今年1月，陽(yáng)光電源推出一款車(chē)載OBC采用了單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其功率密度已達(dá)到6.1kW/L，全電壓范圍內(nèi)的平均滿(mǎn)載效率達(dá)到了96.2%。

為了實(shí)現(xiàn)這一性能指標(biāo)，該產(chǎn)品融合了當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的前沿技術(shù)，包括單級(jí)式OBC取消電解電容、采用第三代寬禁帶半導(dǎo)體、功率器件散熱技術(shù)以及磁集成技術(shù)等。其中，磁集成技術(shù)尤為重要，為了滿(mǎn)足功率密度要求，系統(tǒng)對(duì)磁元件的尺寸提出了嚴(yán)格限制，因此只能采用磁集成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

在2025年第二十四屆（華南）中國(guó)磁性元器件行業(yè)智能生產(chǎn)暨高性能材料應(yīng)用技術(shù)峰會(huì)上，陽(yáng)光電源股份有限公司磁性元件組主管蔡國(guó)慶作為演講嘉賓，提到了該單級(jí)車(chē)載OBC拓?fù)?，并系統(tǒng)闡述了高頻隔離變換器中的磁集成技術(shù)，通過(guò)深入淺出地分析磁集成技術(shù)原理，分享陽(yáng)光電源的磁集成設(shè)計(jì)方案。

對(duì)此，《磁性元件與電源》根據(jù)其演講內(nèi)容梳理成文，以饗同仁朋友們。

陽(yáng)光電源股份有限公司的磁性元件組主管蔡國(guó)慶

一、磁集成技術(shù)概述

磁集成是指通過(guò)單個(gè)電感、變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電感、變壓器的功能。從磁通的角度來(lái)看，磁集成可以分為兩類(lèi)：解耦型設(shè)計(jì)和耦合型設(shè)計(jì)。

• 解耦型設(shè)計(jì)：在這種設(shè)計(jì)中，多個(gè)電感、變壓器之間除了共享公共磁柱外，不存在磁通耦合。因此，其磁路模型是獨(dú)立的，設(shè)計(jì)和分析過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。
• 耦合型設(shè)計(jì)：在這種設(shè)計(jì)中，兩個(gè)獨(dú)立電感、變壓器之間存在磁通耦合，這意味著在工作過(guò)程中，電感變壓器之間會(huì)相互影響。因此，電感變壓器的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程較為復(fù)雜，但磁集成程度更高。

從所集成的電感、變壓器種類(lèi)來(lái)看，磁集成可以分為以下三類(lèi)：

1、電感與電感集成：一種是最典型的應(yīng)用是交錯(cuò)并聯(lián)的Boost電感磁集成。

另一種是差模與共模集成。在設(shè)計(jì)大功率電感、變壓器時(shí)，通常會(huì)采用并聯(lián)繞組方案。然而，如果結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)繞組之間出現(xiàn)不均流現(xiàn)象。為抑制這種不均流，需要增加一個(gè)差模電感。

具體方案是在雙柱式諧振電感的基礎(chǔ)上增加一個(gè)中柱，該中柱作為差模磁通的回路。由于差模分量本身較小，因此中柱的截面積也相對(duì)較小。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)了差模電感與共模電感的磁集成。

2、變壓器與變壓器集成：在學(xué)術(shù)界較為熱門(mén)的是矩陣式變壓器。例如，原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過(guò)一個(gè)四柱式平面變壓器實(shí)現(xiàn)。這種磁集成方式適用于高匝比場(chǎng)景，如服務(wù)器電源。然而，在大功率場(chǎng)景（如充電樁）中，更多采用三相拓?fù)洹?/span>

由于三相拓?fù)渲腥齻€(gè)電感變壓器的磁通和為零，公共柱可以抵消，從而實(shí)現(xiàn)三相三柱式的變壓器。

三端口磁集成隔離變壓器

對(duì)于車(chē)載電源，通常至少需要兩路隔離DC-DC，一路用于OBC，一路用于DC-DC。通過(guò)利用三繞組變壓器實(shí)現(xiàn)交流耦合，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)端口之間的任意能量流動(dòng)，從而大幅提高系統(tǒng)集成度。

3、電感與變壓器集成：這種磁集成方式適用于基礎(chǔ)拓?fù)?，尤其是LLC和DAB拓?fù)洹＿@兩種拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，效率較高，因此在中高功率場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛。LLC拓?fù)潆m然也有雙向CLLC拓?fù)?，但考慮到性?xún)r(jià)比，目前主要用于單向能量流動(dòng)的場(chǎng)景，如單向OBC和充電樁。

多相磁集成變壓器

DAB拓?fù)鋭t主要用于能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)景，如雙向OBC和戶(hù)用儲(chǔ)能。

這兩種拓?fù)涞墓餐攸c(diǎn)是具有與變壓器串聯(lián)的電感（圖中標(biāo)注為L(zhǎng)R部分）。

一般來(lái)說(shuō)，LLC拓?fù)涞闹C振電感較小，以實(shí)現(xiàn)更寬的范圍；而DAB拓?fù)涞碾姼休^大，以提升控制精度。從磁集成的角度來(lái)看，DAB的大漏感更難實(shí)現(xiàn)。

二、磁集成設(shè)計(jì)方案——共軛磁集成

磁集成技術(shù)的歷史可以追溯到近100年前。近年來(lái)，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，目前已形成了一些主流的磁集成方案。

然而，在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，該技術(shù)存在較高的技術(shù)門(mén)檻。如果設(shè)計(jì)合理，磁集成方案可以減少電感、變壓器的數(shù)量，提升系統(tǒng)在全工況下的效率，降低電感、變壓器的成本和體積。但如果電感變壓器得設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)導(dǎo)致磁集成變壓器在結(jié)構(gòu)和工藝上變得非常復(fù)雜，從而增加工時(shí)成本，甚至在個(gè)別工況或全工況下效率反而下降。

最常見(jiàn)的問(wèn)題是磁集成后變壓器的局部溫升問(wèn)題，這是我們目前遇到最多的問(wèn)題。因此，對(duì)于磁集成技術(shù)而言，電感變壓器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

對(duì)此，蔡國(guó)慶分享了兩種磁集成的設(shè)計(jì)方式；一是共軛磁集成，二是漏感磁集成。由于篇幅原因，漏感磁集成文章將在下期發(fā)布，本篇文章將重點(diǎn)介紹共軛磁集成原理及設(shè)計(jì)方案。

01共軛磁集成原理分析

理論上，任意電感變壓器都可以通過(guò)公共柱實(shí)現(xiàn)解耦型的磁集成。然而，如果僅進(jìn)行單純的物理集成，并沒(méi)有充分發(fā)揮磁集成的優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)榇偶傻膬蓚€(gè)電感、變壓器的磁通是矢量，如果這兩個(gè)電感、變壓器在公共柱上是同頻的，同時(shí)存在一個(gè)固定的相位差，那么就可以利用磁通的疊加原理實(shí)現(xiàn)部分抵消。

以下圖的LLC拓?fù)錇槔?，在基波分析時(shí)，可以認(rèn)為副邊電流（IO）近似為一個(gè)正弦波。變壓器的勵(lì)磁電感受副邊電壓的激勵(lì)，因此其勵(lì)磁電流可以看作是一個(gè)滯后90度的三角波。

而原邊的諧振電流等于副邊電流折算到原邊后，再加上勵(lì)磁電流。由于勵(lì)磁電流相對(duì)較小，原邊電流整體仍趨向于正弦波，但因?yàn)閯?lì)磁電流和副邊電流存在90度的相位差，兩個(gè)90度相位差的矢量疊加后，原邊電流矢量與副邊電流矢量之間會(huì)存在一個(gè)小于90度的相位差。

對(duì)于變壓器而言，其磁通與勵(lì)磁電流成正比，而諧振電感的磁通與諧振電流成正比。因此，變壓器的磁通是一個(gè)三角波，而電感的磁通則是一個(gè)超前不到90度的近似正弦波。當(dāng)電感變壓器正向或反向疊加時(shí)，疊加后的磁通幅值小于變壓器和電感磁通幅值之和。這樣就可以減小共軛部分的磁通幅值，從而實(shí)現(xiàn)磁集成，這就是其基本原理。

02共軛磁集成設(shè)計(jì)方法與優(yōu)化

了解原理后，我們?cè)诖偶稍O(shè)計(jì)時(shí)會(huì)更加簡(jiǎn)便。

一是可以先設(shè)計(jì)分立的電感變壓器，然后再進(jìn)行共軛磁集成。由于變壓器和電感仍獨(dú)立，因此它們各自的降損措施仍然適用。

例如，變壓器可以采用三明治結(jié)構(gòu)，電感可以采用分段式氣隙。但需要注意的是，在設(shè)計(jì)分離電感變壓器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)共軛磁集成，變壓器與電感需要采用相同規(guī)格的磁芯。

然而，通常情況下，變壓器的磁芯相對(duì)較大，導(dǎo)致變壓器的窗口面積和高度也較大，而電感的窗口高度通常較小。因此，在電感降損時(shí)采用分段式氣隙的工藝會(huì)相對(duì)復(fù)雜。

二是公共磁軛部分，變壓器磁通與電感磁通可同向（DAB）或反向（LLC）疊加。

對(duì)于DAB型拓?fù)?，分析可知電感磁通與變壓器磁通的夾角略大于90度，因此通常推薦采用同向設(shè)置方案。

而對(duì)于LLC型拓?fù)洌潆姼写磐ㄅc變壓器磁通的夾角小于90度，此時(shí)推薦采用反向設(shè)置方案。具體設(shè)置可以通過(guò)調(diào)整變壓器和電感的繞向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下圖展示的是LLC拓?fù)涞拇磐ǒB加與抵消波形，可以看到反向設(shè)置時(shí)磁通幅值更低。

三是磁芯一般采用標(biāo)準(zhǔn)磁芯，公共磁軛磁通疊加，磁通密度更高。

在實(shí)際制作中，由于電感與變壓器是串聯(lián)的，理論上電感可以與同側(cè)的變壓器繞組采用一根線(xiàn)繞制。這樣可以減少焊點(diǎn)，降低生產(chǎn)成本，并且目前該工藝已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

在磁集成設(shè)計(jì)中，由于公共磁柱上的磁通是疊加的，雖然其幅值小于兩個(gè)磁通幅值之和，但仍大于任意一個(gè)磁通的幅值。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們不會(huì)主動(dòng)增加公共磁柱的面積，因此公共磁柱的磁通密度通常會(huì)更大。

四是避免公共磁軛飽和與磁損過(guò)高。

在進(jìn)行溫升分析時(shí)，如果公共軛與上下軛截面相同，公共磁柱的溫升往往會(huì)略高。為了避免公共磁軛飽和以及磁損過(guò)高的問(wèn)題，需要特別關(guān)注公共磁柱上的磁通。公共磁柱的磁通是變壓器磁通與電感磁通的疊加。

以L(fǎng)LC拓?fù)錇槔?，電感的磁通與諧振電流成正比，而諧振電流與輸出電壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即輸出電壓越高，諧振電流越小。對(duì)于變壓器而言，其磁通與副邊電壓成正比，因此輸出電壓越高，變壓器的磁通越高。

這導(dǎo)致了兩個(gè)極端情況：當(dāng)輸出電壓最低且滿(mǎn)載時(shí)，電感的磁通占主導(dǎo)；而當(dāng)輸入電壓最高且滿(mǎn)載時(shí)，變壓器的磁通占主導(dǎo)。這意味著在不同工況下，疊加后的磁通峰值可能會(huì)出現(xiàn)在任意工況，且與變壓器和電感的匝數(shù)比有關(guān)。

五是結(jié)合電路仿真工具，設(shè)計(jì)變壓器與電感匝數(shù)。

在設(shè)計(jì)電感變壓器過(guò)程中，當(dāng)磁芯選定后，主要任務(wù)是設(shè)計(jì)變壓器和電感的匝數(shù)。為了避免繁瑣的公式推導(dǎo)，推薦采用電路仿真方法。通過(guò)電路仿真，可以輕松獲取勵(lì)磁電流和諧振電流。根據(jù)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電感、諧振電流和諧振電感，可以計(jì)算變壓器和電感的磁鏈，進(jìn)而得到磁通（磁鏈除以匝數(shù)）。

以變壓器和電感的匝數(shù)為變量，可以分析任意工況下疊加磁通的幅值變化。對(duì)于非公共軛部分，由于其幅值通常較小，無(wú)需特別關(guān)注。通過(guò)電路仿真，可以確保在任何工況下，磁通密度值小于設(shè)定值。

公共軛不僅用于磁集成，還可以作為共邊柱。具體方案包括單邊共邊柱和雙邊共邊柱兩種。此外，除了正向疊加和反向疊加外，還可以采用正交疊加的方式。例如，將一個(gè)磁通沿垂直方向，另一個(gè)磁通沿水平方向進(jìn)行90度矢量正交，從而降低磁通幅值。

從電路拓?fù)涞慕嵌瘸霭l(fā)，為了改善LLC拓?fù)涞墓材；芈?，有時(shí)會(huì)主動(dòng)將電感拆分為兩個(gè)，分別集成在變壓器的上下軛兩邊。同樣，CLLLC拓?fù)渲性吅透边叺闹C振電感也可以分別集成到變壓器的兩邊，從而優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)策略和優(yōu)化方案，可以在電感變壓器的磁集成設(shè)計(jì)中有效降低磁通密度，提高系統(tǒng)效率，并解決局部溫升問(wèn)題。

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審核編輯 黃宇