日本科学家设计出超高效的直流升压转换器 成本更低还更好用

神户大学开发的直流升压转换器大大降低了电磁噪声，能源效率高达 91% 以上，这对于具有高电压倍增比的 MHz 驱动器来说是前所未有的。这一比率也比现有设计高出 1.5 倍以上。资料来源：Mishima Tomokazu

从阳光或振动中获取能量的设备，或为医疗设备或氢燃料汽车提供动力的设备，都有一个共同的关键部件。这种所谓的"升压转换器"将低压直流输入转换为高压直流输出。由于它是一个无处不在的关键部件，因此需要使用尽可能少的部件以减少维护和成本，同时以尽可能高的效率运行，而不产生电磁噪声或热量。升压转换器的主要工作原理是在电路的两种状态之间快速切换，一种状态储存能量，另一种状态释放能量。切换速度越快，元件的体积就越小，从而可以缩小整个设备的尺寸。然而，这也会增加电磁噪声和发热，从而降低功率转换器的性能。

神户大学电力电子学研究员三岛友和的团队在开发新型直流电源转换电路方面取得了重大进展。他们成功地将高频开关（约为以前的 10 倍）与一种可减少电磁噪声和散热造成的功率损耗的技术（称为"软开关"）结合起来，同时还减少了元件数量，从而降低了成本和复杂性。

神户大学的团队展示了一种新的电路设计，该设计采用了"谐振槽"电路，可以在开关期间储存能量，因此损耗要低得多。此外，他们还采用了一种节省元件的设计，将平面元件印刷到电路板上，称为"平面变压器"，这种设计非常紧凑，具有良好的效率和散热性能。资料来源：Mishima Tomokazu

"当电路在两种状态之间变化时，开关有一段短暂的时间没有完全闭合，此时开关两端既有电压又有电流。这意味着在这段时间内，开关就像一个电阻器，因此会散热。开关状态变化越频繁，散热量就越大。"Mishima 博士解释说："软开关是一种确保开关转换在零电压下进行的技术，因此可以最大限度地减少热量损失。传统上，这种技术是通过缓冲器来实现的，缓冲器是一种在过渡期间提供替代能源的元件，因此会导致能量损失。"

神户大学团队在《电气和电子工程师学会电力电子学期刊》（IEEE Transactions on Power Electronics）上介绍了他们的新电路设计及其评估结果。他们取得这一成就的关键在于使用了"谐振槽"电路，这种电路可以在开关期间储存能量，因此损耗要低得多。此外，他们还采用了一种节省元件的设计，将扁平元件印刷到电路板上，称为"平面变压器"，这种变压器非常紧凑，具有良好的效率和散热性能。

Mishima 和他的同事还制作了电路原型，并对其性能进行了测量："我们的无缓冲器设计大大降低了电磁噪声，能量效率高达 91.3%，这对于具有高电压转换率的 MHz 驱动器来说是前所未有的。这一比率也比现有设计高出 1.5 倍以上。"不过，他们希望通过降低所用磁性元件的功率耗散来进一步提高效率。

考虑到电气设备在我们的社会中无处不在，具有高电压倍增比的直流电源的高效率和低噪声运行极为重要。神户大学的这项研发成果对电力、可再生能源、交通、信息和电信以及医疗保健等领域的应用具有重大意义。三岛介绍了他们的未来计划，他说："目前开发的是 100 瓦级的小容量原型，但我们的目标是通过改进电子电路板和其他元件，在未来将功率容量扩大到更大的千瓦级容量。"

编译来源：ScitechDaily