絕緣型“TriMagiC Converter?”ON-ON&ON-OFF型工作模式的絕緣型DC-DC轉換器電路技術(shù)的開(kāi)發(fā)
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阿爾卑斯阿爾派株式會(huì )社（TOKYO：6770、代表取締役社長(cháng)：栗山 年弘、總部：東京、下稱(chēng)“阿爾卑斯阿爾派”）開(kāi)發(fā)了高性能新絕緣型DC-DC轉換器※1電路技術(shù)、
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202111/429568.htm絕緣型“TriMagiC Converter?”。其變壓器※2和諧振電感※3的磁芯材料不使用鐵氧體※4，而是采用獨創(chuàng )開(kāi)發(fā)的磁芯材料“Liqualloy?”※5，通過(guò)應用于ON-ON&ON-OFF型工作模式的電路，在擁有3.3kW大功率的同時(shí)，還能實(shí)現峰值96.8%的高轉換效率和磁芯總尺寸僅為傳統方式1/3的小型化。通過(guò)大功率來(lái)滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛和車(chē)載信息娛樂(lè )系統的高功耗要求，同時(shí)通過(guò)小型化和高轉換效率為EV節省空間和降低功耗。今后阿爾卑斯阿爾派將通過(guò)提供樣品來(lái)進(jìn)行市場(chǎng)調查和性能評估，爭取在2023年10月上市銷(xiāo)售使用“Liqualloy?”的磁芯和變壓器、諧振電感等各種組件。
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研發(fā)背景
對家電產(chǎn)品等各種電子設備來(lái)說(shuō)，最佳工作的電氣種類(lèi)（交流（AC）/直流（DC））和電壓強度各異，因此需要根據用途進(jìn)行供電功率轉換。執行功率轉換要靠功率電子技術(shù)。其中大部分電子設備采用直流驅動(dòng)，因此將直流供電電壓轉換成適合不同用途最佳直流電壓的DC-DC轉換器承擔著(zhù)重要作用。功率轉換過(guò)程中由于發(fā)熱等原因會(huì )發(fā)生功率損耗，因此提高功率轉換效率和降低功率損耗有助于電子設備的節能且環(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(dòng)力電池，但另一方面由其供電驅動(dòng)的車(chē)載導航、前燈、電動(dòng)車(chē)窗等電子設備在12V左右的低壓直流電下工作。車(chē)載DC-DC轉換器在其中承擔著(zhù)電壓轉換的任務(wù)。
近年來(lái)，隨著(zhù)碳中和進(jìn)程的加快，在全球范圍內汽車(chē)尾氣法規越來(lái)越嚴格。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設施建設，加大電池容量、減輕車(chē)身重量和提高功率轉換效率來(lái)延長(cháng)續航里程等條件。進(jìn)而隨著(zhù)自動(dòng)駕駛和車(chē)載信息娛樂(lè )系統的發(fā)展，汽車(chē)的功耗呈上升趨勢。為了解決這些課題，迫切需求包括DC-DC轉換器在內的各種功率電子產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng )新。
研發(fā)內容
出于常規安全性考慮，車(chē)載DC-DC轉換器采用防觸電絕緣型?，F有的絕緣型DC-DC轉換器大致分為兩種，一種是功率雖小但部件數量少的小尺寸ON-OFF型，另一種是功率雖大但部件數量多的大尺寸ON-ON型，車(chē)載用途要求大負載大功率（1kW以上），至今采用的是ON-ON型，而ON-ON型要實(shí)現小型化需要提高開(kāi)關(guān)工作頻率，另一方面還存在功率轉換效率下降的課題。
此次我公司新開(kāi)發(fā)了新絕緣型DC-DC轉換器電路技術(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，而是采用我公司獨創(chuàng )開(kāi)發(fā)的具有低導磁率、高飽和磁通密度、低損耗特性的磁性材料“Liqualloy?”。通過(guò)在ON-ON&ON-OFF型工作模式的電路上的應用，在擁有3.3kW大功率的同時(shí)，還能實(shí)現峰值96.8%的高轉換效率（圖1）和磁芯部件總尺寸僅為傳統方式1/3的小型化（圖2）。
圖1
輸出 (工作頻率) | 磁性體磁芯總體積 | 每1W的體積 (比率) | |
我公司 絕緣型TriMagiC Converter? | 3.3kW (125kHz) | 72264.4mm3 | 21.9mm3/W (100%) |
A公司 絕緣型DC-DC轉換器 | 1.6kW (100kHz) | 108696.8mm3 | 67.9mm3/W (310%) |
B公司 絕緣型DC-DC轉換器 | 0.6kW (100kHz) | 47521.4mm3 | 79.2mm3/W (362%) |
圖2 磁芯部件總尺寸比較示例
該電路由2臺相同特性的變壓器和ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）諧振電感的磁芯部件構成，通過(guò)從半導體開(kāi)關(guān)器件輸入的電流，2臺變壓器交替執行ON-ON和ON-OFF工作（圖3）。因此在ON-ON時(shí)和ON-OFF時(shí)，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(xiàn)圈的整流作用，因此無(wú)需濾波線(xiàn)圈。進(jìn)而憑借“Liqualloy?”的高飽和磁通密度特性，故能實(shí)現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)現大功率和高轉換效率。
圖3 ON-ON&ON-OFF工作模式基本電路結構
在電源電路中，小型化和高轉換效率被視為主要的附加價(jià)值。在此之前，功率半導體和電容器的組成和精細化技術(shù)推動(dòng)了小型化的發(fā)展。近年來(lái)，通過(guò)使用低開(kāi)關(guān)轉換損耗的SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等新一代半導體開(kāi)關(guān)來(lái)提高開(kāi)關(guān)工作頻率，在維持高轉換效率的同時(shí)又實(shí)現了進(jìn)一步的小型化。但通過(guò)這種方式提高轉換效率是有限的。此次我公司開(kāi)發(fā)的ON-ON&ON-OFF型工作模式電路，著(zhù)眼于無(wú)法通過(guò)組成和精細化來(lái)實(shí)現小型化的磁芯部件，通過(guò)運用獨創(chuàng )的磁芯材料“Liqualloy?”，在不提高開(kāi)關(guān)工作頻率的情況下實(shí)現了小型和高轉換效率的特點(diǎn)。
絕緣型“TriMagiC Converter?”用于功能評估的DC-DC轉換器樣機
關(guān)于今后
今后，我們預計在2022年4月開(kāi)始供應使用“Liqualloy?”磁芯材料的部件樣品（2022年2月開(kāi)始承接客戶(hù)定制需求）。目前正計劃在2022年3～4月根據客戶(hù)需求準備提供絕緣型“TriMagiC Converter?” 功能評估板。我們將通過(guò)供樣開(kāi)展市場(chǎng)調查和性能評估等活動(dòng)，爭取在2023年10月上市銷(xiāo)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的節省空間和降低功耗作貢獻。
【主要特點(diǎn)】
同時(shí)實(shí)現大功率、高轉換效率、小型的新絕緣型DC-DC轉換器電路技術(shù)
① 在主變壓器中采用ON-ON&ON-OFF型工作模式下的低導磁率、高飽和磁通密度、低損失的“Liqualloy?”。
② 3.3kW大功率、峰值96.8%的高轉換效率、磁芯部件總尺寸是現有產(chǎn)品的1/3，實(shí)現了小型化。
③ 在不提高開(kāi)關(guān)工作頻率的情況下，使用低損耗SiC，實(shí)現高水平的小型和高效率特點(diǎn)。
【主要用途】
● 車(chē)載DC-DC轉換器
● 服務(wù)器
● 基站電源等
【主要規格】
樣件名 （編號） | 絕緣型“TriMagiC Converter?” （LTMCi330AA） |
外形尺寸 （橫寬×進(jìn)深×部件高度） | 230.0mm×115.0mm×30.0mm |
輸入 | DC360V （DC270V-450V） |
輸出 | DC13.5V 244A (3.3kW) |
控制電路輔助電源 | DC12V 0.4A （從2次側外部） |
形態(tài) | 開(kāi)放式機框、強制風(fēng)冷 |
※1 將直流電壓轉換成適合不同用途的最佳直流電壓的裝置。
※2 利用電磁感應進(jìn)行交流電源電壓轉換的電子部件。
※3 用于降低功率半導體開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中損失的軟開(kāi)關(guān)。
※4 以氧化鐵為主要成分的陶瓷的總稱(chēng)。具有高導磁率、低飽和磁通密度、低損耗的特點(diǎn)。作為磁芯材料被廣泛應用。
※5 阿爾卑斯阿爾派獨創(chuàng )開(kāi)發(fā)的磁性材料。具有低導磁率、高飽和磁通密度、低損耗的特點(diǎn)。
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