OBC負責電池組充電的最後階段，它會從充電站汲取AC電源，將其轉換為DC，以用來為350V或650V電池充電。不過，有多種因素可能影響電動車電池的充電效率，而電動車電池在單位時間內從電網取得的電力越多，表示其效率越高。
若要提升OBC的效率，可以從減少充電或放電期間的功率耗損著手。OBC設計的其中一項關鍵要素，就是減少功率因數校正(PFC)等級的AC耗損。由於OBC的系統功率等級會連接至電網，導致全世界多數國家現在都要求在OBC中加入PFC等級。本文將著重於介紹一種方法，藉此分享如何減少因PFC專用升壓電感器的通量散射所導致的AC銅耗。
確保系統設計最佳化
OBC的PFC等級使用傳統的升壓拓撲，內含輸入二極體電橋、濾波器和升壓電感器(Lboost)，如圖1中的方塊圖所示。其關鍵要求之一，就是升壓電感器必須在尖峰電流時保持電感，不可飽和。如此有助於確保形成負載電流波形，且能隨輸入電壓維持相位。電感器必須保持較低的核心耗損和銅耗，以維持其效率，且不得產生過多的熱能。
針對接近單位功率因數(電阻負載)的PFC，輸入電流需與輸入電壓同相，且需為低失真。圖1中的S1開關連接至控制器，用於監控輸入電壓。此開關以200kHz執行「開啟」和「關閉」(或以工作週期調頻)，瞬態輸入電壓在100Hz範圍內的變動相對較慢。
Lboost中的平均電流會在週期內追蹤相對形狀和相位的輸入電壓訊號，而電流波形失真則會因電容和電感負載而減少。從AC電源側來看，負載看起來為電阻型。Lboost中平均電流的振幅也會隨時間調整，以補償線路和負載的變動。
電感器材料攸關銅耗
這類的電感器通常使用鐵粉作為磁性材料，因製造過程中使用非磁性黏著劑，使鐵粉具有磁性材料固有的分散式氣隙，其導磁性(μ)通常介於20至200。由於電感器有嚴格的體積限制和電感要求(滿負載時大於150μH)，使用鐵粉核心的功率耗損將非常大，而且會使應用中的電感器過熱。
因此，需要採取另一種解方。為了最佳化PFC的升壓電感器，如美商柏恩(Bourns)便使用傳統的分裂核心，它是由低耗損的錳鋅(MnZn)鐵氧體材料構成。可以從中發現，MnZn鐵氧體材料相比鐵粉的耗損大幅降低，導磁性也高出許多；另外，為防止鐵氧體核心飽和，應在磁路徑中加入氣隙。
但加入氣隙也會降低材料的導磁性。經測試與模擬後發現，使用分散式多重氣隙，能將通量散射降到最低，與單一氣隙的電感器相比之下，銅耗將大幅降低。
氣隙計算確保高效率
電感器設計中的氣隙部分，是使產品達到較高效率並降低AC耗損的關鍵。其設計的原理，是假設磁性電路中的所有磁阻都產生在氣隙中。
設計的第一個階段，應先確認升壓電感器該擁有的圈數，以確保其核心不會在尖峰電流的特定電感下達到飽和。首先為計算圈數，接著再計算磁動勢(MMF)。從過程中可判定，此應用的作業通量密度必須限制在0.3T；另外，還必須找出於尖峰電流下將通量限制在0.3T所需要的磁阻量(R)。而若將核心限制在0.3T，可確保磁性核心不會飽和。在找到將通量密度限制在0.3T所需要的磁阻後，接著便能計算氣隙尺寸。可從中進一步發現，這類單一氣隙的電感器可透過縮小氣隙尺寸，以及增加電感器中央腳的氣隙數量，藉此大幅降低銅耗。若採用單一氣隙時，AC電阻為5.5Ω；而當三氣隙散布在核心中央腳時，AC電阻最終可降至0.616Ω。
在找出鐵氧體材料總氣隙最適合的尺寸後，接著再根據核心中氣隙的散射通量(輻射磁場)可能使銅出現渦流等類現象，減少電感器中的耗損，進而找出最佳的設計。不過，這會使銅線圈內發生區域性的焦耳損失。至於升壓電感器中的平均電流，會在週期內追蹤相對形狀和相位的輸入電壓訊號(圖2)。
高密度設計大幅減少耗損
若使用帶氣隙的鐵氧體結構，可實現較高效率的高密度設計，進而使每個通道在每次的週期內，可達到最高3.6kW的處理量，於最高負載時可儲存125mJ。透過PFC模擬，證明了確實找到能儲存能量並避免飽和的最佳氣隙。此外，同時亦可確認，銅功率耗損的主要來源為AC電阻，所以結論是，針對設計的最高AC電阻規格目標應為750mΩ(在125kHz和100℃的條件下)，同時使用FEA軟體來進行升壓電感器設計的驗證、分析和最佳化。
如Bourns的升壓電感器可減少多達90%的AC耗損，但仍須視應用而定。降低耗損的關鍵，在於縮小氣隙尺寸及增加電感器中央腳的氣隙數量。本文的測試結果顯示，單一氣隙電感器的AC電阻為5.5Ω，而測試應用中的三氣隙設計則使AC電阻降到僅0.616Ω。至於AC電阻耗損的降低，是由於AC銅耗從每通道的20W大幅降到只剩1.8W。此外，由於該升壓電感器產生的熱能較少，因此散熱需求較低，同時還具減少EMI的額外優點。若結合以上優點，便有助於實現較佳的PFC等級設計，使OBC整體效率提升，進而為電動車市場的成長提供助力。
(本文出自於貿澤電子與Bourns共同出版之《車輛電動化(Electrification of the Vehicle)》電子書)
