隨著電力電子設(shè)備向高頻化、小型化和高功率密度方向快速發(fā)展，磁集成技術(shù)（Magnetic Integration）成為突破傳統(tǒng)磁性元件體積與效率限制的核心手段。該技術(shù)通過(guò)將電感、變壓器、濾波器等磁性元件集成到單一磁芯或復(fù)合結(jié)構(gòu)中，顯著降低系統(tǒng)損耗并提升功率密度，已廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、5G通信電源、數(shù)據(jù)中心及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

然而，磁集成技術(shù)依然擺脫不了對(duì)軟磁材料性能升級(jí)的要求。傳統(tǒng)軟磁材料（如鐵氧體、硅鋼）在高頻、高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端工況下暴露出明顯短板，倒逼材料科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界協(xié)同創(chuàng)新。

此前，磁技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)名譽(yù)主任委員、福州大學(xué)陳為教授在第11屆功率變換器與磁性元件聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)等公開(kāi)場(chǎng)合在談及當(dāng)前國(guó)內(nèi)軟磁材料現(xiàn)狀時(shí)，給出的評(píng)價(jià)是“能用”。這可以說(shuō)是對(duì)國(guó)內(nèi)軟磁材料現(xiàn)狀最貼切的評(píng)價(jià)了。

本文將系統(tǒng)性解析磁集成對(duì)軟磁材料關(guān)鍵性能的要求，并探討未來(lái)材料創(chuàng)新的潛在路徑。

敦源電子磁集成產(chǎn)品

磁集成的核心需求與軟磁材料性能的協(xié)同關(guān)系

磁集成技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟磁材料優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電磁能量的高效傳遞與損耗最小化。磁集成核心需求與軟磁材料性能的協(xié)同關(guān)系如下表所示：

磁集成核心需求與軟磁材料性能的關(guān)系，《磁性元件與電源》整理

需要強(qiáng)調(diào)的是，磁集成對(duì)軟磁材料的要求，不再是傳統(tǒng)磁性元件設(shè)計(jì)過(guò)程中一一對(duì)應(yīng)的靜態(tài)映射關(guān)系，而技術(shù)需求與材料性能之間的動(dòng)態(tài)平衡與迭代優(yōu)化。

以高頻化為例，高頻化技術(shù)要求軟磁材料必須具有低渦流損耗（否則損耗劇增）和高磁導(dǎo)率（否則能量傳遞效率低）。

磁集成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)高頻化、小型化、高可靠性等目標(biāo)，必須依賴(lài)軟磁材料的關(guān)鍵性能參數(shù)（如飽和磁通密度Bs、損耗、溫度穩(wěn)定性等），而軟磁材料性能的短板又會(huì)限制磁集成的設(shè)計(jì)邊界，形成“需求-性能”的雙向制約與適配關(guān)系。

而從系統(tǒng)層面，磁集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要電力電子、材料科學(xué)、熱管理等多領(lǐng)域的交叉協(xié)作，而非單一維度的參數(shù)匹配。

國(guó)家級(jí)電氣工程高級(jí)工程師、中國(guó)電源學(xué)會(huì)磁技術(shù)專(zhuān)委會(huì)委員、惠州市磁極新能源科技有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“磁極新能源”）研發(fā)總經(jīng)理海來(lái)布曲表示，目前工程師只能在設(shè)計(jì)目標(biāo)與軟磁材料性能參數(shù)之間，通過(guò)雙向適配與妥協(xié)達(dá)成整體最優(yōu)，從這個(gè)角度而言，未來(lái)軟磁材料的創(chuàng)新或提升空間依然很大。

高頻低損耗：軟磁材料的“生死線”

磁集成設(shè)計(jì)過(guò)程中，損耗增加是目前較為棘手的問(wèn)題。此前英搏爾CTO高軍表示，當(dāng)下比較流行的漏感集成方案中，原邊磁場(chǎng)會(huì)以非耦合方式進(jìn)入副邊進(jìn)而產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，且漏感的磁場(chǎng)會(huì)切割線包，加上電感的磁場(chǎng)疊加，導(dǎo)致高頻損耗非常大。

而在高頻磁集成場(chǎng)景（如MHz級(jí)開(kāi)關(guān)電源）中，磁芯損耗（包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗）占總系統(tǒng)損耗的30%以上，成為制約效率提升的關(guān)鍵因素。

浙江工業(yè)大學(xué)磁電功能材料研究所應(yīng)耀副教授在介紹其高頻低損耗鐵氧體軟磁材料時(shí)提到，剩余損耗的急劇增加，導(dǎo)致功率器件的過(guò)度發(fā)熱和能效的降低，剩余損耗就必須要考慮了，需要同時(shí)降低磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。

可以說(shuō)，高頻下?lián)p耗急劇增加是限制錳鋅鐵氧體軟磁材料高頻應(yīng)用的主要障礙，也限制了磁集成向更廣的領(lǐng)域普及。

若現(xiàn)有軟磁材料無(wú)法滿(mǎn)足低損耗（如鐵氧體軟磁材料在1MHz下渦流損耗過(guò)高），磁集成的高頻化設(shè)計(jì)將被迫妥協(xié)，例如降低工作頻率、增加散熱成本或采取其他折中方案。

這種現(xiàn)象在配合第三代半導(dǎo)體器件的方案中尤為明顯。

為此，院校、產(chǎn)業(yè)界也進(jìn)行了多方嘗試。

應(yīng)耀教授團(tuán)隊(duì)修正后的軟磁材料高頻損耗分離公式

比如應(yīng)耀教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在錳鋅鐵氧體軟磁材料中適量添加YIG，起始磁導(dǎo)率分別提高了28.2%和13.9%，降低了高頻損耗，在1 MHz和3 MHz的室溫?fù)p耗分別降低了56.4% and 36.6%，在25–140?C溫度范圍內(nèi)也保持低損耗，并提高了晶界電阻Rgb，極大地降低了軟磁材料的渦流損耗。

不同軟磁材料因其物理特性和微觀結(jié)構(gòu)差異，需軟磁材料企業(yè)采用針對(duì)性的方法降低損耗。

總體而言，不同軟磁材料的降損需結(jié)合材料本征特性與工藝創(chuàng)新。以下是我們梳理的不同軟磁材料領(lǐng)域權(quán)威專(zhuān)家提到的降損策略：

三類(lèi)軟磁材料降損策略對(duì)比

未來(lái)，跨材料復(fù)合與原子級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若能取得突破，則是降低高頻損耗極限的關(guān)鍵，屆時(shí)將進(jìn)一步推動(dòng)磁集成技術(shù)的普及應(yīng)用。

低磁致伸縮效應(yīng)：靜音與精密的基石

磁致伸縮效應(yīng)（軟磁材料磁化時(shí)發(fā)生形變）是高頻振動(dòng)與噪聲的主要來(lái)源，這是不同類(lèi)型軟磁材料的本征特性，對(duì)無(wú)線充電、醫(yī)療設(shè)備等場(chǎng)景尤為關(guān)鍵。

軟磁材料磁致伸縮系數(shù)（λs）對(duì)比

不同軟磁材料的磁致伸縮系數(shù)，也從根本上限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。

海來(lái)布曲告訴《磁性元件與電源》，非晶合金磁芯之所以沒(méi)有突破，原因就在于其磁致伸縮系數(shù)較大，高頻下嘯叫嚴(yán)重，包括鐵基類(lèi)的非晶材料都存在這一問(wèn)題。

除了軟磁材料本征特性外，磁集成后也會(huì)對(duì)原有噪聲源產(chǎn)生疊加效應(yīng)，使其變得更復(fù)雜。

此前《磁性元件與電源》在采訪吉利極氪的一位EMC專(zhuān)家時(shí)，其就表示：

一是元器件相互干擾現(xiàn)象更加嚴(yán)重。由于磁集成產(chǎn)后品體積縮小，各元器件之間的距離更加緊密，這也導(dǎo)致各個(gè)元器件之間形成了的噪聲干擾變得更大。而且磁集成產(chǎn)品限制了功率器件在板上的位置，導(dǎo)致功率器件的VDS，即D極和S極產(chǎn)生的快速變化電壓也成了新增干擾源。

二是從磁性元件本身雜散電容更大且更為復(fù)雜。獨(dú)立的磁性元件，其雜散電容主要由原邊和副邊的分布電容產(chǎn)生，來(lái)源單一，處理起來(lái)也比較容易。而磁集成產(chǎn)品集成了多個(gè)磁性元件，比如變壓器+電感、電感+電感等等，導(dǎo)致雜散電容更大更復(fù)雜，處理起來(lái)也更難。

磁致伸縮效應(yīng)作為軟磁材料的本征特性，直接決定了高頻場(chǎng)景下的噪聲水平，而磁集成技術(shù)的引入，更將這一矛盾推向極致——軟磁材料本身的“先天不足”與系統(tǒng)集成的“后天干擾”形成雙重夾擊。唯有將軟磁材料材料革新與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新深度綁定，方能打破“高頻必噪”的魔咒，才能進(jìn)一步拓寬磁集成技術(shù)的適用范圍。

可加工性與成本：產(chǎn)業(yè)落地的“最后一公里”

即使材料性能優(yōu)越，若無(wú)法低成本加工成復(fù)雜磁芯結(jié)構(gòu)，仍難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

磁集成元件的可加工性直接影響量產(chǎn)效率與良率，尤其在復(fù)雜磁芯結(jié)構(gòu)、高頻應(yīng)用場(chǎng)景中更為突出。

各種軟磁材料加工性能對(duì)比與挑戰(zhàn)

從制造角度看，鐵氧體軟磁材料燒結(jié)后脆性高，易出現(xiàn)崩邊問(wèn)題，尤其是平面磁芯薄片（<1mm）加工良率僅60%-70%。

惠州市安可遠(yuǎn)磁性器件有限公司(下稱(chēng)“安可遠(yuǎn)”)總經(jīng)理王理平接受《磁性元件與電源》采訪時(shí)表示，金屬磁粉芯由于沒(méi)有燒結(jié)工藝，通過(guò)強(qiáng)壓力壓制成型，需要高制密性才能做出高質(zhì)量的磁芯產(chǎn)品，對(duì)壓制設(shè)備的壓強(qiáng)要求高。據(jù)了解，目前業(yè)界出現(xiàn)成型壓強(qiáng)高達(dá)25 噸/平方厘米的磁芯產(chǎn)品。

這導(dǎo)致其制造過(guò)程面臨一系列問(wèn)題，一是設(shè)備成本高昂，二是制造效率低，三是能一體成型的體積或尺寸小，以純圓形磁芯為例，能一體成型的最大直徑尺寸在55mm左右。這一系列問(wèn)題導(dǎo)致金屬磁粉芯的制造成本更高。

而非晶納米晶軟磁材料脆性大，同樣面臨傳統(tǒng)沖壓易開(kāi)裂；納米晶需退火處理，工藝復(fù)雜度高，同樣面臨材料成本高的問(wèn)題。

廣州勝美達(dá)電機(jī)有限公司中國(guó)新事業(yè)部研發(fā)經(jīng)理胡尉燦在接受《磁性元件與電源》采訪時(shí)提到，早期POC電感用的工字型鐵氧體磁芯，通常會(huì)結(jié)合磁仿真和實(shí)際應(yīng)用，在理想型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上調(diào)大R角或增加其他改善方式。

而磁集成后，通常會(huì)面臨更復(fù)雜的磁芯結(jié)構(gòu)。

胡尉燦表示，此前參觀磁芯企業(yè)時(shí)，曾見(jiàn)過(guò)一種應(yīng)用于海外逆變器項(xiàng)目的磁芯，在類(lèi)似于EE型磁芯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了扎邊，并開(kāi)風(fēng)洞以解決散熱問(wèn)題，整體結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，磁芯企業(yè)也反饋加工難度劇增。

胡尉燦舉了另外一個(gè)案例：近期還出現(xiàn)了一種厚度不到0.1mm的超薄鐵氧體片式磁芯，其制造采用類(lèi)似于注塑的新工藝，在膠體注塑過(guò)程中帶上鐵粉固定，這種工藝比較適合于復(fù)雜磁芯的生產(chǎn)制造。

這種更復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，讓加工難度和成本都增加不少。胡尉燦告訴《磁性元件與電源》，勝美達(dá)一款應(yīng)用于車(chē)載驅(qū)動(dòng)的勵(lì)磁變壓器，僅磁芯加工成本就超過(guò)130元。

無(wú)論是哪種軟磁材料，磁集成后都面臨加工難度、加工成本上升的問(wèn)題，尤其是磁芯一體成型的難度大大增加，需要業(yè)界探索更先進(jìn)的制造工藝才能滿(mǎn)足制造需求。

否則對(duì)于電源設(shè)計(jì)工程師而言，只能在性能與現(xiàn)實(shí)工藝之間被迫妥協(xié)，如履薄冰地尋求平衡點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)：材料-器件-系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化

磁集成技術(shù)對(duì)軟磁材料的要求已從單一性能指標(biāo)轉(zhuǎn)向“高頻-高Bs-高溫-易加工”的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。未來(lái)，軟磁材料廠商需與電源端深度合作，通過(guò)跨尺度設(shè)計(jì)（從原子級(jí)摻雜到宏觀電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化），推動(dòng)軟磁材料進(jìn)入“按需定制”的新紀(jì)元。唯有如此，方能滿(mǎn)足高效能量轉(zhuǎn)換的終極需求。

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審核編輯 黃宇