在電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展的浪潮中，車載充電機(jī)（OBC）無疑是保障車輛持續(xù)前行的關(guān)鍵力量，如同電動(dòng)汽車的 “動(dòng)力源泉補(bǔ)給站”，肩負(fù)著將外部電能高效轉(zhuǎn)化并輸送給電池的重任。

而其中的磁集成技術(shù)，作為近年來磁性元器件行業(yè)聚焦的熱點(diǎn)，正悄然改變著充電機(jī)的性能格局。本文將深入探秘雙向 OBC 原副原結(jié)構(gòu)磁性元器件磁集成技術(shù)，揭示其是如何成功實(shí)現(xiàn)簡潔高效的二合一集成的?

臺達(dá)電子高級工程師楊海軍

《一種雙向車載充電機(jī)新型磁性元器件研究》

01.行業(yè)趨勢驅(qū)動(dòng)磁性元器件變革

從電力電子技術(shù)的宏觀視角出發(fā)，磁性元器件設(shè)計(jì)與電源設(shè)計(jì)緊密相連，是電源系統(tǒng)中的關(guān)鍵支撐環(huán)節(jié)。

在電源設(shè)計(jì)流程中，需綜合考量多方面關(guān)鍵要素，其中效率提升作為核心訴求，電磁兼容性能達(dá)標(biāo)以保障設(shè)備于復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行不容忽視，此外，優(yōu)化功率因數(shù)并確保對不同工況的適應(yīng)性亦是設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

如今，全社會大力推行節(jié)能減排，國家 “雙減” 政策穩(wěn)步推進(jìn)，電力電子產(chǎn)業(yè)迎來新契機(jī)，戰(zhàn)略地位凸顯。

磁性元器件作為基礎(chǔ)元器件，承載能量轉(zhuǎn)換與傳輸重任，面對設(shè)備小型化、輕量化、扁平化及高效散熱需求攀升，向更小體積、更輕重量、更優(yōu)散熱性能發(fā)展是必然趨勢，這既滿足產(chǎn)品集成需求，也順應(yīng)行業(yè)綠色、高效發(fā)展潮流。

02.底層架構(gòu)：Boost SRC電路拓?fù)浼爸C振腔磁性元器件

深入到技術(shù)層面，磁性元器件設(shè)計(jì)構(gòu)建在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之上，二者相輔相成。本次研究聚焦于基于 Boost SRC(Boost Series Resonant Converter, Boost SRC for short)電路拓?fù)湟约爸C振腔磁性元器件展開設(shè)計(jì)工作。

Boost SRC 電路拓?fù)渲饕扇齻€(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，即原邊逆變(整流)電路、諧振腔電路以及副邊整流(逆變)電路。其中，諧振腔電路作為核心組件之一，包含了諧振電容1、諧振電感、變壓器和諧振電容2，這四個(gè)主要元器件。

該電路具備卓越的雙向電能轉(zhuǎn)換能力，無論是正向充電還是反向放電，均可實(shí)現(xiàn)升壓與降壓操作，這一特性源于其獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)與工作原理。以磁性元器件為例，在充電過程中，其電感磁通方向與變壓器磁通方向一致，這種特性為后續(xù)磁性元器件的集成化設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

由于Boost SRC電路的特殊工況，諧振電感的磁通與變壓器的磁通相位間于90°~180°之間，故當(dāng)在本文所研究的集成磁性元器件中應(yīng)用，漏磁通與主磁通參考同向，合成磁通值減小，意味著磁場能量的利用更加高效，為磁集成創(chuàng)造了有利的磁場環(huán)境，使得多個(gè)磁性元器件能夠更緊密、協(xié)同地工作，減少能量損耗在不必要的磁耦合環(huán)節(jié)。

在諧振腔磁性元器件設(shè)計(jì)策略方面，常見的有分立磁性元器件設(shè)計(jì)。分立磁性元器件設(shè)計(jì)就是將各個(gè)磁性元器件單獨(dú)制作、安裝，這種方式在早期較為常用，具有設(shè)計(jì)簡單、易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，但隨著對磁性元器件性能和體積的要求提升，其劣勢逐漸顯現(xiàn)，如體積較大、損耗大、效率低等。

為了優(yōu)化性能、減小體積，磁性元器件磁集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。磁集成主要涵蓋解耦集成和耦合集成兩種方式，不同的集成方式各有優(yōu)劣，需依據(jù)具體應(yīng)用場景與性能需求進(jìn)行抉擇。

03. 創(chuàng)新內(nèi)核：新型集成磁性元器件的工作原理

新型集成磁性元器件設(shè)計(jì)理念獨(dú)具匠心。通過巧妙地運(yùn)用原邊線圈和副邊線圈，結(jié)合鐵芯構(gòu)建電感量，并且創(chuàng)新性地采用原邊線圈與副邊線圈呈軸向布線的方式。

這種布線結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的原、副結(jié)構(gòu)，還可靈活拓展為原副原甚至更為復(fù)雜的繞線架構(gòu)，極大地提升了設(shè)計(jì)的靈活性與適應(yīng)性。

從電磁原理角度來看，軸向布線使得原邊與副邊線圈在空間上的分布更為合理，同時(shí)便于磁場能量的集中與傳輸。當(dāng)構(gòu)建原副原結(jié)構(gòu)時(shí)，中間的副邊線圈可以起到緩沖、調(diào)節(jié)磁場的作用，使得電能轉(zhuǎn)換過程更加平穩(wěn)、高效。

從制造工藝角度來看，原邊與副邊各自間隔布線的方式為自動(dòng)化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，顯著提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品一致性。在大規(guī)模生產(chǎn)中，自動(dòng)化繞線可以精確控制線圈匝數(shù)、布線位置等參數(shù)，消除人為誤差，確保每個(gè)元件的性能一致性。

同時(shí)，在電感構(gòu)造上，利用空氣域構(gòu)成漏感作為諧振電感，還有效降低了原、副邊間的等效電容即CPS 值，提升了元件的性能表現(xiàn)。CPS值反映了電磁元件的綜合性能，降低CPS值意味著原、副邊的高頻串?dāng)_降低，抗電磁干擾即抗EMI性能變好。

借助 E 型磁芯磁勢磁阻原理，通過設(shè)計(jì)或測量磁芯的幾何尺寸、材料特性等參數(shù)，可以建立精確的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出磁場強(qiáng)度、磁通密度以及能量分布等關(guān)鍵信息。

這些數(shù)據(jù)對于優(yōu)化線圈匝數(shù)、調(diào)整磁芯尺寸等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，使得磁性元器件設(shè)計(jì)能夠精準(zhǔn)地滿足性能需求。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，理論上漏感計(jì)算誤差可控制在 5% 以內(nèi)，為磁性元器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

進(jìn)一步深入分析其與 Boost SRC 電路的協(xié)同工作原理，在升壓模態(tài)下，變壓器磁通與諧振電感的磁通相位大于 90 度，經(jīng)矢量疊加后的效果明顯優(yōu)于矢量相減，能夠有效提升電能轉(zhuǎn)換效率;降壓狀態(tài)下同樣遵循這一規(guī)律。

此外，在不同的工作時(shí)間段，集成磁性元器件內(nèi)部的磁通密度與磁通量呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。例如，在 0 到 T1 時(shí)間段，副邊處于電壓鉗位狀態(tài)，磁通呈現(xiàn)負(fù)向最大值;T1 到 T2 時(shí)間段，原邊能量向副邊傳遞，磁通隨之上升，這表明磁電轉(zhuǎn)換能量正在從原邊向副邊流動(dòng)，電能轉(zhuǎn)換正在高效進(jìn)行;T2 到 T3 時(shí)間段，原邊開關(guān)管截止，副邊相應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通，磁通進(jìn)入正向穩(wěn)態(tài);諧振電感的磁通變化同樣可通過推導(dǎo)得出。

04. OBC集成磁性元器件結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化

基于上述工作原理，對磁性元器件磁集成的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化展開深入探索。以適配 6.6 kW車載OBC應(yīng)用為例，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了原副原結(jié)構(gòu)，并將副邊拆分為兩部分，這一舉措旨在提升散熱效率，確保元件在高功率運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

車載充電四合一系統(tǒng) 圖源臺達(dá)官網(wǎng)

在高功率運(yùn)行時(shí)，磁性元器件會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)散發(fā)出去，會導(dǎo)致磁芯飽和、電感值下降，甚至燒機(jī)等問題，進(jìn)而影響充電機(jī)的性能。將副邊拆分為兩部分，可以增加散熱面積，優(yōu)化熱傳導(dǎo)路徑，使熱量更快地散發(fā)到周圍環(huán)境中。

在電感感量計(jì)算環(huán)節(jié)，充分考慮繞組橫截面積、繞組窗口大小、繞組間距以及原副邊匝數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，通過精確建模與計(jì)算，確保感量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

繞組橫截面積影響電流承載能力，較大的橫截面積可以允許通過更大的電流，避免因電流過載導(dǎo)致的發(fā)熱問題;繞組窗口大小決定了線圈的繞制空間，合理設(shè)計(jì)窗口大小可以優(yōu)化線圈布局，提高空間利用率;繞組間距影響磁場分布與耦合，適當(dāng)?shù)拈g距可以優(yōu)化抗電磁干擾能力;原副邊匝數(shù)則直接關(guān)系到電感感量的大小，精確控制匝數(shù)是實(shí)現(xiàn)預(yù)期電感性能的關(guān)鍵。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展繞組損耗計(jì)算，由于采用多股利茲線，依據(jù)鄰近效應(yīng)原理推導(dǎo)得出損耗表達(dá)式。

同時(shí)，結(jié)合磁通變化圖獲取 B 值(磁感應(yīng)強(qiáng)度)，運(yùn)用斯坦梅茨公式精準(zhǔn)計(jì)算磁芯損耗，通過分塊計(jì)算各部位的 AE(有效截面積) 及體積，可以更細(xì)致地分析磁心不同區(qū)域的損耗情況，實(shí)現(xiàn)對整體損耗的精確把控，從而針對性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程后，針對 6.6kW 的目標(biāo)應(yīng)用場景，最終確定的元件匝比約為 18: 16，諧振電感感值達(dá) 26uH，體積優(yōu)化縮減至 94mm×57mm×68mm，相較于分離磁性元器件，體積縮減幅度逾 20%。

在典型工況下，鐵芯損耗降至 9.3 W，繞組損耗為 36.6 W，總損耗約 46 W，較分離磁性元器件降低 15%。原理樣機(jī)實(shí)測損耗與理論計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)高度一致性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性與卓越性。

05.結(jié)語

綜合本次針對雙向車載充電機(jī)的 Boost SRC 電路諧振腔集成磁性元件研究，取得了以下兩項(xiàng)關(guān)鍵成果：

其一，創(chuàng)新性地提出軸向多槽諧振電感和變壓器的磁集成方案，并成功構(gòu)建磁勢磁阻模型。這一方案打破了傳統(tǒng)磁性元器件設(shè)計(jì)的局限，為后續(xù)磁集成的研發(fā)開辟了新的路徑。通過軸向多槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化了磁場分布，使得諧振電感與變壓器能夠更緊密地協(xié)同工作。

其二，針對 Boost SRC 諧振變換器的應(yīng)用，深入剖析集成磁路的實(shí)際工況，精準(zhǔn)揭示了集成磁路諧振電感和變壓器參考磁通方向同向的特性，借此實(shí)現(xiàn)合成磁通減小的效果，進(jìn)而達(dá)成降低集成磁性元器件損耗與體積的目標(biāo)。

這不僅提升了元件自身的性能，更對整個(gè)雙向車載充電機(jī)系統(tǒng)的高效運(yùn)行與小型化發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

針對6.6kW雙向OBC的實(shí)際案例，設(shè)計(jì)并成功應(yīng)用 4 槽結(jié)構(gòu)的集成器件，通過樣機(jī)上機(jī)試驗(yàn)測試，與傳統(tǒng)分立磁性元器件設(shè)計(jì)相比，損耗降低 15%，功率密度提高 20%。

這一系列研究成果為雙向車載OBC的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有望在未來電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，助力磁性元器件行業(yè)邁向更高的發(fā)展臺階。

隨著電動(dòng)汽車市場的不斷擴(kuò)大，對充電機(jī)性能的要求也將持續(xù)提高，相信這些技術(shù)成果將不斷演進(jìn)、完善，為綠色出行的未來增添更多光彩。

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審核編輯 黃宇