别让你的充电桩输在“最后一圈”！

由 judy 提交于周五, 9 十月 2020 - 16:24

新能源汽车和汽车电子应用领域，碳化硅、氮化镓算是近年的“明星”，新基建政策更让充电桩成了今年的热搜“网红”。大功率、高频开关电源在新能源汽车“快充”应用中备受关注，然而，据了解，充电模块中的同样重要的磁性元件特别是变压器的创新反而滞后。

电源工程师都知道，电源设计总是需要在体积、效率/散热和EMI等相互制约因素之间取得板级和系统级的平衡。变压器在充电器内部占据了相当大的空间，其体积又取决于开关管的开关频率。引入开关频率更高的SiC、GaN功率管，充电桩的变压器才能更小、更容易设计，并输出更大功率。

然而，大功率应用中，由于高频损耗和散热问题，传统变压器的构造难以提高工作频率，存在功率/频率之间的壁垒。

为了让充电桩提速，现有快充桩只能使用多个变压器并联。这不仅需要增加相应配套元器件，而且，由于频率和功率越高，损耗就越大，应对散热管理和多变压器组装，充电桩必然做得更大。

占了好赛道，赢了起跑，你的充电桩还是有可能输在“最后一圈”。

本文就为您简单介绍新能源充电桩行业和技术现状，并通过充电桩和车载充电的一些电源模块设计案例，介绍村田创新的变压器技术如何帮您领跑新能源汽车市场。

大功率高频变压器技术在电动汽车中的应用

新基建布局下直流快充“首当其冲”

新能源汽车充电桩曾被戏称为“过气明星”。2009年开始新建充电桩以来，国内充电基础设施已经累计过百万。然而，EV/HEV市场和技术却慢半拍；加上布局欠合理，投入成本高、回收期长，盈利模式单一，互联网经济期望高却始终难于“闭环”，种种因素的制约之下，有报道称充电桩的实际使用率只有15%。

充电桩产业再次“爆红”，是因为2020年国家布局新基建，明确包括“推广新能源汽车，建设充电桩”。与十年前相比，再次站在风口浪尖上的充电桩被新基建赋予了“新”的含义。

首先，国内十年互联网商业模式高歌猛进，无疑为新基建投资充电桩趟出一些似可借鉴的商业模式。据了解，现有百万充电设施硬件上已基本打通，未来的一个发展方向是实现数据共享，也就是说，新基建下的充电桩产业不仅扩大规模，还要被赋予智能概念和O2O市场潜力；另外，国内外追捧以充电为主题（甚至“免费”充电为噱头）的商业中心模式很火，在“土地”、“车位”稀缺的城市赋予充电桩新的“玩法”。

其次，近几年新能源汽车的市场和技术有了较大的突破。2018年前国内新能源车续航里程不超过200公里的居多，而目前市场上新能源乘用车的电池容量则至少400公里起步；电动/混合动力汽车的电池制造能力也在快速扩展，导致电池成本显着降低；回馈到政策层面，更倾向绿色新能源的法规出台促使市场加速向汽车电气化过渡。

水到渠成，现在新能源汽车市场对快充、甚至“超冲”技术有了切实需求，毕竟，充电桩设施的本质是“加油站”，实用、快速的充电解决方案成为电动汽车大规模部署的关键。

交流充电 .vs. 直流充电

交流(AC)充电桩：俗称“慢充”，其实只是个交流供电装置，附加一些供电控制或计费功能，负载通常几个kW。完成充电功能所借助的车载充电机功率不大，不能快速充电。

直流(DC)充电桩：俗称“快充”，是固安装在车外的充电机，连接交流电网，输出直流电直接用于电动汽车的动力电池充电。负载50kW甚至更高。

交流充电桩和直流快速充电桩，在充电速度上差别很大。按照百公里耗电15kWh来估算，一辆普通纯电动汽车充满毛估需要8个小时。换种说法，交流充电每小时的续航不会超过50公里；而负载50kW的直流快充电桩仅需个把小时就能满充。目前市场标杆是30分钟做到80%续航。

而且，对标加油站，八分钟“超冲”来了

为了对标加油站体验，国外电动汽车行业提出了super-fast-charging的目标，8分钟充满100kWh（450miles）。对应充电桩的负载功率（考虑到一桩单枪、双枪、甚至一拖4等情况）可以高达240kW。

发挥高频功率器件潜力关键在"最后一圈"

直流充电系统（下图），将电网中低频交流电滤波整流成直流，再通过开关电源中的功率管，将整流得到的直流电“开关成”高频交流，然后经高频变压器，变压到合适的充电电压，整流滤波成合适的直流充电电流。

直流充电系统示意

直流充电系统中变压器是占空间最大的器件之一，并且影响到整个系统的散热设计。变压器的体积取决于开关管的开关频率。

传统硅基MOS管开关频率较低，就必须配置更大的变压器。化合物半导体材料（如碳化硅或者氮化镓）的功率器件，在高速开关条件下仍然保持高效率；由于材料的宽禁带特性，SiC或GaN功率管还具有击穿电压高，功率更大，能耐高压，耐高温等优点；另外，这类材料的低导通电阻特性，产生的导通损耗更小，发热很低。

第三代半导体被认为是未来功率器件发展的大方向，然而，在充电桩应用这类大功率直流转化器中，如果还是使用传统变压器构造，要么带来高频损耗和散热问题，工作频率很难提高，要么系统设计就不得不采取多个变压器以及复杂的散热管理。

释放SiC高频率开关性能的潜力，需要变压器技术的创新。

传统的大功率变压器主要有两种，一种使用Litz线，另外一种是扁铜带绕线（Tape Wound）。

无论使用哪种传统变压器设计，由于相邻的载流导体浸没在彼此的磁场中，通过“邻近效应”产生损耗，很难达成结构紧凑单模块的高频功率磁性器件。这种“邻近效应”以及与传统结构相关的其它损耗，限制了小型化和大功率变压器可以工作的频率。

更详细来说，Litz线是多股绝缘铜线绞合，即使能使用在中高频变压器中，大电流也容易过载。加上多股铜箔之间有空隙，每根Litz线绝缘层占用空间，股数太多时降低了空间利用率，直流损耗很大。

扁铜带构造则不太适合高频，频率太高，趋肤效应更加明显。而且，扁铜带绕线十分不便，成本高，工艺难度大，寄生电容也会比较大；内层的铜箔散热就不太好了，层数很多，漏感大，临界效应越强，涡流很高。内部热难于散出去，容易形成热点，变压器结构很难用在高频。

村田制作所的pdqb绕线技术，使用层叠构造，改进绕组之间的耦合，消除了邻近效应, 通过提高空间利用率减少了直流损耗，涡流损耗；传统的由内而外的结构，里面容易形成热点，由下而上层层相叠，每一层的散热效果相同，热量更容易散出去，从而实现了大功率变压器的高频率、高效率、小体积应用。

损耗减小，功率提高，体积减小，提高了功率密度。村田创新的pdqb绕线技术可以构建200kHz以上的高频变压器，甚至可在高达250kHz的频率下工作。并拥有99.5%效率，从而大大减小电源的体积，简化充电设施的设计和散热要求。

突破“工作频率难于提高”这一壁垒，解决了EV/HEV、智能电网、工业逆变器、轨道交通、再生能源等领域迫切需要解决的难题，特别是帮助新能源汽车充电桩应用跑好“最后一圈”。

下面就来看看具体的产品信息和应用案例。

村田pdqb变压器绕线技术优势和应用

村田直流转换器的HPHF变压器具有很多优势：

<ul>
<li>高效率: 99.5% (采用村田专利pdqb技术)</li>
<li>小体积, 大功率</li>
<li>适用的工作频率范围, 20kHz-250kHz</li>
<li>绝缘电压12kV</li>
<li>可以客户定制</li>
</ul>

使用村田HPHF变压器的直流转换器

村田大功率高频变压器可在高达250kHz的频率下工作。主要是因为使用创新的pdqb绕线结构，消除了传统制造技术的限制。这种绕线技术的特征是：

<ul>
<li>提高了绕组之间的耦合</li>
<li>提高了空间利用率, 满足了大功率变压器高频率, 高效率,小体积的要求</li>
<li>宽功率范围选择：30kW至400kW</li>
<li>高达10kV输入输出隔离</li>
<li>定制解决方案的更高隔离度</li>
<li>效率超过99.5％</li>
<li>宽工作频率范围：20kHz~250kHz或更高</li>
<li>输入/输出电压：50V至1000V</li>
<li>1:1至10:1的匝数比</li>
<li>可扩展技术</li>
</ul>

电气规格（* 更高电压也可）

封装尺寸

村田磁性产品的其它车载应用案例

磁性元件，包括电感、变压器，经常因为客户的应用条件不同，需要通过定制才能取得高效率。村田在车载功率磁性器件方面，有着很强的客户定制能力。创新的结构设计、绕线方式以及相应的灌封工艺，能够帮助客户在产品的效率和尺寸方面带来很大的提高。除了新能源汽车直流快充桩，也广泛应用在车载电子中。

案例 1：车载充电-11kW 3相PFC

客户需求：

<ul>
<li>多相增加产品的功率</li>
</ul>

3相120⁰ 相位差

<ul>
<li>结构紧凑, 高效率的解决方案</li>
</ul>

传统设计：

<ul>
<li>用3个独立的磁环电感（如下图）</li>
</ul>

村田创新方案：

<ul>
<li>减小体积, 提高效率(专利申请中)</li>
<li>和传统的产品相比: </li>
</ul>

58% (占用面积)

13% (体积)

<ul>
<li>新颖的设计结构可以采用不同材质的磁性, 减少磁芯损耗</li>
<li>创新的设计减少了边缘损耗</li>
</ul>

案例 2：车载充电 – LLC/CLLLC/PSFB拓扑

客户需求：

<ul>
<li>车载充电主变压器</li>
<li>客户需要结构紧凑, 效率高, 散热好的方案</li>
</ul>

传统方案：

<ul>
<li>采用三层绝缘线利兹线, 空间利用率低</li>
<li>采用了塑胶骨架, 散热差</li>
<li>漏感高导致AC损耗高</li>
</ul>

村田创新方案：

<ul>
<li>6.6kW 变压器</li>
<li>和传统的变压器比, 直流电阻和漏感分别减少28%和50%</li>
<li>提高了效率和功率密度</li>
<li>取消了塑胶件, 有助于散热</li>
<li>高度扁平</li>
<li>LLC/CLLLC/PSFB 拓扑结构</li>
<li>专利申请中</li>
</ul>

案例 3：车载充电– CLLLC 拓扑结构 I

客户需求：

<ul>
<li>双向工作</li>
<li>需要2个谐振电感 </li>
<li>结构紧凑, 高效率</li>
</ul>

现有方案：

<ul>
<li>2个分离的电感, 不利于尺寸的减小和效率的提高</li>
</ul>

村田创新方案：

<ul>
<li>车载充电– 6.6kW 集成电感</li>
<li>村田采用了创新的设计, 和传统的方案比较: </li>
</ul>

体积减少了40%

重量减轻了38%(i.e. 800g => 500g)

减少了邻近效应, 提高了效率

<ul>
<li>取消了塑胶件, 有助于散热 </li>
<li>适用于CLLLC拓扑结构</li>
<li>成本降低</li>
<li>专利申请中</li>
</ul>

案例 4：车载充电– CLLLC 拓扑结构 II

客户需求：

<ul>
<li>双向工作</li>
<li>电路需要一个变压器</li>
<li>2个电感</li>
<li>结构紧凑, 高效率</li>
</ul>

现有方案：

<ul>
<li>现有的分离方案很难满足客户的要求</li>
</ul>

村田创新方案：

<ul>
<li>6.6kW 集成的变压器和电感</li>
</ul>

3个器件集成在一起

尺寸减少57%

<ul>
<li>提高了效率和功率密度</li>
<li>取消了塑胶骨架, 有助于散热</li>
<li>专利申请中</li>
</ul>

案例 5：车载充电 – 电流互感器

客户需求：

<ul>
<li>800V EV，需要电气间隙/爬电距离 4.2/10.3mm</li>
<li>小体积,高绝缘</li>
</ul>

传统方案：

<ul>
<li>只能满足电气间隙/爬电距离 3.5/6.0mm.(500V)</li>
<li>额定电流是30A</li>
</ul>

村田的创新方案：

<ul>
<li>在体积不增加的条件下, 电气间隙和爬电距离分别增加到6.4/10.3mm，可以满足 800V EV 的要求</li>
<li>低直流电阻可以减少损耗</li>
<li>额定电流增加到34A</li>
<li>1000V 的额定工作电压</li>
<li>专利申请中</li>
</ul>

案例 6：3kW DC-DC 主变压器

客户需求：

<ul>
<li>结构紧凑, 效率高,散热好的方案</li>
</ul>

传统方案的缺点：

<ul>
<li>初级用利兹线, 空间利用率低</li>
<li>塑胶骨架散热差</li>
<li>漏感高导致AC损耗高</li>
</ul>

村田解决方案：

<ul>
<li>初级直流电阻减少50%</li>
<li>漏感减少50%, 从而减少AC损耗</li>
<li>取消了塑胶骨架, 有助于散热</li>
<li>高度低</li>
<li>提高了效率和功率密度</li>
<li>专利申请中</li>
</ul>

如果您有高频大功率变压器和磁性元件定制需求，或希望了解更多有关村田制作所的pdqb技术，请通过下方业务咨询二维码联系村田。

文章来源： <a href="javascript:void(0);" id="js_name">Murata村田中国</a>