磁集成技术在新能源汽车领域的应用与挑战

从几年前30/60kW到现在300/500的充电桩，在外观上却没多大的区别，这其中磁性元件体积的减小功不可没。磁集成技术的应用，又将为小型化带来哪些惊喜？在落地过程中最大的挑战是什么？

编者按

10月14日，在2024年磁集成技术创新与应用研讨会期间，以“链动共赢，集成未来新生态”为主题的圆桌论坛汇聚了产业链上下游的杰出代表。为深入解析此次磁集成技术论坛的精髓，本期《对话》将系统梳理论坛讨论内容，旨在帮助磁性元件企业明晰磁集成技术在热门领域的应用前景、当前面临的挑战，并探讨供应链如何优化协同，共同推动产业链构建磁集成产品应用的新生态，加速磁集成技术在大功率场景的实际应用与落地。

问题导览：

1.磁集成技术在哪些领域具备发展潜力？

2.磁集成应用面临的挑战有哪些？

3.希望上游提供哪些配合？

嘉宾图

链动共赢 集成未来新生态圆桌论坛现场图

论坛主持人中国电源学会磁技术专业委员会秘书长、广东省磁性元器件行业协会副秘书长、Big-Bit资讯磁性元件与电源事业部总经理李红兵

1.磁集成技术在哪些领域具备发展潜力？

深圳大学刘艺涛：第一是新能源汽车。新能源汽车对直流充电桩、车载OBC以及其他DC-DC装置的体积和重量要求非常高，目前直流充电桩都很笨重，占用空间很大。随着电动汽车数量的增加，如何在有限的空间内放置更多的充电桩，加上汽车对续航里程的要求也越来越高，磁集成在减小其体积和重量这方面有很大的发挥空间。

第二是数据中心。实际上，数据中心最大的支出成本就是电费。从电力电子装置的角度来看，效率已经很高，再想提高1%都是相当困难的，可以从磁性材料方面考虑降低成本并提高效率，因为磁性材料也有损耗，相比于电力电子装置，变压器的损耗就很高了，未来如何通过磁集成进一步提高变压器、电感效率，进而提高整个系统效率，都有很大的发挥空间。

第三是手机充电器和其他消费电子产品。许多消费电子产品的竞争非常激烈，对于很多人来说，他们更关心的是磁集成产品的外观和美观程度，价格差异可能不那么敏感。随着社会的发展进步，我们越来越需要考虑磁集成产品的美观性。为什么戴森的吹风机那么贵，而其他品牌的吹风机便宜很多，却仍有很多人选择购买戴森，因为它的设计好看。如何让产品更轻便、更小巧，磁集成技术是一个很好的解决方案。

深圳大学副教授刘艺涛

英搏尔高军：理论上，磁集成产品可以应用于各个方面，无论是大功率还是小功率电子器件，其好处在于减小体积和降低成本。在车载领域，各个电路拓扑同样可实现磁集成，但我们主要关注OBC和DCDC转换器。

磁集成技术有两种方式，包括解耦集成（物理集成）和耦合集成（磁芯、线圈、磁场共用）。物理集成是通过工艺方法将多个磁性元件放在一起，从工艺的紧凑性上来减小体积，但其电气性能和磁设计是不变的，只是结构上有所不同。而真正的磁集成技术则是将多个变压器、电感的磁芯线圈共用，通过磁场相互交叠来达到同样的目的，用一个器件实现两到三个器件的功能。

车载电源通常包括充电机和DCDC转换器，这些又可以分为PFC部分和高压隔离DC-DC部分，现在通常要求双向工作，一般使用CLLC或DAB来实现。在这些应用中，磁集成技术主要用于CLLC或DAB中的变压器和电感集成，这也是目前收益最高的；以及PFC中做交错并联的两颗电感磁集成，在某些场合，厂家会将两个电感进行磁集成，共用部分磁心并进行耦合，以减少体积，但这种磁集成的体积缩小幅度有限。

除了上述，车载电源还包括从高压电池到低压电池的DC-DC转换，通常采用硬开关全桥或移向全桥来实现，这里面的变压器和输出滤波电感也可以进行磁集成。不过，由于成本效益不高，这种磁集成在实际中使用较少。

英搏尔电气电源产品CTO高军

铭普光磁李礼鹏：高总提到的几种磁集成方式，我们确实在变压器和输出滤波电感的磁集成方面进行了一些尝试。从磁性元件的角度来看，我们认为所有领域都有发展潜力，并且都会带来一定的收益。当然，成本是一个需要考虑的因素，如果最终的收益不大，可能就不会进行这种磁集成。磁集成的目标是提高功率密度并降低成本，并不局限于某个特定领域，而是取决于磁集成技术对成本和空间的考虑。

今天早上我展示了一个大约3毫米的器件，我们可以将其做成集成的两个共模电感，包括大功率共模电感和共差膜一体的磁集成，这些都是属于尺度的磁集成。此外，高总提到的PFC交错并联我们也做了很多年，收益确实比较明显，尤其是在服务器电源或充电桩等功率较大的应用中，可能只差几毫米的空间。通过磁集成，我们可以节省一块磁芯材料，从而减小整个磁集成产品体积。

东莞铭普光磁股份有限公司研发总监李礼鹏

云路新能源施洪亮：我和高总、李总的看法一致。我认为磁集成的应用领域不分功率大小，也不分低频、高频。我以前在轨道交通领域，比如铁路里的24V充电机，输出是12kW、500A，拓扑结构是半桥隔离型DCDC，后面是全波整流。因为500A的电流，我们其实不能称之为磁集成，只是把两个电感和变压器放在一起。

为什么系统方案商喜欢这种方式呢？从采购角度来说，只需要一个器件；从布线角度来说，即使简单地把几个器件从物理上放在一起，它们之间的连线是内部的，加上器件数量的减少，其可靠性大大提高。所以说不分功率大小，因为可以减小体积、重量，提高效率，对用户有很大的收益。

云路新能源深圳研究院总工程师施洪亮博士

超越精密於汉斌：将几个磁性元件组合在一起，我们一般定义为磁组合。只有当磁路相结合时，我们才称之为磁集成，因为这样可以减少多余的尺寸，并将有用的全尺寸全部利用起来。

针对磁集成技术应用领域的问题，目前热门的新能源汽车、充电桩以及AI服务器等领域都有磁集成产品的应用。我们公司在这些领域有很多磁集成产品正在大量生产，尤其是服务器和AI服务器领域，集成电感的需求量很大，每个月都有几KK的量级。所以，很多领域都有普遍化的磁集成技术应用。

江西高新超越精密电子有限公司新能源事业部研发处长於汉斌

凯通电子黄定友：我们认为磁集成技术肯定是一个发展方向。磁集成的概念很早就有，但到现在为止推行起来还是有困难，或者即使推行了也存在问题。我想其中一点就是怎么能够实现自动化或者批量性的标准化，刚才有磁集成技术专家在演讲时也谈到了这个问题。如果不能从这方面降低磁集成技术成本，可能就会变成省空间、省材料但最终不省钱，这也是我们对磁集成产品需要考虑的因素。

山东凯通电子有限公司技术总工黄定友

2.磁集成应用面临的挑战有哪些？

深圳大学刘艺涛：刚才施博士提到为什么只有华为能够实现组串式光伏三相电感磁集成技术，其实这个问题并不简单，我认识的很多朋友，自己也有很多学生在华为数字能源部门工作，华为在光伏逆变器，甚至单是电感的研究中就投入了大量的人力和资金。

早期我也做过大功率设备，尤其是三相功率电感的磁集成工作，遇到了很多问题，包括前面提到的散热问题。热的本质是损耗，也就是铜损和铁损，铜损相对好解决，铁损方面，一是可从逆变器的拓扑结构和控制算法的角度减小电流脉动；二是磁芯结构，传统三相电感更多采用非对称磁芯结构，我认为对三相电感而言，对称式是一种很好的磁芯结构，是磁通分布的最优解，我们也在做这方面的研究，刚才在外面也有看到云路施博士做的对称式磁集成产品；三是损耗计算方面，我们经常基于经验来计算铁损和铜损，比如常用的斯坦利茨（Steinmetz）方程，它已经有100多年的历史了，随着磁集成技术的发展，这个公式可能不再准确。最近MIT做了一个基于数据驱动的磁性材料建模，主要目的之一就是改进斯坦利茨公式。其实磁，或者说磁性材料是非线性系统，单个公式甚至一系列公式都无法准确描述它，未来基于数据驱动的AI大模型算法可以有效帮助解决磁集成技术方面的问题。

移相全桥谐振电感集成，图源：泰科斯德

英搏尔高军：实际上，不管是简单的耦合集成还是解耦集成，都是非常难的，主要就是像刘教授刚才所讲，它已经不可用传统的公式去计算。原来设计变压器，匝数、磁场都有一套约定俗成的公式和流程，但进行磁集成后这些参数就很难计算出来了，即便算出来也不一定准确，实际上磁集成技术远不是表面看到的那么简单。

举个例子，变压器集成谐振电感后，变压器的磁芯或者线包发热会非常厉害，但一算电流密度也不高，为什么呢？大家在设计这种变压器带漏感的磁集成产品时，通常会把漏感做大，原边副边尽量解耦才能做出较大的漏感，但这时候原边磁场会以非耦合方式进入副边进而产生杂散磁场，且漏感的磁场会切割线包，导致高频损耗非常大；另外漏感做大以后，线包、磁芯里的磁场也不仅仅是变压器伏秒积算出来的Delta B了，还有电感的磁场叠加在这里，这个时候就要把磁芯加大。如果这些没有提前进行磁集成设计和仿真，还是按原来的方法设计变压器磁芯的截面积，大概率是失败的。

铭普光磁李礼鹏：目前磁集成产品面临的挑战有两方面：一是如何在制造过程中实现成本最优，当前实际情况是，没有绝对的最优解，只有不断追求更好的磁集成技术解决方案；二是知识产权的问题，我们会投入大量资源开发新磁集成产品，但这些磁集成产品可能很快就会被拆解或模仿，导致我们的订单持续时间较短，这种情况让我们感到很大的压力和困扰。

磁集成产品，图片来源：铭普光磁

超越精密於汉斌：刚才高总也讲了，终端客户的磁集成应用主要就是集中在散热，磁集成以后，效率也会变差，怎么才能实现理想变压器的结构，这就是现在磁集成技术面临的问题。

磁集成产品，图片来源：超越精密

云路新能源施洪亮：目前很多磁集成技术还是停留在学术研究阶段，真正实际应用的比较少，比如组串式光伏的三个输出滤波电感，理论上磁集成效果肯定更好，但目前整个行业就华为真正量产了三相七柱的磁集成电感，其中最大的问题就是磁集成后散热非常难解决。

凯通电子黄定友：不管是从磁集成还是磁性材料的发展，磁材企业面临的压力都是非常大的。一是原材料质量，比如说锰锌铁氧体，主原料铁红是钢铁厂回收盐酸产生的副产物，是不受钢铁厂重视的，这也导致磁材企业的原材料质量参差不齐，尤其是体量较小的磁材企业尤为突出；二是磁路或者用法更复杂，如何去评价磁性材料的损耗也是一个问题；三是磁性材料属于基础材料，但做磁性材料又有点像挖煤，很辛苦还不一定赚钱，如何吸引优秀人才和年轻人从事这个行业，以满足越来越复杂的磁集成材料开发，这也是一个挑战。

磁集成磁芯，图源：凯通电子

3.对上游有哪些期望？希望上游提供哪些配合？

深圳大学刘艺涛：我觉得可以从两方面加强校企合作。一是高校有很多磁集成技术研究成果，尤其是磁方面有很多有价值的研究，如果能把这些研究转化为产品，我觉得磁集成产品竞争力会有一个质的飞跃，比其他任何方式都要明显；二是磁仿真软件的共享，刚才大家都谈到磁仿真软件很贵，而高校购买的学术版磁仿真软件，相比企业版便宜很多，企业购买磁仿真软件除了高昂的授权费，一般还需要配备磁仿真人才，利用高校的磁仿真平台，对企业来说可能会是更实际的选择。

英搏尔高军：实际上，对磁性材料来说要求是一样的，不管是否磁集成产品，磁性材料的损耗都要尽量低；

现在大家可能对高频磁芯研究比较多，很多厂商不重视线材，但我认为对线材而言，如何做出一种新结构，或者说做出一种抗高频、耐高压的线材，即便在一个高频的杂散磁场也能保持低损耗，绝对是未来很好的一个方向。

磁集成技术在理论上更加复杂了，一方面我们自己已经在高校挖掘磁集成技术方面人才提高自身设计能力，另一方面也希望上游的磁性元件，甚至磁性材料供应商有这方面的设计和仿真能力，相当于大家思路是一致的，而不是像现在这样都是基于我的磁集成产品设计，上游供应商只是从工艺上实现这个器件，甚至很多工艺也是我们自己在考虑。我觉得想把电感、变压器做好，上游供应商是需要具备这种能力的，哪怕会产生一些费用，这是我对上游供应商的期望吧。

比如云路能把施博士这种清华大学的高材生请过来做专门磁的研究，又具备磁仿真能力，我相信云路就能很好地配合客户，做出仅客户自己做不出来的磁集成产品，这样的企业未来就能走得更远，更有前途。

磁集成产品，图片来源：超越精密

铭普光磁李礼鹏：铭普光磁在磁集成方面已深耕多年，有仿真软件和专门的仿真工程师，能够为客户提供磁集成产品设计方案，而不仅仅依赖于客户提供的方案。

云路新能源施洪亮：我们购买了仿真软件，组建了电力电子专业和数值仿真计算专业为主的博士团队对“电-磁-热-力”进行多场耦合仿真，云路还搭建了“500kW高温环境试验箱”平台，可以对最大功率的组串式光伏逆变器系统进行高温温升试验，根据实验结果对“磁性器件优化设计方案”进行方案迭代升级，最终的目标是：提高送样客户一次成功率，节省客户磁集成产品测试迭代时间。

三合一磁集成产品，图片来源：泰科斯德

超越精密於汉斌：高总提到对线材的要求和期望，确实是这样，包括超越精密也有利兹线事业部，从事相关线材的研发和生产，单绞和复合绞的损耗差距就蛮大，包括股数、绞合方式、绞距等都有影响；另外针对磁仿真这块，目前应该说规模稍微大一点的企业都会自己做，超越精密在磁仿真、热仿真方面都是没问题的。

磁集成产品，图片来源：超越精密

凯通电子黄定友：希望能够尽快制定磁路参数的标准。至今为止，现有标准并没有涵盖磁集成磁路方面的计算方法，这可能是因为参数计算相对复杂或其他原因。一是希望未来能更快制定这类标准，制定过程中能有更多磁性元件企业和电源企业参与进来，共同提出建设性的意见，以便更好地完善这些标准；二是如何评估磁性材料生产过程中的损耗是一个难题。我们希望未来能与磁性元件企业、电源企业等合作伙伴加强沟通，共同达成一种共识，明确如何控制和评价磁集成产品质量的好坏。

磁集成磁芯，图源：凯通电子

结语

也许我们拆开一个磁集成变压器来看，结构也没有多复杂，但细究起来，其实每一圈都有千变万化。

综合论坛嘉宾的观点看：

从磁集成技术应用前景角度而言，理论上磁集成产品不分功率大小、频率高低，可应用于各个领域，最终衡量标准，是节省的电感、变压器数量、材料和成本，与磁集成产品系统优化成本和空间要求之间的综合平衡；

从磁集成技术应用挑战角度而言，最大的挑战在于这种新形态磁集成产品打破了原有的设计、制造方法，由此衍生了一系列的问题，包括电磁场计算的复杂化，散热问题更难解决，杂散参数影响变大，磁芯、线材、磁性元件产品缺乏相对应标准等等，并最终汇聚到损耗或散热这个点上；

从磁集成产业链角度而言，磁集成技术的落地是一个循序渐进的过程，除了前面提到技术层面的挑战，未来还有批量化和自动化生产等问题，需要整个磁集成产业链上下游更加紧密地配合，同时也需要磁性元件企业在观念上有所转变，吸引更多年轻人和优秀人才投身于磁性元件行业，共同打破磁集成技术当前困境，以及应对未来越来越高的要求。

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审核编辑 黄宇