村田創(chuàng)新的變壓器技術(shù)如何幫您領(lǐng)跑新能源汽車市場(chǎng)

新能源汽車和汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅、氮化鎵算是近年的“明星”，新基建政策更讓充電樁成了今年的熱搜“網(wǎng)紅”。大功率、高頻開(kāi)關(guān)電源在新能源汽車“快充”應(yīng)用中備受關(guān)注，然而，據(jù)了解，充電模塊中的同樣重要的磁性元件特別是變壓器的創(chuàng)新反而滯后。 電源工程師都知道，電源設(shè)計(jì)總是需要在體積、效率/散熱和EMI等相互制約因素之間取得板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的平衡。變壓器在充電器內(nèi)部占據(jù)了相當(dāng)大的空間，其體積又取決于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率。引入開(kāi)關(guān)頻率更高的SiC、GaN功率管，充電樁的變壓器才能更小、更容易設(shè)計(jì)，并輸出更大功率。 然而， “

大功率應(yīng)用中，由于高頻損耗和散熱問(wèn)題，傳統(tǒng)變壓器的構(gòu)造難以提高工作頻率，存在功率/頻率之間的壁壘。

為了讓充電樁提速，現(xiàn)有快充樁只能使用多個(gè)變壓器并聯(lián)。這不僅需要增加相應(yīng)配套元器件，而且，由于頻率和功率越高，損耗就越大，應(yīng)對(duì)散熱管理和多變壓器組裝，充電樁必然做得更大。 占了好賽道，贏了起跑，你的充電樁還是有可能輸在“最后一圈”。 本文就為您簡(jiǎn)單介紹新能源充電樁行業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀，并通過(guò)充電樁和車載充電的一些電源模塊設(shè)計(jì)案例，介紹村田創(chuàng)新的變壓器技術(shù)如何幫您領(lǐng)跑新能源汽車市場(chǎng)。

新基建布局下直流快充“首當(dāng)其沖”

新能源汽車充電樁曾被戲稱為“過(guò)氣明星”。2009年開(kāi)始新建充電樁以來(lái)，國(guó)內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)累計(jì)過(guò)百萬(wàn)。然而，EV/HEV市場(chǎng)和技術(shù)卻慢半拍；加上布局欠合理，投入成本高、回收期長(zhǎng)，盈利模式單一，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)期望高卻始終難于“閉環(huán)”，種種因素的制約之下，有報(bào)道稱充電樁的實(shí)際使用率只有15%。 充電樁產(chǎn)業(yè)再次“爆紅”，是因?yàn)?020年國(guó)家布局新基建，明確包括“推廣新能源汽車，建設(shè)充電樁”。與十年前相比，再次站在風(fēng)口浪尖上的充電樁被新基建賦予了“新”的含義。 首先，國(guó)內(nèi)十年互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式高歌猛進(jìn)，無(wú)疑為新基建投資充電樁趟出一些似可借鑒的商業(yè)模式。據(jù)了解，現(xiàn)有百萬(wàn)充電設(shè)施硬件上已基本打通，未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，也就是說(shuō)，新基建下的充電樁產(chǎn)業(yè)不僅擴(kuò)大規(guī)模，還要被賦予智能概念和O2O市場(chǎng)潛力；另外，國(guó)內(nèi)外追捧以充電為主題（甚至“免費(fèi)”充電為噱頭）的商業(yè)中心模式很火，在“土地”、“車位”稀缺的城市賦予充電樁新的“玩法”。 其次，近幾年新能源汽車的市場(chǎng)和技術(shù)有了較大的突破。2018年前國(guó)內(nèi)新能源車?yán)m(xù)航里程不超過(guò)200公里的居多，而目前市場(chǎng)上新能源乘用車的電池容量則至少400公里起步；電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車的電池制造能力也在快速擴(kuò)展，導(dǎo)致電池成本顯著降低；回饋到政策層面，更傾向綠色新能源的法規(guī)出臺(tái)促使市場(chǎng)加速向汽車電氣化過(guò)渡。 水到渠成，現(xiàn)在新能源汽車市場(chǎng)對(duì)快充、甚至“超沖”技術(shù)有了切實(shí)需求，畢竟，充電樁設(shè)施的本質(zhì)是“加油站”，實(shí)用、快速的充電解決方案成為電動(dòng)汽車大規(guī)模部署的關(guān)鍵。 交流充電 .vs. 直流充電

交流(AC)充電樁：俗稱“慢充”，其實(shí)只是個(gè)交流供電裝置，附加一些供電控制或計(jì)費(fèi)功能，負(fù)載通常幾個(gè)kW。完成充電功能所借助的車載充電機(jī)功率不大，不能快速充電。

直流(DC)充電樁：俗稱“快充”，是固安裝在車外的充電機(jī)，連接交流電網(wǎng)，輸出直流電直接用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池充電。負(fù)載50kW甚至更高。

交流充電樁和直流快速充電樁，在充電速度上差別很大。按照百公里耗電15kWh來(lái)估算，一輛普通純電動(dòng)汽車充滿毛估需要8個(gè)小時(shí)。換種說(shuō)法，交流充電每小時(shí)的續(xù)航不會(huì)超過(guò)50公里；而負(fù)載50kW的直流快充電樁僅需個(gè)把小時(shí)就能滿充。目前市場(chǎng)標(biāo)桿是30分鐘做到80%續(xù)航。 而且，

對(duì)標(biāo)加油站，八分鐘“超沖”來(lái)了

為了對(duì)標(biāo)加油站體驗(yàn)，國(guó)外電動(dòng)汽車行業(yè)提出了super-fast-charging的目標(biāo)，8分鐘充滿100kWh（450miles）。對(duì)應(yīng)充電樁的負(fù)載功率（考慮到一樁單槍、雙槍、甚至一拖4等情況）可以高達(dá)240kW。

發(fā)揮高頻功率器件潛力關(guān)鍵在"最后一圈"

直流充電系統(tǒng)（下圖），將電網(wǎng)中低頻交流電濾波整流成直流，再通過(guò)開(kāi)關(guān)電源中的功率管，將整流得到的直流電“開(kāi)關(guān)成”高頻交流，然后經(jīng)高頻變壓器，變壓到合適的充電電壓，整流濾波成合適的直流充電電流。

直流充電系統(tǒng)示意

直流充電系統(tǒng)中變壓器是占空間最大的器件之一，并且影響到整個(gè)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)。變壓器的體積取決于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率。

傳統(tǒng)硅基MOS管開(kāi)關(guān)頻率較低，就必須配置更大的變壓器?；衔?a target="_blank">半導(dǎo)體材料（如碳化硅或者氮化鎵）的功率器件，在高速開(kāi)關(guān)條件下仍然保持高效率；由于材料的寬禁帶特性，SiC或GaN功率管還具有擊穿電壓高，功率更大，能耐高壓，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)；另外，這類材料的低導(dǎo)通電阻特性，產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗更小，發(fā)熱很低。

第三代半導(dǎo)體被認(rèn)為是未來(lái)功率器件發(fā)展的大方向，然而，在充電樁應(yīng)用這類大功率直流轉(zhuǎn)化器中，如果還是使用傳統(tǒng)變壓器構(gòu)造，要么帶來(lái)高頻損耗和散熱問(wèn)題，工作頻率很難提高，要么系統(tǒng)設(shè)計(jì)就不得不采取多個(gè)變壓器以及復(fù)雜的散熱管理。

村田pdqb繞線技術(shù)：打破大功率高頻變壓器功率與頻率之間的壁壘

釋放SiC高頻率開(kāi)關(guān)性能的潛力，需要變壓器技術(shù)的創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的大功率變壓器主要有兩種，一種使用Litz線，另外一種是扁銅帶繞線（Tape Wound）。

無(wú)論使用哪種傳統(tǒng)變壓器設(shè)計(jì)，由于相鄰的載流導(dǎo)體浸沒(méi)在彼此的磁場(chǎng)中，通過(guò)“鄰近效應(yīng)”產(chǎn)生損耗，很難達(dá)成結(jié)構(gòu)緊湊單模塊的高頻功率磁性器件。這種“鄰近效應(yīng)”以及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的其它損耗，限制了小型化和大功率變壓器可以工作的頻率。

更詳細(xì)來(lái)說(shuō)，Litz線是多股絕緣銅線絞合，即使能使用在中高頻變壓器中，大電流也容易過(guò)載。加上多股銅箔之間有空隙，每根Litz線絕緣層占用空間，股數(shù)太多時(shí)降低了空間利用率，直流損耗很大。

扁銅帶構(gòu)造則不太適合高頻，頻率太高，趨膚效應(yīng)更加明顯。而且，扁銅帶繞線十分不便，成本高，工藝難度大，寄生電容也會(huì)比較大；內(nèi)層的銅箔散熱就不太好了，層數(shù)很多，漏感大，臨界效應(yīng)越強(qiáng)，渦流很高。內(nèi)部熱難于散出去，容易形成熱點(diǎn)，變壓器結(jié)構(gòu)很難用在高頻。

村田制作所的pdqb繞線技術(shù)，使用層疊構(gòu)造，改進(jìn)繞組之間的耦合，消除了鄰近效應(yīng), 通過(guò)提高空間利用率減少了直流損耗，渦流損耗；傳統(tǒng)的由內(nèi)而外的結(jié)構(gòu)，里面容易形成熱點(diǎn)，由下而上層層相疊，每一層的散熱效果相同，熱量更容易散出去，從而實(shí)現(xiàn)了大功率變壓器的高頻率、高效率、小體積應(yīng)用。

損耗減小，功率提高，體積減小，提高了功率密度。村田創(chuàng)新的pdqb繞線技術(shù)可以構(gòu)建200kHz以上的高頻變壓器，甚至可在高達(dá)250kHz的頻率下工作。并擁有99.5%效率，從而大大減小電源的體積，簡(jiǎn)化充電設(shè)施的設(shè)計(jì)和散熱要求。

突破“工作頻率難于提高”這一壁壘，解決了EV/HEV、智能電網(wǎng)、工業(yè)逆變器、軌道交通、再生能源等領(lǐng)域迫切需要解決的難題，特別是幫助新能源汽車充電樁應(yīng)用跑好“最后一圈”。

責(zé)任編輯：YYX