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

阿爾卑斯阿爾派株式會社（TOKYO：6770、代表取締役社長：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轉換器^※1電路技術、

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)開發(fā)的磁芯材料“Liqualloy?”^※5，通過應用于ON-ON&ON-OFF型工作模式的電路，在擁有3.3kW大功率的同時，還能實現(xiàn)峰值96.8%的高轉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行市場調查和性能評估，爭取在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

對家電產品等各種電子設備來說，最佳工作的電氣種類（交流（AC）/直流（DC））和電壓強度各異，因此需要根據用途進行供電功率轉換。執(zhí)行功率轉換要靠功率電子技術。其中大部分電子設備采用直流驅動，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轉換器承擔著重要作用。功率轉換過程中由于發(fā)熱等原因會發(fā)生功率損耗，因此提高功率轉換效率和降低功率損耗有助于電子設備的節(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動的車載導航、前燈、電動車窗等電子設備在12V左右的低壓直流電下工作。車載DC-DC轉換器在其中承擔著電壓轉換的任務。

近年來，隨著碳中和進程的加快，在全球范圍內汽車尾氣法規(guī)越來越嚴格。EV的實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、減輕車身重量和提高功率轉換效率來延長續(xù)航里程等條件。進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轉換器在內的各種功率電子產品的技術創(chuàng)新。

研發(fā)內容

出于常規(guī)安全性考慮，車載DC-DC轉換器采用防觸電絕緣型。現(xiàn)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型要實現(xiàn)小型化需要提高開關工作頻率，另一方面還存在功率轉換效率下降的課題。

此次我公司新開發(fā)了新絕緣型DC-DC轉換器電路技術、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，還能實現(xiàn)峰值96.8%的高轉換效率（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臺相同特性的變壓器和ZVS（零電壓開關）諧振電感的磁芯部件構成，通過從半導體開關器件輸入的電流，2臺變壓器交替執(zhí)行ON-ON和ON-OFF工作（圖3）。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。進而憑借“Liqualloy?”的高飽和磁通密度特性，故能實現(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，因此還能實現(xiàn)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值。在此之前，功率半導體和電容器的組成和精細化技術推動了小型化的發(fā)展。近年來，通過使用低開關轉換損耗的SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等新一代半導體開關來提高開關工作頻率，在維持高轉換效率的同時又實現(xiàn)了進一步的小型化。但通過這種方式提高轉換效率是有限的。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化來實現(xiàn)小型化的磁芯部件，通過運用獨創(chuàng)的磁芯材料“Liqualloy?”，在不提高開關工作頻率的情況下實現(xiàn)了小型和高轉換效率的特點。

絕緣型“TriMagiC Converter?”用于功能評估的DC-DC轉換器樣機

關于今后

今后，我們預計在2022年4月開始供應使用“Liqualloy?”磁芯材料的部件樣品（2022年2月開始承接客戶定制需求）。目前正計劃在2022年3～4月根據客戶需求準備提供絕緣型“TriMagiC Converter?” 功能評估板。我們將通過供樣開展市場調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，進一步為EV的節(jié)省空間和降低功耗作貢獻。

【主要特點】

同時實現(xiàn)大功率、高轉換效率、小型的新絕緣型DC-DC轉換器電路技術

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(xiàn)有產品的1/3，實現(xiàn)了小型化。

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

【主要用途】

●   車載DC-DC轉換器

●   服務器

●   基站電源等

【主要規(guī)格】

※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關在開關轉換過程中損失的軟開關。

※4   以氧化鐵為主要成分的陶瓷的總稱。具有高導磁率、低飽和磁通密度、低損耗的特點。作為磁芯材料被廣泛應用。

※5   阿爾卑斯阿爾派獨創(chuàng)開發(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。