漏感磁集成方案主要原理是利用变压器的漏感作为谐振电感。这是目前行业内广泛追求的主流方案，尤其是在车载充电器（OBC）领域，几乎所有产品都采用了这一方案。这是因为漏感磁集成的集成度最高，且成本最低。

一、利用变压器的漏感做谐振电感

理论上，变压器是一个多线圈耦合电感。实际的变压器模型包括一个理想变压器、与之并联的励磁电感，以及原边和副边的漏感。这种模型与CLLLC型拓扑的磁网络一致，表明变压器的漏感可以作为谐振电感使用。在LLC拓扑设计中，通常将所有漏感等效到变压器的一侧，以便简化分析。

需要提醒的是，等效后的变压器励磁电感完全受副边电压的激励，而等效前的变压器励磁电感则不受激励。因此，从分析励磁电流的角度来看，完整的等效模型更为精准。

二、降损与增加漏感存在难以调和的矛盾

既然采用漏感作为谐振电感，就需要让漏感的取值与所需的谐振电感基本一致。然而，正常变压器的漏感通常较小，无法满足要求。因此，在漏感磁集成设计中，主要任务是增加漏感。但对于高频电感变压器而言，损耗是一个不可忽视的因素。

高频电感变压器的磁场强度越高，邻近效应越强，损耗也就越高。为了降低铜损，最典型的方法是电感变压器采用交错三明治结构，通过这种方式可以降低电感变压器绕组所在空间的磁场强度，从而降低变压器铜损。

漏感是空间散磁能量的等效，从公式上看，漏感与磁场强度平方在空间上的积分成正比。因此，增加漏感的本质是增加漏磁能量。最简单的手段是变压器采用非交错的三明治绕组结构，通过增加变压器窗口内的磁场强度来增加漏感。然而，这里存在一个矛盾：降低损耗与增加漏感的措施并不兼容。

从原理上推导，理论上存在一个最优解，即在不改变变压器绕组所在位置磁场强度的情况下，仅增加非绕组所在空间的磁场强度，从而增加漏感。但在实际操作中，如果变压器已经进行了降损设计，再采用这种手段增加的漏感非常有限。因此，对于高频变压器而言，降损与增加漏感之间存在一个难以调和的矛盾。

三、变压器设计方法及磁集成设计的精细化需求

变压器结构降损与增加漏感之间的矛盾显著，因此变压器设计变得尤为重要。

在变压器设计方面，传统电感变压器的设计通常基于AP法（面积乘积法）。计算漏感的两种方式如下：

1. 空间能量积分法：通过计算空间中散磁能量的积分，然后将其等效为漏感。

2. 磁组模型推导法：通过磁组模型推导磁通，从而间接计算漏感。

在损耗计算方面，磁芯损耗通常采用斯坦利茨公式（Steinmetz公式），当然也有一些广义的或改进型的斯坦利茨公式可供选择。绕组损耗则一般采用T模型等方法，这些方法可以直接给出变压器损耗计算公式。

四、基于仿真分析的增加漏感措施介绍

对于磁集成设计，传统高频变压器的设计原理在理论上仍然适用。在变压器初步设计阶段，传统变压器方法仍然可以发挥作用。然而，如果需要进行精细化设计，就必须借助数字化建模和仿真工具，尤其是电磁仿真工具。电磁仿真工具能够实现提取寄生参数、可视化分析磁场分布，以及预估铜损和磁损。

因此，电磁仿真工具对于变压器磁集成设计来说至关重要。从目前的变压器设计实践来看，尤其是在提取漏感方面，电磁仿真的精度是令人满意的。

措施一：增加漏磁路的面积

下图展示的是一个变压器的窗口剖面图。

根据安培环路定理，可以分析其磁场分布。对于这种变压器结构，绕组是分层连续式绕制的，通常被称为筒式结构。筒式结构的磁场方向是垂直的，在矢量空间中表现为垂直方向。

沿着变压器窗口的水平方向，磁场强度的幅值与原边和副边绕组的排布有关。如果采用非三明治式的绕制方式，当电流均匀分布时，遇到原边绕组时磁场强度会增强，遇到间隙时磁场强度保持不变，而遇到副边绕组时磁场强度会抵消。这主要是由于安培环路定理中的磁通量概念。

基于这种思路，如果在非交错的绕组结构中拉开原边和副边绕组的间距，可以看到间距处的磁场强度等于峰值磁场强度，并且基本保持不变。这样可以达到增大漏感的目的。

拉开间距时，绕组所在位置的磁场强度实际上是不变的。此外，间距还可以用作散热风道或绝缘尺寸。

从这一点来看，似乎这个方案非常理想：只要通过无限拉开原边和副边绕组的间距，就可以实现任意大小的漏感。

但实际上，这个方案是存在一定限制的。拉开间距后，漏感的增幅是非常有限的。

例如，在一个实际的变压器仿真中，当其他尺寸保持不变，仅将原边和副边绕组的间距拉开6毫米时，漏感仅增加到4.8μH。实际上，4.8μH仍然较小，而许多拓扑结构所需的漏感值通常比这更大。因此，这种方案通常只适用于需要较小漏感的场景。

实际采用饼式结构，但会导致铜损增加

除了上述的筒式结构外，还有一种对应的分段式饼式结构，如下图所示。

变压器饼式结构

其磁场强度沿着窗口宽度方向分布。理论上，磁芯窗口的高宽比通常大于1，即高度尺寸更大。因此，筒式结构的磁场强度通常低于饼式结构。由于饼式结构的磁场强度更强，其漏感通常更大。同时，由于变压器磁场强度峰值更大，饼式结构更适合通过拉开间距来增加漏感。

饼式结构通过拉开变压器原边和副边绕组的间距来增加漏感，具有显著的优势。在拉开间距的过程中，变压器铜绕组的尺寸保持不变，仅需增加磁芯的尺寸。这不仅能够有效增加漏感，还能降低变压器成本，因此目前主流的变压器方案仍然倾向于采用这种饼式拉开间距的方式。

然而，需要注意的是，饼式结构在未拉开间距时，其磁场强度本身就比筒式结构更高。如前所述，磁场强度越高，铜损也会越高。因此，常规的饼式结构为了降低铜损，通常会采用多次三明治结构。

但在为了增加漏感而拉开间距时，不能采用这种三明治结构，这将导致最终的饼式结构铜损显著高于非集成变压器的铜损。因此，虽然拉开间距能够增加漏感，但这一措施是以牺牲铜损为代价的，并非完全无成本的优化。

以一个OBC项目为例，通过拉开8毫米的间距，漏感仅增加到10μH。在实际测试中，尤其是在间隙附近的绕组，温升非常高，难以满足要求。

措施二：设置高导磁材料

第二种措施是设置高导磁材料，本质上是增加漏磁的磁路。下图展示了一个变压器筒式结构的示意图。

变压器筒式结构

通过增加磁芯，变压器原边和副边之间的漏磁路径会发生变化，漏磁不再完全耦合到副边，从而增加漏感。常见的几种变压器形式包括：

1. 一体式灌装磁芯：一些厂商采用这种形式，磁芯通常是一对。

2. 增加磁柱：在原边和副边绕组之间增加一个磁柱，磁芯也是一对，生产相对简单。这种结构理论上也可以视为共边柱，用于绕组抵消分析。

3. 增加磁环：即在饼式结构的原边和副边之间增加一个磁环。这种方案的优点是工艺简单，原边和副边绕组可以独立绕制，然后组装即可。如果使用骨架，原边和副边绕组可以自动化绕制在骨架上，再将磁环套在骨架中间。

无论是变压器筒式结构还是变压器饼式结构，在增加变压器磁环后，漏感都有显著提升。这种方案能够在较小的体积内实现较大的漏感。然而，需要注意以下几点：

• 筒式结构：如果窗口宽度较窄，增加磁环可能会改变磁位差，导致磁场方向从垂直变为水平。这将导致磁场强度增大，最终使变压器发热。实际测试中也发现了这一现象。

• 饼式结构：对于窗口宽度较窄的饼式结构，增加磁环后，仅靠近磁环部分的磁场强度发生变化，其他位置的磁场强度影响较小。因此，增加磁环后饼式结构的铜损差异不大，但需要注意的是，饼式结构本身的损耗就高于非集成变压器，因此不能认为增加磁环后热问题就一定不存在。

磁集成设计中的实践经验总结

我们在多个项目中积累了关于增加漏感方案的实践经验，总结了以下几点关键经验：

1. 谨慎使用扁铜线

在设计中，尤其是当增加磁环可能影响磁场分布时，需要谨慎使用扁铜线。以变压器筒式结构为例，磁场方向的改变可能导致磁场垂直于扁铜线，从而增加扁铜线的损耗。我们曾参与的一个项目中，原边采用扁铜线，副边采用三层绝缘线，实测效率较低。

我们主要的优化手段一方面是用利兹线代替扁铜线，另一方面是调整窗口高宽比，保证漏感不变，实际测下来就是整个系统的效率提升了有1%，这个效果其实非常可观。

2. 避免磁环饱和

设计时需注意避免磁环饱和的风险。通过调节漏感，主要涉及磁环与磁芯中柱、边柱的距离，以及磁环的截面积。当间距较小且截面积较小时，磁环容易饱和。因此，我们建议在变压器设计阶段采用仿真工具，通过仿真直观设计磁环尺寸，并在变压器打样后通过测量偏置电流下的漏感进行验证。例如，某项目中在20A左右时磁环已开始出现饱和现象。

3. 合理设置磁芯的高宽比

根据安培环路定理，为了降低铜损，可以通过调整磁芯的高宽比来优化设计。对于变压器饼式结构，由于磁场方向沿水平方向，增加磁芯窗口的宽度可以降低铜损。然而，变压器磁芯窗口宽度不能过大，否则会改变磁场方向，反而增加损耗。因此，理论上存在一个最优的窗口宽高比。例如，优化前某变压器的窗口高宽比较大，优化后将磁芯与磁环围成的窗口宽高比调整到接近1，磁损基本不变，而铜损降低了14%。

措施三：双柱非对称绕制

主要原理：增加变压器绕组窗口磁场，增加磁元件外围磁场。

常规变压器双柱绕制方案中，每个绕线柱上都有原边和副边绕组，窗口内的磁场强度较低，且由于安匝平衡，绕组外侧的磁场强度也很低，导致漏感较小。而如果把原边和副边分别绕在不同柱上，如图所示：

可以看到，首先变压器窗口里面取消了三明治结构，窗口内的磁场强度会增加，且绕组外侧的磁场强度不再接近于零，从而增加漏感。仿真结果显示，这种变压器结构可以实现13.6微亨的漏感。

然而，这种变压器设计的散磁较大，容易产生干扰，尤其是在周围有金属结构件时，可能会引发涡流发热。在实际实验中，我们发现这种变压器可能会被烤出灼烧痕迹。因此，如果将这种方案应用于紧凑型场合，需要考虑更换结构件材料或对变压器进行屏蔽，同时注意屏蔽自身可能产生的发热问题。

采用平面变压器，调节原副边绕组分布

在学术研究中，平面变压器因其绕组排布灵活，可以通过调节原边和副边绕组在不同绕线柱上的分配来调节漏感。

理论上，左右柱越不平衡，漏感越大，其极限情况是变压器左右柱分柱绕制。然而，目前产业界采用平面变压器集成漏感的案例较少，相关技术仍在持续观望中，尚未进行打样测试。

总结与展望

磁集成技术是高频隔离变换器降低体积、重量和成本、提高效率的重要手段，尤其在频率不断提高的背景下，其重要性日益凸显。

目前，主流趋势是利用漏感实现更高集成度的磁集成，但这也带来了漏感与损耗平衡的难题。由于漏感是电气参数的强制需求，常导致磁集成变压器温升超标，成为当前变压器面临的主要问题。更高的集成度也意味着更高的设计复杂度，因此推荐使用数字化仿真工具，结合参数化建模和智能优化算法来应对。

未来，随着材料、工艺、散热技术的进步，磁集成的潜力将进一步释放，如平面利兹线、3D打印磁芯等新技术的应用，也将推动磁集成技术的发展，我们期待更多变压器创新结构与技术的出现。