如何解決汽車大功率集成磁元件的散熱難題

汽車大功率集成磁元件的散熱難題

普萊默發布的3DPower?產品，第一次將兩個磁元件集成在一起，共用一個磁芯，實現了磁芯內所有點上都有兩個正交磁場。

行業：電力電子學、動力系統、EV/ HEV

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

本文將重點討論普萊默在3DPower?散熱技術方面取得的進步。磁集成的最大優點是同一元件的體積比離散方案的小。但增加功率密度會導致部件溫度升高。

3DPOWER介紹

3DPower?壺型磁芯采用定制的壺型磁芯形狀，是由2個感應元件集成在一起。其中一個位于壺型磁芯機體上，另一個位于壺型磁芯外側，如同一個螺旋管。它幫助我們解決了集成磁元件的工程難題：在本產品中，由一個扼流圈和一個變壓器組成。不同于其他磁集成技術，3DPower?中這兩個元件共用一個磁芯體積。因此，將一個元件的磁場設計成與另一元件的磁場正交，從而產生兩個獨立且完全解耦的磁性元件。

圖1：壺型磁芯解決方案（左）；截面詳圖（右）

如圖1 所示，鐵氧體磁芯（70a）內部有一個繞組；另一個正交繞組在外側（70b/c/d）。磁學設計者都知道大批量生成中鐵氧體磁芯易碎，尤其在機器加工繞組時。因此，需要在磁芯上覆蓋一層線圈。讀者可以想象出磁芯含有一個幾十安培的繞組，外部覆蓋一層塑料線圈且線圈上也有電線，它的溫度會有多高；并且由于磁芯損耗，也導致磁芯自身發熱。

通常，過熱故障不僅是由整體溫度升高引起的，而且也是因為存在過熱點。過熱點會在鐵氧體磁芯形成溫度梯度，可能會導致破碎或者性能降低。因此，產品的主要目標是在元件之間建立良好的熱熔體，避免形成過熱點，并且確保冷卻系統散熱性能良好。

普萊默可以提供完全定制化的3DPower?方案。但由于其幾何形狀局限，主要應用包括移相全橋諧振LLC DCDC轉換器。雖然該產品的輸出功率范圍為1 kW至11 kW，但可以按照需求增加產品的功率等級。圖2描述了我們的一項新進展，一個磁芯集成三個磁元件（1個變壓器和2個電感器）。圖2 只是給出一個示例，說明利用我們的技術如何容易將磁元件集成在一起。

圖2：3.5kW LLC轉換器由降壓變壓器+串聯電感器+并聯傳感器組成

熱熔體

正確的設計和廣泛的材料選擇是熱性能的關鍵因素。下圖為11kW變壓器，其繞組由立體平版3D打印技術制成，在磁芯底部采用水冷卻。它的電線部分比磁芯溫度高，尤其是在底部。

圖3：11kW載荷變壓器的紅外圖像（左）；11kW變壓器概覽圖

該方案包括在線圈上使用導熱塑料材料，在電線和磁芯之間形成熱熔體，例如使用導熱墊或熱液體間隙填充材料。在3DPower?產品中，使用熱液體間隙填充材料，確保在線圈、繞組和磁芯之間形成可靠的熱熔體。

磁芯粘合劑

磁芯組分為兩半。將兩個磁芯結合的最簡單和最經濟的方法是使用膠帶，這是廉價和小型變壓器的常用辦法。這雖然不影響磁路，但兩個磁芯之間的熱阻很高。因此，當其中一個磁芯安裝散熱器時，另一個磁芯的溫度梯度也很高，可能會導致鐵氧體破碎。

圖4：使用不同粘合劑磁芯組的溫度梯度變化：標準粘合劑（上）、高導熱膠（下）

在我們的研發設施內進行了測試，結果顯示，當使用標準粘合劑時，兩個半磁芯之間的溫度梯度是高導熱膠的2倍。不僅鐵氧體容易破碎，而且由于電感隨溫度變化，兩個磁芯的磁阻不同，導致性能不佳。

線圈塑料材料

如上所述，壺型磁芯將覆蓋一層塑料線圈，以在繞組過程中保護鐵氧體和保護電絕緣。如果使用自然對流或強制對流，線圈會暴露在空氣中，如果使用水冷卻，線圈會與冷卻板接觸。

我們測試了三種不同塑料材料的自然對流。第一種塑料材料是常用的液晶聚合物（LCP），導熱率~0.5 W/m·K ，第二種是PA6基化合物（聚酰胺），導熱率1.2W/m·K，第三種也是PA6塑料材料，導熱率4W/m·K。在內部采用熱電偶制備三個樣本，在同一操作點進行測試。記錄它們的溫度測量值，并用最小二乘法進行擬合（方程1）。該方程式將熱模型簡化為集總電容模型。

圖5：測試期間LCP的紅外圖像

結果顯示三個樣本的最終溫度相同。但導熱率更高的PA6達到溫度穩定要比其他樣本快2倍。這表明集總電容模型方程中PA6 4W/m·K樣本的“tau”系數比其他樣本減半。

圖表1：不同線圈塑料材料的測試結果

快速響應系統顯示對溫度變化“反映”更快、散熱更快，從而降低鐵氧體破碎或產生過熱點的風險。因此，在這種情況下，使用高導熱塑料材料對部件的熱性能產生了顯著的影響。我們將在下一章中討論這是否適用于強制傳導方法。

樹脂

在電動汽車/混合動力汽車中，所有大功率磁元件必須采用強制冷卻技術來降溫。由于半導體功率模塊連接冷卻板，也可用來安裝電磁元件。大多數客戶只使用導熱墊，但整個行業越來越趨向于使用樹脂密封整個車載充電器或功率轉換器。由樹脂散熱和電絕緣性能良好，因此減少了電力電子元件的尺寸。

我們使用PA6 4W/m·K和LCP樣本進行了測試，二者均安裝在鋁箱內，采用汽車用硅樹脂密封。將鋁箱安裝在冷卻板上，中間采用導熱墊，如圖6所示。該測試的目的是檢驗導熱塑料材料使用樹脂密封時是否能提高整體設計。

結果確定了樣本的溫度相似，溫度差僅為4oC，如果我們考慮熱電偶的準確性和建立樣本間的差異性，這可以忽略不計。PA6樣本的系統時間響應更慢一些（慢25%）。

大功率測試裝置

為在所有負荷條件下測試3DPower?磁元件的電氣和熱性能，使用了MSPM Power GmbH提供的大功率測試裝置。TTG1000SIC方波發生器是測試設備的主要部件，生成的方波信號高達1000V。方波頻率的范圍可以設置為10 kHz至450 kHz，也可以將占空比設置為0-100%。使用外部全波整流模塊（PCK模塊），與變壓器或共振電路的二次側連接，將AC信號轉化為DC電壓。使用該測試裝置，能夠很容易地在真實條件下表征磁元件。

圖7：大功率測試設備

結論

元件的可靠性是一個經常被遺忘的性能點；通常只有在出現問題時才會關注這一點。大多數可靠性問題都與溫度相關：著火、參數改變、鐵氧體破碎、性能下降等。因此，工程師必須設計和選擇最優材料來提高產品的熱性能。

本文描述了在不同情景中選擇最優材料的相關性。首先，強調在變壓器的所有元件之間建立良好的熱熔體，實現熱到冷卻源之間的連續路徑。

然后我們在測試中檢驗了像磁芯粘合劑這樣的簡單東西是如何將溫度梯度從18℃降低到9℃的。

最后，我們確定了在某些情況下良好的導熱塑料材料也可以提高散熱性能；但在其他情況下則不能。當用樹脂密封部件時，標準液晶聚合物塑料上的高導熱塑料材料根本不會提高散熱性能。樹脂成本更高，因此照例最終決定是進行性價比權衡來選擇材料。