DC-DC轉(zhuǎn)換器（一）：提高電壓轉(zhuǎn)換效率

TDK已開始向混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車提供“DC-DC轉(zhuǎn)換器”。電動(dòng)汽車充電電池的電壓高達(dá)數(shù)百伏。DC-DC轉(zhuǎn)換器將充電電池的電壓降至14V，提 供給鉛蓄電池。再把鉛蓄電池作為電源驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔機(jī)類、雨刷及前照燈等器件。

世界首款量產(chǎn)混合動(dòng)力車的投入使用已經(jīng)12年。包括TDK在內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器單位體積的功率密度逐年提高，估計(jì)今后也是這一趨勢(shì)。

TDK的DC-DC轉(zhuǎn)換器于1997年實(shí)際應(yīng)用于混合動(dòng)力車。本田將在現(xiàn)行的“思域混合動(dòng)力車”和新款I(lǐng)nsight上采用（圖1）。還被部分海外廠 商應(yīng)用于混合動(dòng)力車。

Insight之所以采用TDK制造的DC-DC轉(zhuǎn)換器， 是因?yàn)槟軌驖M足小型與輕量化的要求。本田對(duì)Insight減小了包括DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變 器在內(nèi)的PCU（功率控制單元）尺寸及鎳氫充電電池的尺寸。這些器件在思域混合動(dòng)力車中曾配置在后座后面，而在Insight中，卻配置在行李艙下面，以 使行李艙的可用空間比以前增大。DC-DC轉(zhuǎn)換器的小型化有利于擴(kuò)大行李艙容量，降低成本。

Insight上使用的最新款DC-DC轉(zhuǎn)換器與思域混合動(dòng)力車上配備的原產(chǎn)品相比，重量減輕45％，容積減小5％（圖2）。重量低于1kg。轉(zhuǎn)換效 率確保在90％以上。

省去交流發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車導(dǎo)入DC-DC轉(zhuǎn)換器之后，可省去交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn) 發(fā)電，發(fā)出的電為鉛蓄電池充電。（如圖）

電動(dòng)汽車 的充 電電池容量很大。因此，以充電電池為電源， 能夠利用DC-DC轉(zhuǎn)換器為鉛蓄電池充電。從而可以 省去原來(lái)的交流發(fā)電機(jī)。（如圖）

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Insight就未配備交流發(fā)電機(jī)（如圖）

使用充電電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以不必考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而為鉛蓄電池充電。原來(lái)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，如果同時(shí)使用空調(diào)、立體聲及車 燈等，有時(shí)“電池的電量會(huì)用盡”。即使發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)行，有些條件下也會(huì)出現(xiàn)電力不足現(xiàn)象。而如果像混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車這樣使用充電電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器，便可不必考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而使用電力。

DC-DC轉(zhuǎn)換器（二）：保留鉛蓄電池

混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車按說(shuō)也能省去鉛蓄電池，但實(shí)際上還是保留了鉛蓄電池（如圖）。Insight也保留了鉛蓄電池。這樣做有兩大原因。一是保留鉛蓄 電池更能夠降低整個(gè)車輛的成本。二是確保電源的冗余度。

鉛蓄電池能在短時(shí)間內(nèi)向空調(diào)、雨刷及車燈等釋放大電流。如果省去鉛蓄電池而將充電電池的電力用于補(bǔ)機(jī)類、空調(diào)及雨刷等，DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸勢(shì)必就 要增大，從而使整體成本增加。鉛蓄電池便宜，因此目前將鉛蓄電池置換成充電電池還沒(méi)有成本上的優(yōu)勢(shì)。

二是鉛蓄電池還有確保向補(bǔ)機(jī)類供電的冗余度的作用。DC-DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障停止供電時(shí)，如果沒(méi)有鉛蓄電池，補(bǔ)機(jī)類就會(huì)立即停止運(yùn)行。夜間車燈不亮， 雨天雨刷停止運(yùn)行等，就會(huì)影響駕駛。如果有鉛蓄電池，便能夠?qū)⑵嚲徒_到家里或者工廠。

今后DC-DC轉(zhuǎn)換器功能改進(jìn)的方向之一是雙向化，現(xiàn)在使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器只是單向改變電壓。現(xiàn)在也存在要求雙向的需求。當(dāng)充電電池的電力不足 時(shí)，便可將鉛蓄電池的電力輸入充電電池，以備緊急之需。雙向化是今后將繼續(xù)探討的課題，這也是確保冗余度的方法。 TDK分代開發(fā)了DC-DC轉(zhuǎn)換器基本電路（平臺(tái)），如圖

其中包括2001年開始量產(chǎn)的“GEN3”（第3代）、2005年量產(chǎn)的“GEN4” （第4代）、2008年量產(chǎn)的“GEN4.5”（第4.5代）。現(xiàn)在正在開發(fā)的是“GEN5”（第5代）。根據(jù)基本電路，制成符合各汽車公司要求的產(chǎn)品。

DC-DC轉(zhuǎn)換器不同的代規(guī)定了變壓器的種類及DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的基本構(gòu)造。水冷/空冷、端子位置，主體形狀等根據(jù)采用車型進(jìn)行設(shè)計(jì)。基本構(gòu)造以 嚴(yán)酷環(huán)境下的空冷為前提設(shè)計(jì)。

按產(chǎn)品來(lái)看，轉(zhuǎn)換效率由第2代到第5代一直在提高（圖8）。電流為10A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率分別為約84％（第2代）、約86％（第4代）、約89％（第 4.5代）。電流為70A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率由約86％（第2代）提高到約88％（第4.5代）。預(yù)計(jì)下一代第5代將超過(guò)90％。（未完待續(xù)，特約撰稿人：近藤 朋之，TDK電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)集團(tuán)EV電源部部長(zhǎng)）

? ? ?DC-DC轉(zhuǎn)換器（三）：DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能

DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要部件是變壓器。變壓器由一次側(cè)（輸入側(cè)、充電電池側(cè)）和二次側(cè)（輸出側(cè)、鉛蓄電池側(cè)）兩種線圈構(gòu)成。線圈比與電壓比成比例。

利用變壓器改變電壓時(shí)，變壓器需通過(guò)交流電壓。充電電池是直流電壓，因此DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)利用功率半導(dǎo)體ON/OFF來(lái)自充電電池的直流電壓，將 其轉(zhuǎn)換成交流電壓。然后，利用變壓器轉(zhuǎn)換交流電壓，再利用功率半導(dǎo)體將交流電壓轉(zhuǎn)換成14V的直流電壓。利用功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換交流和直流時(shí)，為抑制電壓波形 的噪聲（平滑化），還使用了電容器。

決定DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的主要因素是變壓器。變壓器的大小、形狀及支持的開關(guān)頻率隨著更新?lián)Q代而進(jìn)化（如圖）。開關(guān)頻率由70kHz提高到 110kHz，變壓器鐵芯的重量由215g左右減輕至61g左右。變壓器的線圈通過(guò)采用層疊平面線圈的類型，降低了高度。

通過(guò)提高開關(guān)頻率，可減小變壓器和整流電路的尺寸。因?yàn)轭l率提高，可使功率半導(dǎo)體單位時(shí)間的開關(guān)次數(shù)增加。不過(guò)，為防止接近收音機(jī)AM廣播的頻率，過(guò) 去一直采用70kHz頻帯。最近由于抑制噪聲的技術(shù)取得進(jìn)步，采用了比原來(lái)高40kHz的110kHz頻帯。

變壓器的鐵芯材料采用的是最新的鐵氧體材料“PC95”。PC95的原料為Fe（鐵）、Mn（錳）、Zn（鋅）。Fe的混合比例等與原產(chǎn)品 （“PC44”、“PC45”等）不同。原產(chǎn)品在有些溫度下，會(huì)出現(xiàn)鐵損增大、效率降低現(xiàn)象。最新的鐵芯可在很大的溫度范圍內(nèi)減小鐵損。鐵損以磁滯損耗為 主，還包括渦流損耗。

與二次側(cè)變壓器相連的整流二極管采用了比上代熱損耗低的產(chǎn)品。這樣，整流二極管的封裝面積比原來(lái)減小40％。

混合動(dòng)力車用DC-DC轉(zhuǎn)換器上使用的變壓器鐵芯材料采用了鐵氧體（表）。因?yàn)樽儔浩髦辛鬟^(guò)100kHz左右的高頻電流，與其他材料相比，鐵氧體的效 率最高。 家電中使用的變壓器的工作頻率為50/60kHz左右，適于采用硅鋼。非晶材料適合于頻率高于100kHz的領(lǐng)域。

電動(dòng)車DC轉(zhuǎn)換器修理

用維修電源調(diào)到最高30V接入紅黑兩線，萬(wàn)用表電壓檔接黃黑兩線，果然沒(méi)12V電壓輸出。肯定已壞。

將盒子上的八顆螺絲卸下，即可打開看見里面的電路板，再將側(cè)邊固定兩個(gè)大功率管的螺絲卸下，就可以取出電路板了。

仔細(xì)觀察電路板，首先發(fā)現(xiàn)有打火痕跡，是個(gè)100V100uF電容松掉，估計(jì)長(zhǎng)期發(fā)熱加上在車上顛簸導(dǎo)致虛焊并松脫，于是拆下來(lái)檢測(cè)，還能用！隨即補(bǔ)焊回去，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)MOS管與肖特基管管腳也有虛焊，也要拆下來(lái)檢測(cè)后補(bǔ)焊。

再仔細(xì)觀察其它地方?jīng)]有虛焊了，同時(shí)觀察板上的電阻沒(méi)有焦黑。對(duì)于其它二極管用萬(wàn)用表二極管檔測(cè)一下正反壓降，都符合二極管基本特性。

用維修電源上電檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)還是沒(méi)有輸出。懷疑IC。用萬(wàn)用表測(cè)IC的7腳，只有1點(diǎn)幾伏電壓，沒(méi)供電？

將供電一路的電阻測(cè)量，主要是那個(gè)20k1W電阻，沒(méi)壞。懷疑兩個(gè)并聯(lián)在7腳的電容漏電，拆下來(lái)測(cè)一下，沒(méi)有壞也沒(méi)漏電。

于是判斷可能是IC壞了，隨后將IC拆下來(lái)，測(cè)7腳與5腳（IC的供電與地）。發(fā)現(xiàn)電阻得80幾歐，無(wú)二極管特性。判斷IC損壞！IC型號(hào)寫著TL3845P。淘寶一搜，很少，且9毛錢。于是買了便宜的UC3845，只要5毛錢。

兩天后，芯片寄到，裝上前測(cè)一下好的IC 7與5腳是怎么樣的，結(jié)果：不是80幾歐的，且有二極管特性，隨后將IC焊上，通電試機(jī)，有13V輸出，維修成功！