【導讀】本文將重點討論普萊默在3DPower™散熱技術方麵取得的進步。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™壺型磁芯采用定製的壺型磁芯形狀，是由2個(ge)感(gan)應(ying)元(yuan)件(jian)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)位(wei)於(yu)壺(hu)型(xing)磁(ci)芯(xin)機(ji)體(ti)上(shang)，另(ling)一(yi)個(ge)位(wei)於(yu)壺(hu)型(xing)磁(ci)芯(xin)外(wai)側(ce)，如(ru)同(tong)一(yi)個(ge)螺(luo)旋(xuan)管(guan)。它(ta)幫(bang)助(zhu)我(wo)們(men)解(jie)決(jue)了(le)集(ji)成(cheng)磁(ci)元(yuan)件(jian)的(de)工(gong)程(cheng)難(nan)題(ti)：在本產品中

，由一個扼流圈和一個變壓器組成。不同於其他磁集成技術
，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）
；截麵詳圖（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ci學xue設she計ji者zhe都dou知zhi道dao大da批pi量liang生sheng成cheng中zhong鐵tie氧yang體ti磁ci芯xin易yi碎sui，尤you其qi在zai機ji器qi加jia工gong繞rao組zu時shi。因yin此ci，需xu要yao在zai磁ci芯xin上shang覆fu蓋gai一yi層ceng線xian圈quan。讀du者zhe可ke以yi想xiang象xiang出chu磁ci芯xin含han有you一yi個ge幾ji十shi安an培pei的de繞rao組zu，外wai部bu覆fu蓋gai一yi層ceng塑su料liao線xian圈quan且qie線xian圈quan上shang也ye有you電dian線xian，它ta的de溫wen度du會hui有you多duo高gao
；並且由於磁芯損耗，也導致磁芯自身發熱。

通tong常chang，過guo熱re故gu障zhang不bu僅jin是shi由you整zheng體ti溫wen度du升sheng高gao引yin起qi的de，而er且qie也ye是shi因yin為wei存cun在zai過guo熱re點dian。過guo熱re點dian會hui在zai鐵tie氧yang體ti磁ci芯xin形xing成cheng溫wen度du梯ti度du，可ke能neng會hui導dao致zhi破po碎sui或huo者zhe性xing能neng降jiang低di。因yin此ci，產chan品pin的de主zhu要yao目mu標biao是shi在zai元yuan件jian之zhi間jian建jian立li良liang好hao的de熱re熔rong體ti
，避bi免mian形xing成cheng過guo熱re點dian，並bing且qie確que保bao冷leng卻que係xi統tong散san熱re性xing能neng良liang好hao。

普萊默可以提供完全定製化的 3DPower™方案。但由於其幾何形狀局限
，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範圍為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 隻是給出一個示例
，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+並聯傳感器組成

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打印技術製成，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(ci)芯(xin)組(zu)分(fen)為(wei)兩(liang)半(ban)。將(jiang)兩(liang)個(ge)磁(ci)芯(xin)結(jie)合(he)的(de)最(zui)簡(jian)單(dan)和(he)最(zui)經(jing)濟(ji)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)膠(jiao)帶(dai)，這(zhe)是(shi)廉(lian)價(jia)和(he)小(xiao)型(xing)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)常(chang)用(yong)辦(ban)法(fa)。這(zhe)雖(sui)然(ran)不(bu)影(ying)響(xiang)磁(ci)路(lu)，但(dan)兩(liang)個(ge)磁(ci)芯(xin)之(zhi)間(jian)的(de)熱(re)阻(zu)很(hen)高(gao)。因(yin)此(ci)
，當(dang)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)磁(ci)芯(xin)安(an)裝(zhuang)散(san)熱(re)器(qi)時(shi)


，另(ling)一(yi)個(ge)磁(ci)芯(xin)的(de)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)也(ye)很(hen)高(gao)，可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)鐵(tie)氧(yang)體(ti)破(po)碎(sui)。

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，而且由於電感隨溫度變化
，兩個磁芯的磁阻不同，導致性能不佳。

線圈塑料材料

如(ru)上(shang)所(suo)述(shu)，壺(hu)型(xing)磁(ci)芯(xin)將(jiang)覆(fu)蓋(gai)一(yi)層(ceng)塑(su)料(liao)線(xian)圈(quan)
，以(yi)在(zai)繞(rao)組(zu)過(guo)程(cheng)中(zhong)保(bao)護(hu)鐵(tie)氧(yang)體(ti)和(he)保(bao)護(hu)電(dian)絕(jue)緣(yuan)。如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)自(zi)然(ran)對(dui)流(liu)或(huo)強(qiang)製(zhi)對(dui)流(liu)
，線(xian)圈(quan)會(hui)暴(bao)露(lu)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)

，如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)水(shui)冷(leng)卻(que)，線(xian)圈(quan)會(hui)與(yu)冷(leng)卻(que)板(ban)接(jie)觸(chu)。

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。在內部采用熱電偶製備三個樣本，在同一操作點進行測試。記錄它們的溫度測量值，並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”係數比其他樣本減半。

圖表1：不同線圈塑料材料的測試結果

快速響應係統顯示對溫度變化“反映”更快、散san熱re更geng快kuai

，從cong而er降jiang低di鐵tie氧yang體ti破po碎sui或huo產chan生sheng過guo熱re點dian的de風feng險xian。因yin此ci，在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，使shi用yong高gao導dao熱re塑su料liao材cai料liao對dui部bu件jian的de熱re性xing能neng產chan生sheng了le顯xian著zhu的de影ying響xiang。我wo們men將jiang在zai下xia一yi章zhang中zhong討tao論lun這zhe是shi否fou適shi用yong於yu強qiang製zhi傳chuan導dao方fang法fa。

樹脂

在電動汽車/混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)中(zhong)，所(suo)有(you)大(da)功(gong)率(lv)磁(ci)元(yuan)件(jian)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)強(qiang)製(zhi)冷(leng)卻(que)技(ji)術(shu)來(lai)降(jiang)溫(wen)。由(you)於(yu)半(ban)導(dao)體(ti)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)連(lian)接(jie)冷(leng)卻(que)板(ban)
，也(ye)可(ke)用(yong)來(lai)安(an)裝(zhuang)電(dian)磁(ci)元(yuan)件(jian)。大(da)多(duo)數(shu)客(ke)戶(hu)隻(zhi)使(shi)用(yong)導(dao)熱(re)墊(dian)

，但(dan)整(zheng)個(ge)行(xing)業(ye)越(yue)來(lai)越(yue)趨(qu)向(xiang)於(yu)使(shi)用(yong)樹(shu)脂(zhi)密(mi)封(feng)整(zheng)個(ge)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)器(qi)或(huo)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。由(you)樹(shu)脂(zhi)散(san)熱(re)和(he)電(dian)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)良(liang)好(hao)，因(yin)此(ci)減(jian)少(shao)了(le)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)。

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
，采用汽車用矽樹脂密封。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。

圖6：冷卻板的測試裝置

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樣本的係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。方波頻率的範圍可以設置為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；通常隻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(ben)文(wen)描(miao)述(shu)了(le)在(zai)不(bu)同(tong)情(qing)景(jing)中(zhong)選(xuan)擇(ze)最(zui)優(you)材(cai)料(liao)的(de)相(xiang)關(guan)性(xing)。首(shou)先(xian)，強(qiang)調(tiao)在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)所(suo)有(you)元(yuan)件(jian)之(zhi)間(jian)建(jian)立(li)良(liang)好(hao)的(de)熱(re)熔(rong)體(ti)，實(shi)現(xian)熱(re)到(dao)冷(leng)卻(que)源(yuan)之(zhi)間(jian)的(de)連(lian)續(xu)路(lu)徑(jing)。

然後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。

最後，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(dan)在(zai)其(qi)他(ta)情(qing)況(kuang)下(xia)則(ze)不(bu)能(neng)。當(dang)用(yong)樹(shu)脂(zhi)密(mi)封(feng)部(bu)件(jian)時(shi)，標(biao)準(zhun)液(ye)晶(jing)聚(ju)合(he)物(wu)塑(su)料(liao)上(shang)的(de)高(gao)導(dao)熱(re)塑(su)料(liao)材(cai)料(liao)根(gen)本(ben)不(bu)會(hui)提(ti)高(gao)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)。樹(shu)脂(zhi)成(cheng)本(ben)更(geng)高(gao)，因(yin)此(ci)照(zhao)例(li)最(zui)終(zhong)決(jue)定(ding)是(shi)進(jin)行(xing)性(xing)價(jia)比(bi)權(quan)衡(heng)來(lai)選(xuan)擇(ze)材(cai)料(liao)。

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

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