ─── GNDin
                     ▲             ▲  ││   ▲
                     | GateDriver_H |  |   | GateDriver_L
                     |              |  |   |
                 UCC2897A  <── Isol. Feedback (TL431 + transoptor)
                     |
                 Housekeeping PSU (aux flyback, bootstrap)

Po stronie wtórnej: prostownik synchroniczny (2×100 V MOSFET) → L_out 5 µH → Cout 2 × 470 µF + 22 µF MLCC.
Przekładnia Np:Ns = 4:1 (przykład) tak, aby przy Vin_min = 30 V i D_max ≈ 0,45 spełnić:

\[ V_{out} = \frac{N_s}{Np} \cdot V{in} \cdot D - V{D} - V{L_ripple} \]

5. Obliczenia przykładowe (Buck)

Indukcyjność:

\[ L = \frac{V_{out}\,(1-D)}{\Delta IL \, f{sw}}, \qquad
D{\text{max}} = \frac{V{out}}{V_{in_min}} \]

Dla Vin_min = 36 V, Vout = 12 V, f_sw = 300 kHz, ΔI_L = 0,3 I_out(=3 A):
D_max = 0,33, L ≈ 22 µH.

6. Płytka PCB i EMI

• Minimalizacja pętli „hot-loop” (Vin – FET – dioda – Cin).
• Strefa wysokiego dV/dt oddzielona od obwodów sterujących.
• Warstwa pełna GND, ścierzka Cu ≥ 200 µm dla prądów > 20 A.
• Mostkowe dławiki typu CMC + kondensatory X2/Y2 w filtrze wejściowym (zgodność R10).

Aktualne informacje i trendy

• GaN 100 V (EPC2218, GaN Systems GS61008) – obniżenie strat przełączania o 30-40 %, f_sw > 1 MHz, mniejsze cewki.
• Układy zintegrowane “Wide-Vin” AEC-Q100: LM5164-Q1 (VIN do 100 V), ADP2444-Q, MPQ8645.
• Moduły hermetyczne IP68 dla mikromobilności: Vicor DCM3623 (9-75 V → 12 V/240 W, 95 %), TDK-Lambda i6A, Murata NMU-12.
• Przejście z 12 V na 24/48 V w architekturze pojazdów (xEV) – projektując warto przewidzieć skalowalność.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Buck bez izolacji zachowuje wspólny minus – uproszczenie instalacji, lecz brak ochrony w razie przebicia.
• Two-Switch Forward zwraca energię magnesowania przez diody clamp – MOSFETy nie widzą 2·Vin, jak w single-switch.
• Dławik wyjściowy należy dobrać na prąd nasycenia I_sat ≥ 1,4 I_out_max; rdzeń proszkowy (sendust, Kool µ) ogranicza straty.
• Sprzężenie zwrotne przez TL431 + PC817 zapewnia izolację 2,5 kV rms.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo użytkownika – separacja SELV 8 mm (powietrze) / 4 mm (izolacja stała) wg IEC 62368-1.
• Homologacja EMC UNECE R10 – pomiary emisji przewodzonej 150 kHz-108 MHz, odporność ISO 7637-2 Pulse-1/2a/3.
• Funkcjonalne bezpieczeństwo – jeśli 12 V zasila układy ADAS, rozważyć koncepcję ASIL-B (redundantne OVP, watchdog).

Praktyczne wskazówki

1. Rozpocznij od symulacji LTspice/PLECS → prototyp 1 oz Cu → termowizja → iteracja PCB 2-3 oz.
2. Stosuj elementy automotive (AEC-Q) – kondensatory polimerowe 63 V/330 µF, MOSFETy o FOM < 3 mΩ·nC.
3. Uruchamiaj z zasilacza laboratoryjnego przez rezystor startowy lub autotransformator DC (np. Bode 400 W).
4. Dodaj złącze testowe do pomiaru prądu pętli wejściowej (Helmholtz clamp).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Buck przy Vin = 72 V i Vout = 12 V pracuje z dużym skokiem di/dt – ryzyko wysokich EMI i strat na cewce.
• Forward wymaga precyzyjnego transformatora – źle zaprojektowany rdzeń skończy w nasyceniu i zwarciu MOSFETów.
• Eksploatacja w IP68 → konieczność zalewania silikonem lub konforem dla uniknięcia korozji konektorów.

Sugestie dalszych badań

• Planarne transformatory na PCB dla zmniejszenia gabarytów.
• Sterowanie cyfrowe (TI C2000, Infineon XMC) – adaptacyjny profiling dead-time, soft-start zależny od temperatury.
• Badanie wpływu materiałów amorficznych (nanokrystalicznych) na sprawność > 96 % przy 200 kHz.

Krótkie podsumowanie

Do zasilania 12 V w pojeździe z baterią 36-72 V stosujemy:
• Synchroniczny buck (≤ 150 W) lub izolowany Two-Switch Forward / LLC (150-400 W+).
• Kluczowe elementy: MOSFETy 100 V, cewka/transformator o odpowiedniej indukcyjności i I_sat, kondensatory niskiego ESR, kontroler z OVP/OCP/OTP.
• Projekt wymaga uwzględnienia norm motoryzacyjnych (EMC, bezpieczeństwo) oraz gospodarki cieplnej.
• Dla skrócenia czasu rozwoju można wykorzystać certyfikowane moduły (Vicor, TDK-Lambda, NTIinnovations).
Staranny projekt PCB oraz prawidłowy dobór topologii gwarantują sprawność > 90 % i niezawodną pracę w trudnych warunkach eksploatacyjnych pojazdu elektrycznego.