对话：LLC磁集成能否成为充电桩模块电源常态产品？

编者按：在终端需求疲软的影响下，前两年火热的新能源汽车、光伏、储能等新能源领域也掀起了价格战，储能已正式进入0.5元时代，新能源汽车领域价格战更是一轮接一轮，成本管控成为2024年企业绕不开的话题。

接下来我们将围绕降本这个主题，展开一系列的对话，探讨磁集成技术在新能源相关领域的应用进展，对降低成本的积极作用，以及由此给整个磁性元件产业链带来的影响和改变。

本期《对话》通过高校、充电桩模块电源整机、磁性元件、磁芯企业，共同探讨磁集成技术在充电桩模块电源领域的落地情况，以及当前所面临的难点，以探究磁集成技术如何更好地帮助整机企业降低生产成本。

问题导览：

1.40kW充电桩模块电源（或其他更高功率的模块电源）是否有采用磁集成技术？磁集成的类型有哪些？集成后磁性元件用量有何变化？相比集成前成本、体积减少了多少？

2.目前磁集成技术在实际应用中主要面临哪些难题和挑战？

3.磁集成产品的应用对磁性元件和自动化设备厂商提出了哪些新的要求？在开发磁集成充电桩模块电源产品过程中，您希望在上游供应商提供哪些配合？

对话嘉宾

贵司目前是否有在开发或计划开发40kW充电桩模块电源？目前40kW充电桩模块电源在充电桩模块电源中的占比情况如何？

优优绿能朱翔：目前应用在直流充电桩的模块电源还是以30 kW为主，以优优绿能为例，占出货量的70%-80%，但仅看今年上半年，40kW模块电源出货量占比已到30%-40%，40 kW模块电源随着大功率、800 V高压平台车型的普及，现在都推出了 600 kW至更高的 960 kW超充，所以40kW的模块电源出货量也是逐月攀升。为了让客户更平滑地升级，优优绿能的模块电源， 30 kW和 40 kW是同接口、同尺寸的，这么大功率的超充系统，对于模块电源的功率密度、功率等级，包括单瓦的成本要求都越来越高。

▲一充电桩模块电源企业产品技术路线图

40kW充电桩模块电源中，磁性元件类型（如电感器、变压器、磁性放大器等）和数量情况如何？

优优绿能朱翔：会用到磁性元件主要有前级的PFC电感、共模电感，包括后级DCDC的差模电感、主变压器、谐振电感等常用磁性元件，正如前面提到的30 kW和 40 kW尺寸是相同的，磁性元件用量上没有太大变化，但功率提高了，虽然接口还是一样，线径的要求肯定不一样了。另外针对40kW模块电源优优绿能也推出了高效的全碳化硅版，电路拓扑还是经典的维也纳，前级PFC、后级LLC的移相全桥方案，虽然电路拓扑没有改变（磁性元件用量大致不变），在磁性元件的选型上会有一些差别。另外目前我们也在研发60kW的模块电源，面对未来更大功率的，比如充电堆，对于功率密度的要求都更高，但单瓦成本是可以下降，有利于整个行业的发展，针对液冷模块电源，电流密度的取值会要求更小，但具体的数值要看产品方案。功率密度提高后，功率等级也会提高，电压等级也会提高到1000V甚至1200V，不管是功率器件还是磁性元件，想要减小体积，都需要提高频率，对应的整个系统的散热要求也会提高。

据我了解，目前也有部分厂家推出一级变换的方案，相当于把前级PFC整合在一起，整个拓扑的架构会有比较大的改动，好处是效率会更高，可以做到97%以上（目前主流方案为95%-96%），但它的缺点是对软件的处理要求更高，因为没有前级PFC，对弱电网或者电网的纹波过滤要求更高。

泰科斯德杨习斌：每家的方案都略有区别，但一般都是前级三相PFC、后级LLC这样的电路拓扑，通过4组或更多的电感、变压器组成。

▲充电桩应用案例

40kW充电桩模块电源（或其他更高功率的模块电源）是否有采用磁集成技术？磁集成的类型有哪些？集成后磁性元件用量有何变化？相比集成前成本、体积减少了多少？

福州大学陈为：磁集成以后功率密度更高，体积可以减小。目前LLC电路中磁集成应用已经比较多，也比较成熟了。

奥特迅张文勇：磁集成技术我们也有相关的研究和布局，但还没有批量应用。目前充电桩模块电源有几种电路拓扑结构，但最主流的还是前级维也纳、后级LLC然后采用多路串并的方式，这里面所及到的磁性元件，最适合做磁集成的后面DCDC电路里面的电感和变压器，把电感集成到变压器上，因为这个电路里面所需的电感量不大，用漏感来做可实现性是比较强的。

磁极海来布曲：充电桩模块电源从30kW-60kW模块电源都有使用磁集成产品，相对来说60kW模块电源产品使用更加普遍。我们在三年前就已经配合吉利（威睿）、蔚来开发了480kW超级充电桩磁集成产品，由8个模块电源组成，每个模块电源60 kW，单个变压器做到了 30 kW，包括PFC 电感做了三相五柱磁集成，LLC变压器也是做了磁集成。

充电桩方面，磁极目前有LLC谐振变压器磁集成方案，采用4个磁集成的谐振电感变压器，替代传统双交错方案的8个变压器和4个谐振电感，功率密度更高，且加工的器件数量大大减少，可大幅度降低成本；也开发了PFC新方案，相比于传统的多段组合磁芯（磁芯由6块拼接而成），新方案采用一体成型磁芯，生产耗时从15min/颗降低至2min/颗，且规避了物理结构的漏磁，抗震性更高；以及充电桩直流共模电感新方案，采用一体成型的三角形磁芯结构，可以将感抗、差模分量做得更高，且可用扁线立绕方式加工生产，生产效率提高至3min/颗。总体来看成本可降低20%-30%。

体积方面，由于各家企业布局不一样，有从长度、宽度、高度不同方向去压缩体积。以磁极60 kW模块电源的磁性元件为例，单个30kW磁集成变压器（主变+谐振）体积为 110 mm*80 mm*70 mm，以前半集成产品体积为150mm*85 mm*85 mm（不含独立电感的体积）。

泰科斯德杨习斌：目前的磁集成方案主要就是希望利用漏感，把谐振电感集成到变压器上，CLLLC和LLC等单双向电路拓扑结构都会采用这种方案，统称为漏感磁集成，这样会在空间和成本上有比较大的优势。我们的方案有几个特点：一是漏感可调余地大，能做到整个电感的10%-20%；二是不增加额外的磁芯和绕组，可以完全省掉谐振电感的成本；三是不影响变压器耦合，变压器依然能够保持高效工作。综合来看，体积可以减少20%-30%，并且可以完全省掉谐振电感的成本。

安可远王理平：目前20kW-60kW充电桩模块电源均有采用磁集成技术，目前应用最多的就是LLC电路中把主变压器和谐振电感集成在一起。一方面磁性元件产品体积小了，PCB布局可以更灵活，另一方面成本也更低。

此外还有PFC电感的集成，以前是三颗独立电感，现在也集成为一颗，目前来看这个产品节约成本的优势还没有体现出来，但体积缩小了20%。

目前磁集成技术在实际应用中主要面临哪些难题和挑战？

福州大学陈为：一是体积变小以后，对磁性元件企业的设计能力要求更高，否则磁性元件温升过高，热散不出去，目前磁性元件企业的设计能力相比电源企业要差一些；

二是磁芯需要定制，无法套用现有磁芯；

三是配套的检测要跟上，集成以后功能更多也更复杂，检测也比以前更复杂，需要匹配对应的检测手段，目前还没有专门的仪器，当然也不是无法检测，只是这个检测的数据只能用来进行品质控制；

四是需要大规模应用场景才能落地磁集成产品，因为都是定制化产品，量太小企业配合意愿可能相对就没那么高了。

优优绿能朱翔：最主要的挑战就是大功率、高电压趋势下，对于充电桩、模块电源乃至磁性元件都提出了更高要求，像效率效率的要求，包括前面提到的体积要求，相同的体积，功率要从30kW提高至40kW甚至60kW，功率密度是大幅提高的，可能要到68W/cm3，这么高的功率密度，对元器件同样会向上传递这个要求，体积要做的更小，频率要更高，散热要求更高。

奥特迅张文勇：磁集成最大的难点应该就在散热方面。原本独立的变压器和电感，他们是分开散热的，集成后需要散出去的热量是没有变化的，如果没有针对性做散热方面的优化设计，等于散热条件更严酷了，无法在缩小体积的同时解决好散热问题。

泰科斯德杨习斌：漏感磁集成需要对漏感进行精准控制，且漏感足够大才能做成谐振电感，同时要保证变压器效率不会降低、不会额外发热、不会额外增加成本，需要满足的条件是比较苛刻的，目前市面上漏感磁集成方案很多，但真正满足上述所有要求的并不多。

目前充电桩模块电源有几个挑战，一是希望体积更小；二是希望成本更低，因为现在卷的非常厉害；三是散热问题如何解决。

而这三点最终都会在磁性元件上面有所体现。以现在市面上比较多的磁集成方案为例，还是会增加额外的磁芯、绕组，但通过共用部分磁路，依然能够节省20%左右的成本，体积也得到了一定程度的缩小，而我们希望实现的是把谐振电感的成本彻底省掉；

最大的挑战是散热问题，比如非独立风道、独立风道、液冷等方式，散热问题还是比较难解决的，随着产品功率越来越大、频率越来越高，磁集成以后，共用部分磁路会非常热，高频损耗也非常高，且在线包里散不出来，磁集成方案需要通过什么样的路径把这些热散出去，甚至配合客户风道的设计，都是比较大的挑战，或者说是目前业界所面临的优劣选择。

目前市面上也有不少方案，一是磁芯中间开孔，肯定是有利于线包散热的，但必须经过严格的磁路仿真，否则开在磁密高的地方，这里的磁路就没法用了；二是将气隙开在磁芯侧面的位置上，并配合整个电源系统的风道进行散热；三是尽量将绕组包裹，避免线圈裸露导致漏磁，从而减少发热。

安可远王理平：第一是颠覆大家的想象，很多人以前也没有针对这方面的研究，觉得不可能实现，比如这么大的磁芯理论上压力是不够的，无法一体成型等；

第二是整个产业链生态都要跟着适应调整，磁芯要重新定制开模，设备要更新换代，磁集成技术之所以没有普及应用，很大一部分原因就是很多企业觉得这样全部重做一遍太麻烦了；

第三是需要在电源企业前期产品设计阶段介入，配合电源企业进行产品研发，对磁性元件企业设计能力要求高；第四是需要产品能够起量，只有大规模应用才能激发企业往这个方向走。

磁集成技术能否实现普及应用？

奥特迅张文勇：我觉得现在已经在逐步普及应用了。据我了解磁集成技术应该是20年前就有了，早期主要是应用在功率较小的产品上，LLC电路最早应用磁集成技术的应该是电视机电源，近几年开始逐步向大功率产品普及，比如目前的车载OBC产品已经批量采用磁集成方案。

其实从应用端角度看，不管是充电模块、车载OBC还是光伏储能等等，电路原理是相似的，所以我认为磁集成应用到充电桩产品，理论上是没有问题的，而且也可有效缩小体积、降低成本，我觉得这个应该是可以普及下去的。

磁极海来布曲：这是磁性元件未来的趋势。十年前可能随便加工一个产品就能把企业延续下去，但未来这种情况不会再有，竞争只会越来越激烈。以充电桩模块电源为例，20/30/40kW模块可能只有5%-10%的企业采用磁集成产品，但60kW模块电源，50%企业都在开发磁集成产品，想办法突破相关技术难题。

泰科斯德杨习斌：一定要普及的。在达到基本功能和性能要求的前提下，电源行业最核心的关键点，一是成本，二是效率，三是体积，这也是当前电源行业普遍趋同的原因，电路拓扑已经很多年没有发生大的变化，甚至功率器件等标品大家也都可以买到差不多的产品，只能在磁性元件等非标产品上进行竞争，电路板布局、风道设计以及磁性元件。

磁集成是可以帮助客户有效解决这三大核心需求的，我认为对磁性元件而言，已经到了需要通过精细化计算、磁集成方案帮助电源企业树立竞争优势的阶段，必须要在磁集成这条路上继续前进。

磁集成产品的应用对磁性元件和自动化设备厂商提出了哪些新的要求？在开发磁集成充电桩模块电源产品过程中，您希望在上游供应商提供哪些配合？

优优绿能朱翔：在新产品研发前期，针对整个模块的指标、对产品的选型以及EMC的相关指标，肯定要跟功率器件、磁性元件供应商进行同步沟通，需要供应商在前期的产品设计阶段介入。另外当前市场竞争也愈发激烈，给我们的时间也越来越短，不像以前一两年做一款产品，可以卖四五年，现在一个产品从立项到送样，也就半年时间，时效性要求是非常高的，对供应商的响应速度要求也是非常高的。

奥特迅张文勇：一是前面提到的散热，一旦温升过高容易导致铁氧体磁芯开裂，绝缘系统可靠性也会降低；二是产品的一致性，这两者都需要磁性元件、磁材企业在材料、设计和工艺上有所突破，比如说新的磁芯形状、漏感的处理方式、开气隙的方式、绕组绕制工艺的改良等，都需要磁性元件和磁材企业有一定研究，才能保证磁集成产品良好的散热性能和可靠性。

磁极海来布曲：大功率的磁性元件，每家做出来的产品规格、尺寸以及材料用量都不一样，对磁性元件企业的设计能力提出了全新的要求，需要具备项目开发能力，也需要磁性元件研发工程师既懂电路原理又深谙电磁理论，对磁路共用、磁路抵消能够进行精确计算。“既懂电又懂磁”将会是未来磁性元件研发工程师标配。对于整个磁性元件产业链而言，也会造成深刻影响，磁性元件企业需要重新开模，调整产线，设备企业也要研发对应的自动化生产设备

泰科斯德杨习斌：对磁性元件企业的设计能力提出了较高的要求，随着磁性元件进一步精细化，加上终端产品迭代周期加快，电源工程师会越来越缺乏精力去专心研究磁性元件，而且不同厂家的电源方案也没法套用同一套磁性元件方案，不同的电路拓扑，对磁集成产品的定义是完全不一样的，磁性元件越来越深刻地跟电源耦合在一块，能否提供一套有效的产品解决方案满足电路的需求显得至关重要。

对自动化设备企业而言，未来会越来越强调柔性制造，因为工艺越来越精细，越来越复杂，且在不断加速变化，不像以前一套工艺解决所有问题。

对绝缘系统而言，我个人认为目前还没有一套比较好的绝缘系统，比如说现在做大功率产品的绝缘系统，用的最多的聚酰亚胺薄膜（PI膜）有个天然劣势是导热差，导致热散不出去，未来需要新的绝缘材料解决散热问题。

我们现在跟电源企业合作过程中，基本上是前期客户给我们磁性元件的参数，我们进行整套磁性元件方案的设计、磁仿真、热仿真并最终出样。

结语

综合对话嘉宾的观点看，目前在充电桩模块电源领域，20/30/40/60kW模块电源产品均有应用到磁集成技术，其中30kW模块电源应用较多，还有模块电源企业提到，40kW模块电源产品沿用了30kW的尺寸和接口，若大家都采用这种思路，未来40kW及更高功率的产品则必须实现某种程度的磁集成。

对充电桩模块电源企业而言，磁集成技术带来的好处是显而易见，至少从目前已推出市面的部分磁集成产品来看，成本可降低20%-30%，体积可缩小20%以上。

在具体的实现路径上，虽然各家企业产品方案在电路拓扑细节方面略有差别，但总体上不脱离前级PFC+后级LLC（或CLLLC）的电路拓扑结构，其中前级PFC功率电路中3颗电感可通过共用磁路方式实现集成以缩小体积，后级LLC（或CLLLC）电路中可通过主变压器+谐振电感集成以实现降低成本、减小体积的目的。

对磁性元件企业而言，则需要在模块电源企业产品研发阶段就参与其中，要求企业具备项目配合的研发设计能力，对企业的人才也提出了新的要求：既懂磁又懂电。

对设备企业而言，这也可能带来新一轮的市场机遇，就目前已面世的磁集成产品而言，均无法通过原有产线生产，需要重新开模、对产线进行升级甚至更新才能满足新产品形态的生产需求。

我们始终相信，只有材料的突破、技术的创新、产品的迭代和工艺的改进所带来的降本才是可持续的，一味压缩供应链和材料的方式并不足取，甚至会适得其反。磁集成技术恰好能够满足电源企业成本、效率和体积三大核心竞争需求，在可预见的未来将会为产业链的降本带来积极的推动作用。