今年1月，阳光电源推出一款车载OBC采用了单级拓扑结构，其功率密度已达到6.1kW/L，全电压范围内的平均满载效率达到了96.2%。

为了实现这一性能指标，该产品融合了当前电力电子领域的前沿技术，包括单级式OBC取消电解电容、采用第三代宽禁带半导体、功率器件散热技术以及磁集成技术等。其中，磁集成技术尤为重要，为了满足功率密度要求，系统对磁元件的尺寸提出了严格限制，因此只能采用磁集成技术来实现目标。

在2025年第二十四届（华南）中国磁性元器件行业智能生产暨高性能材料应用技术峰会上，阳光电源股份有限公司磁性元件组主管蔡国庆作为演讲嘉宾，提到了该单级车载OBC拓扑，并系统阐述了高频隔离变换器中的磁集成技术，通过深入浅出地分析磁集成技术原理，分享阳光电源的磁集成设计方案。

对此，《磁性元件与电源》根据其演讲内容梳理成文，以飨同仁朋友们。

阳光电源股份有限公司的磁性元件组主管蔡国庆

一、磁集成技术概述

磁集成是指通过单个电感、变压器来实现多个电感、变压器的功能。从磁通的角度来看，磁集成可以分为两类：解耦型设计和耦合型设计。

• 解耦型设计：在这种设计中，多个电感、变压器之间除了共享公共磁柱外，不存在磁通耦合。因此，其磁路模型是独立的，设计和分析过程相对简单。
• 耦合型设计：在这种设计中，两个独立电感、变压器之间存在磁通耦合，这意味着在工作过程中，电感变压器之间会相互影响。因此，电感变压器的设计和分析过程较为复杂，但磁集成程度更高。

从所集成的电感、变压器种类来看，磁集成可以分为以下三类：

1、电感与电感集成：一种是最典型的应用是交错并联的Boost电感磁集成。

另一种是差模与共模集成。在设计大功率电感、变压器时，通常会采用并联绕组方案。然而，如果结构不对称，会导致并联绕组之间出现不均流现象。为抑制这种不均流，需要增加一个差模电感。

具体方案是在双柱式谐振电感的基础上增加一个中柱，该中柱作为差模磁通的回路。由于差模分量本身较小，因此中柱的截面积也相对较小。通过这种方式，实现了差模电感与共模电感的磁集成。

2、变压器与变压器集成：在学术界较为热门的是矩阵式变压器。例如，原边串联副边并联的拓扑结构可以通过一个四柱式平面变压器实现。这种磁集成方式适用于高匝比场景，如服务器电源。然而，在大功率场景（如充电桩）中，更多采用三相拓扑。

由于三相拓扑中三个电感变压器的磁通和为零，公共柱可以抵消，从而实现三相三柱式的变压器。

三端口磁集成隔离变压器

对于车载电源，通常至少需要两路隔离DC-DC，一路用于OBC，一路用于DC-DC。通过利用三绕组变压器实现交流耦合，可以实现三个端口之间的任意能量流动，从而大幅提高系统集成度。

3、电感与变压器集成：这种磁集成方式适用于基础拓扑，尤其是LLC和DAB拓扑。这两种拓扑可以实现软开关，效率较高，因此在中高功率场景中应用广泛。LLC拓扑虽然也有双向CLLC拓扑，但考虑到性价比，目前主要用于单向能量流动的场景，如单向OBC和充电桩。

多相磁集成变压器

DAB拓扑则主要用于能量双向流动的场景，如双向OBC和户用储能。

这两种拓扑的共同特点是具有与变压器串联的电感（图中标注为LR部分）。

一般来说，LLC拓扑的谐振电感较小，以实现更宽的范围；而DAB拓扑的电感较大，以提升控制精度。从磁集成的角度来看，DAB的大漏感更难实现。

二、磁集成设计方案——共轭磁集成

磁集成技术的历史可以追溯到近100年前。近年来，随着技术的快速发展，目前已形成了一些主流的磁集成方案。

然而，在实际实施过程中，该技术存在较高的技术门槛。如果设计合理，磁集成方案可以减少电感、变压器的数量，提升系统在全工况下的效率，降低电感、变压器的成本和体积。但如果电感变压器得设计不合理，可能会导致磁集成变压器在结构和工艺上变得非常复杂，从而增加工时成本，甚至在个别工况或全工况下效率反而下降。

最常见的问题是磁集成后变压器的局部温升问题，这是我们目前遇到最多的问题。因此，对于磁集成技术而言，电感变压器设计环节至关重要。

对此，蔡国庆分享了两种磁集成的设计方式；一是共轭磁集成，二是漏感磁集成。由于篇幅原因，漏感磁集成文章将在下期发布，本篇文章将重点介绍共轭磁集成原理及设计方案。

01共轭磁集成原理分析

理论上，任意电感变压器都可以通过公共柱实现解耦型的磁集成。然而，如果仅进行单纯的物理集成，并没有充分发挥磁集成的优势。

因为磁集成的两个电感、变压器的磁通是矢量，如果这两个电感、变压器在公共柱上是同频的，同时存在一个固定的相位差，那么就可以利用磁通的叠加原理实现部分抵消。

以下图的LLC拓扑为例，在基波分析时，可以认为副边电流（IO​）近似为一个正弦波。变压器的励磁电感受副边电压的激励，因此其励磁电流可以看作是一个滞后90度的三角波。

而原边的谐振电流等于副边电流折算到原边后，再加上励磁电流。由于励磁电流相对较小，原边电流整体仍趋向于正弦波，但因为励磁电流和副边电流存在90度的相位差，两个90度相位差的矢量叠加后，原边电流矢量与副边电流矢量之间会存在一个小于90度的相位差。

对于变压器而言，其磁通与励磁电流成正比，而谐振电感的磁通与谐振电流成正比。因此，变压器的磁通是一个三角波，而电感的磁通则是一个超前不到90度的近似正弦波。当电感变压器正向或反向叠加时，叠加后的磁通幅值小于变压器和电感磁通幅值之和。这样就可以减小共轭部分的磁通幅值，从而实现磁集成，这就是其基本原理。

02共轭磁集成设计方法与优化

了解原理后，我们在磁集成设计时会更加简便。

一是可以先设计分立的电感变压器，然后再进行共轭磁集成。由于变压器和电感仍独立，因此它们各自的降损措施仍然适用。

例如，变压器可以采用三明治结构，电感可以采用分段式气隙。但需要注意的是，在设计分离电感变压器时，为了实现共轭磁集成，变压器与电感需要采用相同规格的磁芯。

然而，通常情况下，变压器的磁芯相对较大，导致变压器的窗口面积和高度也较大，而电感的窗口高度通常较小。因此，在电感降损时采用分段式气隙的工艺会相对复杂。

二是公共磁轭部分，变压器磁通与电感磁通可同向（DAB）或反向（LLC）叠加。

对于DAB型拓扑，分析可知电感磁通与变压器磁通的夹角略大于90度，因此通常推荐采用同向设置方案。

而对于LLC型拓扑，其电感磁通与变压器磁通的夹角小于90度，此时推荐采用反向设置方案。具体设置可以通过调整变压器和电感的绕向来实现。

下图展示的是LLC拓扑的磁通叠加与抵消波形，可以看到反向设置时磁通幅值更低。

三是磁芯一般采用标准磁芯，公共磁轭磁通叠加，磁通密度更高。

在实际制作中，由于电感与变压器是串联的，理论上电感可以与同侧的变压器绕组采用一根线绕制。这样可以减少焊点，降低生产成本，并且目前该工艺已经可以实现自动化生产。

在磁集成设计中，由于公共磁柱上的磁通是叠加的，虽然其幅值小于两个磁通幅值之和，但仍大于任意一个磁通的幅值。在实际设计中，我们不会主动增加公共磁柱的面积，因此公共磁柱的磁通密度通常会更大。

四是避免公共磁轭饱和与磁损过高。

在进行温升分析时，如果公共轭与上下轭截面相同，公共磁柱的温升往往会略高。为了避免公共磁轭饱和以及磁损过高的问题，需要特别关注公共磁柱上的磁通。公共磁柱的磁通是变压器磁通与电感磁通的叠加。

以LLC拓扑为例，电感的磁通与谐振电流成正比，而谐振电流与输出电压呈负相关关系，即输出电压越高，谐振电流越小。对于变压器而言，其磁通与副边电压成正比，因此输出电压越高，变压器的磁通越高。

这导致了两个极端情况：当输出电压最低且满载时，电感的磁通占主导；而当输入电压最高且满载时，变压器的磁通占主导。这意味着在不同工况下，叠加后的磁通峰值可能会出现在任意工况，且与变压器和电感的匝数比有关。

五是结合电路仿真工具，设计变压器与电感匝数。

在设计电感变压器过程中，当磁芯选定后，主要任务是设计变压器和电感的匝数。为了避免繁琐的公式推导，推荐采用电路仿真方法。通过电路仿真，可以轻松获取励磁电流和谐振电流。根据励磁电流、励磁电感、谐振电流和谐振电感，可以计算变压器和电感的磁链，进而得到磁通（磁链除以匝数）。

以变压器和电感的匝数为变量，可以分析任意工况下叠加磁通的幅值变化。对于非公共轭部分，由于其幅值通常较小，无需特别关注。通过电路仿真，可以确保在任何工况下，磁通密度值小于设定值。

公共轭不仅用于磁集成，还可以作为共边柱。具体方案包括单边共边柱和双边共边柱两种。此外，除了正向叠加和反向叠加外，还可以采用正交叠加的方式。例如，将一个磁通沿垂直方向，另一个磁通沿水平方向进行90度矢量正交，从而降低磁通幅值。

从电路拓扑的角度出发，为了改善LLC拓扑的共模回路，有时会主动将电感拆分为两个，分别集成在变压器的上下轭两边。同样，CLLLC拓扑中原边和副边的谐振电感也可以分别集成到变压器的两边，从而优化整体设计。

通过上述设计策略和优化方案，可以在电感变压器的磁集成设计中有效降低磁通密度，提高系统效率，并解决局部温升问题。