今年1月，陽光電源推出一款車載OBC采用了單級拓撲結構，其功率密度已達到6.1kW/L，全電壓范圍內的平均滿載效率達到了96.2%。

為了實現這一性能指標，該產品融合了當前電力電子領域的前沿技術，包括單級式OBC取消電解電容、采用第三代寬禁帶半導體、功率器件散熱技術以及磁集成技術等。其中，磁集成技術尤為重要，為了滿足功率密度要求，系統對磁元件的尺寸提出了嚴格限制，因此只能采用磁集成技術來實現目標。

在2025年第二十四屆（華南）中國磁性元器件行業智能生產暨高性能材料應用技術峰會上，陽光電源股份有限公司磁性元件組主管蔡國慶作為演講嘉賓，提到了該單級車載OBC拓撲，并系統闡述了高頻隔離變換器中的磁集成技術，通過深入淺出地分析磁集成技術原理，分享陽光電源的磁集成設計方案。

對此，《磁性元件與電源》根據其演講內容梳理成文，以饗同仁朋友們。

陽光電源股份有限公司的磁性元件組主管蔡國慶

一、磁集成技術概述

磁集成是指通過單個電感、變壓器來實現多個電感、變壓器的功能。從磁通的角度來看，磁集成可以分為兩類：解耦型設計和耦合型設計。

• 解耦型設計：在這種設計中，多個電感、變壓器之間除了共享公共磁柱外，不存在磁通耦合。因此，其磁路模型是獨立的，設計和分析過程相對簡單。
• 耦合型設計：在這種設計中，兩個獨立電感、變壓器之間存在磁通耦合，這意味著在工作過程中，電感變壓器之間會相互影響。因此，電感變壓器的設計和分析過程較為復雜，但磁集成程度更高。

從所集成的電感、變壓器種類來看，磁集成可以分為以下三類：

1、電感與電感集成：一種是最典型的應用是交錯并聯的Boost電感磁集成。

另一種是差模與共模集成。在設計大功率電感、變壓器時，通常會采用并聯繞組方案。然而，如果結構不對稱，會導致并聯繞組之間出現不均流現象。為抑制這種不均流，需要增加一個差模電感。

具體方案是在雙柱式諧振電感的基礎上增加一個中柱，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較小。通過這種方式，實現了差模電感與共模電感的磁集成。

2、變壓器與變壓器集成：在學術界較為熱門的是矩陣式變壓器。例如，原邊串聯副邊并聯的拓撲結構可以通過一個四柱式平面變壓器實現。這種磁集成方式適用于高匝比場景，如服務器電源。然而，在大功率場景（如充電樁）中，更多采用三相拓撲。

由于三相拓撲中三個電感變壓器的磁通和為零，公共柱可以抵消，從而實現三相三柱式的變壓器。

三端口磁集成隔離變壓器

對于車載電源，通常至少需要兩路隔離DC-DC，一路用于OBC，一路用于DC-DC。通過利用三繞組變壓器實現交流耦合，可以實現三個端口之間的任意能量流動，從而大幅提高系統集成度。

3、電感與變壓器集成：這種磁集成方式適用于基礎拓撲，尤其是LLC和DAB拓撲。這兩種拓撲可以實現軟開關，效率較高，因此在中高功率場景中應用廣泛。LLC拓撲雖然也有雙向CLLC拓撲，但考慮到性價比，目前主要用于單向能量流動的場景，如單向OBC和充電樁。

多相磁集成變壓器

DAB拓撲則主要用于能量雙向流動的場景，如雙向OBC和戶用儲能。

這兩種拓撲的共同特點是具有與變壓器串聯的電感（圖中標注為LR部分）。

一般來說，LLC拓撲的諧振電感較小，以實現更寬的范圍；而DAB拓撲的電感較大，以提升控制精度。從磁集成的角度來看，DAB的大漏感更難實現。

二、磁集成設計方案——共軛磁集成

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

然而，在實際實施過程中，該技術存在較高的技術門檻。如果設計合理，磁集成方案可以減少電感、變壓器的數量，提升系統在全工況下的效率，降低電感、變壓器的成本和體積。但如果電感變壓器得設計不合理，可能會導致磁集成變壓器在結構和工藝上變得非常復雜，從而增加工時成本，甚至在個別工況或全工況下效率反而下降。

最常見的問題是磁集成后變壓器的局部溫升問題，這是我們目前遇到最多的問題。因此，對于磁集成技術而言，電感變壓器設計環節至關重要。

對此，蔡國慶分享了兩種磁集成的設計方式；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布，本篇文章將重點介紹共軛磁集成原理及設計方案。

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公共柱實現解耦型的磁集成。然而，如果僅進行單純的物理集成，并沒有充分發揮磁集成的優勢。

因為磁集成的兩個電感、變壓器的磁通是矢量，如果這兩個電感、變壓器在公共柱上是同頻的，同時存在一個固定的相位差，那么就可以利用磁通的疊加原理實現部分抵消。

以下圖的LLC拓撲為例，在基波分析時，可以認為副邊電流（IO）近似為一個正弦波。變壓器的勵磁電感受副邊電壓的激勵，因此其勵磁電流可以看作是一個滯后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，再加上勵磁電流。由于勵磁電流相對較小，原邊電流整體仍趨向于正弦波，但因為勵磁電流和副邊電流存在90度的相位差，兩個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存在一個小于90度的相位差。

對于變壓器而言，其磁通與勵磁電流成正比，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三角波，而電感的磁通則是一個超前不到90度的近似正弦波。當電感變壓器正向或反向疊加時，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，從而實現磁集成，這就是其基本原理。

02共軛磁集成設計方法與優化

了解原理后，我們在磁集成設計時會更加簡便。

一是可以先設計分立的電感變壓器，然后再進行共軛磁集成。由于變壓器和電感仍獨立，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構，電感可以采用分段式氣隙。但需要注意的是，在設計分離電感變壓器時，為了實現共軛磁集成，變壓器與電感需要采用相同規格的磁芯。

然而，通常情況下，變壓器的磁芯相對較大，導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，在電感降損時采用分段式氣隙的工藝會相對復雜。

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。

對于DAB型拓撲，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置方案。

而對于LLC型拓撲，其電感磁通與變壓器磁通的夾角小于90度，此時推薦采用反向設置方案。具體設置可以通過調整變壓器和電感的繞向來實現。

下圖展示的是LLC拓撲的磁通疊加與抵消波形，可以看到反向設置時磁通幅值更低。

三是磁芯一般采用標準磁芯，公共磁軛磁通疊加，磁通密度更高。

在實際制作中，由于電感與變壓器是串聯的，理論上電感可以與同側的變壓器繞組采用一根線繞制。這樣可以減少焊點，降低生產成本，并且目前該工藝已經可以實現自動化生產。

在磁集成設計中，由于公共磁柱上的磁通是疊加的，雖然其幅值小于兩個磁通幅值之和，但仍大于任意一個磁通的幅值。在實際設計中，我們不會主動增加公共磁柱的面積，因此公共磁柱的磁通密度通常會更大。

四是避免公共磁軛飽和與磁損過高。

在進行溫升分析時，如果公共軛與上下軛截面相同，公共磁柱的溫升往往會略高。為了避免公共磁軛飽和以及磁損過高的問題，需要特別關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LLC拓撲為例，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相關關系，即輸出電壓越高，諧振電流越小。對于變壓器而言，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。

這導致了兩個極端情況：當輸出電壓最低且滿載時，電感的磁通占主導；而當輸入電壓最高且滿載時，變壓器的磁通占主導。這意味著在不同工況下，疊加后的磁通峰值可能會出現在任意工況，且與變壓器和電感的匝數比有關。

五是結合電路仿真工具，設計變壓器與電感匝數。

在設計電感變壓器過程中，當磁芯選定后，主要任務是設計變壓器和電感的匝數。為了避免繁瑣的公式推導，推薦采用電路仿真方法。通過電路仿真，可以輕松獲取勵磁電流和諧振電流。根據勵磁電流、勵磁電感、諧振電流和諧振電感，可以計算變壓器和電感的磁鏈，進而得到磁通（磁鏈除以匝數）。

以變壓器和電感的匝數為變量，可以分析任意工況下疊加磁通的幅值變化。對于非公共軛部分，由于其幅值通常較小，無需特別關注。通過電路仿真，可以確保在任何工況下，磁通密度值小于設定值。

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，將一個磁通沿垂直方向，另一個磁通沿水平方向進行90度矢量正交，從而降低磁通幅值。

從電路拓撲的角度出發，為了改善LLC拓撲的共模回路，有時會主動將電感拆分為兩個，分別集成在變壓器的上下軛兩邊。同樣，CLLLC拓撲中原邊和副邊的諧振電感也可以分別集成到變壓器的兩邊，從而優化整體設計。

通過上述設計策略和優化方案，可以在電感變壓器的磁集成設計中有效降低磁通密度，提高系統效率，并解決局部溫升問題。

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審核編輯 黃宇