新的電力轉換器設計以比以前更低的成本和維護實現了更高的效率。神戶大學開發的直流升壓轉換器預計將為發電、醫療保健、行動和資訊技術領域的電氣和電子元件的進一步發展做出重大貢獻。

從陽光或振動或電力中收集能量的設備醫療器材氫燃料汽車有一個共同的關鍵部件。這種所謂的「升壓轉換器」將低壓直流輸入轉換為高壓直流輸出。由於它是一個無處不在的關鍵部件，因此希望它使用盡可能少的零件，以減少維護和成本，同時以盡可能高的效率運行，而不產生電磁噪音或熱量。

升壓轉換器的主要工作原理是在電路中的兩種狀態之間快速變化，一種狀態儲存能量，另一種狀態釋放能量。開關速度越快，元件可以越小，因此可以縮小整個裝置的尺寸。然而，這也增加了電磁雜訊和熱量產生，從而降低了功率轉換器的性能。

由研究員三島智和領導的神戶大學電力電子團隊在開發新型直流功率轉換電路方面取得了重大進展。他們成功地結合在一起高頻開關（比以前高約 10 倍）採用了一種技術，可減少電磁雜訊和功率損耗散熱，稱為“軟開關”，同時也減少了組件數量，從而保持較低的成本和複雜性。

「當電路在兩種狀態之間變化時，會有一個短暫的時間段，開關沒有完全閉合，此時開關兩端既有電壓又有電流。這意味著在這段時間內開關的作用就像一個電阻器開關狀態變化越頻繁，這種耗散現象就越多，軟開關是一種保證開關轉換在零電壓下發生的技術，從而最大限度地減少熱量損失，」Mishima 博士解釋道。

傳統上，這是透過「緩衝器」來實現的，這些組件在過渡期間提供替代能量吸收，隨後導致能量損失。

神戶大學隊提出他們的新電路設計及其在期刊上的評估IEEE 電力電子學報。他們取得這項成就的關鍵是使用「諧振迴路」電路，該電路可以在開關期間儲存能量，因此損耗要低得多。

此外，他們還採用節省元件的設計，將扁平元件印刷在電路板上，稱為“平面變壓器”，這種設計非常緊湊，並且具有良好的效率和熱性能。

三島和他的同事還建造了該電路的原型並測量了其性能。「我們確認我們的無緩衝器設計大大減少了電磁噪音能源效率高達91.3%，這對於高電壓轉換比的MHz驅動來說是前所未有的。該比率也比現有設計高出 1.5 倍以上。

考慮到我們社會中電氣設備的普遍存在，具有高倍壓比的直流電源的高效率和低噪音運作極為重要。

神戶大學的這項開發案將對電力、再生能源、交通、資訊和電信以及醫療保健等領域的應用產生重大影響。三島解釋了他們的未來計劃，“目前開發的是100W級小容量原型，但我們的目標是通過改進電子電路板和其他組件，在未來將功率容量擴大到更大的kW級容量。”

這項研究是與國立中興大學的研究人員合作進行的。

更多資訊：Tomokazu Mishima 等人，MHz 驅動無緩衝器軟開關電流饋送多諧振 DC-DC 轉換器，IEEE 電力電子學報（2024）。DOI：10.1109/TPEL.2024.3380069