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绝缘型“TriMagiC Converter?”ON-ON&ON-OFF型工作模式的绝缘型DC-DC转换器电路技术的开发

—— 为EV节省空间并降低功耗的功率电子产品
作者:时间:2021-11-10来源:电子产品世界收藏

阿尔卑斯阿尔派株式会社(TOKYO:6770、代表取缔役社长:栗山 年弘、总部:东京、下称“阿尔卑斯阿尔派”)开发了高性能新绝缘型DC-DC转换器※1电路技术、

本文引用地址:http://www.lironba.com/article/202111/429568.htm

绝缘型“TriMagiC Converter?”。其变压器※2和谐振电感※3的磁芯材料不使用铁氧体※4,而是采用独创开发的磁芯材料“Liqualloy?”※5,通过应用于ON-ON&ON-OFF型工作模式的电路,在拥有3.3kW大功率的同时,还能实现峰值96.8%的高转换效率和磁芯总尺寸仅为传统方式1/3的小型化。通过大功率来满足自动驾驶和车载信息娱乐系统的高功耗要求,同时通过小型化和高转换效率为EV节省空间和降低功耗。今后阿尔卑斯阿尔派将通过提供样品来进行市场调查和性能评估,争取在2023年10月上市销售使用“Liqualloy?”的磁芯和变压器、谐振电感等各种组件。

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研发背景

对家电产品等各种电子设备来说,最佳工作的电气种类(交流(AC)/直流(DC))和电压强度各异,因此需要根据用途进行供电功率转换。执行功率转换要靠功率电子技术。其中大部分电子设备采用直流驱动,因此将直流供电电压转换成适合不同用途最佳直流电压的DC-DC转换器承担着重要作用。功率转换过程中由于发热等原因会发生功率损耗,因此提高功率转换效率和降低功率损耗有助于电子设备的节能且环保。

尤其在EV中,400V左右的高压直流电的锂离子电池日趋成为主流的动力电池,但另一方面由其供电驱动的车载导航、前灯、电动车窗等电子设备在12V左右的低压直流电下工作。车载DC-DC转换器在其中承担着电压转换的任务。

近年来,随着碳中和进程的加快,在全球范围内汽车尾气法规越来越严格。EV的实用化和普及正在逐步成为迫在眉睫的课题。EV的普及需要凭借基础设施建设,加大电池容量、减轻车身重量和提高功率转换效率来延长续航里程等条件。进而随着自动驾驶和车载信息娱乐系统的发展,汽车的功耗呈上升趋势。为了解决这些课题,迫切需求包括DC-DC转换器在内的各种功率电子产品的技术创新。

研发内容

出于常规安全性考虑,车载DC-DC转换器采用防触电绝缘型。现有的绝缘型DC-DC转换器大致分为两种,一种是功率虽小但部件数量少的小尺寸ON-OFF型,另一种是功率虽大但部件数量多的大尺寸ON-ON型,车载用途要求大负载大功率(1kW以上),至今采用的是ON-ON型,而ON-ON型要实现小型化需要提高开关工作频率,另一方面还存在功率转换效率下降的课题。

此次我公司新开发了新绝缘型DC-DC转换器电路技术、绝缘型“TriMagiC Converter?”,其变压器和谐振电感的磁芯材料不用铁氧体,而是采用我公司独创开发的具有低导磁率、高饱和磁通密度、低损耗特性的磁性材料“Liqualloy?”。通过在ON-ON&ON-OFF型工作模式的电路上的应用,在拥有3.3kW大功率的同时,还能实现峰值96.8%的高转换效率(图1)和磁芯部件总尺寸仅为传统方式1/3的小型化(图2)。

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图1


输出

(工作频率)

磁性体磁芯总体积

每1W的体积

(比率)

我公司

绝缘型TriMagiC Converter?

3.3kW

(125kHz)

72264.4mm3

21.9mm3/W

(100%)

A公司

绝缘型DC-DC转换器

1.6kW

(100kHz)

108696.8mm3   

67.9mm3/W

(310%)

B公司

绝缘型DC-DC转换器

0.6kW

(100kHz)

47521.4mm3 

79.2mm3/W

(362%)

图2 磁芯部件总尺寸比较示例

该电路由2台相同特性的变压器和ZVS(零电压开关)谐振电感的磁芯部件构成,通过从半导体开关器件输入的电流,2台变压器交替执行ON-ON和ON-OFF工作(图3)。因此在ON-ON时和ON-OFF时,变压器既能输出又能蓄积能量,所以磁通密度的上升是通常ON-OFF型的1/2左右。这种蓄积工作能取代滤波线圈的整流作用,因此无需滤波线圈。进而凭借“Liqualloy?”的高饱和磁通密度特性,故能实现磁芯部件的小型化和电路的小型化。另外,由于磁通密度的变化量降低,因此还能实现大功率和高转换效率。

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图3 ON-ON&ON-OFF工作模式基本电路结构

在电源电路中,小型化和高转换效率被视为主要的附加价值。在此之前,功率半导体和电容器的组成和精细化技术推动了小型化的发展。近年来,通过使用低开关转换损耗的SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)等新一代半导体开关来提高开关工作频率,在维持高转换效率的同时又实现了进一步的小型化。但通过这种方式提高转换效率是有限的。此次我公司开发的ON-ON&ON-OFF型工作模式电路,着眼于无法通过组成和精细化来实现小型化的磁芯部件,通过运用独创的磁芯材料“Liqualloy?”,在不提高开关工作频率的情况下实现了小型和高转换效率的特点。

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绝缘型“TriMagiC Converter?”用于功能评估的DC-DC转换器样机

关于今后

今后,我们预计在2022年4月开始供应使用“Liqualloy?”磁芯材料的部件样品(2022年2月开始承接客户定制需求)。目前正计划在2022年3~4月根据客户需求准备提供绝缘型“TriMagiC Converter?” 功能评估板。我们将通过供样开展市场调查和性能评估等活动,争取在2023年10月上市销售使用“Liqualloy?”磁芯、变压器和谐振电感等各种组件,进一步为EV的节省空间和降低功耗作贡献。

【主要特点】

同时实现大功率、高转换效率、小型的新绝缘型DC-DC转换器电路技术

①   在主变压器中采用ON-ON&ON-OFF型工作模式下的低导磁率、高饱和磁通密度、低损失的“Liqualloy?”。

②   3.3kW大功率、峰值96.8%的高转换效率、磁芯部件总尺寸是现有产品的1/3,实现了小型化。

③   在不提高开关工作频率的情况下,使用低损耗SiC,实现高水平的小型和高效率特点。

【主要用途】

●   车载DC-DC转换器

●   服务器

●   基站电源等

【主要规格】

样件名

(编号)

绝缘型“TriMagiC   Converter?”

(LTMCi330AA)

外形尺寸

(横宽×进深×部件高度)

230.0mm×115.0mm×30.0mm

输入

DC360V

(DC270V-450V)

输出

DC13.5V 244A

(3.3kW)

控制电路辅助电源

DC12V   0.4A

(从2次侧外部)

形态

开放式机框、强制风冷

※1   将直流电压转换成适合不同用途的最佳直流电压的装置。

※2   利用电磁感应进行交流电源电压转换的电子部件。

※3   用于降低功率半导体开关在开关转换过程中损失的软开关。

※4   以氧化铁为主要成分的陶瓷的总称。具有高导磁率、低饱和磁通密度、低损耗的特点。作为磁芯材料被广泛应用。

※5   阿尔卑斯阿尔派独创开发的磁性材料。具有低导磁率、高饱和磁通密度、低损耗的特点。



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