漏感磁集成方案主要原理是利用變壓器的漏感作為諧振電感。這是目前行業(yè)內(nèi)廣泛追求的主流方案，尤其是在車載充電器（OBC）領(lǐng)域，幾乎所有產(chǎn)品都采用了這一方案。這是因?yàn)槁└写偶傻募啥茸罡?，且成本最低?/p>

一、利用變壓器的漏感做諧振電感

理論上，變壓器是一個(gè)多線圈耦合電感。實(shí)際的變壓器模型包括一個(gè)理想變壓器、與之并聯(lián)的勵(lì)磁電感，以及原邊和副邊的漏感。這種模型與CLLLC型拓?fù)涞拇啪W(wǎng)絡(luò)一致，表明變壓器的漏感可以作為諧振電感使用。在LLC拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，通常將所有漏感等效到變壓器的一側(cè)，以便簡(jiǎn)化分析。

需要提醒的是，等效后的變壓器勵(lì)磁電感完全受副邊電壓的激勵(lì)，而等效前的變壓器勵(lì)磁電感則不受激勵(lì)。因此，從分析勵(lì)磁電流的角度來看，完整的等效模型更為精準(zhǔn)。

二、降損與增加漏感存在難以調(diào)和的矛盾

既然采用漏感作為諧振電感，就需要讓漏感的取值與所需的諧振電感基本一致。然而，正常變壓器的漏感通常較小，無法滿足要求。因此，在漏感磁集成設(shè)計(jì)中，主要任務(wù)是增加漏感。但對(duì)于高頻電感變壓器而言，損耗是一個(gè)不可忽視的因素。

高頻電感變壓器的磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，鄰近效應(yīng)越強(qiáng)，損耗也就越高。為了降低銅損，最典型的方法是電感變壓器采用交錯(cuò)三明治結(jié)構(gòu)，通過這種方式可以降低電感變壓器繞組所在空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低變壓器銅損。

漏感是空間散磁能量的等效，從公式上看，漏感與磁場(chǎng)強(qiáng)度平方在空間上的積分成正比。因此，增加漏感的本質(zhì)是增加漏磁能量。最簡(jiǎn)單的手段是變壓器采用非交錯(cuò)的三明治繞組結(jié)構(gòu)，通過增加變壓器窗口內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度來增加漏感。然而，這里存在一個(gè)矛盾：降低損耗與增加漏感的措施并不兼容。

從原理上推導(dǎo)，理論上存在一個(gè)最優(yōu)解，即在不改變變壓器繞組所在位置磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，僅增加非繞組所在空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而增加漏感。但在實(shí)際操作中，如果變壓器已經(jīng)進(jìn)行了降損設(shè)計(jì)，再采用這種手段增加的漏感非常有限。因此，對(duì)于高頻變壓器而言，降損與增加漏感之間存在一個(gè)難以調(diào)和的矛盾。

三、變壓器設(shè)計(jì)方法及磁集成設(shè)計(jì)的精細(xì)化需求

變壓器結(jié)構(gòu)降損與增加漏感之間的矛盾顯著，因此變壓器設(shè)計(jì)變得尤為重要。

在變壓器設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)電感變壓器的設(shè)計(jì)通常基于AP法（面積乘積法）。計(jì)算漏感的兩種方式如下：

1. 空間能量積分法：通過計(jì)算空間中散磁能量的積分，然后將其等效為漏感。

2. 磁組模型推導(dǎo)法：通過磁組模型推導(dǎo)磁通，從而間接計(jì)算漏感。

在損耗計(jì)算方面，磁芯損耗通常采用斯坦利茨公式（Steinmetz公式），當(dāng)然也有一些廣義的或改進(jìn)型的斯坦利茨公式可供選擇。繞組損耗則一般采用T模型等方法，這些方法可以直接給出變壓器損耗計(jì)算公式。

四、基于仿真分析的增加漏感措施介紹

對(duì)于磁集成設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)高頻變壓器的設(shè)計(jì)原理在理論上仍然適用。在變壓器初步設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)變壓器方法仍然可以發(fā)揮作用。然而，如果需要進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，就必須借助數(shù)字化建模和仿真工具，尤其是電磁仿真工具。電磁仿真工具能夠?qū)崿F(xiàn)提取寄生參數(shù)、可視化分析磁場(chǎng)分布，以及預(yù)估銅損和磁損。

因此，電磁仿真工具對(duì)于變壓器磁集成設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。從目前的變壓器設(shè)計(jì)實(shí)踐來看，尤其是在提取漏感方面，電磁仿真的精度是令人滿意的。

措施一：增加漏磁路的面積

下圖展示的是一個(gè)變壓器的窗口剖面圖。

根據(jù)安培環(huán)路定理，可以分析其磁場(chǎng)分布。對(duì)于這種變壓器結(jié)構(gòu)，繞組是分層連續(xù)式繞制的，通常被稱為筒式結(jié)構(gòu)。筒式結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)方向是垂直的，在矢量空間中表現(xiàn)為垂直方向。

沿著變壓器窗口的水平方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度的幅值與原邊和副邊繞組的排布有關(guān)。如果采用非三明治式的繞制方式，當(dāng)電流均勻分布時(shí)，遇到原邊繞組時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，遇到間隙時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度保持不變，而遇到副邊繞組時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)抵消。這主要是由于安培環(huán)路定理中的磁通量概念。

基于這種思路，如果在非交錯(cuò)的繞組結(jié)構(gòu)中拉開原邊和副邊繞組的間距，可以看到間距處的磁場(chǎng)強(qiáng)度等于峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且基本保持不變。這樣可以達(dá)到增大漏感的目的。

拉開間距時(shí)，繞組所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際上是不變的。此外，間距還可以用作散熱風(fēng)道或絕緣尺寸。

從這一點(diǎn)來看，似乎這個(gè)方案非常理想：只要通過無限拉開原邊和副邊繞組的間距，就可以實(shí)現(xiàn)任意大小的漏感。

但實(shí)際上，這個(gè)方案是存在一定限制的。拉開間距后，漏感的增幅是非常有限的。

例如，在一個(gè)實(shí)際的變壓器仿真中，當(dāng)其他尺寸保持不變，僅將原邊和副邊繞組的間距拉開6毫米時(shí)，漏感僅增加到4.8μH。實(shí)際上，4.8μH仍然較小，而許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的漏感值通常比這更大。因此，這種方案通常只適用于需要較小漏感的場(chǎng)景。

實(shí)際采用餅式結(jié)構(gòu)，但會(huì)導(dǎo)致銅損增加

除了上述的筒式結(jié)構(gòu)外，還有一種對(duì)應(yīng)的分段式餅式結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

變壓器餅式結(jié)構(gòu)

其磁場(chǎng)強(qiáng)度沿著窗口寬度方向分布。理論上，磁芯窗口的高寬比通常大于1，即高度尺寸更大。因此，筒式結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度通常低于餅式結(jié)構(gòu)。由于餅式結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，其漏感通常更大。同時(shí)，由于變壓器磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值更大，餅式結(jié)構(gòu)更適合通過拉開間距來增加漏感。

餅式結(jié)構(gòu)通過拉開變壓器原邊和副邊繞組的間距來增加漏感，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在拉開間距的過程中，變壓器銅繞組的尺寸保持不變，僅需增加磁芯的尺寸。這不僅能夠有效增加漏感，還能降低變壓器成本，因此目前主流的變壓器方案仍然傾向于采用這種餅式拉開間距的方式。

然而，需要注意的是，餅式結(jié)構(gòu)在未拉開間距時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度本身就比筒式結(jié)構(gòu)更高。如前所述，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，銅損也會(huì)越高。因此，常規(guī)的餅式結(jié)構(gòu)為了降低銅損，通常會(huì)采用多次三明治結(jié)構(gòu)。

但在為了增加漏感而拉開間距時(shí)，不能采用這種三明治結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致最終的餅式結(jié)構(gòu)銅損顯著高于非集成變壓器的銅損。因此，雖然拉開間距能夠增加漏感，但這一措施是以犧牲銅損為代價(jià)的，并非完全無成本的優(yōu)化。

以一個(gè)OBC項(xiàng)目為例，通過拉開8毫米的間距，漏感僅增加到10μH。在實(shí)際測(cè)試中，尤其是在間隙附近的繞組，溫升非常高，難以滿足要求。

措施二：設(shè)置高導(dǎo)磁材料

第二種措施是設(shè)置高導(dǎo)磁材料，本質(zhì)上是增加漏磁的磁路。下圖展示了一個(gè)變壓器筒式結(jié)構(gòu)的示意圖。

變壓器筒式結(jié)構(gòu)

通過增加磁芯，變壓器原邊和副邊之間的漏磁路徑會(huì)發(fā)生變化，漏磁不再完全耦合到副邊，從而增加漏感。常見的幾種變壓器形式包括：

一體式灌裝磁芯：一些廠商采用這種形式，磁芯通常是一對(duì)。

增加磁柱：在原邊和副邊繞組之間增加一個(gè)磁柱，磁芯也是一對(duì)，生產(chǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單。這種結(jié)構(gòu)理論上也可以視為共邊柱，用于繞組抵消分析。

增加磁環(huán)：即在餅式結(jié)構(gòu)的原邊和副邊之間增加一個(gè)磁環(huán)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，原邊和副邊繞組可以獨(dú)立繞制，然后組裝即可。如果使用骨架，原邊和副邊繞組可以自動(dòng)化繞制在骨架上，再將磁環(huán)套在骨架中間。

無論是變壓器筒式結(jié)構(gòu)還是變壓器餅式結(jié)構(gòu)，在增加變壓器磁環(huán)后，漏感都有顯著提升。這種方案能夠在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的漏感。然而，需要注意以下幾點(diǎn)：

筒式結(jié)構(gòu)：如果窗口寬度較窄，增加磁環(huán)可能會(huì)改變磁位差，導(dǎo)致磁場(chǎng)方向從垂直變?yōu)樗?。這將導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，最終使變壓器發(fā)熱。實(shí)際測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

餅式結(jié)構(gòu)：對(duì)于窗口寬度較窄的餅式結(jié)構(gòu)，增加磁環(huán)后，僅靠近磁環(huán)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，其他位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度影響較小。因此，增加磁環(huán)后餅式結(jié)構(gòu)的銅損差異不大，但需要注意的是，餅式結(jié)構(gòu)本身的損耗就高于非集成變壓器，因此不能認(rèn)為增加磁環(huán)后熱問題就一定不存在。

磁集成設(shè)計(jì)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

我們?cè)诙鄠€(gè)項(xiàng)目中積累了關(guān)于增加漏感方案的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下幾點(diǎn)關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)：

1. 謹(jǐn)慎使用扁銅線

在設(shè)計(jì)中，尤其是當(dāng)增加磁環(huán)可能影響磁場(chǎng)分布時(shí)，需要謹(jǐn)慎使用扁銅線。以變壓器筒式結(jié)構(gòu)為例，磁場(chǎng)方向的改變可能導(dǎo)致磁場(chǎng)垂直于扁銅線，從而增加扁銅線的損耗。我們?cè)鴧⑴c的一個(gè)項(xiàng)目中，原邊采用扁銅線，副邊采用三層絕緣線，實(shí)測(cè)效率較低。

我們主要的優(yōu)化手段一方面是用利茲線代替扁銅線，另一方面是調(diào)整窗口高寬比，保證漏感不變，實(shí)際測(cè)下來就是整個(gè)系統(tǒng)的效率提升了有1%，這個(gè)效果其實(shí)非?？捎^。

2. 避免磁環(huán)飽和

設(shè)計(jì)時(shí)需注意避免磁環(huán)飽和的風(fēng)險(xiǎn)。通過調(diào)節(jié)漏感，主要涉及磁環(huán)與磁芯中柱、邊柱的距離，以及磁環(huán)的截面積。當(dāng)間距較小且截面積較小時(shí)，磁環(huán)容易飽和。因此，我們建議在變壓器設(shè)計(jì)階段采用仿真工具，通過仿真直觀設(shè)計(jì)磁環(huán)尺寸，并在變壓器打樣后通過測(cè)量偏置電流下的漏感進(jìn)行驗(yàn)證。例如，某項(xiàng)目中在20A左右時(shí)磁環(huán)已開始出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

3. 合理設(shè)置磁芯的高寬比

根據(jù)安培環(huán)路定理，為了降低銅損，可以通過調(diào)整磁芯的高寬比來優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于變壓器餅式結(jié)構(gòu)，由于磁場(chǎng)方向沿水平方向，增加磁芯窗口的寬度可以降低銅損。然而，變壓器磁芯窗口寬度不能過大，否則會(huì)改變磁場(chǎng)方向，反而增加損耗。因此，理論上存在一個(gè)最優(yōu)的窗口寬高比。例如，優(yōu)化前某變壓器的窗口高寬比較大，優(yōu)化后將磁芯與磁環(huán)圍成的窗口寬高比調(diào)整到接近1，磁損基本不變，而銅損降低了14%。

措施三：雙柱非對(duì)稱繞制

主要原理：增加變壓器繞組窗口磁場(chǎng)，增加磁元件外圍磁場(chǎng)。

常規(guī)變壓器雙柱繞制方案中，每個(gè)繞線柱上都有原邊和副邊繞組，窗口內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，且由于安匝平衡，繞組外側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也很低，導(dǎo)致漏感較小。而如果把原邊和副邊分別繞在不同柱上，如圖所示：

可以看到，首先變壓器窗口里面取消了三明治結(jié)構(gòu)，窗口內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增加，且繞組外側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度不再接近于零，從而增加漏感。仿真結(jié)果顯示，這種變壓器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)13.6微亨的漏感。

然而，這種變壓器設(shè)計(jì)的散磁較大，容易產(chǎn)生干擾，尤其是在周圍有金屬結(jié)構(gòu)件時(shí)，可能會(huì)引發(fā)渦流發(fā)熱。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)這種變壓器可能會(huì)被烤出灼燒痕跡。因此，如果將這種方案應(yīng)用于緊湊型場(chǎng)合，需要考慮更換結(jié)構(gòu)件材料或?qū)ψ儔浩鬟M(jìn)行屏蔽，同時(shí)注意屏蔽自身可能產(chǎn)生的發(fā)熱問題。

采用平面變壓器，調(diào)節(jié)原副邊繞組分布

在學(xué)術(shù)研究中，平面變壓器因其繞組排布靈活，可以通過調(diào)節(jié)原邊和副邊繞組在不同繞線柱上的分配來調(diào)節(jié)漏感。

理論上，左右柱越不平衡，漏感越大，其極限情況是變壓器左右柱分柱繞制。然而，目前產(chǎn)業(yè)界采用平面變壓器集成漏感的案例較少，相關(guān)技術(shù)仍在持續(xù)觀望中，尚未進(jìn)行打樣測(cè)試。

總結(jié)與展望

磁集成技術(shù)是高頻隔離變換器降低體積、重量和成本、提高效率的重要手段，尤其在頻率不斷提高的背景下，其重要性日益凸顯。

目前，主流趨勢(shì)是利用漏感實(shí)現(xiàn)更高集成度的磁集成，但這也帶來了漏感與損耗平衡的難題。由于漏感是電氣參數(shù)的強(qiáng)制需求，常導(dǎo)致磁集成變壓器溫升超標(biāo)，成為當(dāng)前變壓器面臨的主要問題。更高的集成度也意味著更高的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，因此推薦使用數(shù)字化仿真工具，結(jié)合參數(shù)化建模和智能優(yōu)化算法來應(yīng)對(duì)。

未來，隨著材料、工藝、散熱技術(shù)的進(jìn)步，磁集成的潛力將進(jìn)一步釋放，如平面利茲線、3D打印磁芯等新技術(shù)的應(yīng)用，也將推動(dòng)磁集成技術(shù)的發(fā)展，我們期待更多變壓器創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與技術(shù)的出現(xiàn)。

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審核編輯 黃宇