【哔哥哔特导读】干货向!多合一集成化下，车载OBC、DC-DC面临的技术难点是什么?对电感器与变压器提出了什么样的技术挑战?电感变压器与磁芯厂商能否满足整机企业需求?本篇文章一一为您解答
编者按：
随着新能源汽车的发展，对车载OBC充电机、DC-DC电流转换器、800V高压平台以及超充技术都提出了更高的要求。电感变压器以及磁性材料厂商又该如何应对?
本期《对话》，围绕“车载OBC充电机与DC-DC电流转换器的技术趋势”，通过车载电源厂商、电感器与变压器厂商以及磁芯厂商的对话，探究车载电源与电感变压器、磁芯的应用情况、面临的技术难点以及未来的发展方向。围绕上述问题进行探讨，为深耕这一行业的从业者进一步了解车载电源行业生态提供力所能及的点拨。
对话导览：
一、电感器与变压器在车载OBC和DC-DC领域的成本占比
二、车载OBC、DC-DC对电感变压器的技术要求及解决措施
三、车载OBC和DC-DC的技术发展趋势
对话嘉宾：
对话内容：
一、电感器与变压器在车载OBC和DC-DC领域的成本占比
电感器和电子变压器是车载OBC充电机和DC-DC转换器中必不可少的电子元器件，不同功率的OBC充电机和DC-DC转换器，电感变压器在其中数量多少，成本如何?
陆巡科技吴一祥：目前主流的OBC功率和常见技术方案的功率电感变压器数量如下：
1)3.3KW，一般为单路PFC和单路隔离DC-DC，即一个PFC电感和一个隔离变压器。
2)6.6KW ，一般为两路PFC和单路隔离DC-DC，即两个PFC电感和一个隔离变压器。
3)11KW，一般为三相单路PFC和单路或者两路隔离DC-DC，即三个PFC电感和一到两个隔离变压器。
DC-DC转换器常见拓扑为一级桥式电路拓扑，一般含有一颗功率电路和一颗变压器。
一般来说，功率电感和变压器占整机成本的15%-25%左右。
通合电子张宇恒：电感变压器在OBC充电机的成本占比稍高一些，因为OBC充电机各方面如散热要比DC-DC转换器要求更高，我们的DC-DC产品功率较小，比如八千瓦，有些公司做大功率的产品，成本比例就会更高。
铁城科技刘辉：电感变压器成本占比、数量则因各家企业解决方案不同而不同，一是小功率用单个变压器，大功率用多个变压器并联;二是不同功率使用不同的电感变压器;三是为了实现电感变压器的标准化、统一化，3.3KW用1个，6.6KW用2个，10KW、11KW用三个;四是采用磁集成方案，主要是看整机厂家方案的选择。
汇川电源叶泽：数量上，PFC升压电感+高压隔离变压器，滤波器看端口数量，降压拓扑会有4-7个滤波储能的电感，总体上电感变压器用量5-9个左右，如果是独立方案数量会更多。
二、车载OBC、DC-DC对电感变压器的技术要求及解决措施
1、电源系统的多合一集成化成为行业趋势，通过车载电源系统的集成，大功率、小型化、集成化、智能化、高性价比成为车载电源产品的发展方向。您认为这些趋势的发展对车载OBC充电机和DC-DC转换器提出了哪些技术挑战?给电子变压器和电感器提出了哪些更高的要求?
浙江大学王正仕：集成化有两种机制，一是多部件装，这种相对来说变化不大，二是电路集成，比较典型的是OBC与DC-DC的电路集成，与原来独立电路的方案相比变化非常大，难度也更大，变压器的设计也更难，比如全通过一个绕组绕在一个磁性上，相互之间有影响的。
对电感器与变压器的要求主要是两方面，一就是电感变压器设计，比如每个形状、每个柱子上磁通怎么设计尺寸;二是加工，工艺完全改变，比如原来可能很成熟的绕线，现在柱子多了好几个，如何实现自动化生产。
陆巡科技吴一祥：除了常规电路拓扑技术的发展和性能挖掘，同时在三代半导体和一些新的功率半导体技术进一步配合下，目前的拓扑技术会逐渐到达一个技术临界点，想要实现进一步的发展和提升，有如下可能挑战：
1)功率半导体和电感变压器技术的突破进步，实现在同样电路拓扑更高效率、更小体积和更少成本;
2)电路拓扑技术的发展，如一些更高集成度集成技术方案或者新型的拓扑技术出现，实现更少器件实现同样的功率变换目的。
以上可能的技术挑战，对功率磁性元件提出更高频化，更优散热性能，更高密度磁集成等技术要求。
通合电子张宇恒：降本、高度集成化、耐久度这些每一个都是难点。首先集成化就对很多企业提出了较高的挑战，因为高度集中化是肯定要面临弱管理的问题;其次要考虑到对生产制造的挑战，未来热管理可能会使用水冷方式，要达到IP68的防水标准;再次，对EMC也提出了要求，多合一涉及到电子元器件之间的电磁干扰，DC-DC转换器的门槛比较低，多合一高度集成方案可能会导致一些研发能力欠缺的中小企业因成本过高而退出这一行业。
对电感器与变压器而言，提出了降本的要求，一个是提高性能、价格不变;一种是在性能不变的时候，价格更低。未来多合一的趋势，对电感变压器提出的要求无非就是增加性能、降低成本。
铁城科技刘辉：对电感变压器来说，提出了可制造性(产品工艺制造的复杂程度)、工艺简化、体积降低还有高频化的要求。比如随着开关频率逐渐提高至500K甚至1M Hz，磁元件体积可能是原来的50%，但这并不是简单的体积缩小，相应的材质、性能也要跟上。
2、贵司在针对0BC充电机和DC-DC转换器领域，在选择电感变压器产品上有何要求?
通合电子张宇恒：我们的要求尽量全部国产化，第二保证价格，还有就是供应链的稳定。因为现在我们行业对客户、车企、主机厂都有国产率(注：整车零件国产化率要超过40%才能视为国产)的要求，达到要求对于企业拿政府的补贴是有利的。
电感器与变压器如果往高度集成方向发展，可能数量会越来越少，比如说多功率的3.3KW和6.6KW，可能只需要一个6.6KW，因为3.3KW是通过软件去实现的，6.6KW是包括3.3KW在里面，不需要做两套，同时这可能会导致对元器件的寿命以及功率范围提出更高的要求。
铁城科技刘辉：基本都以自主开模定制化为主，这样利于管理，磁芯厂商从压制、烧结到磨削全部自动化完成。
汇川电源叶泽：第一是满足车规级的标准规范;第二是高频化、低损耗、小型化也是需要的，因为这些跟整机的高频化、小型化、低损耗这些都是直接相关的。电感变压器在整个产品的设计当中，它们的主要贡献就是产品的体积、效率、成本这些东西。
3、整机企业反映，多合一趋势下，对功率密度提出更高的要求，贵司如何解决这个问题?
凯通电子辛本奎：提高功率密度有两个措施：提高磁性材料的饱和磁通密度Bs或提高变压器的工作频率。目前，功率MnZn铁氧体材料的饱和磁通密度已经很难进一步提高，因而提高功率密度主要还是从提高变压器的工作频率入手。这对作为变压器核心材料的铁氧体材料提出了高频低功耗的要求。为此，我公司针对性的开发了中高频(200-500K)低功耗类的铁氧体材料，应用这种新材料的变压器工作频率从常规的10-150KHz提高到了200KHz以上，功率密度也提升1.5倍左右。未来我们还将继续升级优化这类材料性能，以进一步提高应用这类材料变压器的功率密度。
安可远王理平：我们研发了一款全新结构的组合磁芯，密度、结构和体积有所变化，性能不变，组装会方便很多，效率也高很多，目前已实现小批量供应。
在材质上，需要更高的BS值、更低损耗、待载能力更强，我们也推出一些性价比高、体积更小的铁镍产品。
金刚磁业王京平：功率密度的影响因素：开关损耗和热性能。要实现更高的功率密度，需要多措并举，从降低开关损耗、磁芯功耗、提高封装热性能、及新的拓扑和电路、集成。金刚磁业研发生产的高频系列材料，具有高频低损耗的特点，匹配相关电路集成设计，可有效降低开关损耗、改善热性能。
普晶电子方锦云：首先设计方面，逐步把PFC跟组变结合在一起，普晶电子从2020年开始尝试跟客户做技术的沟通和配合。
其次从原材料来说，特别是磁芯结构，整合上下游优势，布局研发多合一磁件方案，并推动客户协助验证测试，目前产品方案已趋向成熟，已有多个项目应用在OBC磁元件上。
创世富尔童东方：一方面，选用更低功耗、宽温度的磁材，优化线苞结构，最大化磁芯Ae;另一方面，针对重要功率型磁件均灌封导热胶的特点，创新产品结构，充分评估线苞及磁材的热传导。
4、整机企业反映，在车载应用中，对磁芯高温损耗和稳定性、整体结构工艺抗震性(最低要求3个G，最高要求有8-10个G)、材料的耐温(温度一般用180°，至少要155°)等级和一致等都有较高要求，对功率磁性元件提出更高频化，更优散热性能，更高密度磁集成等技术要求。(贵司的磁芯材料或者说电感变压器能否满足以上这些要求?)
凯通电子辛本奎：目前，我司的磁芯材料相比传统的磁芯材料在各项性能上均有了大幅的提升，完全可以满足车载应用需求。比如说，我司开发的高温低功耗特性的CP96A铁氧体材料，140-180℃功耗特性非常优异;公司研发的CB100和CB70材料，其居里温度分别为>160℃和>180℃，以满足车载应用中高的使用温度。针对功率磁性元件提出的更高频化，凯通电子联合春光磁电研发的新材料KH96F、KH52材料等，其他各方面性能也比较好，已经大批量应用于汽车充电桩和车载充电器，客户反馈也比较好。
安可远王理平：目前车载行业要求高压，高频，高功率密度，三高对材料的等级要求是比较高，我司采取以下几点应对【三高】：
1)提高材料的叠加特性;
2)降低磁芯损耗;
3)提升材料的频率特性。
我司在现有的磁芯材料——铁硅的基础上优化了一种叠加特性和铁硅相接近，磁损比铁硅低35%左右材料，取名为ACV;在【二代铁硅APH】的基础上优化了一种叠加特性比APH高5%，损耗比APH低38%左右的磁芯，取名为APC。
在车载OBC上我们推出了EQ型的一种新材质，这种材质叠加特性很高，在同类型的产品中功率密度和VS值会做得比较高。我们也做了一些UT和UR形状的设计方案，这种形状在空间结构上很紧凑，车载OBC要求体积小，功率密度高，重量轻，这些设计方案刚好可以实现车载的需求.
抗震方面，我们担心磁芯和胶水的粘接强度不足，选了各种胶水来配套做高低温和振动实验，6065胶水的粘接强度是最好的，即使磁芯震裂了胶水也没有和磁芯脱离。
材料的耐温方面，我们的合金磁芯耐温等级可高达七八百度。
金刚磁业王京平：金刚磁业宽温低损耗系列材料JCP96JCP96BJCP97JCP97B在-20℃--160℃具有较低的功率损耗，高频系列JCP51JCP61材料在1-5MHz具有较低的功率损耗，可以较好的提升效率、降低热耗，在高密度磁集成方面，重点解决交流磁通和直流磁通叠加、交流磁通在公共磁柱的交错并联所带来的磁通量变化问题。
普晶电子方锦云：对磁芯、磁件线材的等级、耐温以及功率方面我们一直执行较高的标准，比如当行业内用150°线材时，我们采用180°线材，业内用铜线绕制电感，我们率先迭代扁线电感产品。普晶电子是在前期以高标准、高要求的技术方案迭代原有产品，相对而言有较充分的准备。
抗震性方面，除了电感变压器设计工程师，普晶电子还专门设置了结构工程师和安规工程师，在设计前期有专门的工程师去研究产品结构怎么抗震、预防跌落。目前我们的抗震性达到6-7个G是没有问题的。当然这是一个迭代过程，目前正在往更高的8-10个G方向努力。
创世富尔童东方：首先，主流几个磁芯大厂PC96材均已经成熟量产，广泛应用在磁芯不超过135℃的工作温度下，通过众多项目的实验验证和量产装车，产品可靠性经受住市场考验。其次，针对汽车电子电感变压器的抗震性要求，电感变压器的各个部件在设计之初会根据产品结构需要，不同程度地作针对性的结构加强，配合电气性能设计需要，也就呈现汽车电子电感变压器普遍采用非标材料的设计特点。
再次，通过近几年在新能源汽车上电感变压器的广泛应用，线材(三层绝缘线、膜包线、漆包线等)、绝缘胶带和环氧胶基本都采用CLASS H及以上等级，骨架(包括底座、支架、外壳等)也基本采用进口的CLASS F等级材料!
最后，高频化磁材及特种Litz线的应用，更具散热性结构的磁集成磁件及多合一的磁集成磁件，均在与汽车电源客户的日常选型和技术论证中深入探讨，部分创新型技术应用到新项目的研发并成功量产!
三、车载OBC和DC-DC的技术发展趋势
1、随着新能源车的发展，OBC充电机和DC-DC电流转换器的技术水平也不断提高，您认为未来0BC和DC-DC的技术将往哪个方向发展?
浙江大学王正仕：首先是DC-DC的功率会增加，现在新能源汽车的标配是是6KW、6.6KW，后面功率会往11KW发展。随着新能源车的智能化程度越来越高，低压直流供电会越来越多，功率也会增加。第二是从400V到800V的电磁组，OBC和DC-DC往集成化方向发展。第三是新能源车里面碳化硅的应用也会多起来。
陆巡科技吴一祥：新能车行业的发展和普及，对OBC车载DC-DC变换器也提出更优性能，更高性价比的需求。目前行业的几个技术发展趋势方向为高功率密度化、集成化、模块化、数字化。
铁城科技刘辉：我认为往高频化、高压化这两个方向发展。因为汽车零部件现在追求的就是轻量化和多合一集成。如果能做成那种小的模块电源,比如说PEU或者是其他的一些直接进行多合一的集成。
2、新能源车超充技术给OBC充电机和DC-DC模块带来哪些技术上挑战?对升压电感来说有什么技术难点?
浙江大学王正仕：一是超充功率更高，比如60KW充电桩通过3个20KW模块并联，随着功率的提高数量上还会增加;二是单模块的功率也会更高，现在已有40KW模块产品。
对电感变压器来说，一是多模块并联并无成品，这是一个挑战;二是400V升到800V会用到升压电感，包括OBC、充电桩也有采用升压电感，从交流电到直流电，电感的功率更高，电流更大，电感量也需要更大。
陆巡科技吴一祥：超充的发展主要是直流快充方面的基础设施能力提升，并在超充站实现储能功能。超充的发展对OBC和DC-DC的影响更多的是800V或者更高直流电压的普及，对OBC输出级和DC-DC输入级功率器件的影响，技术上需要应对更高电压等级，更高效率和更高性价比的对应技术解决方案。
升压电感模块为了实现超充站的储能功能，需要考虑在逆变模式时，会遇到更高的电流冲击，即需要提高电感的高饱和能力。同时，为了提高充电站的经济效益，对升压电感模块的效率提升也有更高要求，需要适合更高频率更小损耗的磁芯材料。此外超充站有向水冷散热发展的趋势，升压电感模块设计上也需要考虑和水冷系统的一体化集成，进一步降低成本。
铁城科技刘辉：技术上的挑战主要是产品的安全安规方面，半导体会逐渐地向模块化发展。随着高压平台的发展，对使用的元器件的电压要求也会提高，高压和高频对器件的稳定度和整个电路的回路都有一定的要求。如果做成一种集成化的模块，对安全会有更好的保障。
现在比较流行的高压快充，是为了减少铜线的使用量，电压提升之后，电流就下来了，线缆的粗细也可以降下来了。不仅是超级快充的电缆的粗细，整车的所有的电缆粗细都会降下来，但是面临的一个比较重大的考验问题就是防护和绝缘。因为电压很高，这个时候如果车子发生什么撞击，这很危险的。
伴随着超充技术的发展，加快了第三代半导体应用发展的步伐。电感变压器的频率会更高，像现在普通的开关电源、普通的OBC或DC-DC的开关频率也就100KHz左右，到了第三代半导体时，可能起步就是300KHz甚至500KHz，这个时候电感变压器的体积就会大大降低。但升压电感的体积不会太低，因为还要考虑成本。
随着碳化硅器件的应用，电感器体积会越来越小，电感、整机企业合作会越来越深入。以前都是电源企业设计好产品后，交给变压器或电感厂家生产加工。随着大规模化和成本压力越来越高，往后可能要结合发挥电感厂商的产线优势。
3、整机企业反映，超充技术的发展需要提高升压电感的高饱和能力，超充站有向水冷散热发展的趋势，升压电感模块设计上也需要考虑和水冷系统的一体化集成，进一步降低成本。(贵司通过什么方案提高电感饱和能力，降低成本?对器件、材料有什么特殊要求?)
凯通电子辛本奎：凯通电子与国内最大软磁粉料制造商山东春光磁电有限公司同为春光科技集团的全资子公司，通过春光与凯通共同研发，对粉料的配方优化，增加能够提高Bs的添加物比如铷和镍。通过提高粉体的活性，增加产品的密度，起到提高Bs的目的。从后道的加工工艺上看，在挥发段拉高升温速度、延长致密化时间，减少内部气孔率，增加产品密度，也是提高Bs的有效手段。
安可远王理平：降本方面其实取决于材料特性，我们现在推AHM的一种材料，这就是高饱和低损耗的磁芯，它的饱和能力会比较强，比铁硅还要强。AHM材料的铁损是很低的，本身它温升比较低，如果再加上风冷和水冷，完全可以达到它的温度等级的。
模块化后有些把磁集成、锰锌和合金集成在一起，这样整体成本会降低，对电感厂的技术要求会更高。我们在用好的材料之后，把它做成纯圆形，把以前人工绕线，再拉铜线，改成立绕的方式，用自动击绕，这种成本也会降下来,我们也会给客户提供一些磁集成的设计方案，如三个5柱的方案，它可以共磁壁，磁芯体积小了，成本就低了。
金刚磁业王京平：金刚磁业在磁性材料性能方面提升材料Bs,降低Br,在磁芯设计及制作时多采用多气隙磁芯增大ΔB，可增大饱和电流、增大储存能量的能力。
普晶电子方锦云：电感的高饱和能力主要和磁芯材料特性BS值有直接关联，不同磁芯厂家的磁芯材料BS值会有差异，另外在电感设计时产品BS值的设计余量也直接影响电感的高饱和能力，为提高电感饱和能力我司设计时磁芯选择的方案是磁芯选择BS值高的磁芯，磁芯中柱加粗;产品绕线匝数增加。
创世富尔童东方： 针对超充模式升压电感的高饱和能力要求，公司会针对性的选用高饱和磁通密度磁材，兼顾磁损和饱和磁密的PC95B等材料已经成功应用量产。
4、800V 高压平台优势明显，从400v低电压提升到800v高电压，对车载0BC充电机和DC-DC转换器做了哪些升级?对电感变压器来说提出哪些更高要求?
浙江大学王正仕：这种我估计是全新的一套东西了，因为不是在原来的基础上修修改改，整个电压都变了。在OBC和DC-DC里面，比如绕组匝数可能会增加一倍左右，因为DC-DC输入端接800V的变压器，也会重新设计的。
对电感变压器来说，第一也是需要重新设计，第二个是随着电压的升高带来绝缘的问题，满足其安全安规要求这也是更高的要求。对原来的做法做出调整，比如绝缘等级、间距这些都会有变化。
陆巡科技吴一祥：电池电压平台的提升，主要影响是功率器件耐压等级的提升，目前主流的方案是采用碳化硅器件来应对电压平台的提升。这将增加OBC和DCDC的成本。但是，碳化硅器件的应用也带来进一步高频化的好处，即进一步缩减电感变压器的尺寸和成本，从而解决由于高压器件导入所带来的成本上升。高频化的设计对磁性元件也提出了更高的要求，即更小的体积和更高的频率，需要磁性元件提升损耗性能和散热性能。如果高频化进一步提升，对新型的高频磁性材料也会有强烈需求。
铁城科技刘辉：升级主要是在开关频率和功率器件上，这样磁性器件会做得越来越小，因为高频化磁件的体积就会越来越小。
变压器方面，因为800V是功率比较大的，再加上体积小了，对散热性能要求比较高。因为这种变压器有多种方式，有那种线圈包磁芯，也有磁芯包线圈的，要看各个厂家怎么选取，还是以散热和加工易生产为主导方向。
结语：
电源系统多合一集成化设计成为趋势。随着新能源汽车在电源系统上要求越来越高，将车载OBC充电机、DC-DC 转换器和高压配电单元集成的产品逐步成为车载电源的主流方案。通过车载电源系统的集成，大功率、小型化、集成化、智能化、高性价比成为车载电源产品的发展方向。
对电感变压器而言，由于电路拓扑往更高效率、更小体积与更少成本方向发展，面临着高频化、耐久度、高密度磁集成等技术难点，对电感变压器也提出了多方面的要求。一是需要不断提高磁集成度以提升电感、变压器性能，减小体积和成本;二是需要企业不断提高生产智能化以应对随之而来的弱管理问题，尤其对中小企业而言，若自动化程度不高、技术创新不足、研发能力欠缺，则很可能在市场竞争中被踢出局;三是需要不断提高电感、变压器频率以应对第三代半导体材料的应用，尤其是300KHz、500KHz乃至更高工作频率下如何保障电感、变压器的高频损耗;四是随着对散热性能的需求不断提升，未来超充桩可能会逐步引入液冷散热方式，对电感、变压器气密性也提出了新的需求，需要达到IP68乃至更高的防护等级。
目前电感器与变压器企业在车载电源领域国产替代化程度高，激烈的竞争有利于锻造更优秀的企业，从而推动行业更好更快发展。我们期待，未来随着车载电源的不断成熟，上下游厂商通过不断通力合作，车载电源乃至新能源汽车迎来更广阔的市场!
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