第10篇 环保节能社会的电源技术

有助于HEV节能的车载DC-DC转换器

电动汽车分为通过搭载的电池（可反复充放电的充电电池）驱动马达进行移动的纯EV（狭义的电动汽车）、马达和发动机并用的HEV（混合动力车）、搭载燃料电池（一种化学发电机）一边发电和充电一边依靠马达移动的燃料电池车。在这样的绿色汽车开发竞赛中，HEV如今一马当先，还出现了可在家中充电的插入式HEV。纯EV的结构简单，但目前因为电池瓶颈，存在续航距离短的缺点。燃料电池车因为技术问题，目前距离乘用车普及还有相当的差距。
搭载在电动汽车上的电池主流为镍氢电池，今后则预计为锂离子电池。电池性能存在能量密度这一性能指标。它代表单位重量或体积能够提供多少电力，能量密度越高就越轻便小型，从而能搭载更多电池，增加续航距离。
在能量密度方面，锂离子电池超过了镍氢电池，可得到的电压也较高（3.5 - 4V）。为了提高EV和HEV的马达效率，它们采用的是约200 - 300V的高压，这点对于锂离子电池也是有利的。不过电解液需要用到可燃的有机溶媒，因此需要充分确保其安全性。聚合物锂离子电池是指将电解液替换为胶状聚合物（高分子化合物的聚合体）的电池。
如今的汽车搭载有各种电子设备，以至于被称作行驶的电子设备。这类电子设备大多数以低压（14V）运作，因此在HEV中，会将高压的主电池电力转换为低压再充入辅助电池（14V）中。在这里负责转换电压的便是HEV用DC-DC转换器。电动车窗、电动座椅、车辆导航等提高汽车便利性的电子设备电动耗电量急剧增加，对电池造成了越来越大的负担。因此，进一步的节能和减少电池负担便成了HEV的一大课题。
通过各种手段，例如利用先进的热分析模拟技术进行放热设计，TDK的高效、低噪声、可靠的HEV用DC-DC转换器终于得以实现。DC-DC转换器的热损耗之一来自变压器的核心损耗。TDK采用的新型铁氧体PC95材料具有在25 - 120°C的广范围内保持低损耗的特性，实现了核心损耗的大幅削减。它在国内外的HEV中得到运用，并因优良性能获得了好评。
作为替代原先铅蓄电池的小型、轻量、长寿命电池，锂离子电池也被用于UPS（不间断电源）（详情见本系列第8篇）。在太阳能、风力发电实现家用普及后，就需要有电池来将发出的电能储蓄起来。在这方面，大容量且小型的锂离子电池也大有运用空间。

PWM(Pulse Width Modulation/脉冲幅度调制)所实现的稳压原理

电子设备虽然不排放CO2，但会因为各种能量损耗而发热。散热和省电是电源所需追求的永恒使命。随着网络化社会的发展，IT相关耗电量急剧近来增加。再加上IT设备的散热和冷却用电，2025年的日本全国耗电量的预计四分之一将和IT有关。因此，为了进一步提高电源效率，数字控制技术近来受到了热切关注。若将以往的模拟控制改为数字控制，提高电源效率的话，就能节省电力，减少发热，进而减少冷却所需电力。数百W以上的大容量电源因此会尤为受益，不过以手机为代表的的移动设备的电池节能也受到人们期待。
在介绍数字控制之前，先以DC-DC转换器为例，简单介绍一下目前的模拟控制原理。DC-DC转换器为代表的的开关式电源会将直流电转换为高频脉冲，送往变压器，进行变压。得到的电压由脉冲幅度决定，因此被称为PWM（脉冲幅度调制）。不过，受到输出端负荷变得的影响，本应稳定的输出电压会变得不稳定。为了解决此问题，就需要反馈输出电压的变动，并消除误差。这便是稳定电路。
如下图所示，首先检测输出电压，与基准电压对比，再用误差增幅器对误差进行增幅，送往模拟控制器。模拟控制器会利用振荡器送来的一定周期的三角波，以误差增幅器的信号电压对应的脉冲幅度向开关电路供电。通过这种反馈，DC输出电压就能稳定下来。不过，模拟方式无法实现更精细的电压控制，数字控制因此就作为电源技术的新趋势出现了。

数字控制推动的电源进化正在启航

电源的数字控制分为通信方面的数字控制，以及PWM（脉冲幅度调制）电路从模拟到数字的替换两种含义，同时包含两方面的就叫做全数字控制。
通信方面的数字控制如下图所示，是指通过数字接口传递电脑发来的信号，根据电压、电流、温度等变化进行电源控制的技术。另外，将模拟控制的检测对比电路和控制电路替换为A-D转换器和DSP（数字信号处理器）的方式叫作反馈型数字控制。
数字控制并非最新技术，电制Lambda（如今的TDK Lambda）从1980年代起就将其用于UPS。UPS能在瞬间从商用交流电切换到电池供电，是防止停电时系统瘫痪的设备。对此时的电池运作状态进行在线监控，以数字方式控制它切换回商用交流电等，通过这些操作就能实现更加迅速而精细的控制。
电制Lambda和电气通信大学一起在2005年开发了采用DSP进行全数字控制的开关电源技术，并制造了四分块尺寸的绝缘型DC-DC转换器试验品，命名为“Intelligent Power Supply”。目前，周边技术的开发和应用方式调查正在推进，旨在实现商品化。此外，TDK在2005年的CEATEC上演示了用于数字控制平板显示屏背光的换流器，吸引了业界的关注。
节能是现代社会的重要课题。作为这方面的关键技术，数字控制今后还会有巨大的发展。电源的模拟控制与数字控制之间的区别，就好像电视模拟信号与数字信号间的区别。虽然画面中的节目内容没有变，但数据广播、观众参与性互动节目、单波段播放等都是数字电视独有的功能。与此相同，电源的数字控制不仅能高效节能，还能实现数字技术独有的各种可能性。
为实现环保节能社会，以及电子化社会的进一步发展，电力电子技术的职责将会愈发的重要。也请您期待TDK和TDK Lambda的电源技术在今后的发展。

*本系列就此暂告一段落。感谢您的阅读。