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48-V-Batteriesystem drosselt Kraftstoffverbrauch

Die Zukunft für das 48-V-Batteriesystem ist schon sehr nahe. Laut einigen Automobilherstellern resultiert ein auf 48 V basierendes elektrisches System in 10% bis 15% Kraftstoffeinsparung bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, was zu reduzierten CO₂-Emissionen führt.

Darüber hinaus werden es künftige Fahrzeuge, die dieses doppelte 48-V-/12-V-System verwenden, es den Ingenieuren erlauben, eine elektrische Booster-Technologie zu integrieren, die unabhängig von der Motorlast arbeitet und deshalb die Beschleunigung verbessert. Da sie sich bereits in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase befinden, ist der Kompressor zwischen der Induktionsanlage und dem Intercooler angeordnet und nutzt 48 V, um die Turbos anlaufen zu lassen.

Deshalb ist es klar, dass es einen Bedarf für einen bidirektionalen Abwärts- und Aufwärtswandler gibt, der zwischen den beiden 12-V- und 48-V-Bordnetzen wandelt. Dieser Wandler kann benutzt werden, um die Batterie aus den 12-V- und 48-V-Bordnetzen zu laden und erlaubt es beiden Batterien Strom an den gleichen Verbraucher zu liefern, wenn nötig. Die meisten der ersten 48-V-/12-V-Zweifach-Batterie-DC/DC-Wandler-Designs verwenden unterschiedliche Leistungskomponenten, um die Spannung hoch bzw. herunter zu wandeln. Als Ergebnis hat Linear Technology den LTC3871 entwickelt und produziert, einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, der die gleichen externen Komponenten für die Aufwärtswandlung wie für das Herunterwandeln der Spannung benutzt.

Bidirktionaler Wandler ver­bindet 12- und 48-V-Bus

Der LTC3871 ist ein bidirektionaler, zweiphasiger, synchroner 100 V/30 V-aufwärts- oder abwärtswandelnder Controller der die bidirektionale DC/DC-Steuerung und das Batterieladen zwischen den 12-V- und 48-V-Bordnetzen ermöglicht. Er arbeitet im Abwärtswandel-Modus am 48-V-Netz auf den 12-V-Bus oder im Aufwärtswandel-Modus von 12 V auf 48 V. Jeder Modus wird über ein angelegtes Steuersignal nach Bedarf konfiguriert. Bis zu 12 Phasen können parallel gelegt und außerhalb der Phase getaktet werden, um die Anforderungen an das Filtern des Ein- und Ausgangs in Hochstromanwendungen zu minimieren (bis zu 250 A). Seine Strom-Modus-Architektur bietet exzellenten Stromabgleich zwischen den Phasen, wenn sie parallel geschaltet sind. Mit einem 12-Phasen-Design können im Abwärts- oder Aufwärts-Wandelmodus bis zu 3 kW Leistung geliefert werden.

Wenn man das Automobil startet, oder wenn zusätzliche Leistung erforderlich ist, erlaubt es der LTC3871 beiden Batterien gleichzeitig Energie zu liefern durch das Wandeln von Energie von einem Bordnetz in das andere. Bis zu 97% Wirkungsgrad können erzielt werden und die Stromprogrammierschleife auf dem Chip regelt den maximalen Strom der zur Last aus jeder Richtung geliefert werden kann. Vier Regelschleifen zwei für Strom und zwei für Spannung erlauben die Steuerung von Spannung und Strom sowohl an den 48-V- als auch den 12-V-Bordnetzen.

Vom Anwender wählbare Festfrequenz

Der LTC3871 arbeitet mit einer vom Anwender wählbaren Festfrequenz zwischen 60 und 475 kHz und kann mit einem externen Takt über den gleichen Bereich synchronisiert werden. Der Anwender kann wählen zwischen kontinuierlichem Betrieb oder Puls-Skipping-Betrieb bei kleiner Last. Zusätzliche Funktionen umfassen Schutz vor Überlast oder Kurzschluss, unabhängige Schleifenkompensierung bei Auf- und Abwärtswandelbetrieb, EXTVcc für einen erhöhten Wirkungsgrad, ±1% Fehler der Ausgangsspannungsregelung über die Temperatur, zusammen mit Unter- und Überspannungssperre. Der LTC3871 wurde nach den AEC-Q100-Spezifikationen spezifiziert und für das Diagnoseniveau in ISO-26262-Systemen ausgelegt.

Der LTC3871 wird in einem thermisch verbesserten LQFP-Gehäuse mit 48 Anschlüssen geliefert. Es sind drei Betriebstemperaturbereiche verfügbar, die zwischen –40 und 125 °C für den erweiterten und industriellen Temperaturbereich arbeiten sowie in einem Hochtemperatur-Automobilbereich von – 40 bis 150 °C. Bild 1 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel. Der P-Kanal-MOSFET der oben im Bild dargestellt ist, dient zum Schutz vor Überstrom und Kurzschluss.

DC/DC-Wandler

Digitale Systeme im Kfz und Flugzeug aus dem Bordnetz versorgen

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