OBC原副原结构磁性元器件如何实现15%降损

在电动汽车蓬勃发展的浪潮中，车载充电机（OBC）无疑是保障车辆持续前行的关键力量，如同电动汽车的 “动力源泉补给站”，肩负着将外部电能高效转化并输送给电池的重任。

而其中的磁集成技术，作为近年来磁性元器件行业聚焦的热点，正悄然改变着充电机的性能格局。本文将深入探秘双向 OBC 原副原结构磁性元器件磁集成技术，揭示其是如何成功实现简洁高效的二合一集成的?

台达电子高级工程师杨海军

《一种双向车载充电机新型磁性元器件研究》

01.行业趋势驱动磁性元器件变革

从电力电子技术的宏观视角出发，磁性元器件设计与电源设计紧密相连，是电源系统中的关键支撑环节。

在电源设计流程中，需综合考量多方面关键要素，其中效率提升作为核心诉求，电磁兼容性能达标以保障设备于复杂电磁环境下的稳定运行不容忽视，此外，优化功率因数并确保对不同工况的适应性亦是设计要点。

如今，全社会大力推行节能减排，国家 “双减” 政策稳步推进，电力电子产业迎来新契机，战略地位凸显。

磁性元器件作为基础元器件，承载能量转换与传输重任，面对设备小型化、轻量化、扁平化及高效散热需求攀升，向更小体积、更轻重量、更优散热性能发展是必然趋势，这既满足产品集成需求，也顺应行业绿色、高效发展潮流。

02.底层架构：Boost SRC电路拓扑及谐振腔磁性元器件

深入到技术层面，磁性元器件设计构建在电路拓扑结构之上，二者相辅相成。本次研究聚焦于基于 Boost SRC(Boost Series Resonant Converter, Boost SRC for short)电路拓扑以及谐振腔磁性元器件展开设计工作。

Boost SRC 电路拓扑主要由三个关键部分构成，即原边逆变(整流)电路、谐振腔电路以及副边整流(逆变)电路。其中，谐振腔电路作为核心组件之一，包含了谐振电容1、谐振电感、变压器和谐振电容2，这四个主要元器件。

该电路具备卓越的双向电能转换能力，无论是正向充电还是反向放电，均可实现升压与降压操作，这一特性源于其独特的电路结构与工作原理。以磁性元器件为例，在充电过程中，其电感磁通方向与变压器磁通方向一致，这种特性为后续磁性元器件的集成化设计提供了有力依据。

由于Boost SRC电路的特殊工况，谐振电感的磁通与变压器的磁通相位间于90°~180°之间，故当在本文所研究的集成磁性元器件中应用，漏磁通与主磁通参考同向，合成磁通值减小，意味着磁场能量的利用更加高效，为磁集成创造了有利的磁场环境，使得多个磁性元器件能够更紧密、协同地工作，减少能量损耗在不必要的磁耦合环节。

在谐振腔磁性元器件设计策略方面，常见的有分立磁性元器件设计。分立磁性元器件设计就是将各个磁性元器件单独制作、安装，这种方式在早期较为常用，具有设计简单、易于调试的优点，但随着对磁性元器件性能和体积的要求提升，其劣势逐渐显现，如体积较大、损耗大、效率低等。

为了优化性能、减小体积，磁性元器件磁集成技术应运而生。磁集成主要涵盖解耦集成和耦合集成两种方式，不同的集成方式各有优劣，需依据具体应用场景与性能需求进行抉择。

03. 创新内核：新型集成磁性元器件的工作原理

新型集成磁性元器件设计理念独具匠心。通过巧妙地运用原边线圈和副边线圈，结合铁芯构建电感量，并且创新性地采用原边线圈与副边线圈呈轴向布线的方式。

这种布线结构不仅能够实现简单的原、副结构，还可灵活拓展为原副原甚至更为复杂的绕线架构，极大地提升了设计的灵活性与适应性。

从电磁原理角度来看，轴向布线使得原边与副边线圈在空间上的分布更为合理，同时便于磁场能量的集中与传输。当构建原副原结构时，中间的副边线圈可以起到缓冲、调节磁场的作用，使得电能转换过程更加平稳、高效。

从制造工艺角度来看，原边与副边各自间隔布线的方式为自动化生产创造了有利条件，显著提高了生产效率与产品一致性。在大规模生产中，自动化绕线可以精确控制线圈匝数、布线位置等参数，消除人为误差，确保每个元件的性能一致性。

同时，在电感构造上，利用空气域构成漏感作为谐振电感，还有效降低了原、副边间的等效电容即CPS 值，提升了元件的性能表现。CPS值反映了电磁元件的综合性能，降低CPS值意味着原、副边的高频串扰降低，抗电磁干扰即抗EMI性能变好。

借助 E 型磁芯磁势磁阻原理，通过设计或测量磁芯的几何尺寸、材料特性等参数，可以建立精确的数学模型，计算出磁场强度、磁通密度以及能量分布等关键信息。

这些数据对于优化线圈匝数、调整磁芯尺寸等设计环节至关重要，使得磁性元器件设计能够精准地满足性能需求。经实践验证，理论上漏感计算误差可控制在 5% 以内，为磁性元器件设计与优化提供了精准的数据支持。

进一步深入分析其与 Boost SRC 电路的协同工作原理，在升压模态下，变压器磁通与谐振电感的磁通相位大于 90 度，经矢量叠加后的效果明显优于矢量相减，能够有效提升电能转换效率;降压状态下同样遵循这一规律。

此外，在不同的工作时间段，集成磁性元器件内部的磁通密度与磁通量呈现出规律性的变化。例如，在 0 到 T1 时间段，副边处于电压钳位状态，磁通呈现负向最大值;T1 到 T2 时间段，原边能量向副边传递，磁通随之上升，这表明磁电转换能量正在从原边向副边流动，电能转换正在高效进行;T2 到 T3 时间段，原边开关管截止，副边相应开关管导通，磁通进入正向稳态;谐振电感的磁通变化同样可通过推导得出。

04. OBC集成磁性元器件结构和性能优化

基于上述工作原理，对磁性元器件磁集成的结构与性能优化展开深入探索。以适配 6.6 kW车载OBC应用为例，研究团队设计了原副原结构，并将副边拆分为两部分，这一举措旨在提升散热效率，确保元件在高功率运行状态下的稳定性。

车载充电四合一系统 图源台达官网

在高功率运行时，磁性元器件会产生大量的热量，如果不能及时散发出去，会导致磁芯饱和、电感值下降，甚至烧机等问题，进而影响充电机的性能。将副边拆分为两部分，可以增加散热面积，优化热传导路径，使热量更快地散发到周围环境中。

在电感感量计算环节，充分考虑绕组横截面积、绕组窗口大小、绕组间距以及原副边匝数等关键参数，通过精确建模与计算，确保感量计算的准确性。

绕组横截面积影响电流承载能力，较大的横截面积可以允许通过更大的电流，避免因电流过载导致的发热问题;绕组窗口大小决定了线圈的绕制空间，合理设计窗口大小可以优化线圈布局，提高空间利用率;绕组间距影响磁场分布与耦合，适当的间距可以优化抗电磁干扰能力;原副边匝数则直接关系到电感感量的大小，精确控制匝数是实现预期电感性能的关键。

在此基础上，进一步开展绕组损耗计算，由于采用多股利兹线，依据邻近效应原理推导得出损耗表达式。

同时，结合磁通变化图获取 B 值(磁感应强度)，运用斯坦梅茨公式精准计算磁芯损耗，通过分块计算各部位的 AE(有效截面积) 及体积，可以更细致地分析磁心不同区域的损耗情况，实现对整体损耗的精确把控，从而针对性地进行优化设计。

经优化设计流程后，针对 6.6kW 的目标应用场景，最终确定的元件匝比约为 18: 16，谐振电感感值达 26uH，体积优化缩减至 94mm×57mm×68mm，相较于分离磁性元器件，体积缩减幅度逾 20%。

在典型工况下，铁芯损耗降至 9.3 W，绕组损耗为 36.6 W，总损耗约 46 W，较分离磁性元器件降低 15%。原理样机实测损耗与理论计算结果呈现高度一致性，验证了设计方案的可行性与卓越性。

05.结语

综合本次针对双向车载充电机的 Boost SRC 电路谐振腔集成磁性元件研究，取得了以下两项关键成果：

其一，创新性地提出轴向多槽谐振电感和变压器的磁集成方案，并成功构建磁势磁阻模型。这一方案打破了传统磁性元器件设计的局限，为后续磁集成的研发开辟了新的路径。通过轴向多槽结构，进一步优化了磁场分布，使得谐振电感与变压器能够更紧密地协同工作。

其二，针对 Boost SRC 谐振变换器的应用，深入剖析集成磁路的实际工况，精准揭示了集成磁路谐振电感和变压器参考磁通方向同向的特性，借此实现合成磁通减小的效果，进而达成降低集成磁性元器件损耗与体积的目标。

这不仅提升了元件自身的性能，更对整个双向车载充电机系统的高效运行与小型化发展具有深远意义。

针对6.6kW双向OBC的实际案例，设计并成功应用 4 槽结构的集成器件，通过样机上机试验测试，与传统分立磁性元器件设计相比，损耗降低 15%，功率密度提高 20%。

这一系列研究成果为双向车载OBC的技术升级与产业发展奠定了坚实基础，有望在未来电动汽车领域得到广泛应用，助力磁性元器件行业迈向更高的发展台阶。

随着电动汽车市场的不断扩大，对充电机性能的要求也将持续提高，相信这些技术成果将不断演进、完善，为绿色出行的未来增添更多光彩。

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审核编辑 黄宇