磁集成应用最前沿 OBC又在考虑什么问题？_

【哔哥哔特导读】作为大功率磁性元件集成应用最早的领域，车载OBC的磁集成又能给我们带来哪些启示？未来集成化的电源又是什么样子的？

编者按

磁集成技术一直是电力电子学领域中绕不开的话题，在前两期磁集成技术系列对话中，我们讨论了充电桩、储能两个领域，最后一期磁集成技术话题我们将围绕车载OBC领域展开。作为大功率磁集成应用最早的领域，车载OBC相比其他两个领域也更有经验，更加成熟，车载OBC的磁集成应用能为其他领域带来哪些思考？未来磁集成技术的发展方向又是什么？

本期《对话》通过高校、车载电源整机、磁性元件企业，共同探讨磁集成技术在车载OBC领域的落地情况，以及磁集成技术未来的发展趋势和终极形态。

问题导览

1.相比于一般功率变换器前级PFC功率电路、后级LLC（或CLLLC）谐振电路的电路拓扑结构，车载OBC磁集成后，磁性元件使用种类和数量减少了哪些？磁集成后，车载OBC的体积、效率和成本有何变化？

2. 磁集成技术会产生哪些方面的改变？对磁性元件会有哪些挑战？

3. 未来有没有新的电路拓扑或者集成度更高的磁集成技术方案？

对话嘉宾

1.相比于一般功率变换器前级PFC功率电路、后级LLC（或CLLLC）谐振电路的电路拓扑结构，车载OBC磁集成后，磁性元件使用种类和数量减少了哪些？

浙江大学王正仕：现在也有一些磁集成技术方案后级是采用DAB或者混合的，磁集成后磁性元件数量是减少了，磁集成产品整体的体积也会更小，对磁性元件企业而言，磁集成数量少了生产更方便，品质也更好控制。

磁集成前，OBC和DCDC输入输出端的滤波电感是一样的，其中6.6kW车载OBC，PFC电路中是2颗电感，LLC通常是2颗变压器串并联，再加1颗谐振电感；DCDC用移相全桥做的话是1颗+输出端滤波电感（高低压转换）；集成以后，主要将OBC和DCDC的主变压器合成一个。

台达电子杨海军：我们基本上还是分级去做磁集成。PFC有两路交错、三路交错甚至三相输入的。目前磁集成有两种，一种是解耦集成（物理集成），只是把他们机械地封装到一起，磁路还是各走各的；还有一种是做耦合电感一样的磁集成，相对的优势就是要么把纹波做小，要么把体积做小，可以选择其中一个特性，或者说把纹波做小并适当地减小磁集成产品体积。简单来讲，就是有单路的、多路的解耦集成，多路的耦合集成或者是三相的磁集成，耦合集成难度相对更高，目前业界量产的比较少，主要是以解耦集成为主；

后级要看单向还是双向，单向是LLC电路比较合适的，但双向的就会用其他电路拓扑，比如台达的Boost CLLC电路，或者你提到CLLLC电路，DAB电路也是一种选择。后级的集成也分两种，一种是类似于机械封装到一起，共用一部分磁路，体积、重量都可有效减少，比如UU型或者其他形状，还有台达早期的大漏感集成方案，目前用的比较多的是这种，这是对于单向的；还有一种是三相的，华为做得比较早，变压器部分采用三相五柱，中间三个绕组，也有一些做法是采用三个绕组，将公用柱放到两两之间，电感也采用类似的结构；还有一种类似刚才的单向做法，把电感和变压器集成到一起，中间有部分磁路共用。

威海东兴张洪伟：PFC电感考虑体积，大功率器件一般考虑使用金属粉芯材料，材质不一致，一般不会跟主变和谐振电感磁集成，最多是使用一个底座或外壳做物理集成，在设计交错并联的磁集成技术方案时，可以将两个或者多个电感用磁集成磁心合并在一起，减少整体尺寸；

LLC，CLLC磁集成技术也不会减少磁性元件种类，需要的谐振电感和主变是电源工作必不可少的，只是通过磁心结构的设计，在减少磁集成产品体积的前提下，仍然实现原来磁集成产品的功能；只从磁集成产品设计的结果直观看，可能少了部分磁心，或者是少了线圈绕组，但是电路需要的功能器件仍然存在。

尚新融大李建江：磁集成方案整体上看主功率磁性元件数量大概会减少一半左右。前级PFC电路目前以交错并联为主，有2颗电感，可通过共用部分磁路集成为1颗。此外也会涉及到混合磁路的磁集成，因为电感本身是一个储能器件，储能部分往往用扁线立绕或者频率高的丝包线配合金属磁粉芯磁柱，除了储能部分外，连接部分会用到低损耗、高磁导率的铁氧体材料回收磁路线，防止漏磁；

后级LLC半桥（单向半桥、双向全桥）涉及到的主要磁性元件是1颗主变压器，1颗谐振电感，主要就是主变压器+谐振电感集成为1颗，根据功率大小分不同磁集成方式。功率较小的比如1000W，会采用变压器漏感直接做成谐振电感，采用一副磁芯通过绕组结构、气隙调整等实现漏感能够达到谐振电感的要求，这种方式成本是最低的；另外一种就是背背式，就是完整磁路的主变压器磁芯+半副谐振电感磁芯形成闭合磁路。

功率大了以后往往采用两个主变压器组合的方式，通过对磁柱、绕组、安装结构的优化，把两个主变压器跟谐振电感磁集成。

还有一种从系统角度进行磁集成，整个磁集成系统除了磁性元件外还有芯片、驱动变压器、电阻、电容等，我们现在也在思考如何跟电源芯片厂商实现小型磁件的磁集成。

超越精密於汉斌：目前6.6kW OBC磁集成用的相对较多，磁集成方式基本上是主变压器+谐振电感磁集成，或者主变压器+谐振电感+滤波电感三个集成，前级PFC一般是将几颗电感集成为1颗，有物理集成，也有磁集成。具体的磁集成数量则根据整体电路拓扑不同而有所区别，比如说单双向，双相/三相输入、串/并联等不同的方式，磁集成后所减少的磁性元件数量是不一样的。

车载OBC电路结构简图

2.磁集成后，车载OBC的体积、效率和成本有何变化？

浙江大学王正仕：有些企业布板布得比较好，磁集成产品体积能减小20%，磁集成技术成本能降低10%-15%。

台达电子杨海军：磁集成产品体积、重量会下降10%左右。

威海东兴张洪伟：磁集成的设计，本身就是减少体积和降低成本，这两个方面肯定是明显达成得，至于产品的效率，磁集成后，铁氧体和铜的用量都减少了，理论上本身的铜损和磁损都会降低，效率也会提高。磁集成后最大的问题是体积缩小了，散热面积也变小了，电源的散热设计只要符合了，电源的效率也能达成，甚至比分立器件更高；

尚新融大李建江：磁集成技术成本的降低体现在两方面，一是减少磁芯、绕组用量后节省的成本，二是磁集成后加上自动化生产带来的工时或用工成本，两方面优化较好的话，应该能够降低1/5成本。

超越精密於汉斌：磁集成产品体积可减少1/3左右。

3.磁集成的设计可能会限制散热空间，贵司对提高热管理效率方面做了哪些优化？接下来是否有使用新型散热材料或技术的规划？

浙江大学王正仕：磁集成技术应用可能主要是跟功率器件有关系，比如说低压侧电流大了以后，功率器件采用顶部散热或者双面散热，目前像英飞凌已经有这种新封装形式的磁集成产品方案。

台达电子杨海军：共用部分磁路要看具体的设计，单向的是比较好优化的，只要有相位差就有办法处理，可以提前预判，比如前面提到的UU型电感和变压器集成部分，可以在磁集成产品设计过程中实现磁通密度逐步减小，并不一定会发热。

双向的相对复杂，笨一点的办法就是加大截面兼顾充放电，这时候可能体积的减小没有刚才说的10%那么多，可能只有5%或者7%，如果还是解决不了，那可能需要加入高导热灌胶或者其他方式，这都是业界常用的办法，比如目前已经有功率器件厂商采用顶部散热，甚至顶部+底部同时散热的封装形式，这种趋势是很明显的。

磁性元件也是一样的原理，因为功率密度越来越高，除了优化设计让发热部位更贴近散热水道，以及降低线损、铁损外，如何让其他配件材料具有更高的导热系数帮助其散热是未来的趋势。

威海东兴张洪伟：车载OBC会灌封水冷散热，设计时要考虑到器件内部的热量如何利用水冷导出是设计关键；结构设计需要考虑导热硅胶如何能够填充到所有缝隙，特别是气隙周围高温部分，预留好导热胶灌封进入口，和空气排出的位置，我们会对骨架做相应的设计，减少胶带固定线包的传统方式，在一些特定产品上，设计使用更高导热系数的陶瓷骨架和陶瓷垫片的新材料进行散热改善；

尚新融大李建江：磁芯做成一副整体，绕组分别绕制，以更好地解决散热问题。功率大了以后，磁芯制造也会面临一些挑战，比如磁芯大了以后压制密度不一样，导致磁通密度不一样，造成磁芯散热不均匀。长期使用可能因为应力不一样造成磁芯开裂，留下安全隐患，所以目前主要是通过组合磁芯来避免这些问题，同时还可以把磁芯做得更扁平些，增大散热面积。

尤其是要注意气隙跟绕组的距离，因为漏感对外辐射出来后，绕组离气隙越近，涡流损耗越大，可以通过分段开气隙的方式进行分散，但气隙仍然存在，变压器失效大部分都是绕组跟气隙结合部，这里是可靠性的薄弱点。

在不影响磁路使用的情况下，可以增加散热风道（风冷散热方式）、跟散热基板结合更紧密，也可以采用金属壳+高导热灌封材料等方式提高散热效率。

车载OBC电源电路架构

4.磁集成产品要求磁性材料具有更高的频率响应和更低的损耗，目前车载OBC的工作频率一般是多少？随着频率的提高，一般会选用哪种磁芯和线材？

浙江大学王正仕：频率一般是100k-200k Hz，这个频率一般是用铁氧体，其他材料还替换不了，现在纳米晶可以覆盖这个频率段，但总体成本要高一些。

台达电子杨海军：目前量产的主要是40k-300k Hz之间，研发的磁集成产品有一些已接近甚至超过1M Hz，但还需要进行更多可靠性验证测试。

线材主要是用膜包线的方案比较多。一方面功率大需要的线径大，但线径大成本自然就高，膜包线性能参数和成本都介于三层绝缘线和普通的离子线之间，它的优势就体现出来了，膜包方线也有，但这个工艺相对难一些，因为要做一个压合的动作，里面可能会存在一定的安全隐患。

威海东兴张洪伟：车载OBC磁集成产品一般使用LLC,双向CLLLC的拓补，特点是工作频率不是固定频率，现在常见的频率在70~200kHz可变，宽频、宽温低损耗是磁性材料的优选，需要磁性材料厂家能够在这个区域内提供更低损耗的材料。当然在磁性材料瓶颈的情况下，可以通过磁芯结构设计，让磁性材料工作在最低损耗得区间也是可以实现的，牺牲一些空间，通过设计也能弥补。

东兴目前车载OBC磁集成产品选材原则就是前面这些，线材根据频率，选择多股的高温膜包线为主。

尚新融大李建江：频率一般在100k-200k Hz之间。

磁集成以后，主变压器和电感可以共用部分磁路，其中影响效率的主要有两个。一个是影响励磁电流的，励磁阻抗越大，空载电流就越小，要选择更高磁导率的材料；另一个是损耗温度曲线，根据电源的综合效应，选择最低损耗温度适合电源工况的材料。此外谐振电感跟变压器还有所区别，需要选取高Bs、低损耗的材料，才能更精准的满足磁芯的磁特性。

超越电子於汉斌：磁集成后的PFC电感，一般会采用8字型的扁平线，磁芯则采用块状组合磁芯。目前看绕线是可以实现自动化了，磁芯生产工艺相对要复杂一些。

泰科斯德11 kW 车载OBC磁集成产品

5.磁集成后，磁芯一般都是定制化的特殊形状磁芯，目前贵司是否具备自主设计磁性元件方案的能力？这对磁性元件企业提出了哪些要求？

台达电子杨海军：目前主要是主机厂自主设计和第三方供应两种，第一种比如像比亚迪，这两种方式都是针对磁集成产品前期设计，对于磁性元件企业而言，主要还是围绕自动化生产的角度，当然这个过程中也需要磁性元件厂商深度参与，才能更好地实现自动化生产。

威海东兴张洪伟：东兴完全掌握自主设计磁集成结构，客户提出项目需求后，磁性元件是按照客户提供的空间和性能指标来独立设计的；

车载OBC磁集成技术前期设计是需要配合客户电源结构定义的，设计后的磁集成产品必须符合可靠性试验要求，不会太有机会返回来修改结构，所以磁集成产品设计的磁芯是否符合可靠性要求，特别考验磁集成产品设计人员的能力，东兴有符合车载磁性元件AEC-Q200的可靠性实验室，同时有多年自动化生产的经验；针对各类特殊的磁集成产品结构设计，都做了提前可靠性评估，磁集成产品设计人员能够在设计时规避磁集成产品问题；

东兴提前几年布局了自动化生产车间，每年引进大量的自动化设备，针对一些特殊要求，东兴会跟设备厂家形成合作，定制一些特殊的自动化设备。东兴设计的磁集成产品，会优先考虑是否适合自动化生产，我们必须保障磁集成产品在量产时满足自动化生产，以保证磁集成产品的一致性和出货品质。

尚新融大李建江：现在是两类情况，一类是大的电源企业，他们本身电磁结合的设计能力就比较强，会进行仿真、优化后提出一些构想，这种情况磁性元件企业更多是采取协同设计的方式进行配合。另一种就是磁性元件企业配合电源企业设计整个电源解决方案。

我们不一样的地方在于，公司内部有两个团队，一个负责磁性元件设计，另一个负责电源方案设计。因为电源主要就是电路拓扑、磁性元件、布板，磁部分是我们的底层核心能力，但如果光懂磁，不懂电路，磁集成产品的设计就会受到很多约束。近些年取得快速发展的这些企业，比如铂科，就是因为他们具有这种磁集成技术产业链纵向延伸的能力，能够从电路的参数直接延伸到磁的本质属性，让磁的微观特性跟电路需求实现精准结合，可以大大缩短磁集成产品验证周期，我认为这是磁集成技术未来的一个发展趋势。

超越精密於汉斌：磁集成技术在前期阶段，我们会根据客户需求去做磁路、温升、结构等相应的仿真，验证客户要求性能的实现。

台达电子多合一电力驱动系统集成，图片来源：台达电子官网

6.此外，磁集成技术还会对磁性元件提出哪些挑战和要求？

浙江大学王正仕：磁集成技术的目标就是降低成本和减小体积，原来的电路结构在这方面能挖掘的潜力已经很有限。磁集成技术确实可以有效降低成、减小体积，但它也比分立磁件复杂得多，因为相互之间是有耦合的，比如控制一个输出电压，另外一个电压解耦是比较复杂的，电磁兼容、散热问题也更复杂，参数的设计需要兼顾的东西太多，优化变得更困难；多合一集成还涉及到功率分配问题（如OBC+DCDC集成），尤其是DCDC有强制性功能安全要求，OBC磁集成产品的功能安全等级没有这么高，系统优化成本可能会更高，所以现在很多车载电源企业的产品线中，都是一款磁集成产品+多个独立OBC产品的组合。

吉利极氪EMC专家朱工：磁集成方案我们也在做，对整个磁集成系统效率的提升，尤其是体积的减小和成本的降低所带来的效果是十分明显的。当然在磁集成产品设计过程中也会碰到很多问题，比如效率、功率、磁路设计、热管理、震动、电磁兼容等——我只从我负责的电磁兼容角度来谈，磁集成技术是给我们带来了很大的挑战。

主要有两点：一是磁集成技术限制了PCB板上功率器件的位置。以前用分立磁件，可以根据一定的逻辑去摆放，磁集成后，功率器件的位置只能按照集成磁件给你的空间去摆放了，造成了更多的干扰源，比如功率器件的VDS，就是D和S级之间产生快速变化的电压，正常情况下，包括还有其他的干扰源，他们之间布的距离肯定更远一些，但磁集成技术打破了原来这种布线规则；二是从磁集成产品自身来看，变压器自身是有一个传导的共模电容，是由绕组和绕组之间的分布电容产生的，分立磁件只有一个原边和副边，就只有原副边之间的寄生电容，磁集成以后，不同的变压器靠的更近，它们的绕组相互之间也会影响，相比分立磁件，噪传导到变得更大。

如何通过前期磁集成产品设计去预知上面提到这两种噪声传导有多大，这是我们现在遇到的问题，暂时只能通过测量，提出一些关键参数去优化磁集成产品设计方案，可能未来需要高校对这一问题进行更深入的理论研究，并提出一些设计规则，比如说不同变压器之间的磁路应该怎么设计、偏向什么角度，不同变压器之间的绕组如何去避免相互影响。

台达电子杨海军：磁集成技术属于牵一发而动全身的工作，它的传导路径、辐射路径、哪里是薄弱环境，整个电路的分析、优化都比分立磁件更复杂，必须要清楚电路的基本工况。因为它并不是单一的技术了，需要考虑整体的优化和所省成本之间的平衡，单独去讲其中任何一个，可能都是有局限性的。

威海东兴张洪伟：磁集成产品肯定是车载OBC首选，同时逐渐的普及到其他的开关电源应用，进一步小型化、高频化、低损耗会是后面对磁性元件企业的要求，磁集成产品设计人员的挑战也会越来越高；

磁性元件企业的设计能力会要求提高，需要磁集成产品设计工程师掌握磁仿真能力，验证磁路结构设计是否合理，同时要具备快速打样的能力。

尚新融大李建江：目前OBC磁集成产品都是定制化的磁性元件，跟传统的标准化磁件相比，这种定制化磁芯还没有经过大批量验证其结构和强度的可靠性，尤其是涉及到不同种类磁性材料的混合磁芯，其热膨胀系数不一样，可能造成磁芯在某些结构上开裂，对磁芯结构设计的要求更高，也需要进行磁芯结构的仿真。

7.为了实现更高效率和更小体积，未来可能需要功率半导体和磁集成技术的进一步突破，您觉得未来有没有新的电路拓扑或者集成度更高的磁集成方案？

台达电子杨海军：肯定会有更高集成度的磁集成方案，我们也在做相关的预研，但具体的细节还不方便透露太多，比如1M、甚至2M、3M Hz等更高的频率，PCB埋磁等非传统绕线方式，做成模块化产品，11kW、22kW可能采用多模块合成的方式。

威海东兴张洪伟：半导体高频低损耗已经突破，磁芯元件的瓶颈后面肯定会凸显出来，高频化，会将磁性元器件分布参数的害处放大，需要通过高度磁集成技术和将半导体跟器件连接距离都要结合在一起优化，磁性元件结合平面变压器和磁集成技术的方案应用会有更多的施展空间，东兴成立广东的研发中心，重要目的也是在这个方面希望能够辅助到电源的发展。

尚新融大李建江：随着PCB板工艺的进步，未来磁性元件会越来越少，磁芯会直接封装到多层PCB板上形成模块电源，变成一个标准的功率控制器，大功率电源则会采用小模块并联的方式去实现，我认为这是一个必然的趋势。