磁集成趨勢(shì)，平面變壓器寄生參數(shù)如何解決？

系統(tǒng)功能集成方向?qū)Υ偶蓪a(chǎn)生哪些影響？目前各個(gè)終端市場(chǎng)的集成方向有發(fā)展趨勢(shì)？對(duì)磁集成又會(huì)產(chǎn)生哪些挑戰(zhàn)？

在當(dāng)今科技發(fā)展的浪潮中，磁集成已成為產(chǎn)業(yè)鏈熱議的關(guān)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(guī)因素，更與終端應(yīng)用及系統(tǒng)功能集成方向緊密相關(guān)。深入了解終端市場(chǎng)系統(tǒng)的集成走向，無疑是開發(fā)磁集成產(chǎn)品的基石。

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

01 終端市場(chǎng)呈現(xiàn)多維度集成趨勢(shì)

趨勢(shì)一：傳統(tǒng)UPS供電策略正被逐步替換

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心一般采用UPS供電策略，而現(xiàn)在隨著AI對(duì)算力需求的提升，新型數(shù)據(jù)中心開始逐步采用新的供電策略。

一是儲(chǔ)能電站供電方案。隨著儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心正成為儲(chǔ)能重要的應(yīng)用市場(chǎng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心已經(jīng)開始采用400VDC儲(chǔ)能電站供電方案，借助 PCS 的冗余設(shè)計(jì)，達(dá)成了安全性與可靠性的設(shè)計(jì)要求。

400VDC 儲(chǔ)能電站PCS冗余容量的DC數(shù)據(jù)中心供電方案

二是HVDC供電方案。除了儲(chǔ)能電站的供電方案，數(shù)據(jù)中心還在UPS供電方案基礎(chǔ)上衍生出一種新的 HVDC 設(shè)計(jì)，省去了一部分交流變壓器和兩級(jí)變換器，即 UPS 的逆變部分和服務(wù)器電源的整流部分（下圖藍(lán)色部分）。據(jù)了解，這種供電方案市場(chǎng)份額已經(jīng)從2019年的9%增長(zhǎng)到2021年的16%。

HVDC供電方案

此外，超過2000W的服務(wù)器電源，目前都在采用無橋設(shè)計(jì)（AC/PFC），市場(chǎng)份額也從2019年的11%增長(zhǎng)至2021年的24%，實(shí)現(xiàn)了翻倍的增長(zhǎng)。

趨勢(shì)二：光伏逆變器直流堆疊新思路

這是國(guó)外誕生的一種通過直流堆疊達(dá)到逆變的光伏逆變器設(shè)計(jì)思路。這種設(shè)計(jì)思路是通過將多個(gè)電芯的電壓組合成正弦波來實(shí)現(xiàn)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(duì)變壓器、電感的影響可能會(huì)比較大。

直流堆疊來實(shí)現(xiàn)逆變的設(shè)計(jì)思路

趨勢(shì)三：車載變壓器、電感的兩種集成方向

車載變壓器、電感產(chǎn)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(jī)進(jìn)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(gè)方向去集成。比如DriveONE電驅(qū)系統(tǒng)除了集成傳統(tǒng)三合一電機(jī)+電控+減速器，小三電OBC+DC-DC+PDU外，進(jìn)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(jìn)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(qū)（電機(jī)+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(shù)據(jù)中心、光伏以及新能源汽車等終端市場(chǎng)不同的集成方向，將對(duì)變壓器、電感磁集成產(chǎn)生截然不同的要求，這些方向性的變化對(duì)變壓器、電感磁集成會(huì)產(chǎn)生不小的影響，同時(shí)也是接下來磁集成技術(shù)落地將要面臨的挑戰(zhàn)，亟需變壓器、電感企業(yè)攻克相關(guān)的磁集成技術(shù)難題。

02 普晶電子的磁集成解決方案

那對(duì)變壓器、電感而言，這些新的磁集成發(fā)展趨勢(shì)，會(huì)提出哪些挑戰(zhàn)呢？變壓器、電感企業(yè)又該如何解決？楊蕾對(duì)此進(jìn)行了深入地分析，同時(shí)也分享了普晶電子的變壓器、電感磁集成解決方案和相關(guān)案例。

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

一種典型的變壓器原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)電池高壓轉(zhuǎn)低壓應(yīng)用

如果采用 8 字形繞法，通過這種方式整個(gè)變壓器的體積也能夠有效地減小。

基于這樣的變壓器設(shè)計(jì)方案，普晶電子在高壓轉(zhuǎn)低壓的過程中，進(jìn)行了稍微的調(diào)整。楊蕾提到，為了便于實(shí)現(xiàn)變壓器 8 字繞法，普晶電子對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了微調(diào)，開發(fā)出一款新型變壓器，在瞬態(tài)場(chǎng)和渦流場(chǎng)展開仿真測(cè)試的結(jié)果顯示，采用 8 字繞法時(shí)變壓器磁芯損耗可優(yōu)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(chǎn)1500W-2000W等功率段產(chǎn)品，在整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器原邊有一個(gè)諧振電感，算上原邊電感和副邊電感，總共是三個(gè)電感，但實(shí)際這款磁集成變壓器僅采用了兩個(gè)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(gè)中柱上，通過一個(gè)繞組、兩個(gè)中柱的方式實(shí)現(xiàn)變壓器磁集成。這樣一來，不僅變壓器磁芯的體積能夠節(jié)省一部分，因?yàn)椴辉儆袉为?dú)的諧振電感繞組了，銅線方面也有一定程度的節(jié)省。

全波形仿真結(jié)果顯示，這款磁集成變壓器效率最高的狀態(tài)出現(xiàn)在額定 750 伏左右，能夠達(dá)到 98.98% 。

這種特殊設(shè)計(jì)的磁集成變壓器最大的問題在于不同狀態(tài)下磁路耦合問題。為此，普晶電子對(duì)這款磁集成變壓器產(chǎn)品測(cè)試了 200 V-800 V的全電壓范圍，結(jié)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(shè)計(jì)思路，普晶電子還實(shí)現(xiàn)了微型光伏逆變器變壓器的磁集成設(shè)計(jì)并成功量產(chǎn)。

微型光伏逆變器變壓器磁集成產(chǎn)品，圖片來源：普晶電子

目前微型逆變器市場(chǎng)超過80%的方案都是采用反激拓?fù)?。然而，隨著近幾年歐洲對(duì) EMC 法規(guī)的調(diào)整，許多變壓器、電感企業(yè)在使用反激拓?fù)鋾r(shí)可能都會(huì)遭遇 EMI 痛點(diǎn)。

另一方面，微型逆變器的功率也發(fā)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(chǎn)品。

普晶電子這款磁集成變壓器產(chǎn)品在與客戶共同開發(fā)的過程中，獲得了較好的反饋，成功解決了反激拓?fù)湓谖⑿湍孀兤髦械?EMI 問題，借助變壓器繞組集成還實(shí)現(xiàn)了成本降低與體積縮小。

3.車載變壓器磁集成產(chǎn)品解決方案。雙向充電這個(gè)概念已被探討多年，隨著政府對(duì)雙向充電重視度的提高，在未來一段時(shí)間內(nèi)，無論是車載的 OBC 還是充電樁這類雙向應(yīng)用，都將加速落地實(shí)施。

一種典型電機(jī)控制器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖片來源：ROHM

當(dāng)下比較典型的做法是從高壓側(cè)和低壓側(cè)取電，以此為整個(gè)控制器電路供電。然而在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，變壓器已成為一個(gè)突出的瓶頸。

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

基于此應(yīng)用，普晶電子設(shè)計(jì)出了一款最低高度為 7 毫米的變壓器磁集成產(chǎn)品，并已著手設(shè)計(jì)更低高度的變壓器方案。

低厚度變壓器磁集成產(chǎn)品，圖片來源：普晶電子

低厚度變壓器磁集成產(chǎn)品，圖片來源：普晶電子

03 磁集成寄生參數(shù)問題及其解決辦法

楊蕾還提到，在上述案例推進(jìn)過程中，寄生參數(shù)已對(duì)平面變壓器的開發(fā)進(jìn)程造成了較大阻礙。楊蕾梳理了他在設(shè)計(jì)過程中遇到的寄生參數(shù)計(jì)算問題，并結(jié)合普晶電子的平面變壓器案例給出了相應(yīng)的解決辦法。

例如在典型的VDS 電壓波動(dòng)過程中，額定輸入電壓范圍是在 187 伏到 374 伏之間，可等到進(jìn)行器件選型時(shí)，卻可能需要選用 700 伏的開關(guān)管來應(yīng)對(duì)。

原因在于這個(gè)過程疊加了較為重要的兩部分：第一部分是 VR，對(duì)于 VR 這部分，可以通過調(diào)整變壓器原邊的匝數(shù)以及匝比來進(jìn)行優(yōu)化；第二部分是 Vspike，這部分能夠借助調(diào)整緩沖電路，實(shí)現(xiàn)降低整個(gè) VDS 的目的。

融合了各種寄生參數(shù)的等效電路拓?fù)洌瑘D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(huì)導(dǎo)致三個(gè)問題：

1.變壓器原邊寄生電容與漏感導(dǎo)致輸入電壓大于12V時(shí)，控制芯片過流保護(hù)。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(huì)在輕載或者低電壓輸入的時(shí)候出現(xiàn)異常保護(hù)的情況?！氨热缥覀?cè)谠O(shè)計(jì)一款 15 kW的平面變壓器時(shí)就出現(xiàn)過此類狀況，由于變壓器原邊存在寄生電容，導(dǎo)致在輕載時(shí)其負(fù)載的調(diào)整特性比較差，也就是在輕載時(shí)電流雖然不大，但相反地，保護(hù)電路卻會(huì)提前觸發(fā)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。”楊蕾說道。

2.變壓器三路副邊漏感不對(duì)稱，漏感大的一路副邊二極管易損壞。當(dāng)下很多驅(qū)動(dòng)變壓器常常會(huì)處于一拖三或者一拖二這樣的狀態(tài)。然而在實(shí)際的變壓器中，很難做到漏感的一致性，這會(huì)致使變壓器某一路的輸出溫度變得特別高，進(jìn)而影響那一路半導(dǎo)體器件的整體特性。

3.變壓器原邊漏感導(dǎo)致低壓輸入時(shí)效率較低。

以上是楊蕾匯匯總的關(guān)于漏感以及其他諸多應(yīng)用方面的問題點(diǎn)。

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(jí)仿真，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)方案，基本上能夠接近仿真的效果。

平面變壓器寄生參數(shù)仿真測(cè)試

楊蕾表示，“實(shí)際上，差異可能出在 PCB 的壓合工藝上，當(dāng)實(shí)際操作中越接近變壓器設(shè)計(jì)的間距時(shí)，相應(yīng)的數(shù)值就越接近理想狀態(tài)?！?/p>

這種PCB級(jí)電感仿真抑制漏感的方法，本質(zhì)上是減小MMF曲線包圍的面積，通過優(yōu)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(shù)等，解決前期設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(gè)問題點(diǎn)，因?yàn)樗惶菀琢粱妥ト　?/p>

寄生電容如果偏大，一方面變壓器原邊開關(guān)管開通電流過沖較大，可能會(huì)原邊開關(guān)管炸管；另一方面，輸入電壓低到6V時(shí)，寄生電容會(huì)導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)的情況。

普晶電子在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)試和仿真之間會(huì)存在一定差異，其原因就在于沒把介電材質(zhì)考慮進(jìn)去，把介電材質(zhì)納入考慮后，仿真和實(shí)際測(cè)試的結(jié)果就比較接近了。

對(duì)此，楊蕾建議，變壓器、電感企業(yè)在設(shè)計(jì)過程中，可以通過減小繞組正對(duì)面積、繞組間使用低介電常數(shù)的材料、增加繞組間距離、合理設(shè)計(jì)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(duì)寄生電容相對(duì)更為敏感；而在低壓的情況下，則是對(duì)寄生電感相對(duì)更為敏感。

04 結(jié)語

目前有不少企業(yè)在開發(fā)變壓器或者電感產(chǎn)品時(shí)，存在參數(shù)夠用就行的心態(tài)，實(shí)際上還有很多可以優(yōu)化的空間。楊蕾認(rèn)為，如果能把寄生參數(shù)優(yōu)化好，同樣是解決變壓器、電感產(chǎn)品同質(zhì)化的辦法。普晶電子也將繼續(xù)圍繞電氣功能實(shí)現(xiàn)、損耗及溫升達(dá)標(biāo)、雜散參數(shù)分析及量化、電磁兼容等方面，為行業(yè)開發(fā)更多優(yōu)秀的平面變壓器產(chǎn)品。

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審核編輯 黃宇