絕緣型“TriMagiC Converter?”O(jiān)N-ON&ON-OFF型工作模式的絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路技術(shù)的開發(fā)

阿爾卑斯阿爾派株式會(huì)社（TOKYO：6770、代表取締役社長(zhǎng)：栗山 年弘、總部：東京、下稱“阿爾卑斯阿爾派”）開發(fā)了高性能新絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)換器^※1電路技術(shù)、

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(dú)創(chuàng)開發(fā)的磁芯材料“Liqualloy?”^※5，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(shí)，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(dòng)駕駛和車載信息娛樂系統(tǒng)的高功耗要求，同時(shí)通過小型化和高轉(zhuǎn)換效率為EV節(jié)省空間和降低功耗。今后阿爾卑斯阿爾派將通過提供樣品來進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查和性能評(píng)估，爭(zhēng)取在2023年10月上市銷售使用“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(duì)家電產(chǎn)品等各種電子設(shè)備來說，最佳工作的電氣種類（交流（AC）/直流（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(dòng)，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(huì)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(dòng)力電池，但另一方面由其供電驅(qū)動(dòng)的車載導(dǎo)航、前燈、電動(dòng)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(zhǎng)續(xù)航里程等條件。進(jìn)而隨著自動(dòng)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(shì)。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。

此次我公司新開發(fā)了新絕緣型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，而是采用我公司獨(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(shí)，還能實(shí)現(xiàn)峰值96.8%的高轉(zhuǎn)換效率（圖1）和磁芯部件總尺寸僅為傳統(tǒng)方式1/3的小型化（圖2）。

圖1

圖2 磁芯部件總尺寸比較示例

該電路由2臺(tái)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(tái)變壓器交替執(zhí)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。

圖3 ON-ON&ON-OFF工作模式基本電路結(jié)構(gòu)

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(jià)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(dòng)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(shí)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。此次我公司開發(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)。

絕緣型“TriMagiC Converter?”用于功能評(píng)估的DC-DC轉(zhuǎn)換器樣機(jī)

關(guān)于今后

今后，我們預(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(píng)估板。我們將通過供樣開展市場(chǎng)調(diào)查和性能評(píng)估等活動(dòng)，爭(zhēng)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)。

【主要特點(diǎn)】

同時(shí)實(shí)現(xiàn)大功率、高轉(zhuǎn)換效率、小型的新絕緣型DC-DC轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)換效率、磁芯部件總尺寸是現(xiàn)有產(chǎn)品的1/3，實(shí)現(xiàn)了小型化。

③   在不提高開關(guān)工作頻率的情況下，使用低損耗SiC，實(shí)現(xiàn)高水平的小型和高效率特點(diǎn)。

【主要用途】

●   車載DC-DC轉(zhuǎn)換器

●   服務(wù)器

●   基站電源等

【主要規(guī)格】

※1   將直流電壓轉(zhuǎn)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(yīng)進(jìn)行交流電源電壓轉(zhuǎn)換的電子部件。

※3   用于降低功率半導(dǎo)體開關(guān)在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中損失的軟開關(guān)。

※4   以氧化鐵為主要成分的陶瓷的總稱。具有高導(dǎo)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(yīng)用。

※5   阿爾卑斯阿爾派獨(dú)創(chuàng)開發(fā)的磁性材料。具有低導(dǎo)磁率、高飽和磁通密度、低損耗的特點(diǎn)。