在電動汽車蓬勃發展的浪潮中，車載充電機（OBC）無疑是保障車輛持續前行的關鍵力量，如同電動汽車的 “動力源泉補給站”，肩負著將外部電能高效轉化并輸送給電池的重任。

而其中的磁集成技術，作為近年來磁性元器件行業聚焦的熱點，正悄然改變著充電機的性能格局。本文將深入探秘雙向 OBC 原副原結構磁性元器件磁集成技術，揭示其是如何成功實現簡潔高效的二合一集成的?

臺達電子高級工程師楊海軍

《一種雙向車載充電機新型磁性元器件研究》

01.行業趨勢驅動磁性元器件變革

從電力電子技術的宏觀視角出發，磁性元器件設計與電源設計緊密相連，是電源系統中的關鍵支撐環節。

在電源設計流程中，需綜合考量多方面關鍵要素，其中效率提升作為核心訴求，電磁兼容性能達標以保障設備于復雜電磁環境下的穩定運行不容忽視，此外，優化功率因數并確保對不同工況的適應性亦是設計要點。

如今，全社會大力推行節能減排，國家 “雙減” 政策穩步推進，電力電子產業迎來新契機，戰略地位凸顯。

磁性元器件作為基礎元器件，承載能量轉換與傳輸重任，面對設備小型化、輕量化、扁平化及高效散熱需求攀升，向更小體積、更輕重量、更優散熱性能發展是必然趨勢，這既滿足產品集成需求，也順應行業綠色、高效發展潮流。

02.底層架構：Boost SRC電路拓撲及諧振腔磁性元器件

深入到技術層面，磁性元器件設計構建在電路拓撲結構之上，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)電路拓撲以及諧振腔磁性元器件展開設計工作。

Boost SRC 電路拓撲主要由三個關鍵部分構成，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，這四個主要元器件。

該電路具備卓越的雙向電能轉換能力，無論是正向充電還是反向放電，均可實現升壓與降壓操作，這一特性源于其獨特的電路結構與工作原理。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，這種特性為后續磁性元器件的集成化設計提供了有力依據。

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，故當在本文所研究的集成磁性元器件中應用，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，為磁集成創造了有利的磁場環境，使得多個磁性元器件能夠更緊密、協同地工作，減少能量損耗在不必要的磁耦合環節。

在諧振腔磁性元器件設計策略方面，常見的有分立磁性元器件設計。分立磁性元器件設計就是將各個磁性元器件單獨制作、安裝，這種方式在早期較為常用，具有設計簡單、易于調試的優點，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，如體積較大、損耗大、效率低等。

為了優化性能、減小體積，磁性元器件磁集成技術應運而生。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劣，需依據具體應用場景與性能需求進行抉擇。

03. 創新內核：新型集成磁性元器件的工作原理

新型集成磁性元器件設計理念獨具匠心。通過巧妙地運用原邊線圈和副邊線圈，結合鐵芯構建電感量，并且創新性地采用原邊線圈與副邊線圈呈軸向布線的方式。

這種布線結構不僅能夠實現簡單的原、副結構，還可靈活拓展為原副原甚至更為復雜的繞線架構，極大地提升了設計的靈活性與適應性。

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，同時便于磁場能量的集中與傳輸。當構建原副原結構時，中間的副邊線圈可以起到緩沖、調節磁場的作用，使得電能轉換過程更加平穩、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化生產創造了有利條件，顯著提高了生產效率與產品一致性。在大規模生產中，自動化繞線可以精確控制線圈匝數、布線位置等參數，消除人為誤差，確保每個元件的性能一致性。

同時，在電感構造上，利用空氣域構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。CPS值反映了電磁元件的綜合性能，降低CPS值意味著原、副邊的高頻串擾降低，抗電磁干擾即抗EMI性能變好。

借助 E 型磁芯磁勢磁阻原理，通過設計或測量磁芯的幾何尺寸、材料特性等參數，可以建立精確的數學模型，計算出磁場強度、磁通密度以及能量分布等關鍵信息。

這些數據對于優化線圈匝數、調整磁芯尺寸等設計環節至關重要，使得磁性元器件設計能夠精準地滿足性能需求。經實踐驗證，理論上漏感計算誤差可控制在 5% 以內，為磁性元器件設計與優化提供了精準的數據支持。

進一步深入分析其與 Boost SRC 電路的協同工作原理，在升壓模態下，變壓器磁通與諧振電感的磁通相位大于 90 度，經矢量疊加后的效果明顯優于矢量相減，能夠有效提升電能轉換效率;降壓狀態下同樣遵循這一規律。

此外，在不同的工作時間段，集成磁性元器件內部的磁通密度與磁通量呈現出規律性的變化。例如，在 0 到 T1 時間段，副邊處于電壓鉗位狀態，磁通呈現負向最大值;T1 到 T2 時間段，原邊能量向副邊傳遞，磁通隨之上升，這表明磁電轉換能量正在從原邊向副邊流動，電能轉換正在高效進行;T2 到 T3 時間段，原邊開關管截止，副邊相應開關管導通，磁通進入正向穩態;諧振電感的磁通變化同樣可通過推導得出。

04. OBC集成磁性元器件結構和性能優化

基于上述工作原理，對磁性元器件磁集成的結構與性能優化展開深入探索。以適配 6.6 kW車載OBC應用為例，研究團隊設計了原副原結構，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行狀態下的穩定性。

車載充電四合一系統 圖源臺達官網

在高功率運行時，磁性元器件會產生大量的熱量，如果不能及時散發出去，會導致磁芯飽和、電感值下降，甚至燒機等問題，進而影響充電機的性能。將副邊拆分為兩部分，可以增加散熱面積，優化熱傳導路徑，使熱量更快地散發到周圍環境中。

在電感感量計算環節，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等關鍵參數，通過精確建模與計算，確保感量計算的準確性。

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，避免因電流過載導致的發熱問題;繞組窗口大小決定了線圈的繞制空間，合理設計窗口大小可以優化線圈布局，提高空間利用率;繞組間距影響磁場分布與耦合，適當的間距可以優化抗電磁干擾能力;原副邊匝數則直接關系到電感感量的大小，精確控制匝數是實現預期電感性能的關鍵。

在此基礎上，進一步開展繞組損耗計算，由于采用多股利茲線，依據鄰近效應原理推導得出損耗表達式。

同時，結合磁通變化圖獲取 B 值(磁感應強度)，運用斯坦梅茨公式精準計算磁芯損耗，通過分塊計算各部位的 AE(有效截面積) 及體積，可以更細致地分析磁心不同區域的損耗情況，實現對整體損耗的精確把控，從而針對性地進行優化設計。

經優化設計流程后，針對 6.6kW 的目標應用場景，最終確定的元件匝比約為 18: 16，諧振電感感值達 26uH，體積優化縮減至 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%。原理樣機實測損耗與理論計算結果呈現高度一致性，驗證了設計方案的可行性與卓越性。

05.結語

綜合本次針對雙向車載充電機的 Boost SRC 電路諧振腔集成磁性元件研究，取得了以下兩項關鍵成果：

其一，創新性地提出軸向多槽諧振電感和變壓器的磁集成方案，并成功構建磁勢磁阻模型。這一方案打破了傳統磁性元器件設計的局限，為后續磁集成的研發開辟了新的路徑。通過軸向多槽結構，進一步優化了磁場分布，使得諧振電感與變壓器能夠更緊密地協同工作。

其二，針對 Boost SRC 諧振變換器的應用，深入剖析集成磁路的實際工況，精準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，借此實現合成磁通減小的效果，進而達成降低集成磁性元器件損耗與體積的目標。

這不僅提升了元件自身的性能，更對整個雙向車載充電機系統的高效運行與小型化發展具有深遠意義。

針對6.6kW雙向OBC的實際案例，設計并成功應用 4 槽結構的集成器件，通過樣機上機試驗測試，與傳統分立磁性元器件設計相比，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的技術升級與產業發展奠定了堅實基礎，有望在未來電動汽車領域得到廣泛應用，助力磁性元器件行業邁向更高的發展臺階。

隨著電動汽車市場的不斷擴大，對充電機性能的要求也將持續提高，相信這些技術成果將不斷演進、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