新能源汽車和汽車電子應用領域，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“網紅”。大功率、高頻開關電源在新能源汽車“快充”應用中備受關注，然而，據了解，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，電源設計總是需要在體積、效率/散熱和EMI等相互制約因素之間取得板級和系統(tǒng)級的平衡。變壓器在充電器內部占據了相當大的空間，其體積又取決于開關管的開關頻率。引入開關頻率更高的SiC、GaN功率管，充電樁的變壓器才能更小、更容易設計，并輸出更大功率。 然而， “

大功率應用中，由于高頻損耗和散熱問題，傳統(tǒng)變壓器的構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，現有快充樁只能使用多個變壓器并聯(lián)。這不僅需要增加相應配套元器件，而且，由于頻率和功率越高，損耗就越大，應對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”。 本文就為您簡單介紹新能源充電樁行業(yè)和技術現狀，并通過充電樁和車載充電的一些電源模塊設計案例，介紹村田創(chuàng)新的變壓器技術如何幫您領跑新能源汽車市場。

新基建布局下直流快充“首當其沖”

新能源汽車充電樁曾被戲稱為“過氣明星”。2009年開始新建充電樁以來，國內充電基礎設施已經累計過百萬。然而，EV/HEV市場和技術卻慢半拍；加上布局欠合理，投入成本高、回收期長，盈利模式單一，互聯(lián)網經濟期望高卻始終難于“閉環(huán)”，種種因素的制約之下，有報道稱充電樁的實際使用率只有15%。 充電樁產業(yè)再次“爆紅”，是因為2020年國家布局新基建，明確包括“推廣新能源汽車，建設充電樁”。與十年前相比，再次站在風口浪尖上的充電樁被新基建賦予了“新”的含義。 首先，國內十年互聯(lián)網商業(yè)模式高歌猛進，無疑為新基建投資充電樁趟出一些似可借鑒的商業(yè)模式。據了解，現有百萬充電設施硬件上已基本打通，未來的一個發(fā)展方向是實現數據共享，也就是說，新基建下的充電樁產業(yè)不僅擴大規(guī)模，還要被賦予智能概念和O2O市場潛力；另外，國內外追捧以充電為主題（甚至“免費”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和技術有了較大的突破。2018年前國內新能源車續(xù)航里程不超過200公里的居多，而目前市場上新能源乘用車的電池容量則至少400公里起步；電動/混合動力汽車的電池制造能力也在快速擴展，導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)出臺促使市場加速向汽車電氣化過渡。 水到渠成，現在新能源汽車市場對快充、甚至“超沖”技術有了切實需求，畢竟，充電樁設施的本質是“加油站”，實用、快速的充電解決方案成為電動汽車大規(guī)模部署的關鍵。 交流充電 .vs. 直流充電

交流(AC)充電樁：俗稱“慢充”，其實只是個交流供電裝置，附加一些供電控制或計費功能，負載通常幾個kW。完成充電功能所借助的車載充電機功率不大，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，連接交流電網，輸出直流電直接用于電動汽車的動力電池充電。負載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來估算，一輛普通純電動汽車充滿毛估需要8個小時。換種說法，交流充電每小時的續(xù)航不會超過50公里；而負載50kW的直流快充電樁僅需個把小時就能滿充。目前市場標桿是30分鐘做到80%續(xù)航。 而且，

對標加油站，八分鐘“超沖”來了

為了對標加油站體驗，國外電動汽車行業(yè)提出了super-fast-charging的目標，8分鐘充滿100kWh（450miles）。對應充電樁的負載功率（考慮到一樁單槍、雙槍、甚至一拖4等情況）可以高達240kW。

發(fā)揮高頻功率器件潛力關鍵在"最后一圈"

直流充電系統(tǒng)（下圖），將電網中低頻交流電濾波整流成直流，再通過開關電源中的功率管，將整流得到的直流電“開關成”高頻交流，然后經高頻變壓器，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，并且影響到整個系統(tǒng)的散熱設計。變壓器的體積取決于開關管的開關頻率。

傳統(tǒng)硅基MOS管開關頻率較低，就必須配置更大的變壓器?；衔?a target="_blank">半導體材料（如碳化硅或者氮化鎵）的功率器件，在高速開關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；另外，這類材料的低導通電阻特性，產生的導通損耗更小，發(fā)熱很低。

第三代半導體被認為是未來功率器件發(fā)展的大方向，然而，在充電樁應用這類大功率直流轉化器中，如果還是使用傳統(tǒng)變壓器構造，要么帶來高頻損耗和散熱問題，工作頻率很難提高，要么系統(tǒng)設計就不得不采取多個變壓器以及復雜的散熱管理。

村田pdqb繞線技術：打破大功率高頻變壓器功率與頻率之間的壁壘

釋放SiC高頻率開關性能的潛力，需要變壓器技術的創(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）。

無論使用哪種傳統(tǒng)變壓器設計，由于相鄰的載流導體浸沒在彼此的磁場中，通過“鄰近效應”產生損耗，很難達成結構緊湊單模塊的高頻功率磁性器件。這種“鄰近效應”以及與傳統(tǒng)結構相關的其它損耗，限制了小型化和大功率變壓器可以工作的頻率。

更詳細來說，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，股數太多時降低了空間利用率，直流損耗很大。

扁銅帶構造則不太適合高頻，頻率太高，趨膚效應更加明顯。而且，扁銅帶繞線十分不便，成本高，工藝難度大，寄生電容也會比較大；內層的銅箔散熱就不太好了，層數很多，漏感大，臨界效應越強，渦流很高。內部熱難于散出去，容易形成熱點，變壓器結構很難用在高頻。

村田制作所的pdqb繞線技術，使用層疊構造，改進繞組之間的耦合，消除了鄰近效應, 通過提高空間利用率減少了直流損耗，渦流損耗；傳統(tǒng)的由內而外的結構，里面容易形成熱點，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，從而實現了大功率變壓器的高頻率、高效率、小體積應用。

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繞線技術可以構建200kHz以上的高頻變壓器，甚至可在高達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，簡化充電設施的設計和散熱要求。

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

責任編輯：YYX