系統功能集成方向對磁集成將產生哪些影響？目前各個終端市場的集成方向有發展趨勢？對磁集成又會產生哪些挑戰？

在當今科技發展的浪潮中，磁集成已成為產業鏈熱議的關鍵話題。其能否成功落地，不僅僅取決于成本、效率、可靠性和體積等常規因素，更與終端應用及系統功能集成方向緊密相關。深入了解終端市場系統的集成走向，無疑是開發磁集成產品的基石。

本文依據杭州普晶電子科技有限公司（下稱“普晶電子”）產品總監楊蕾的《磁性器件應用趨勢 & 平面磁寄生參數》主題演講，詳細梳理各終端市場的集成趨勢，剖析磁集成給變壓器、電感帶來的挑戰，并分享普晶電子的磁集成創新解決方案。

01 終端市場呈現多維度集成趨勢

趨勢一：傳統UPS供電策略正被逐步替換

傳統的數據中心一般采用UPS供電策略，而現在隨著AI對算力需求的提升，新型數據中心開始逐步采用新的供電策略。

一是儲能電站供電方案。隨著儲能市場的快速發展，數據中心正成為儲能重要的應用市場，部分數據中心已經開始采用400VDC儲能電站供電方案，借助 PCS 的冗余設計，達成了安全性與可靠性的設計要求。

400VDC 儲能電站PCS冗余容量的DC數據中心供電方案

二是HVDC供電方案。除了儲能電站的供電方案，數據中心還在UPS供電方案基礎上衍生出一種新的 HVDC 設計，省去了一部分交流變壓器和兩級變換器，即 UPS 的逆變部分和服務器電源的整流部分（下圖藍色部分）。據了解，這種供電方案市場份額已經從2019年的9%增長到2021年的16%。

HVDC供電方案

此外，超過2000W的服務器電源，目前都在采用無橋設計（AC/PFC），市場份額也從2019年的11%增長至2021年的24%，實現了翻倍的增長。

趨勢二：光伏逆變器直流堆疊新思路

這是國外誕生的一種通過直流堆疊達到逆變的光伏逆變器設計思路。這種設計思路是通過將多個電芯的電壓組合成正弦波來實現輸出交流電壓，逆變器部分省去了一部分 PCS 功能，這種變化對變壓器、電感的影響可能會比較大。

直流堆疊來實現逆變的設計思路

趨勢三：車載變壓器、電感的兩種集成方向

車載變壓器、電感產品目前主要有兩種集成方向。

一種是以華為和比亞迪為代表，主要是朝著電機進行集成，像六合一、七合一、八合一甚至九合一，未來的 N 合一也都是往這個方向去集成。比如DriveONE電驅系統除了集成傳統三合一電機+電控+減速器，小三電OBC+DC-DC+PDU外，進一步集成了BCU（電池控制單元）。

另一種是以特斯拉和小米為代表，主要是朝著電池包進行集成，朝著底座去做一些電池的集成。比如特斯拉將三合一電驅（電機+電控+減速器）+小三電整合到電池pack或者CTC底盤上。

綜合來看，數據中心、光伏以及新能源汽車等終端市場不同的集成方向，將對變壓器、電感磁集成產生截然不同的要求，這些方向性的變化對變壓器、電感磁集成會產生不小的影響，同時也是接下來磁集成技術落地將要面臨的挑戰，亟需變壓器、電感企業攻克相關的磁集成技術難題。

02 普晶電子的磁集成解決方案

那對變壓器、電感而言，這些新的磁集成發展趨勢，會提出哪些挑戰呢？變壓器、電感企業又該如何解決？楊蕾對此進行了深入地分析，同時也分享了普晶電子的變壓器、電感磁集成解決方案和相關案例。

1.電池高壓轉低壓磁集成解決方案。近幾年電池應用極為廣泛，尤其是高壓轉低壓部分。比如目前的變壓器原邊串聯、副邊并聯的方案，能夠解決幾個方面的問題：第一，變壓器原邊串聯后可以解決電壓應力的問題；第二，變壓器電壓應力降低后，變壓器原邊部分的電磁干擾也會在一定程度上得到優化。

一種典型的變壓器原邊串聯、副邊并聯電池高壓轉低壓應用

如果采用 8 字形繞法，通過這種方式整個變壓器的體積也能夠有效地減小。

基于這樣的變壓器設計方案，普晶電子在高壓轉低壓的過程中，進行了稍微的調整。楊蕾提到，為了便于實現變壓器 8 字繞法，普晶電子對拓撲結構做了微調，開發出一款新型變壓器，在瞬態場和渦流場展開仿真測試的結果顯示，采用 8 字繞法時變壓器磁芯損耗可優化 30% 左右，而變壓器繞組的損耗基本上沒有太大變化。

目前，普晶電子這款磁集成變壓器已成功量產1500W-2000W等功率段產品，在整個拓撲結構中，變壓器原邊有一個諧振電感，算上原邊電感和副邊電感，總共是三個電感，但實際這款磁集成變壓器僅采用了兩個繞組。

具體做法是將變壓器原邊的繞組和諧振電感繞組套在兩個中柱上，通過一個繞組、兩個中柱的方式實現變壓器磁集成。這樣一來，不僅變壓器磁芯的體積能夠節省一部分，因為不再有單獨的諧振電感繞組了，銅線方面也有一定程度的節省。

全波形仿真結果顯示，這款磁集成變壓器效率最高的狀態出現在額定 750 伏左右，能夠達到 98.98% 。

這種特殊設計的磁集成變壓器最大的問題在于不同狀態下磁路耦合問題。為此，普晶電子對這款磁集成變壓器產品測試了 200 V-800 V的全電壓范圍，結果顯示輸出的波形沒有較大異常。

2.微型光伏逆變器磁集成解決方案。基于上述變壓器磁集成設計思路，普晶電子還實現了微型光伏逆變器變壓器的磁集成設計并成功量產。

微型光伏逆變器變壓器磁集成產品，圖片來源：普晶電子

目前微型逆變器市場超過80%的方案都是采用反激拓撲。然而，隨著近幾年歐洲對 EMC 法規的調整，許多變壓器、電感企業在使用反激拓撲時可能都會遭遇 EMI 痛點。

另一方面，微型逆變器的功率也發生了變化，從原來的 400 W、600 W、800 W，如今大家都在集中精力攻克 2000W、2500 W、3000 W的產品。

普晶電子這款磁集成變壓器產品在與客戶共同開發的過程中，獲得了較好的反饋，成功解決了反激拓撲在微型逆變器中的 EMI 問題，借助變壓器繞組集成還實現了成本降低與體積縮小。

3.車載變壓器磁集成產品解決方案。雙向充電這個概念已被探討多年，隨著政府對雙向充電重視度的提高，在未來一段時間內，無論是車載的 OBC 還是充電樁這類雙向應用，都將加速落地實施。

一種典型電機控制器電路拓撲結構，圖片來源：ROHM

當下比較典型的做法是從高壓側和低壓側取電，以此為整個控制器電路供電。然而在實際應用中可以發現，變壓器已成為一個突出的瓶頸。

以往大家關注的高度瓶頸可能是電解電容或其他器件，但現在變壓器在電機控制器里成為了關鍵制約因素。

基于此應用，普晶電子設計出了一款最低高度為 7 毫米的變壓器磁集成產品，并已著手設計更低高度的變壓器方案。

低厚度變壓器磁集成產品，圖片來源：普晶電子

低厚度變壓器磁集成產品，圖片來源：普晶電子

03 磁集成寄生參數問題及其解決辦法

楊蕾還提到，在上述案例推進過程中，寄生參數已對平面變壓器的開發進程造成了較大阻礙。楊蕾梳理了他在設計過程中遇到的寄生參數計算問題，并結合普晶電子的平面變壓器案例給出了相應的解決辦法。

例如在典型的VDS 電壓波動過程中，額定輸入電壓范圍是在 187 伏到 374 伏之間，可等到進行器件選型時，卻可能需要選用 700 伏的開關管來應對。

原因在于這個過程疊加了較為重要的兩部分：第一部分是 VR，對于 VR 這部分，可以通過調整變壓器原邊的匝數以及匝比來進行優化；第二部分是 Vspike，這部分能夠借助調整緩沖電路，實現降低整個 VDS 的目的。

融合了各種寄生參數的等效電路拓撲，圖片來源：普晶電子

漏感與雜散電感的影響。漏感與雜散電感主要會導致三個問題：

1.變壓器原邊寄生電容與漏感導致輸入電壓大于12V時，控制芯片過流保護。最為典型的是在低壓部分，變壓器原邊的寄生電容和漏感會在輕載或者低電壓輸入的時候出現異常保護的情況。“比如我們在設計一款 15 kW的平面變壓器時就出現過此類狀況，由于變壓器原邊存在寄生電容，導致在輕載時其負載的調整特性比較差，也就是在輕載時電流雖然不大，但相反地，保護電路卻會提前觸發進行應對。”楊蕾說道。

2.變壓器三路副邊漏感不對稱，漏感大的一路副邊二極管易損壞。當下很多驅動變壓器常常會處于一拖三或者一拖二這樣的狀態。然而在實際的變壓器中，很難做到漏感的一致性，這會致使變壓器某一路的輸出溫度變得特別高，進而影響那一路半導體器件的整體特性。

3.變壓器原邊漏感導致低壓輸入時效率較低。

以上是楊蕾匯匯總的關于漏感以及其他諸多應用方面的問題點。

漏感與雜散電感的影響和解決辦法。基于此，普晶電子也開展了 PCB 級仿真，并在此基礎上優化變壓器設計方案，基本上能夠接近仿真的效果。

平面變壓器寄生參數仿真測試

楊蕾表示，“實際上，差異可能出在 PCB 的壓合工藝上，當實際操作中越接近變壓器設計的間距時，相應的數值就越接近理想狀態。”

這種PCB級電感仿真抑制漏感的方法，本質上是減小MMF曲線包圍的面積，通過優化變壓器原副邊繞組排布、減小銅厚、絕緣層厚度、增加繞組寬度、減小繞組匝數等，解決前期設計時對漏感的把控問題。

寄生電容的影響及其解決辦法。寄生電容一直是大家最為頭疼的一個問題點，因為它不太容易亮化和抓取。

寄生電容如果偏大，一方面變壓器原邊開關管開通電流過沖較大，可能會原邊開關管炸管；另一方面，輸入電壓低到6V時，寄生電容會導致環路不穩的情況。

普晶電子在實驗過程中也發現，實際測試和仿真之間會存在一定差異，其原因就在于沒把介電材質考慮進去，把介電材質納入考慮后，仿真和實際測試的結果就比較接近了。

對此，楊蕾建議，變壓器、電感企業在設計過程中，可以通過減小繞組正對面積、繞組間使用低介電常數的材料、增加繞組間距離、合理設計繞組排布和添加屏蔽層等方式減小寄生電容。

綜合來看，在高壓平面變壓器中，對寄生電容相對更為敏感；而在低壓的情況下，則是對寄生電感相對更為敏感。

04 結語

目前有不少企業在開發變壓器或者電感產品時，存在參數夠用就行的心態，實際上還有很多可以優化的空間。楊蕾認為，如果能把寄生參數優化好，同樣是解決變壓器、電感產品同質化的辦法。普晶電子也將繼續圍繞電氣功能實現、損耗及溫升達標、雜散參數分析及量化、電磁兼容等方面，為行業開發更多優秀的平面變壓器產品。

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審核編輯 黃宇