基于纳米晶软磁复合漏磁芯的LLC磁集成变压器设计及其功率密度提升研究

《CES Transactions on Electrical Machines and Systems》：Design of LLC Magnetically Integrated Transformer Based on Nanocrystalline Soft Magnetic Composite Leakage Core

本文针对传统LLC谐振变换器中变压器漏感调节灵敏度低、输出功率受限的难题，提出了一种基于纳米晶软磁复合漏磁芯的新型磁集成变压器结构。通过精确调控SMC材料的磁导率，实现了漏感参数的灵活定制，在保持95%以上满载效率的同时，将初级输入有功功率提升至206.9W，为高功率密度电力电子设备的小型化提供了创新解决方案。

　　

随着电力电子设备向高频化、高功率密度方向快速发展，传统分立磁件因体积大、损耗高、电磁干扰强等问题日益凸显。磁集成技术通过将变压器与电感等磁元件一体化设计，能有效缩减系统体积、优化磁通分布，尤其在新能源汽车车载充电器、数据中心电源等空间敏感领域展现出巨大潜力。然而，在LLC、CLLC等谐振变换器拓扑中，如何实现宽范围、高精度的漏感调控始终是磁集成设计的核心挑战。传统通过调节气隙宽度的方法存在调节灵敏度低、漏磁通易引起附加涡流损耗等问题，严重制约着设备小型化进程。

为解决上述问题，沈阳工业大学特种电机与高压电器重点实验室的研究团队在《CES Transactions on Electrical Machines and Systems》上发表了创新性研究成果。该研究设计了一种基于纳米晶软磁复合漏磁芯的LLC磁集成变压器，通过材料级创新突破了传统结构的性能瓶颈。

研究采用多项关键技术方法：首先建立磁路模型与有限元仿真相结合的设计体系，对漏磁芯磁导率(μ_SMC)和厚度(h)进行参数化扫描分析；其次通过调控酚醛树脂包覆层厚度实现纳米晶SMC磁导率从7.99到14.95的精确可调；最后基于GU30磁芯构建实验原型，采用阻抗分析仪测量漏感L_r=106.5μH与激磁电感L_m=369.6μH，并通过实际电路验证变换器性能。

磁集成原理与设计方法

研究采用GU系列罐型磁芯，将初级次级绕组分别绕制，主磁通路径采用铁氧体，漏磁通路则采用SMC材料。通过等效磁路分析推导出漏感计算公式L_k≈N₁²μ₀μ_SMCl_ch/l_w，证实漏感与SMC磁导率及芯厚度呈正相关。有限元仿真显示该设计可实现电感比L_n=L_m/L_r在2.0-9.9范围内可调，显著优于传统气隙调节方式。

纳米晶SMC磁性能调制机制

通过微观结构建模揭示绝缘层厚度系数f_gap和气隙体积分数f_pore对磁导率的影响规律。实验采用NC1-E纳米晶粉末，通过调控酚醛树脂添加量(1.0-2.0g)成功制备出磁导率差异显著的三种样品。测量结果表明理论计算与实测值误差小于5.3%，验证了通过绝缘层厚度调控磁导率方法的可行性。

原型验证与性能对比

在输入电压389.1V、开关频率110kHz条件下，所研制变压器实现40.15V/201.5W输出，效率达95.9%。与传统空气漏磁芯变压器对比实验表明，在相同尺寸下，SMC漏磁芯设计的初级输入有功功率(206.9W)达到传统设计(84.5W)的2.45倍。这主要归因于SMC设计所需匝数更少(初级28匝vs52匝)，允许使用更粗的利兹线，显著提升了电流承载能力。

研究结论表明，纳米晶SMC漏磁芯技术通过材料级创新解决了磁集成变压器参数调控的共性难题。其磁导率可调特性为漏感设计提供了新维度，而高饱和磁密(1.25T)与低损耗特性确保了高频工作稳定性。该技术可延伸至PQ、EE等系列磁芯结构，为便携式电子设备电源适配器等场景的功率密度提升提供了可靠路径，标志着磁性元件设计从结构优化向材料-结构协同设计的重要转变。