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ON-ON&ON-OFF型工作模式的絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路技術(shù)

2021/12/15 9:42:21

阿爾卑斯阿爾派株式會社（ALPS ALPINE CO., LTD.）開發(fā)了一種高性能新絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路技術(shù)、絕緣型TriMagiC Converter。變壓器和諧振電感的磁芯材料不使用鐵氧體，而是采用獨(dú)創(chuàng)開發(fā)的磁芯材料Liqualloy，通過應(yīng)用于ON-ON&ON-OFF型工作模式的電路，在擁有3.3kW大功率的同時，還能實(shí)現(xiàn)峰值96.8%的高轉(zhuǎn)換效率和磁芯總尺寸僅為傳統(tǒng)方式1/3的小型化。通過大功率來滿足自動駕駛和車載信息娛樂系統(tǒng)的高功耗要求，同時通過小型化和高轉(zhuǎn)換效率為EV節(jié)省空間和降低功耗。

研發(fā)背景

對家電產(chǎn)品等各種電子設(shè)備來說，最佳工作的電氣種類（AC/DC）和電壓強(qiáng)度各異，因此需要根據(jù)用途進(jìn)行供電功率轉(zhuǎn)換。執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換要靠功率電子技術(shù)。其中大部分電子設(shè)備采用直流驅(qū)動，因此將直流供電電壓轉(zhuǎn)換成適合不同用途最佳直流電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器承擔(dān)著重要作用。功率轉(zhuǎn)換過程中由于發(fā)熱等原因會發(fā)生功率損耗，因此提高功率轉(zhuǎn)換效率和降低功率損耗有助于電子設(shè)備的節(jié)能且環(huán)保。

尤其在EV中，400V左右的高壓直流電的鋰離子電池日趨成為主流的動力電池，但另一方面由其供電驅(qū)動的車載導(dǎo)航、前燈、電動車窗等電子設(shè)備在12V左右的低壓直流電下工作。車載DC-DC轉(zhuǎn)換器在其中承擔(dān)著電壓轉(zhuǎn)換的任務(wù)。

近年來，隨著碳中和進(jìn)程的加快，在全球范圍內(nèi)汽車尾氣法規(guī)越來越嚴(yán)格。EV的實(shí)用化和普及正在逐步成為迫在眉睫的課題。EV的普及需要憑借基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加大電池容量、減輕車身重量和提高功率轉(zhuǎn)換效率來延長續(xù)航里程等條件。進(jìn)而隨著自動駕駛和車載信息娛樂系統(tǒng)的發(fā)展，汽車的功耗呈上升趨勢。為了解決這些課題，迫切需求包括DC-DC轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的各種功率電子產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。

研發(fā)內(nèi)容

出于常規(guī)安全性考慮，車載DC-DC轉(zhuǎn)換器采用防觸電絕緣型。現(xiàn)有的絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器大致分為兩種，一種是功率雖小但部件數(shù)量少的小尺寸ON-OFF型，另一種是功率雖大但部件數(shù)量多的大尺寸ON-ON型，車載用途要求大負(fù)載大功率（1kW以上），至今采用的是ON-ON型，而ON-ON型要實(shí)現(xiàn)小型化需要提高開關(guān)工作頻率，另一方面還存在功率轉(zhuǎn)換效率下降的課題。

新新絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路技術(shù)、絕緣型TriMagiC Converter，其變壓器和諧振電感的磁芯材料不用鐵氧體，而是采用獨(dú)創(chuàng)開發(fā)的具有低導(dǎo)磁率、高飽和磁通密度、低損耗特性的磁性材料Liqualloy。通過在ON-ON&ON-OFF型工作模式的電路上的應(yīng)用，在擁有3.3kW大功率的同時，還能實(shí)現(xiàn)峰值96.8%的高轉(zhuǎn)換效率和磁芯部件總尺寸僅為傳統(tǒng)方式1/3的小型化。

                   輸出(工作頻率)   磁性體磁芯總體積  每1W的體積(比率)

絕緣型TriMagiC Converter   3.3kW(125kHz)    72264.4mm3      21.9mm3/W(100%)
A公司絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器    1.6kW(100kHz)    108696.8mm3      67.9mm3/W(310%)
B公司絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器    0.6kW(100kHz)    47521.4mm3      79.2mm3/W(362%)

該電路由2臺相同特性的變壓器和ZVS（零電壓開關(guān)）諧振電感的磁芯部件構(gòu)成，通過從半導(dǎo)體開關(guān)器件輸入的電流，2臺變壓器交替執(zhí)行ON-ON和ON-OFF工作。因此在ON-ON時和ON-OFF時，變壓器既能輸出又能蓄積能量，所以磁通密度的上升是通常ON-OFF型的1/2左右。這種蓄積工作能取代濾波線圈的整流作用，因此無需濾波線圈。進(jìn)而憑借Liqualloy的高飽和磁通密度特性，故能實(shí)現(xiàn)磁芯部件的小型化和電路的小型化。另外，由于磁通密度的變化量降低，因此還能實(shí)現(xiàn)大功率和高轉(zhuǎn)換效率。

在電源電路中，小型化和高轉(zhuǎn)換效率被視為主要的附加價值。在此之前，功率半導(dǎo)體和電容器的組成和精細(xì)化技術(shù)推動了小型化的發(fā)展。近年來，通過使用低開關(guān)轉(zhuǎn)換損耗的SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等新一代半導(dǎo)體開關(guān)來提高開關(guān)工作頻率，在維持高轉(zhuǎn)換效率的同時又實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的小型化。但通過這種方式提高轉(zhuǎn)換效率是有限的。此次開發(fā)的ON-ON&ON-OFF型工作模式電路，著眼于無法通過組成和精細(xì)化來實(shí)現(xiàn)小型化的磁芯部件，通過運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的磁芯材料Liqualloy，在不提高開關(guān)工作頻率的情況下實(shí)現(xiàn)了小型和高轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)。

預(yù)計(jì)在2022年4月開始供應(yīng)使用Liqualloy磁芯材料的部件樣品（2022年2月開始承接客戶定制需求）。目前正計(jì)劃在2022年3～4月根據(jù)客戶需求準(zhǔn)備提供絕緣型TriMagiC Converter功能評估板。通過供樣開展市場調(diào)查和性能評估等活動，爭取在2023年10月上市銷售使用Liqualloy磁芯、變壓器和諧振電感等各種組件，進(jìn)一步為EV的節(jié)省空間和降低功耗作貢獻(xiàn)。

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