磁集成應(yīng)用最前沿 OBC又在考慮什么問題？

作為大功率磁性元件集成應(yīng)用最早的領(lǐng)域，車載OBC的磁集成又能給我們帶來哪些啟示？未來集成化的電源又是什么樣子的？

編者按

磁集成技術(shù)一直是電力電子學(xué)領(lǐng)域中繞不開的話題，在前兩期磁集成技術(shù)系列對話中，我們討論了充電樁、儲能兩個領(lǐng)域，最后一期磁集成技術(shù)話題我們將圍繞車載OBC領(lǐng)域展開。作為大功率磁集成應(yīng)用最早的領(lǐng)域，車載OBC相比其他兩個領(lǐng)域也更有經(jīng)驗，更加成熟，車載OBC的磁集成應(yīng)用能為其他領(lǐng)域帶來哪些思考？未來磁集成技術(shù)的發(fā)展方向又是什么？

本期《對話》通過高校、車載電源整機、磁性元件企業(yè)，共同探討磁集成技術(shù)在車載OBC領(lǐng)域的落地情況，以及磁集成技術(shù)未來的發(fā)展趨勢和終極形態(tài)。

問題導(dǎo)覽

1.相比于一般功率變換器前級PFC功率電路、后級LLC（或CLLLC）諧振電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，車載OBC磁集成后，磁性元件使用種類和數(shù)量減少了哪些？磁集成后，車載OBC的體積、效率和成本有何變化？

2. 磁集成技術(shù)會產(chǎn)生哪些方面的改變？對磁性元件會有哪些挑戰(zhàn)？

3. 未來有沒有新的電路拓?fù)浠蛘呒啥雀叩拇偶杉夹g(shù)方案？

對話嘉賓

1.相比于一般功率變換器前級PFC功率電路、后級LLC（或CLLLC）諧振電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，車載OBC磁集成后，磁性元件使用種類和數(shù)量減少了哪些？

浙江大學(xué)王正仕：現(xiàn)在也有一些磁集成技術(shù)方案后級是采用DAB或者混合的，磁集成后磁性元件數(shù)量是減少了，磁集成產(chǎn)品整體的體積也會更小，對磁性元件企業(yè)而言，磁集成數(shù)量少了生產(chǎn)更方便，品質(zhì)也更好控制。

磁集成前，OBC和DCDC輸入輸出端的濾波電感是一樣的，其中6.6kW車載OBC，PFC電路中是2顆電感，LLC通常是2顆變壓器串并聯(lián)，再加1顆諧振電感；DCDC用移相全橋做的話是1顆+輸出端濾波電感（高低壓轉(zhuǎn)換）；集成以后，主要將OBC和DCDC的主變壓器合成一個。

臺達(dá)電子楊海軍：我們基本上還是分級去做磁集成。PFC有兩路交錯、三路交錯甚至三相輸入的。目前磁集成有兩種，一種是解耦集成（物理集成），只是把他們機械地封裝到一起，磁路還是各走各的；還有一種是做耦合電感一樣的磁集成，相對的優(yōu)勢就是要么把紋波做小，要么把體積做小，可以選擇其中一個特性，或者說把紋波做小并適當(dāng)?shù)販p小磁集成產(chǎn)品體積。簡單來講，就是有單路的、多路的解耦集成，多路的耦合集成或者是三相的磁集成，耦合集成難度相對更高，目前業(yè)界量產(chǎn)的比較少，主要是以解耦集成為主；

后級要看單向還是雙向，單向是LLC電路比較合適的，但雙向的就會用其他電路拓?fù)?，比如臺達(dá)的Boost CLLC電路，或者你提到CLLLC電路，DAB電路也是一種選擇。后級的集成也分兩種，一種是類似于機械封裝到一起，共用一部分磁路，體積、重量都可有效減少，比如UU型或者其他形狀，還有臺達(dá)早期的大漏感集成方案，目前用的比較多的是這種，這是對于單向的；還有一種是三相的，華為做得比較早，變壓器部分采用三相五柱，中間三個繞組，也有一些做法是采用三個繞組，將公用柱放到兩兩之間，電感也采用類似的結(jié)構(gòu)；還有一種類似剛才的單向做法，把電感和變壓器集成到一起，中間有部分磁路共用。

威海東興張洪偉：PFC電感考慮體積，大功率器件一般考慮使用金屬粉芯材料，材質(zhì)不一致，一般不會跟主變和諧振電感磁集成，最多是使用一個底座或外殼做物理集成，在設(shè)計交錯并聯(lián)的磁集成技術(shù)方案時，可以將兩個或者多個電感用磁集成磁心合并在一起，減少整體尺寸；

LLC，CLLC磁集成技術(shù)也不會減少磁性元件種類，需要的諧振電感和主變是電源工作必不可少的，只是通過磁心結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在減少磁集成產(chǎn)品體積的前提下，仍然實現(xiàn)原來磁集成產(chǎn)品的功能；只從磁集成產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果直觀看，可能少了部分磁心，或者是少了線圈繞組，但是電路需要的功能器件仍然存在。

尚新融大李建江：磁集成方案整體上看主功率磁性元件數(shù)量大概會減少一半左右。前級PFC電路目前以交錯并聯(lián)為主，有2顆電感，可通過共用部分磁路集成為1顆。此外也會涉及到混合磁路的磁集成，因為電感本身是一個儲能器件，儲能部分往往用扁線立繞或者頻率高的絲包線配合金屬磁粉芯磁柱，除了儲能部分外，連接部分會用到低損耗、高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料回收磁路線，防止漏磁；

后級LLC半橋（單向半橋、雙向全橋）涉及到的主要磁性元件是1顆主變壓器，1顆諧振電感，主要就是主變壓器+諧振電感集成為1顆，根據(jù)功率大小分不同磁集成方式。功率較小的比如1000W，會采用變壓器漏感直接做成諧振電感，采用一副磁芯通過繞組結(jié)構(gòu)、氣隙調(diào)整等實現(xiàn)漏感能夠達(dá)到諧振電感的要求，這種方式成本是最低的；另外一種就是背背式，就是完整磁路的主變壓器磁芯+半副諧振電感磁芯形成閉合磁路。

功率大了以后往往采用兩個主變壓器組合的方式，通過對磁柱、繞組、安裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，把兩個主變壓器跟諧振電感磁集成。

還有一種從系統(tǒng)角度進行磁集成，整個磁集成系統(tǒng)除了磁性元件外還有芯片、驅(qū)動變壓器、電阻、電容等，我們現(xiàn)在也在思考如何跟電源芯片廠商實現(xiàn)小型磁件的磁集成。

超越精密於漢斌：目前6.6kW OBC磁集成用的相對較多，磁集成方式基本上是主變壓器+諧振電感磁集成，或者主變壓器+諧振電感+濾波電感三個集成，前級PFC一般是將幾顆電感集成為1顆，有物理集成，也有磁集成。具體的磁集成數(shù)量則根據(jù)整體電路拓?fù)洳煌兴鶇^(qū)別，比如說單雙向，雙相/三相輸入、串/并聯(lián)等不同的方式，磁集成后所減少的磁性元件數(shù)量是不一樣的。

車載OBC電路結(jié)構(gòu)簡圖

2.磁集成后，車載OBC的體積、效率和成本有何變化？

浙江大學(xué)王正仕：有些企業(yè)布板布得比較好，磁集成產(chǎn)品體積能減小20%，磁集成技術(shù)成本能降低10%-15%。

臺達(dá)電子楊海軍：磁集成產(chǎn)品體積、重量會下降10%左右。

威海東興張洪偉：磁集成的設(shè)計，本身就是減少體積和降低成本，這兩個方面肯定是明顯達(dá)成得，至于產(chǎn)品的效率，磁集成后，鐵氧體和銅的用量都減少了，理論上本身的銅損和磁損都會降低，效率也會提高。磁集成后最大的問題是體積縮小了，散熱面積也變小了，電源的散熱設(shè)計只要符合了，電源的效率也能達(dá)成，甚至比分立器件更高；

尚新融大李建江：磁集成技術(shù)成本的降低體現(xiàn)在兩方面，一是減少磁芯、繞組用量后節(jié)省的成本，二是磁集成后加上自動化生產(chǎn)帶來的工時或用工成本，兩方面優(yōu)化較好的話，應(yīng)該能夠降低1/5成本。

超越精密於漢斌：磁集成產(chǎn)品體積可減少1/3左右。

3.磁集成的設(shè)計可能會限制散熱空間，貴司對提高熱管理效率方面做了哪些優(yōu)化？接下來是否有使用新型散熱材料或技術(shù)的規(guī)劃？

浙江大學(xué)王正仕：磁集成技術(shù)應(yīng)用可能主要是跟功率器件有關(guān)系，比如說低壓側(cè)電流大了以后，功率器件采用頂部散熱或者雙面散熱，目前像英飛凌已經(jīng)有這種新封裝形式的磁集成產(chǎn)品方案。

臺達(dá)電子楊海軍：共用部分磁路要看具體的設(shè)計，單向的是比較好優(yōu)化的，只要有相位差就有辦法處理，可以提前預(yù)判，比如前面提到的UU型電感和變壓器集成部分，可以在磁集成產(chǎn)品設(shè)計過程中實現(xiàn)磁通密度逐步減小，并不一定會發(fā)熱。

雙向的相對復(fù)雜，笨一點的辦法就是加大截面兼顧充放電，這時候可能體積的減小沒有剛才說的10%那么多，可能只有5%或者7%，如果還是解決不了，那可能需要加入高導(dǎo)熱灌膠或者其他方式，這都是業(yè)界常用的辦法，比如目前已經(jīng)有功率器件廠商采用頂部散熱，甚至頂部+底部同時散熱的封裝形式，這種趨勢是很明顯的。

磁性元件也是一樣的原理，因為功率密度越來越高，除了優(yōu)化設(shè)計讓發(fā)熱部位更貼近散熱水道，以及降低線損、鐵損外，如何讓其他配件材料具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)幫助其散熱是未來的趨勢。

威海東興張洪偉：車載OBC會灌封水冷散熱，設(shè)計時要考慮到器件內(nèi)部的熱量如何利用水冷導(dǎo)出是設(shè)計關(guān)鍵；結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮導(dǎo)熱硅膠如何能夠填充到所有縫隙，特別是氣隙周圍高溫部分，預(yù)留好導(dǎo)熱膠灌封進入口，和空氣排出的位置，我們會對骨架做相應(yīng)的設(shè)計，減少膠帶固定線包的傳統(tǒng)方式，在一些特定產(chǎn)品上，設(shè)計使用更高導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷骨架和陶瓷墊片的新材料進行散熱改善；

尚新融大李建江：磁芯做成一副整體，繞組分別繞制，以更好地解決散熱問題。功率大了以后，磁芯制造也會面臨一些挑戰(zhàn)，比如磁芯大了以后壓制密度不一樣，導(dǎo)致磁通密度不一樣，造成磁芯散熱不均勻。長期使用可能因為應(yīng)力不一樣造成磁芯開裂，留下安全隱患，所以目前主要是通過組合磁芯來避免這些問題，同時還可以把磁芯做得更扁平些，增大散熱面積。

尤其是要注意氣隙跟繞組的距離，因為漏感對外輻射出來后，繞組離氣隙越近，渦流損耗越大，可以通過分段開氣隙的方式進行分散，但氣隙仍然存在，變壓器失效大部分都是繞組跟氣隙結(jié)合部，這里是可靠性的薄弱點。

在不影響磁路使用的情況下，可以增加散熱風(fēng)道（風(fēng)冷散熱方式）、跟散熱基板結(jié)合更緊密，也可以采用金屬殼+高導(dǎo)熱灌封材料等方式提高散熱效率。

車載OBC電源電路架構(gòu)

4.磁集成產(chǎn)品要求磁性材料具有更高的頻率響應(yīng)和更低的損耗，目前車載OBC的工作頻率一般是多少？隨著頻率的提高，一般會選用哪種磁芯和線材？

浙江大學(xué)王正仕：頻率一般是100k-200k Hz，這個頻率一般是用鐵氧體，其他材料還替換不了，現(xiàn)在納米晶可以覆蓋這個頻率段，但總體成本要高一些。

臺達(dá)電子楊海軍：目前量產(chǎn)的主要是40k-300k Hz之間，研發(fā)的磁集成產(chǎn)品有一些已接近甚至超過1M Hz，但還需要進行更多可靠性驗證測試。

線材主要是用膜包線的方案比較多。一方面功率大需要的線徑大，但線徑大成本自然就高，膜包線性能參數(shù)和成本都介于三層絕緣線和普通的離子線之間，它的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，膜包方線也有，但這個工藝相對難一些，因為要做一個壓合的動作，里面可能會存在一定的安全隱患。

威海東興張洪偉：車載OBC磁集成產(chǎn)品一般使用LLC,雙向CLLLC的拓補，特點是工作頻率不是固定頻率，現(xiàn)在常見的頻率在70~200kHz可變，寬頻、寬溫低損耗是磁性材料的優(yōu)選，需要磁性材料廠家能夠在這個區(qū)域內(nèi)提供更低損耗的材料。當(dāng)然在磁性材料瓶頸的情況下，可以通過磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓磁性材料工作在最低損耗得區(qū)間也是可以實現(xiàn)的，犧牲一些空間，通過設(shè)計也能彌補。

東興目前車載OBC磁集成產(chǎn)品選材原則就是前面這些，線材根據(jù)頻率，選擇多股的高溫膜包線為主。

尚新融大李建江：頻率一般在100k-200k Hz之間。

磁集成以后，主變壓器和電感可以共用部分磁路，其中影響效率的主要有兩個。一個是影響勵磁電流的，勵磁阻抗越大，空載電流就越小，要選擇更高磁導(dǎo)率的材料；另一個是損耗溫度曲線，根據(jù)電源的綜合效應(yīng)，選擇最低損耗溫度適合電源工況的材料。此外諧振電感跟變壓器還有所區(qū)別，需要選取高Bs、低損耗的材料，才能更精準(zhǔn)的滿足磁芯的磁特性。

超越電子於漢斌：磁集成后的PFC電感，一般會采用8字型的扁平線，磁芯則采用塊狀組合磁芯。目前看繞線是可以實現(xiàn)自動化了，磁芯生產(chǎn)工藝相對要復(fù)雜一些。

泰科斯德11 kW 車載OBC磁集成產(chǎn)品

5.磁集成后，磁芯一般都是定制化的特殊形狀磁芯，目前貴司是否具備自主設(shè)計磁性元件方案的能力？這對磁性元件企業(yè)提出了哪些要求？

臺達(dá)電子楊海軍：目前主要是主機廠自主設(shè)計和第三方供應(yīng)兩種，第一種比如像比亞迪，這兩種方式都是針對磁集成產(chǎn)品前期設(shè)計，對于磁性元件企業(yè)而言，主要還是圍繞自動化生產(chǎn)的角度，當(dāng)然這個過程中也需要磁性元件廠商深度參與，才能更好地實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

威海東興張洪偉：東興完全掌握自主設(shè)計磁集成結(jié)構(gòu)，客戶提出項目需求后，磁性元件是按照客戶提供的空間和性能指標(biāo)來獨立設(shè)計的；

車載OBC磁集成技術(shù)前期設(shè)計是需要配合客戶電源結(jié)構(gòu)定義的，設(shè)計后的磁集成產(chǎn)品必須符合可靠性試驗要求，不會太有機會返回來修改結(jié)構(gòu)，所以磁集成產(chǎn)品設(shè)計的磁芯是否符合可靠性要求，特別考驗磁集成產(chǎn)品設(shè)計人員的能力，東興有符合車載磁性元件AEC-Q200的可靠性實驗室，同時有多年自動化生產(chǎn)的經(jīng)驗；針對各類特殊的磁集成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，都做了提前可靠性評估，磁集成產(chǎn)品設(shè)計人員能夠在設(shè)計時規(guī)避磁集成產(chǎn)品問題；

東興提前幾年布局了自動化生產(chǎn)車間，每年引進大量的自動化設(shè)備，針對一些特殊要求，東興會跟設(shè)備廠家形成合作，定制一些特殊的自動化設(shè)備。東興設(shè)計的磁集成產(chǎn)品，會優(yōu)先考慮是否適合自動化生產(chǎn)，我們必須保障磁集成產(chǎn)品在量產(chǎn)時滿足自動化生產(chǎn)，以保證磁集成產(chǎn)品的一致性和出貨品質(zhì)。

尚新融大李建江：現(xiàn)在是兩類情況，一類是大的電源企業(yè)，他們本身電磁結(jié)合的設(shè)計能力就比較強，會進行仿真、優(yōu)化后提出一些構(gòu)想，這種情況磁性元件企業(yè)更多是采取協(xié)同設(shè)計的方式進行配合。另一種就是磁性元件企業(yè)配合電源企業(yè)設(shè)計整個電源解決方案。

我們不一樣的地方在于，公司內(nèi)部有兩個團隊，一個負(fù)責(zé)磁性元件設(shè)計，另一個負(fù)責(zé)電源方案設(shè)計。因為電源主要就是電路拓?fù)?、磁性元件、布板，磁部分是我們的底層核心能力，但如果光懂磁，不懂電路，磁集成產(chǎn)品的設(shè)計就會受到很多約束。近些年取得快速發(fā)展的這些企業(yè)，比如鉑科，就是因為他們具有這種磁集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈縱向延伸的能力，能夠從電路的參數(shù)直接延伸到磁的本質(zhì)屬性，讓磁的微觀特性跟電路需求實現(xiàn)精準(zhǔn)結(jié)合，可以大大縮短磁集成產(chǎn)品驗證周期，我認(rèn)為這是磁集成技術(shù)未來的一個發(fā)展趨勢。

超越精密於漢斌：磁集成技術(shù)在前期階段，我們會根據(jù)客戶需求去做磁路、溫升、結(jié)構(gòu)等相應(yīng)的仿真，驗證客戶要求性能的實現(xiàn)。

臺達(dá)電子多合一電力驅(qū)動系統(tǒng)集成，圖片來源：臺達(dá)電子官網(wǎng)

6.此外，磁集成技術(shù)還會對磁性元件提出哪些挑戰(zhàn)和要求？

浙江大學(xué)王正仕：磁集成技術(shù)的目標(biāo)就是降低成本和減小體積，原來的電路結(jié)構(gòu)在這方面能挖掘的潛力已經(jīng)很有限。磁集成技術(shù)確實可以有效降低成、減小體積，但它也比分立磁件復(fù)雜得多，因為相互之間是有耦合的，比如控制一個輸出電壓，另外一個電壓解耦是比較復(fù)雜的，電磁兼容、散熱問題也更復(fù)雜，參數(shù)的設(shè)計需要兼顧的東西太多，優(yōu)化變得更困難；多合一集成還涉及到功率分配問題（如OBC+DCDC集成），尤其是DCDC有強制性功能安全要求，OBC磁集成產(chǎn)品的功能安全等級沒有這么高，系統(tǒng)優(yōu)化成本可能會更高，所以現(xiàn)在很多車載電源企業(yè)的產(chǎn)品線中，都是一款磁集成產(chǎn)品+多個獨立OBC產(chǎn)品的組合。

吉利極氪EMC專家朱工：磁集成方案我們也在做，對整個磁集成系統(tǒng)效率的提升，尤其是體積的減小和成本的降低所帶來的效果是十分明顯的。當(dāng)然在磁集成產(chǎn)品設(shè)計過程中也會碰到很多問題，比如效率、功率、磁路設(shè)計、熱管理、震動、電磁兼容等——我只從我負(fù)責(zé)的電磁兼容角度來談，磁集成技術(shù)是給我們帶來了很大的挑戰(zhàn)。

主要有兩點：一是磁集成技術(shù)限制了PCB板上功率器件的位置。以前用分立磁件，可以根據(jù)一定的邏輯去擺放，磁集成后，功率器件的位置只能按照集成磁件給你的空間去擺放了，造成了更多的干擾源，比如功率器件的VDS，就是D和S級之間產(chǎn)生快速變化的電壓，正常情況下，包括還有其他的干擾源，他們之間布的距離肯定更遠(yuǎn)一些，但磁集成技術(shù)打破了原來這種布線規(guī)則；二是從磁集成產(chǎn)品自身來看，變壓器自身是有一個傳導(dǎo)的共模電容，是由繞組和繞組之間的分布電容產(chǎn)生的，分立磁件只有一個原邊和副邊，就只有原副邊之間的寄生電容，磁集成以后，不同的變壓器靠的更近，它們的繞組相互之間也會影響，相比分立磁件，噪傳導(dǎo)到變得更大。

如何通過前期磁集成產(chǎn)品設(shè)計去預(yù)知上面提到這兩種噪聲傳導(dǎo)有多大，這是我們現(xiàn)在遇到的問題，暫時只能通過測量，提出一些關(guān)鍵參數(shù)去優(yōu)化磁集成產(chǎn)品設(shè)計方案，可能未來需要高校對這一問題進行更深入的理論研究，并提出一些設(shè)計規(guī)則，比如說不同變壓器之間的磁路應(yīng)該怎么設(shè)計、偏向什么角度，不同變壓器之間的繞組如何去避免相互影響。

臺達(dá)電子楊海軍：磁集成技術(shù)屬于牽一發(fā)而動全身的工作，它的傳導(dǎo)路徑、輻射路徑、哪里是薄弱環(huán)境，整個電路的分析、優(yōu)化都比分立磁件更復(fù)雜，必須要清楚電路的基本工況。因為它并不是單一的技術(shù)了，需要考慮整體的優(yōu)化和所省成本之間的平衡，單獨去講其中任何一個，可能都是有局限性的。

威海東興張洪偉：磁集成產(chǎn)品肯定是車載OBC首選，同時逐漸的普及到其他的開關(guān)電源應(yīng)用，進一步小型化、高頻化、低損耗會是后面對磁性元件企業(yè)的要求，磁集成產(chǎn)品設(shè)計人員的挑戰(zhàn)也會越來越高；

磁性元件企業(yè)的設(shè)計能力會要求提高，需要磁集成產(chǎn)品設(shè)計工程師掌握磁仿真能力，驗證磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，同時要具備快速打樣的能力。

尚新融大李建江：目前OBC磁集成產(chǎn)品都是定制化的磁性元件，跟傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化磁件相比，這種定制化磁芯還沒有經(jīng)過大批量驗證其結(jié)構(gòu)和強度的可靠性，尤其是涉及到不同種類磁性材料的混合磁芯，其熱膨脹系數(shù)不一樣，可能造成磁芯在某些結(jié)構(gòu)上開裂，對磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求更高，也需要進行磁芯結(jié)構(gòu)的仿真。

7.為了實現(xiàn)更高效率和更小體積，未來可能需要功率半導(dǎo)體和磁集成技術(shù)的進一步突破，您覺得未來有沒有新的電路拓?fù)浠蛘呒啥雀叩拇偶煞桨福?/strong>