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(fā)布的3DPower?產(chǎn)品，第一次將兩個(gè)磁元件集成在一起，共用一個(gè)磁芯，實(shí)現(xiàn)了磁芯內(nèi)所有點(diǎn)上都有兩個(gè)正交磁場(chǎng)。

行業(yè)：電力電子學(xué)、動(dòng)力系統(tǒng)、EV/ HEV

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

本文將重點(diǎn)討論普萊默在3DPower?散熱技術(shù)方面取得的進(jìn)步。磁集成的最大優(yōu)點(diǎn)是同一元件的體積比離散方案的小。但增加功率密度會(huì)導(dǎo)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(gè)感應(yīng)元件集成在一起。其中一個(gè)位于壺型磁芯機(jī)體上，另一個(gè)位于壺型磁芯外側(cè)，如同一個(gè)螺旋管。它幫助我們解決了集成磁元件的工程難題：在本產(chǎn)品中，由一個(gè)扼流圈和一個(gè)變壓器組成。不同于其他磁集成技術(shù)，3DPower?中這兩個(gè)元件共用一個(gè)磁芯體積。因此，將一個(gè)元件的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)成與另一元件的磁場(chǎng)正交，從而產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)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(nèi)部有一個(gè)繞組；另一個(gè)正交繞組在外側(cè)（70b/c/d）。磁學(xué)設(shè)計(jì)者都知道大批量生成中鐵氧體磁芯易碎，尤其在機(jī)器加工繞組時(shí)。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(gè)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(huì)有多高；并且由于磁芯損耗，也導(dǎo)致磁芯自身發(fā)熱。

通常，過(guò)熱故障不僅是由整體溫度升高引起的，而且也是因?yàn)榇嬖谶^(guò)熱點(diǎn)。過(guò)熱點(diǎn)會(huì)在鐵氧體磁芯形成溫度梯度，可能會(huì)導(dǎo)致破碎或者性能降低。因此，產(chǎn)品的主要目標(biāo)是在元件之間建立良好的熱熔體，避免形成過(guò)熱點(diǎn)，并且確保冷卻系統(tǒng)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(yīng)用包括移相全橋諧振LLC DCDC轉(zhuǎn)換器。雖然該產(chǎn)品的輸出功率范圍為1 kW至11 kW，但可以按照需求增加產(chǎn)品的功率等級(jí)。圖2描述了我們的一項(xiàng)新進(jìn)展，一個(gè)磁芯集成三個(gè)磁元件（1個(gè)變壓器和2個(gè)電感器）。圖2 只是給出一個(gè)示例，說(shuō)明利用我們的技術(shù)如何容易將磁元件集成在一起。

圖2：3.5kW LLC轉(zhuǎn)換器由降壓變壓器+串聯(lián)電感器+并聯(lián)傳感器組成

熱熔體

正確的設(shè)計(jì)和廣泛的材料選擇是熱性能的關(guān)鍵因素。下圖為11kW變壓器，其繞組由立體平版3D打印技術(shù)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(dǎo)熱塑料材料，在電線和磁芯之間形成熱熔體，例如使用導(dǎo)熱墊或熱液體間隙填充材料。在3DPower?產(chǎn)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(gè)磁芯結(jié)合的最簡(jiǎn)單和最經(jīng)濟(jì)的方法是使用膠帶，這是廉價(jià)和小型變壓器的常用辦法。這雖然不影響磁路，但兩個(gè)磁芯之間的熱阻很高。因此，當(dāng)其中一個(gè)磁芯安裝散熱器時(shí)，另一個(gè)磁芯的溫度梯度也很高，可能會(huì)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)粘合劑（上）、高導(dǎo)熱膠（下）

在我們的研發(fā)設(shè)施內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)粘合劑時(shí)，兩個(gè)半磁芯之間的溫度梯度是高導(dǎo)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(gè)磁芯的磁阻不同，導(dǎo)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(guò)程中保護(hù)鐵氧體和保護(hù)電絕緣。如果使用自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流，線圈會(huì)暴露在空氣中，如果使用水冷卻，線圈會(huì)與冷卻板接觸。

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

圖5：測(cè)試期間LCP的紅外圖像

結(jié)果顯示三個(gè)樣本的最終溫度相同。但導(dǎo)熱率更高的PA6達(dá)到溫度穩(wěn)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(shù)比其他樣本減半。

圖表1：不同線圈塑料材料的測(cè)試結(jié)果

快速響應(yīng)系統(tǒng)顯示對(duì)溫度變化“反映”更快、散熱更快，從而降低鐵氧體破碎或產(chǎn)生過(guò)熱點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在這種情況下，使用高導(dǎo)熱塑料材料對(duì)部件的熱性能產(chǎn)生了顯著的影響。我們將在下一章中討論這是否適用于強(qiáng)制傳導(dǎo)方法。

樹(shù)脂

在電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車中，所有大功率磁元件必須采用強(qiáng)制冷卻技術(shù)來(lái)降溫。由于半導(dǎo)體功率模塊連接冷卻板，也可用來(lái)安裝電磁元件。大多數(shù)客戶只使用導(dǎo)熱墊，但整個(gè)行業(yè)越來(lái)越趨向于使用樹(shù)脂密封整個(gè)車載充電器或功率轉(zhuǎn)換器。由樹(shù)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(jìn)行了測(cè)試，二者均安裝在鋁箱內(nèi)，采用汽車用硅樹(shù)脂密封。將鋁箱安裝在冷卻板上，中間采用導(dǎo)熱墊，如圖6所示。該測(cè)試的目的是檢驗(yàn)導(dǎo)熱塑料材料使用樹(shù)脂密封時(shí)是否能提高整體設(shè)計(jì)。

結(jié)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(zhǔn)確性和建立樣本間的差異性，這可以忽略不計(jì)。PA6樣本的系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)更慢一些（慢25%）。

大功率測(cè)試裝置

為在所有負(fù)荷條件下測(cè)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(cè)試裝置。TTG1000SIC方波發(fā)生器是測(cè)試設(shè)備的主要部件，生成的方波信號(hào)高達(dá)1000V。方波頻率的范圍可以設(shè)置為10 kHz至450 kHz，也可以將占空比設(shè)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(cè)連接，將AC信號(hào)轉(zhuǎn)化為DC電壓。使用該測(cè)試裝置，能夠很容易地在真實(shí)條件下表征磁元件。

圖7：大功率測(cè)試設(shè)備

結(jié)論

元件的可靠性是一個(gè)經(jīng)常被遺忘的性能點(diǎn)；通常只有在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)才會(huì)關(guān)注這一點(diǎn)。大多數(shù)可靠性問(wèn)題都與溫度相關(guān)：著火、參數(shù)改變、鐵氧體破碎、性能下降等。因此，工程師必須設(shè)計(jì)和選擇最優(yōu)材料來(lái)提高產(chǎn)品的熱性能。

本文描述了在不同情景中選擇最優(yōu)材料的相關(guān)性。首先，強(qiáng)調(diào)在變壓器的所有元件之間建立良好的熱熔體，實(shí)現(xiàn)熱到冷卻源之間的連續(xù)路徑。

然后我們?cè)跍y(cè)試中檢驗(yàn)了像磁芯粘合劑這樣的簡(jiǎn)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(dǎo)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(dāng)用樹(shù)脂密封部件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)液晶聚合物塑料上的高導(dǎo)熱塑料材料根本不會(huì)提高散熱性能。樹(shù)脂成本更高，因此照例最終決定是進(jìn)行性價(jià)比權(quán)衡來(lái)選擇材料。