神户大学研发新型直流升压变流器 效率更高/成本更低

盖世汽车讯 据外媒报道，日本神户大学（Kobe University）设计了一种新型电子大功率变流器，比之前的产品效率更高、成本及维护成本更低。该款直流升压变流器可对电力和电子元件的进一步发展做出重大贡献，惠及发电、医疗保健、移动出行和信息技术行业。

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直流电压升压变流器（图片来源：神户大学）

从阳光或振动中获取能量、亦或是为医疗设备或氢燃料汽车提供动力的设备都有一个关键的组件，即所谓的“升压变流器”，其输入低压直流电，然后进行转换，输出高压直流电。由于此种设备是一种到处可见的关键部件，因此都希望其可以使用尽可能少的部件，以降低维护成本和成本，同时还能在不产生电磁噪声或热量的情况下以尽可能高的效率运行。

升压变流器的主要工作原理是在电路的两种状态间快速变化，一种状态是储存能量，另一种状态是释放能量。切换速度越快，元件的尺寸就越小，因此整个设备的尺寸就可以缩小。不过，这也增加了电磁噪声和产生的热量，会削弱功率变流器的性能。

神户大学电力电子系团队在研究员Mishima Tomokazu的领导下，在研发一种新型直流功率转换电路方面取得了重大进展。他们成功将高开关频率（比之前约高10倍）与一种可降低电磁噪声和功率损失（因散热造成）的技术（软开关）结合起来，同时还减少了元件的数量，从而实现了低成本和低复杂性。

Mishima博士解释道：“当电路在两种状态之间变换时，有一段短暂的时间内开关没有完全闭合，这时开关上同时存在电压和电流。这意味着，在这段时间内，开关的工作与电阻一样，因此会散热。开关状态改变得越频繁，散热就越多。软开关是一种保证开关转换在零电压下发生的技术，可以最大限度地减少热损失。”

在一般情况下，这可通过“缓冲器”实现，即在转换期间作为替代性能量吸收器的组件，随后会发生能量损失。

神户大学研究团队在《IEEE Transactions on Power Electronics》期刊上介绍了其新型电路设计和评估结果，研究成果的关键在于使用“谐振槽”电路，此种电路可以在开关期间存储能量，因此损耗更低。

此外，研究人员采用了节省元件的设计，将平面元件印刷到电路板上，称为“平面变压器”，非常紧凑，而且具备良好的效率和热性能。

Mishima博士与同事还打造了一个电路原型，并测量了其性能。

“我们证实，我们的无缓冲器设计大大降低了电磁噪声，能效高达91.3%，对于具有高电压转换比的MHz驱动器而言是前所未有的。这一比例也比现有设计的比例高出1.5倍以上。”不过，该研究团队还想通过降低磁性元件的功耗来进一步提高效率。

考虑到电子设备如今在社会中无处不在，具有高电压倍率的直流电源效率高且能低噪声运行非常重要。

神户大学的这一科学成就将对电力、可再生能源、交通、信息和电信以及医疗保健等应用产生重大影响。Mishima博士还解释了其未来计划：“目前研发的设备是一个100W级别的小容量原型设备，但我们的目标是通过改进电子电路板和其他元件，未来，将设备的功率容量扩大到更大的kW级别。”

该项研究由神户大学与中国台湾中兴大学（National Chung Hsing University）合作开展。