磁集成趋势，平面变压器寄生参数如何解决？-电子发烧友网

系统功能集成方向对磁集成将产生哪些影响？目前各个终端市场的集成方向有发展趋势？对磁集成又会产生哪些挑战？

在当今科技发展的浪潮中，磁集成已成为产业链热议的关键话题。其能否成功落地，不仅仅取决于成本、效率、可靠性和体积等常规因素，更与终端应用及系统功能集成方向紧密相关。深入了解终端市场系统的集成走向，无疑是开发磁集成产品的基石。

本文依据杭州普晶电子科技有限公司（下称“普晶电子”）产品总监杨蕾的《磁性器件应用趋势 & 平面磁寄生参数》主题演讲，详细梳理各终端市场的集成趋势，剖析磁集成给变压器、电感带来的挑战，并分享普晶电子的磁集成创新解决方案。

01 终端市场呈现多维度集成趋势

趋势一：传统UPS供电策略正被逐步替换

传统的数据中心一般采用UPS供电策略，而现在随着AI对算力需求的提升，新型数据中心开始逐步采用新的供电策略。

一是储能电站供电方案。随着储能市场的快速发展，数据中心正成为储能重要的应用市场，部分数据中心已经开始采用400VDC储能电站供电方案，借助 PCS 的冗余设计，达成了安全性与可靠性的设计要求。

400VDC 储能电站PCS冗余容量的DC数据中心供电方案

二是HVDC供电方案。除了储能电站的供电方案，数据中心还在UPS供电方案基础上衍生出一种新的 HVDC 设计，省去了一部分交流变压器和两级变换器，即 UPS 的逆变部分和服务器电源的整流部分（下图蓝色部分）。据了解，这种供电方案市场份额已经从2019年的9%增长到2021年的16%。

HVDC供电方案

此外，超过2000W的服务器电源，目前都在采用无桥设计（AC/PFC），市场份额也从2019年的11%增长至2021年的24%，实现了翻倍的增长。

趋势二：光伏逆变器直流堆叠新思路

这是国外诞生的一种通过直流堆叠达到逆变的光伏逆变器设计思路。这种设计思路是通过将多个电芯的电压组合成正弦波来实现输出交流电压，逆变器部分省去了一部分 PCS 功能，这种变化对变压器、电感的影响可能会比较大。

直流堆叠来实现逆变的设计思路

趋势三：车载变压器、电感的两种集成方向

车载变压器、电感产品目前主要有两种集成方向。

一种是以华为和比亚迪为代表，主要是朝着电机进行集成，像六合一、七合一、八合一甚至九合一，未来的 N 合一也都是往这个方向去集成。比如DriveONE电驱系统除了集成传统三合一电机+电控+减速器，小三电OBC+DC-DC+PDU外，进一步集成了BCU（电池控制单元）。

另一种是以特斯拉和小米为代表，主要是朝着电池包进行集成，朝着底座去做一些电池的集成。比如特斯拉将三合一电驱（电机+电控+减速器）+小三电整合到电池pack或者CTC底盘上。

综合来看，数据中心、光伏以及新能源汽车等终端市场不同的集成方向，将对变压器、电感磁集成产生截然不同的要求，这些方向性的变化对变压器、电感磁集成会产生不小的影响，同时也是接下来磁集成技术落地将要面临的挑战，亟需变压器、电感企业攻克相关的磁集成技术难题。

02 普晶电子的磁集成解决方案

那对变压器、电感而言，这些新的磁集成发展趋势，会提出哪些挑战呢？变压器、电感企业又该如何解决？杨蕾对此进行了深入地分析，同时也分享了普晶电子的变压器、电感磁集成解决方案和相关案例。

1.电池高压转低压磁集成解决方案。近几年电池应用极为广泛，尤其是高压转低压部分。比如目前的变压器原边串联、副边并联的方案，能够解决几个方面的问题：第一，变压器原边串联后可以解决电压应力的问题；第二，变压器电压应力降低后，变压器原边部分的电磁干扰也会在一定程度上得到优化。

一种典型的变压器原边串联、副边并联电池高压转低压应用

如果采用 8 字形绕法，通过这种方式整个变压器的体积也能够有效地减小。

基于这样的变压器设计方案，普晶电子在高压转低压的过程中，进行了稍微的调整。杨蕾提到，为了便于实现变压器 8 字绕法，普晶电子对拓扑结构做了微调，开发出一款新型变压器，在瞬态场和涡流场展开仿真测试的结果显示，采用 8 字绕法时变压器磁芯损耗可优化 30% 左右，而变压器绕组的损耗基本上没有太大变化。

目前，普晶电子这款磁集成变压器已成功量产1500W-2000W等功率段产品，在整个拓扑结构中，变压器原边有一个谐振电感，算上原边电感和副边电感，总共是三个电感，但实际这款磁集成变压器仅采用了两个绕组。

具体做法是将变压器原边的绕组和谐振电感绕组套在两个中柱上，通过一个绕组、两个中柱的方式实现变压器磁集成。这样一来，不仅变压器磁芯的体积能够节省一部分，因为不再有单独的谐振电感绕组了，铜线方面也有一定程度的节省。

全波形仿真结果显示，这款磁集成变压器效率最高的状态出现在额定 750 伏左右，能够达到 98.98% 。

这种特殊设计的磁集成变压器最大的问题在于不同状态下磁路耦合问题。为此，普晶电子对这款磁集成变压器产品测试了 200 V-800 V的全电压范围，结果显示输出的波形没有较大异常。

2.微型光伏逆变器磁集成解决方案。基于上述变压器磁集成设计思路，普晶电子还实现了微型光伏逆变器变压器的磁集成设计并成功量产。

微型光伏逆变器变压器磁集成产品，图片来源：普晶电子

目前微型逆变器市场超过80%的方案都是采用反激拓扑。然而，随着近几年欧洲对 EMC 法规的调整，许多变压器、电感企业在使用反激拓扑时可能都会遭遇 EMI 痛点。

另一方面，微型逆变器的功率也发生了变化，从原来的 400 W、600 W、800 W，如今大家都在集中精力攻克 2000W、2500 W、3000 W的产品。

普晶电子这款磁集成变压器产品在与客户共同开发的过程中，获得了较好的反馈，成功解决了反激拓扑在微型逆变器中的 EMI 问题，借助变压器绕组集成还实现了成本降低与体积缩小。

3.车载变压器磁集成产品解决方案。双向充电这个概念已被探讨多年，随着政府对双向充电重视度的提高，在未来一段时间内，无论是车载的 OBC 还是充电桩这类双向应用，都将加速落地实施。

一种典型电机控制器电路拓扑结构，图片来源：ROHM

当下比较典型的做法是从高压侧和低压侧取电，以此为整个控制器电路供电。然而在实际应用中可以发现，变压器已成为一个突出的瓶颈。

以往大家关注的高度瓶颈可能是电解电容或其他器件，但现在变压器在电机控制器里成为了关键制约因素。

基于此应用，普晶电子设计出了一款最低高度为 7 毫米的变压器磁集成产品，并已着手设计更低高度的变压器方案。

低厚度变压器磁集成产品，图片来源：普晶电子

03 磁集成寄生参数问题及其解决办法

杨蕾还提到，在上述案例推进过程中，寄生参数已对平面变压器的开发进程造成了较大阻碍。杨蕾梳理了他在设计过程中遇到的寄生参数计算问题，并结合普晶电子的平面变压器案例给出了相应的解决办法。

例如在典型的VDS 电压波动过程中，额定输入电压范围是在 187 伏到 374 伏之间，可等到进行器件选型时，却可能需要选用 700 伏的开关管来应对。

原因在于这个过程叠加了较为重要的两部分：第一部分是 VR，对于 VR 这部分，可以通过调整变压器原边的匝数以及匝比来进行优化；第二部分是 Vspike，这部分能够借助调整缓冲电路，实现降低整个 VDS 的目的。

融合了各种寄生参数的等效电路拓扑，图片来源：普晶电子

漏感与杂散电感的影响。漏感与杂散电感主要会导致三个问题：

1.变压器原边寄生电容与漏感导致输入电压大于12V时，控制芯片过流保护。最为典型的是在低压部分，变压器原边的寄生电容和漏感会在轻载或者低电压输入的时候出现异常保护的情况。“比如我们在设计一款 15 kW的平面变压器时就出现过此类状况，由于变压器原边存在寄生电容，导致在轻载时其负载的调整特性比较差，也就是在轻载时电流虽然不大，但相反地，保护电路却会提前触发进行应对。”杨蕾说道。

2.变压器三路副边漏感不对称，漏感大的一路副边二极管易损坏。当下很多驱动变压器常常会处于一拖三或者一拖二这样的状态。然而在实际的变压器中，很难做到漏感的一致性，这会致使变压器某一路的输出温度变得特别高，进而影响那一路半导体器件的整体特性。

3.变压器原边漏感导致低压输入时效率较低。

以上是杨蕾汇汇总的关于漏感以及其他诸多应用方面的问题点。

漏感与杂散电感的影响和解决办法。基于此，普晶电子也开展了 PCB 级仿真，并在此基础上优化变压器设计方案，基本上能够接近仿真的效果。