Alps Alpine entwickelt „TriMagiC Converter“-Schaltungstechnologie für isolierte Gleichspannungswandler

Leistungselektronik für Platzersparnis und geringeren Stromverbrauch in Elektrofahrzeugen.

Prototyp eines isolierten TriMagiC Converters (Gleichspannungswandler) zur Evaluierung der Funktionalität

Alps Alpine hat mit dem „TriMagiC Converter™“ eine hochleistungsfähige Schaltungstechnologie für isolierte Gleichspannungswandler1 entwickelt. Die neue Technologie verwendet für magnetische Komponenten in Transformatoren2 und Resonanzspulen3 anstelle von Ferrit4 Liqualloy™5 – ein von Alps Alpine entwickeltes magnetisches Material. Der Einsatz von Liqualloy in einer Schaltung, die gleichzeitig im Ein/Ein- und Ein/Aus-Schaltmodus arbeitet, ermöglicht sowohl einen hohen Spitzenwirkungsgrad von 96,8 % als auch kompakte Abmessungen.

Die Gesamtgröße der magnetischen Komponenten beträgt nur ein Drittel im Vergleich zu bestehenden Methoden – selbst bei einer hohen Ausgangsleistung von 3,3 kW. Die hohe Ausgangsleistung gewährleistet die Kompatibilität mit dem hohen Leistungsbedarf für autonomes Fahren und Kfz-Unterhaltungssysteme. Gleichzeitig tragen die kompakte Größe und der hohe Umwandlungswirkungsgrad zur Platzersparnis und zum geringeren Stromverbrauch in Elektrofahrzeugen bei. Für die Marktforschung und Leistungsbewertung sollen Muster zur Verfügung gestellt werden. Der Vertrieb von Komponenten mit Liqualloy, einschließlich Magnetkernen, Transformatoren und Resonanzspulen, wird voraussichtlich im Oktober 2023 beginnen.



Wirkungsgradkurve

Hintergrund der Entwicklung
Haushaltsgeräte und andere elektronische Geräte verwenden verschiedene Arten von Strom (Wechselstrom, AC oder Gleichstrom, DC) und Spannungen, je nachdem, was für die jeweilige Funktion am besten geeignet ist. Sie müssen daher die elektrische Leistung auf eine für die Anwendung und den Zweck geeignete Weise umwandeln. Die Leistungsumwandlung erfolgt mit Hilfe der Leistungselektronik. Da praktisch alle elektronischen Geräte mit Gleichstrom betrieben werden, spielen Gleichspannungswandler eine wichtige Rolle bei der Umwandlung der zugeführten Gleichspannung in eine optimale Gleichspannung, die je nach Anwendung variiert. Die Wärmeerzeugung führt bei der Leistungsumwandlung zu Leistungsverlusten. Deshalb erhöht eine verbesserte Effizienz bei der Leistungsumwandlung die Energieeffizienz in allen Arten von Elektronik. Zudem fördert sie den Erhalt der globalen Umwelt.

Speziell bei Elektrofahrzeugen sind Lithium-Ionen-Batterien Spitzenreiter auf dem Weg zum dominierenden Hauptbatterietyp. Sie arbeiten mit Gleichstrom mit einer Spannung von etwa 400 V. Elektronische Geräte wie Navigationssysteme, Scheinwerfer und elektrische Fensterheber benötigen einen Gleichstrom von etwa 12 V. Die Wandlung von der einen in die andere Spannung führt ein Gleichspannungswandler (auch als Hilfswandler bezeichnet) durch.



Gesamtgröße der magnetischen Komponenten – ein Vergleich

Im Zuge der Bemühungen um Kohlenstoffneutralität werden die Kontrollen der Abgasemissionen von Fahrzeugen immer strenger. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass Elektrofahrzeuge in der Praxis eingesetzt und populär gemacht werden. Damit sich Elektrofahrzeuge durchsetzen können, muss eine entsprechende Infrastruktur entstehen. Um eine größere Reichweite zu erzielen, müssen auch die Batterien eine größere Kapazität haben, die Fahrzeuge leichter sein und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung verbessert werden. Hinzu kommt, dass der Stromverbrauch von Fahrzeugen aufgrund der größeren Komplexität von automatisierten Fahrsystemen und Kfz-Unterhaltungssystemen immer weiter ansteigt. Zur Lösung dieser Probleme werden dringend technologische Innovationen bei Leistungselektronikprodukten, einschließlich Gleichspannungswandlern, gefordert.



Grundlegende Schaltungskonfiguration für die Modi Ein/Ein und Ein/Aus

Überblick über die Entwicklung
Aus Sicherheitsgründen, zum Beispiel zur Vermeidung von Stromschlägen, sind Gleichspannungswandler in Kraftfahrzeugen in der Regel isoliert. Bestehende isolierte Gleichspannungswandler lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Ein/Aus-Wandler mit geringer Ausgangsleistung, aber kompakter Größe aufgrund einer geringen Anzahl von Bauteilen oder Ein/Ein-Wandler mit hoher Ausgangsleistung, aber mehr Bauteilen und daher größeren Abmessungen. In Automobilanwendungen werden Ein/Ein-Wandler eingesetzt, da große Lasten eine hohe Ausgangsleistung (mindestens 1 kW) erfordern. Probleme bei der Verwendung von Ein/Ein-Wandlern sind der Bedarf an höheren Betriebsfrequenzen, um kompakte Abmessungen zu ermöglichen, und der abnehmende Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung.

Die von Alps Alpine entwickelte TriMagiC-Converter-Schaltungstechnologie verwendet für magnetische Komponenten in Transformatoren und Resonanzspulen anstelle von Ferrit Liqualloy, das spezielle Magnetmaterial des Unternehmens mit charakteristisch niedriger Permeabilität, hoher Sättigungsflussdichte und geringem Verlust. Die Anwendung des Materials in einer Schaltung, die gleichzeitig im Ein/Ein- und Ein/Aus-Modus arbeitet, ermöglicht sowohl einen hohen Spitzenwirkungsgrad von 96,8% (Bild 1) als auch eine kompakte Größe. Die Gesamtgröße der magnetischen Komponenten beträgt nur ein Drittel im Vergleich zu bestehenden Methoden – selbst bei einer hohen Ausgangsleistung von 3,3 kW (Bild 2).

Spezifikationen



Die Schaltung enthält drei magnetische Komponenten – zwei Transformatoren mit denselben Eigenschaften und eine Resonanzspule für die Nullspannungsschaltung (ZVS). Bei Stromzufuhr aus einer Brückenschaltung schalten die beiden Transformatoren wiederholt zwischen Ein/Ein- und Ein/Aus-Betrieb um (Bild 3). Da die Transformatoren sowohl im Ein/Ein- als auch im Ein/Aus-Betrieb gleichzeitig Energie von der Eingangsseite abgeben und speichern, erhöht sich die Flussdichte um etwa die Hälfte im Vergleich zu einem gewöhnlichen Ein/Aus-Wandler. Da dieser Speichervorgang eine gleichrichtende Funktion anstelle einer Glättungsspule übernimmt, ist letztere nicht erforderlich. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Sättigungsflussdichte von Liqualloy kleinere magnetische Komponenten und damit eine kompaktere Schaltung. Auch die Änderungen der Flussdichte sind geringer, was zu einer hohen Ausgangsleistung und einem hohen Umwandlungswirkungsgrad führt.

Bei Stromversorgungsschaltungen gelten kompakte Abmessungen und ein hoher Wirkungsgrad als die wichtigsten Formen des Mehrwerts. Bislang wurde die Kompaktheit durch Techniken der Zusammensetzung und Miniaturisierung von Leistungshalbleitern und Kondensatoren erreicht. In jüngster Zeit wurden sogar noch kleinere Schaltungen realisiert, ohne die hohe Umwandlungseffizienz zu beeinträchtigen. Dazu wurde die Betriebsfrequenz durch den Einsatz von Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder anderen Transistoren der nächsten Generation mit geringen Schaltverlusten erhöht. Es gibt jedoch Grenzen, wie gut diese Methode die Umwandlungseffizienz verbessern kann. Bei der Entwicklung dieses Schaltkreises konzentrierte sich Alps Alpine auf magnetische Komponenten, die durch ihre Zusammensetzung oder Miniaturisierung nicht kleiner gemacht werden konnten. Kompakte Abmessungen und hoher Umwandlungswirkungsgrad werden ohne Erhöhung der Betriebsfrequenz mit dem magnetischen Material Liqualloy realisiert.

www.alpsalpine.com

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