如何解决汽车大功率集成磁元件的散热难题？

汽车大功率集成磁元件的散热难题

普莱默发布的3DPower™产品，第一次将两个磁元件集成在一起，共用一个磁芯，实现了磁芯内所有点上都有两个正交磁场。

行业：电力电子学、动力系统、EV/ HEV

作者：Hector Perdomo Díaz，Juan Manuel Codes Troyano与MSMP Power GmbH合作

本文将重点讨论普莱默在3DPower^™散热技术方面取得的进步。磁集成的最大优点是同一元件的体积比离散方案的小。但增加功率密度会导致部件温度升高。

3DPOWER介绍

3DPower^™壶型磁芯采用定制的壶型磁芯形状，是由2个感应元件集成在一起。其中一个位于壶型磁芯机体上，另一个位于壶型磁芯外侧，如同一个螺旋管。它帮助我们解决了集成磁元件的工程难题：在本产品中，由一个扼流圈和一个变压器组成。不同于其他磁集成技术，3DPower^™中这两个元件共用一个磁芯体积。因此，将一个元件的磁场设计成与另一元件的磁场正交，从而产生两个独立且完全解耦的磁性元件。

图1：壶型磁芯解决方案（左）；截面详图（右）

如图1 所示，铁氧体磁芯（70a）内部有一个绕组；另一个正交绕组在外侧（70b/c/d）。磁学设计者都知道大批量生成中铁氧体磁芯易碎，尤其在机器加工绕组时。因此，需要在磁芯上覆盖一层线圈。读者可以想象出磁芯含有一个几十安培的绕组，外部覆盖一层塑料线圈且线圈上也有电线，它的温度会有多高；并且由于磁芯损耗，也导致磁芯自身发热。

通常，过热故障不仅是由整体温度升高引起的，而且也是因为存在过热点。过热点会在铁氧体磁芯形成温度梯度，可能会导致破碎或者性能降低。因此，产品的主要目标是在元件之间建立良好的热熔体，避免形成过热点，并且确保冷却系统散热性能良好。

普莱默可以提供完全定制化的 3DPower^™方案。但由于其几何形状局限，主要应用包括移相全桥谐振LLC DCDC转换器。虽然该产品的输出功率范围为1 kW至11 kW，但可以按照需求增加产品的功率等级。图2描述了我们的一项新进展，一个磁芯集成三个磁元件（1个变压器和2个电感器）。图2 只是给出一个示例，说明利用我们的技术如何容易将磁元件集成在一起。

图2：3.5kW LLC转换器由降压变压器+串联电感器+并联传感器组成

热熔体

正确的设计和广泛的材料选择是热性能的关键因素。下图为11kW变压器，其绕组由立体平版3D打印技术制成，在磁芯底部采用水冷却。它的电线部分比磁芯温度高，尤其是在底部。

图3：11kW载荷变压器的红外图像（左）；11kW变压器概览图

该方案包括在线圈上使用导热塑料材料，在电线和磁芯之间形成热熔体，例如使用导热垫或热液体间隙填充材料。在3DPower^™产品中，使用热液体间隙填充材料，确保在线圈、绕组和磁芯之间形成可靠的热熔体。

磁芯粘合剂

磁芯组分为两半。将两个磁芯结合的最简单和最经济的方法是使用胶带，这是廉价和小型变压器的常用办法。这虽然不影响磁路，但两个磁芯之间的热阻很高。因此，当其中一个磁芯安装散热器时，另一个磁芯的温度梯度也很高，可能会导致铁氧体破碎。

图4：使用不同粘合剂磁芯组的温度梯度变化：标准粘合剂（上）、高导热胶（下）

在我们的研发设施内进行了测试，结果显示，当使用标准粘合剂时，两个半磁芯之间的温度梯度是高导热胶的2倍。不仅铁氧体容易破碎，而且由于电感随温度变化，两个磁芯的磁阻不同，导致性能不佳。

线圈塑料材料

如上所述，壶型磁芯将覆盖一层塑料线圈，以在绕组过程中保护铁氧体和保护电绝缘。如果使用自然对流或强制对流，线圈会暴露在空气中，如果使用水冷却，线圈会与冷却板接触。

我们测试了三种不同塑料材料的自然对流。第一种塑料材料是常用的液晶聚合物（LCP），导热率~0.5 W/m?K ，第二种是PA6基化合物（聚酰胺），导热率1.2W/m?K，第三种也是PA6塑料材料，导热率4W/m?K。在内部采用热电偶制备三个样本，在同一操作点进行测试。记录它们的温度测量值，并用最小二乘法进行拟合（方程1）。该方程式将热模型简化为集总电容模型。

图5：测试期间LCP的红外图像

结果显示三个样本的最终温度相同。但导热率更高的PA6达到温度稳定要比其他样本快2倍。这表明集总电容模型方程中PA6 4W/m?K样本的“tau”系数比其他样本减半。

图表1：不同线圈塑料材料的测试结果

快速响应系统显示对温度变化“反映”更快、散热更快，从而降低铁氧体破碎或产生过热点的风险。因此，在这种情况下，使用高导热塑料材料对部件的热性能产生了显著的影响。我们将在下一章中讨论这是否适用于强制传导方法。

树脂

在电动汽车/混合动力汽车中，所有大功率磁元件必须采用强制冷却技术来降温。由于半导体功率模块连接冷却板，也可用来安装电磁元件。大多数客户只使用导热垫，但整个行业越来越趋向于使用树脂密封整个车载充电器或功率转换器。由树脂散热和电绝缘性能良好，因此减少了电力电子元件的尺寸。

我们使用PA6 4W/m?K和LCP样本进行了测试，二者均安装在铝箱内，采用汽车用硅树脂密封。将铝箱安装在冷却板上，中间采用导热垫，如图6所示。该测试的目的是检验导热塑料材料使用树脂密封时是否能提高整体设计。

图6：冷却板的测试装置

结果确定了样本的温度相似，温度差仅为4ºC，如果我们考虑热电偶的准确性和建立样本间的差异性，这可以忽略不计。PA6样本的系统时间响应更慢一些（慢25%）。

大功率测试装置

为在所有负荷条件下测试3DPower™磁元件的电气和热性能，使用了MSPM Power GmbH提供的大功率测试装置。TTG1000SIC方波发生器是测试设备的主要部件，生成的方波信号高达1000V。方波频率的范围可以设置为10 kHz至450 kHz，也可以将占空比设置为0-100%。使用外部全波整流模块（PCK模块），与变压器或共振电路的二次侧连接，将AC信号转化为DC电压。使用该测试装置，能够很容易地在真实条件下表征磁元件。

图7：大功率测试设备

结论

元件的可靠性是一个经常被遗忘的性能点；通常只有在出现问题时才会关注这一点。大多数可靠性问题都与温度相关：着火、参数改变、铁氧体破碎、性能下降等。因此，工程师必须设计和选择最优材料来提高产品的热性能。

本文描述了在不同情景中选择最优材料的相关性。首先，强调在变压器的所有元件之间建立良好的热熔体，实现热到冷却源之间的连续路径。

然后我们在测试中检验了像磁芯粘合剂这样的简单东西是如何将温度梯度从18℃降低到9℃的。

最后，我们确定了在某些情况下良好的导热塑料材料也可以提高散热性能；但在其他情况下则不能。当用树脂密封部件时，标准液晶聚合物塑料上的高导热塑料材料根本不会提高散热性能。树脂成本更高，因此照例最终决定是进行性价比权衡来选择材料。