磁集成技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

深圳大學(xué)劉藝濤：第一是新能源汽車。新能源汽車對直流充電樁、車載OBC以及其他DC-DC裝置的體積和重量要求非常高，目前直流充電樁都很笨重，占用空間很大。隨著電動汽車數(shù)量的增加，如何在有限的空間內(nèi)放置更多的充電樁，加上汽車對續(xù)航里程的要求也越來越高，磁集成在減小其體積和重量這方面有很大的發(fā)揮空間。

第二是數(shù)據(jù)中心。實際上，數(shù)據(jù)中心最大的支出成本就是電費。從電力電子裝置的角度來看，效率已經(jīng)很高，再想提高1%都是相當(dāng)困難的，可以從磁性材料方面考慮降低成本并提高效率，因為磁性材料也有損耗，相比于電力電子裝置，變壓器的損耗就很高了，未來如何通過磁集成進(jìn)一步提高變壓器、電感效率，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)效率，都有很大的發(fā)揮空間。

第三是手機(jī)充電器和其他消費電子產(chǎn)品。許多消費電子產(chǎn)品的競爭非常激烈，對于很多人來說，他們更關(guān)心的是磁集成產(chǎn)品的外觀和美觀程度，價格差異可能不那么敏感。隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，我們越來越需要考慮磁集成產(chǎn)品的美觀性。為什么戴森的吹風(fēng)機(jī)那么貴，而其他品牌的吹風(fēng)機(jī)便宜很多，卻仍有很多人選擇購買戴森，因為它的設(shè)計好看。如何讓產(chǎn)品更輕便、更小巧，磁集成技術(shù)是一個很好的解決方案。

深圳大學(xué)副教授劉藝濤

英搏爾高軍：理論上，磁集成產(chǎn)品可以應(yīng)用于各個方面，無論是大功率還是小功率電子器件，其好處在于減小體積和降低成本。在車載領(lǐng)域，各個電路拓?fù)渫瑯涌蓪崿F(xiàn)磁集成，但我們主要關(guān)注OBC和DCDC轉(zhuǎn)換器。

磁集成技術(shù)有兩種方式，包括解耦集成（物理集成）和耦合集成（磁芯、線圈、磁場共用）。物理集成是通過工藝方法將多個磁性元件放在一起，從工藝的緊湊性上來減小體積，但其電氣性能和磁設(shè)計是不變的，只是結(jié)構(gòu)上有所不同。而真正的磁集成技術(shù)則是將多個變壓器、電感的磁芯線圈共用，通過磁場相互交疊來達(dá)到同樣的目的，用一個器件實現(xiàn)兩到三個器件的功能。

車載電源通常包括充電機(jī)和DCDC轉(zhuǎn)換器，這些又可以分為PFC部分和高壓隔離DC-DC部分，現(xiàn)在通常要求雙向工作，一般使用CLLC或DAB來實現(xiàn)。在這些應(yīng)用中，磁集成技術(shù)主要用于CLLC或DAB中的變壓器和電感集成，這也是目前收益最高的；以及PFC中做交錯并聯(lián)的兩顆電感磁集成，在某些場合，廠家會將兩個電感進(jìn)行磁集成，共用部分磁心并進(jìn)行耦合，以減少體積，但這種磁集成的體積縮小幅度有限。

除了上述，車載電源還包括從高壓電池到低壓電池的DC-DC轉(zhuǎn)換，通常采用硬開關(guān)全橋或移向全橋來實現(xiàn)，這里面的變壓器和輸出濾波電感也可以進(jìn)行磁集成。不過，由于成本效益不高，這種磁集成在實際中使用較少。

英搏爾電氣電源產(chǎn)品CTO高軍

銘普光磁李禮鵬：高總提到的幾種磁集成方式，我們確實在變壓器和輸出濾波電感的磁集成方面進(jìn)行了一些嘗試。從磁性元件的角度來看，我們認(rèn)為所有領(lǐng)域都有發(fā)展?jié)摿?，并且都會帶來一定的收益。?dāng)然，成本是一個需要考慮的因素，如果最終的收益不大，可能就不會進(jìn)行這種磁集成。磁集成的目標(biāo)是提高功率密度并降低成本，并不局限于某個特定領(lǐng)域，而是取決于磁集成技術(shù)對成本和空間的考慮。

今天早上我展示了一個大約3毫米的器件，我們可以將其做成集成的兩個共模電感，包括大功率共模電感和共差膜一體的磁集成，這些都是屬于尺度的磁集成。此外，高總提到的PFC交錯并聯(lián)我們也做了很多年，收益確實比較明顯，尤其是在服務(wù)器電源或充電樁等功率較大的應(yīng)用中，可能只差幾毫米的空間。通過磁集成，我們可以節(jié)省一塊磁芯材料，從而減小整個磁集成產(chǎn)品體積。

東莞銘普光磁股份有限公司研發(fā)總監(jiān)李禮鵬

云路新能源施洪亮：我和高總、李總的看法一致。我認(rèn)為磁集成的應(yīng)用領(lǐng)域不分功率大小，也不分低頻、高頻。我以前在軌道交通領(lǐng)域，比如鐵路里的24V充電機(jī)，輸出是12kW、500A，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半橋隔離型DCDC，后面是全波整流。因為500A的電流，我們其實不能稱之為磁集成，只是把兩個電感和變壓器放在一起。

為什么系統(tǒng)方案商喜歡這種方式呢？從采購角度來說，只需要一個器件；從布線角度來說，即使簡單地把幾個器件從物理上放在一起，它們之間的連線是內(nèi)部的，加上器件數(shù)量的減少，其可靠性大大提高。所以說不分功率大小，因為可以減小體積、重量，提高效率，對用戶有很大的收益。

云路新能源深圳研究院總工程師施洪亮博士

超越精密於漢斌：將幾個磁性元件組合在一起，我們一般定義為磁組合。只有當(dāng)磁路相結(jié)合時，我們才稱之為磁集成，因為這樣可以減少多余的尺寸，并將有用的全尺寸全部利用起來。

針對磁集成技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的問題，目前熱門的新能源汽車、充電樁以及AI服務(wù)器等領(lǐng)域都有磁集成產(chǎn)品的應(yīng)用。我們公司在這些領(lǐng)域有很多磁集成產(chǎn)品正在大量生產(chǎn)，尤其是服務(wù)器和AI服務(wù)器領(lǐng)域，集成電感的需求量很大，每個月都有幾KK的量級。所以，很多領(lǐng)域都有普遍化的磁集成技術(shù)應(yīng)用。

江西高新超越精密電子有限公司新能源事業(yè)部研發(fā)處長於漢斌

凱通電子黃定友：我們認(rèn)為磁集成技術(shù)肯定是一個發(fā)展方向。磁集成的概念很早就有，但到現(xiàn)在為止推行起來還是有困難，或者即使推行了也存在問題。我想其中一點就是怎么能夠?qū)崿F(xiàn)自動化或者批量性的標(biāo)準(zhǔn)化，剛才有磁集成技術(shù)專家在演講時也談到了這個問題。如果不能從這方面降低磁集成技術(shù)成本，可能就會變成省空間、省材料但最終不省錢，這也是我們對磁集成產(chǎn)品需要考慮的因素。

山東凱通電子有限公司技術(shù)總工黃定友

2.磁集成應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)有哪些？

深圳大學(xué)劉藝濤：剛才施博士提到為什么只有華為能夠?qū)崿F(xiàn)組串式光伏三相電感磁集成技術(shù)，其實這個問題并不簡單，我認(rèn)識的很多朋友，自己也有很多學(xué)生在華為數(shù)字能源部門工作，華為在光伏逆變器，甚至單是電感的研究中就投入了大量的人力和資金。

早期我也做過大功率設(shè)備，尤其是三相功率電感的磁集成工作，遇到了很多問題，包括前面提到的散熱問題。熱的本質(zhì)是損耗，也就是銅損和鐵損，銅損相對好解決，鐵損方面，一是可從逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法的角度減小電流脈動；二是磁芯結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)三相電感更多采用非對稱磁芯結(jié)構(gòu)，我認(rèn)為對三相電感而言，對稱式是一種很好的磁芯結(jié)構(gòu)，是磁通分布的最優(yōu)解，我們也在做這方面的研究，剛才在外面也有看到云路施博士做的對稱式磁集成產(chǎn)品；三是損耗計算方面，我們經(jīng)?；诮?jīng)驗來計算鐵損和銅損，比如常用的斯坦利茨（Steinmetz）方程，它已經(jīng)有100多年的歷史了，隨著磁集成技術(shù)的發(fā)展，這個公式可能不再準(zhǔn)確。最近MIT做了一個基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的磁性材料建模，主要目的之一就是改進(jìn)斯坦利茨公式。其實磁，或者說磁性材料是非線性系統(tǒng)，單個公式甚至一系列公式都無法準(zhǔn)確描述它，未來基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的AI大模型算法可以有效幫助解決磁集成技術(shù)方面的問題。

移相全橋諧振電感集成，圖源：泰科斯德

英搏爾高軍：實際上，不管是簡單的耦合集成還是解耦集成，都是非常難的，主要就是像劉教授剛才所講，它已經(jīng)不可用傳統(tǒng)的公式去計算。原來設(shè)計變壓器，匝數(shù)、磁場都有一套約定俗成的公式和流程，但進(jìn)行磁集成后這些參數(shù)就很難計算出來了，即便算出來也不一定準(zhǔn)確，實際上磁集成技術(shù)遠(yuǎn)不是表面看到的那么簡單。

舉個例子，變壓器集成諧振電感后，變壓器的磁芯或者線包發(fā)熱會非常厲害，但一算電流密度也不高，為什么呢？大家在設(shè)計這種變壓器帶漏感的磁集成產(chǎn)品時，通常會把漏感做大，原邊副邊盡量解耦才能做出較大的漏感，但這時候原邊磁場會以非耦合方式進(jìn)入副邊進(jìn)而產(chǎn)生雜散磁場，且漏感的磁場會切割線包，導(dǎo)致高頻損耗非常大；另外漏感做大以后，線包、磁芯里的磁場也不僅僅是變壓器伏秒積算出來的Delta B了，還有電感的磁場疊加在這里，這個時候就要把磁芯加大。如果這些沒有提前進(jìn)行磁集成設(shè)計和仿真，還是按原來的方法設(shè)計變壓器磁芯的截面積，大概率是失敗的。

銘普光磁李禮鵬：目前磁集成產(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)有兩方面：一是如何在制造過程中實現(xiàn)成本最優(yōu)，當(dāng)前實際情況是，沒有絕對的最優(yōu)解，只有不斷追求更好的磁集成技術(shù)解決方案；二是知識產(chǎn)權(quán)的問題，我們會投入大量資源開發(fā)新磁集成產(chǎn)品，但這些磁集成產(chǎn)品可能很快就會被拆解或模仿，導(dǎo)致我們的訂單持續(xù)時間較短，這種情況讓我們感到很大的壓力和困擾。

磁集成產(chǎn)品，圖片來源：銘普光磁

超越精密於漢斌：剛才高總也講了，終端客戶的磁集成應(yīng)用主要就是集中在散熱，磁集成以后，效率也會變差，怎么才能實現(xiàn)理想變壓器的結(jié)構(gòu)，這就是現(xiàn)在磁集成技術(shù)面臨的問題。

磁集成產(chǎn)品，圖片來源：超越精密

云路新能源施洪亮：目前很多磁集成技術(shù)還是停留在學(xué)術(shù)研究階段，真正實際應(yīng)用的比較少，比如組串式光伏的三個輸出濾波電感，理論上磁集成效果肯定更好，但目前整個行業(yè)就華為真正量產(chǎn)了三相七柱的磁集成電感，其中最大的問題就是磁集成后散熱非常難解決。

凱通電子黃定友：不管是從磁集成還是磁性材料的發(fā)展，磁材企業(yè)面臨的壓力都是非常大的。一是原材料質(zhì)量，比如說錳鋅鐵氧體，主原料鐵紅是鋼鐵廠回收鹽酸產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是不受鋼鐵廠重視的，這也導(dǎo)致磁材企業(yè)的原材料質(zhì)量參差不齊，尤其是體量較小的磁材企業(yè)尤為突出；二是磁路或者用法更復(fù)雜，如何去評價磁性材料的損耗也是一個問題；三是磁性材料屬于基礎(chǔ)材料，但做磁性材料又有點像挖煤，很辛苦還不一定賺錢，如何吸引優(yōu)秀人才和年輕人從事這個行業(yè)，以滿足越來越復(fù)雜的磁集成材料開發(fā)，這也是一個挑戰(zhàn)。

磁集成磁芯，圖源：凱通電子

3.對上游有哪些期望？希望上游提供哪些配合？

深圳大學(xué)劉藝濤：我覺得可以從兩方面加強(qiáng)校企合作。一是高校有很多磁集成技術(shù)研究成果，尤其是磁方面有很多有價值的研究，如果能把這些研究轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，我覺得磁集成產(chǎn)品競爭力會有一個質(zhì)的飛躍，比其他任何方式都要明顯；二是磁仿真軟件的共享，剛才大家都談到磁仿真軟件很貴，而高校購買的學(xué)術(shù)版磁仿真軟件，相比企業(yè)版便宜很多，企業(yè)購買磁仿真軟件除了高昂的授權(quán)費，一般還需要配備磁仿真人才，利用高校的磁仿真平臺，對企業(yè)來說可能會是更實際的選擇。

英搏爾高軍：實際上，對磁性材料來說要求是一樣的，不管是否磁集成產(chǎn)品，磁性材料的損耗都要盡量低；

現(xiàn)在大家可能對高頻磁芯研究比較多，很多廠商不重視線材，但我認(rèn)為對線材而言，如何做出一種新結(jié)構(gòu)，或者說做出一種抗高頻、耐高壓的線材，即便在一個高頻的雜散磁場也能保持低損耗，絕對是未來很好的一個方向。

磁集成技術(shù)在理論上更加復(fù)雜了，一方面我們自己已經(jīng)在高校挖掘磁集成技術(shù)方面人才提高自身設(shè)計能力，另一方面也希望上游的磁性元件，甚至磁性材料供應(yīng)商有這方面的設(shè)計和仿真能力，相當(dāng)于大家思路是一致的，而不是像現(xiàn)在這樣都是基于我的磁集成產(chǎn)品設(shè)計，上游供應(yīng)商只是從工藝上實現(xiàn)這個器件，甚至很多工藝也是我們自己在考慮。我覺得想把電感、變壓器做好，上游供應(yīng)商是需要具備這種能力的，哪怕會產(chǎn)生一些費用，這是我對上游供應(yīng)商的期望吧。

比如云路能把施博士這種清華大學(xué)的高材生請過來做專門磁的研究，又具備磁仿真能力，我相信云路就能很好地配合客戶，做出僅客戶自己做不出來的磁集成產(chǎn)品，這樣的企業(yè)未來就能走得更遠(yuǎn)，更有前途。

磁集成產(chǎn)品，圖片來源：超越精密

銘普光磁李禮鵬：銘普光磁在磁集成方面已深耕多年，有仿真軟件和專門的仿真工程師，能夠為客戶提供磁集成產(chǎn)品設(shè)計方案，而不僅僅依賴于客戶提供的方案。

云路新能源施洪亮：我們購買了仿真軟件，組建了電力電子專業(yè)和數(shù)值仿真計算專業(yè)為主的博士團(tuán)隊對“電-磁-熱-力”進(jìn)行多場耦合仿真，云路還搭建了“500kW高溫環(huán)境試驗箱”平臺，可以對最大功率的組串式光伏逆變器系統(tǒng)進(jìn)行高溫溫升試驗，根據(jù)實驗結(jié)果對“磁性器件優(yōu)化設(shè)計方案”進(jìn)行方案迭代升級，最終的目標(biāo)是：提高送樣客戶一次成功率，節(jié)省客戶磁集成產(chǎn)品測試迭代時間。

三合一磁集成產(chǎn)品，圖片來源：泰科斯德

超越精密於漢斌：高總提到對線材的要求和期望，確實是這樣，包括超越精密也有利茲線事業(yè)部，從事相關(guān)線材的研發(fā)和生產(chǎn)，單絞和復(fù)合絞的損耗差距就蠻大，包括股數(shù)、絞合方式、絞距等都有影響；另外針對磁仿真這塊，目前應(yīng)該說規(guī)模稍微大一點的企業(yè)都會自己做，超越精密在磁仿真、熱仿真方面都是沒問題的。

磁集成產(chǎn)品，圖片來源：超越精密

凱通電子黃定友：希望能夠盡快制定磁路參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。至今為止，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)并沒有涵蓋磁集成磁路方面的計算方法，這可能是因為參數(shù)計算相對復(fù)雜或其他原因。一是希望未來能更快制定這類標(biāo)準(zhǔn)，制定過程中能有更多磁性元件企業(yè)和電源企業(yè)參與進(jìn)來，共同提出建設(shè)性的意見，以便更好地完善這些標(biāo)準(zhǔn)；二是如何評估磁性材料生產(chǎn)過程中的損耗是一個難題。我們希望未來能與磁性元件企業(yè)、電源企業(yè)等合作伙伴加強(qiáng)溝通，共同達(dá)成一種共識，明確如何控制和評價磁集成產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。

磁集成磁芯，圖源：凱通電子

結(jié)語

也許我們拆開一個磁集成變壓器來看，結(jié)構(gòu)也沒有多復(fù)雜，但細(xì)究起來，其實每一圈都有千變?nèi)f化。

綜合論壇嘉賓的觀點看：

從磁集成技術(shù)應(yīng)用前景角度而言，理論上磁集成產(chǎn)品不分功率大小、頻率高低，可應(yīng)用于各個領(lǐng)域，最終衡量標(biāo)準(zhǔn)，是節(jié)省的電感、變壓器數(shù)量、材料和成本，與磁集成產(chǎn)品系統(tǒng)優(yōu)化成本和空間要求之間的綜合平衡；

從磁集成技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)角度而言，最大的挑戰(zhàn)在于這種新形態(tài)磁集成產(chǎn)品打破了原有的設(shè)計、制造方法，由此衍生了一系列的問題，包括電磁場計算的復(fù)雜化，散熱問題更難解決，雜散參數(shù)影響變大，磁芯、線材、磁性元件產(chǎn)品缺乏相對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)等等，并最終匯聚到損耗或散熱這個點上；

從磁集成產(chǎn)業(yè)鏈角度而言，磁集成技術(shù)的落地是一個循序漸進(jìn)的過程，除了前面提到技術(shù)層面的挑戰(zhàn)，未來還有批量化和自動化生產(chǎn)等問題，需要整個磁集成產(chǎn)業(yè)鏈上下游更加緊密地配合，同時也需要磁性元件企業(yè)在觀念上有所轉(zhuǎn)變，吸引更多年輕人和優(yōu)秀人才投身于磁性元件行業(yè)，共同打破磁集成技術(shù)當(dāng)前困境，以及應(yīng)對未來越來越高的要求。

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審核編輯 黃宇