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

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，而是采用獨創開發的磁芯材料“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。通過大功率來滿足自動駕駛和車載信息娛樂系統的高功耗要求，同時通過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熱等原因會發生功率損耗，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航里程等條件。進而隨著自動駕駛和車載信息娛樂系統的發展，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新。

研發內容

出于常規安全性考慮，車載DC-DC轉換器采用防觸電絕緣型。現有的絕緣型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開發的具有低導磁率、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

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小型化的磁芯部件，通過運用獨創的磁芯材料“Liqualloy?”，在不提高開關工作頻率的情況下實現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的節省空間和降低功耗作貢獻。

【主要特點】

同時實現大功率、高轉換效率、小型的新絕緣型DC-DC轉換器電路技術

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品的1/3，實現了小型化。

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開發的磁性材料。具有低導磁率、高飽和磁通密度、低損耗的特點。