【技術(shù)干貨】車載功率電感的發(fā)熱問題分析與解決方案

在電動汽車的中，功率電感扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅負責高效地轉(zhuǎn)換電能，以滿足車輛各種電氣設(shè)備的需求，還直接影響到整車的能效、動力性能和安全性。隨著電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展和市場需求的不斷擴大，車載功率電感的性能已成為制約電動汽車進一步優(yōu)化的關(guān)鍵因素之一。

然而，在實際應(yīng)用中，功率電感在轉(zhuǎn)換電能過程中會產(chǎn)生熱量，這種發(fā)熱現(xiàn)象如果處理不當，不僅會降低電感的效率和壽命，還可能對整個電動汽車系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成威脅。因此，對功率電感的發(fā)熱問題進行深入分析，并尋找有效的解決方案，已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

Part 1

功率電感發(fā)熱的原因分析

1. 電流過載

電流過載是導致功率電感發(fā)熱的一個主要原因。當通過電感的電流超過其工作電流時，電感的電阻會將電流的部分能量轉(zhuǎn)換為熱能損耗掉。這種現(xiàn)象在電動汽車的動力系統(tǒng)中尤為常見，因為系統(tǒng)在加速或爬坡等高負載情況下，會有大量的電流通過電感。

電流過載不僅會導致電感發(fā)熱，還可能引起電感材料的磁性能下降，從而影響整個轉(zhuǎn)換器的性能。長時間的電流過載還可能導致電感的永久損壞，增加了電動汽車動力系統(tǒng)的維護成本和故障率。因此，合理控制通過電感的電流，避免電流過載，是解決發(fā)熱問題的關(guān)鍵之一。

2. 材料特性

功率電感的材料特性是影響其發(fā)熱的重要因素之一。電感的磁芯材料的磁導率和繞組材料的電阻率等物理特性，都會對電感的發(fā)熱情況產(chǎn)生影響。在低頻應(yīng)用中，如工頻（50Hz/60Hz)，使用高磁導率的材料可以有效降低繞組的銅損耗，因為在這個頻率段，磁芯損耗非常小，可以忽略不計。而在功率電感的典型應(yīng)用頻率范圍內(nèi)（100KHz-500KHz)，甚至更高頻率（如采用碳化硅或氮化鎵方案設(shè)計，開關(guān)頻率超過1MHz)，高磁導率材料的磁芯損耗可能會大于銅線損耗。在這種情況下，選用低磁導率的磁芯材料反而更有利于減少發(fā)熱。

因此，材料的選擇必須針對具體應(yīng)用進行優(yōu)化。在低頻應(yīng)用中，主要考慮磁芯的直流偏置能力；而在高頻應(yīng)用中，則需要平衡磁芯損耗和銅線損耗。選擇合適的材料并優(yōu)化其性能，是控制功率電感發(fā)熱的關(guān)鍵因素之一。

3. 設(shè)計因素

功率電感的設(shè)計因素，包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸設(shè)計，也會對發(fā)熱有顯著影響。電感的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如繞組的布局、磁芯的形狀和尺寸，都會影響電感的磁場分布和電流路徑，從而影響其發(fā)熱情況。例如，緊湊的繞組布局可能導致繞組間的熱量難以散發(fā)，而磁芯的形狀和尺寸不當可能導致磁場分布不均，增加局部的磁飽和，從而增加發(fā)熱。此外，電感的尺寸設(shè)計也非常重要，過小的電感器可能無法有效散熱，而過大的電感器則會增加材料成本和空間占用。因此，合理的設(shè)計是確保功率電感在滿足性能要求的同時，最小化發(fā)熱的關(guān)鍵。

4. 環(huán)境影響

最后，環(huán)境因素也是影響功率電感發(fā)熱的一個重要方面。電動汽車在運行過程中，其動力系統(tǒng)會處于各種不同的環(huán)境條件下，如溫度、濕度和空氣流動等。高溫環(huán)境會降低電感的散熱效率，加劇發(fā)熱問題；而高濕度環(huán)境可能導致電感材料的性能變化，影響其發(fā)熱情況。此外，不良的空氣流動條件會限制熱量的散發(fā)，導致電感內(nèi)部和周圍溫度升高。因此，考慮環(huán)境因素，優(yōu)化電感的散熱設(shè)計，對于控制功率電感的發(fā)熱也是非常重要的。

Part 2

發(fā)熱問題對車載系統(tǒng)的影響

1. 效率降低

功率電感的發(fā)熱問題直接影響電動汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率。當電感發(fā)熱時，其內(nèi)部電阻增加，導致更多的電能轉(zhuǎn)化為熱能而非有用的電能。這種能量損失不僅降低了能量轉(zhuǎn)換的效率，還會增加電池的負擔，從而縮短電池的使用壽命和汽車行駛里程。此外，電感的發(fā)熱還可能導致電路中其他敏感元件的溫度升高，影響整個系統(tǒng)的性能。例如，溫度升高可能使得半導體設(shè)備的閾值電壓發(fā)生變化，進而影響整個電路的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

2. 壽命縮短

持續(xù)的高溫環(huán)境是電子元件早期衰退的主要原因之一，功率電感也不例外。長時間的過熱會加速電感內(nèi)部材料的老化過程，如絕緣材料的熱降解、磁芯材料的磁性能惡化等。這些變化不僅降低了電感的性能，還可能引起電感故障，如短路或斷路。電感的過早失效不僅會增加維修和更換的成本，還可能導致整個動力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至在極端情況下引發(fā)安全事故。因此，控制功率電感的工作溫度，延長其使用壽命，是提高電動汽車可靠性的關(guān)鍵。

3. 安全隱患

功率電感的過熱不僅影響性能和壽命，更是一個重大的安全隱患。在電動汽車中，電感的過熱可能導致火災(zāi)或爆炸，尤其是當電感與電池包等其他高能量密度組件相鄰時。此外，過熱還可能導致電感的磁性材料永久退磁，從而失去正常的工作功能，影響整車的動力輸出和控制系統(tǒng)的正常運行。在設(shè)計和使用電動汽車的過程中，確保功率電感的溫度控制在安全范圍內(nèi)，是防止嚴重事故發(fā)生的重要措施。

Part 3

解決方案

1. 材料改進

在解決功率電感發(fā)熱問題的過程中，選用合適的材料是基礎(chǔ)且有效的方法。對于功率電感，選擇高飽和磁通密度，低損耗，高可靠性的磁芯材料至關(guān)重要。高飽和磁通密度可以在相同的磁芯尺寸下，提供更高的飽和電流；低損耗材質(zhì)可以有效降低磁芯材料在高頻時的功率損耗；高可靠性是汽車電子最基礎(chǔ)的要求。除了飽和磁通密度，還需綜合考慮磁導率等其他因素，同時保持良好的抗飽和能力，較低的直流電阻，避免在大電流沖擊下發(fā)生磁飽和，導致電感值下降和效率降低，也減少由直流電阻帶來的銅線損耗。

針對功率電感的應(yīng)用場景，如開關(guān)電源和電動汽車的電機驅(qū)動等，常見的開關(guān)頻率通常在100kHz以上。在這些高頻應(yīng)用中，選用適當磁導率的磁粉材料非常重要。鐵硅鋁是一種常用的高頻磁粉材料，可以在保證足夠電感值的同時，降低磁芯損耗，提高效率。鐵氧體材料在高頻段具有較小的磁芯損耗，更適合高頻功率電感的設(shè)計。因此，功率電感材料的選擇必須貼合具體的應(yīng)用需求，綜合考慮飽和磁通密度、磁導率、工作頻率等多個因素，才能實現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計。

在繞組材料的選擇上，銅線仍然是最常用和最經(jīng)濟的選擇。為了進一步降低直流電阻（DCR）和交流電阻（ACR)，可以采用多股絞線或者扁平線等優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)方式，在保證成本可控的前提下，有效減少繞組的電阻損耗和發(fā)熱。

通過選用高飽和磁通密度的磁粉材料，匹配最優(yōu)磁導率，并優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)，可以在滿足電感性能要求的同時，最小化磁芯和繞組的損耗，有效控制功率電感的發(fā)熱。同時，合理的材料選擇和設(shè)計還能在一定程度上減小電感的體積，為電動汽車節(jié)省寶貴的空間。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電感的結(jié)構(gòu)設(shè)計對其發(fā)熱性能有著直接的影響。通過優(yōu)化電感的結(jié)構(gòu)，可以有效改善其散熱條件，降低工作溫度。例如，采用開放式結(jié)構(gòu)或增加散熱片，可以增加電感與周圍環(huán)境的熱交換面積，提高散熱效率。在電感的繞組設(shè)計上，采用分散繞制或多層繞制技術(shù)，可以減少繞組間的熱耦合，降低局部溫度。通過這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，不僅可以提升電感的熱性能，還能優(yōu)化其電磁性能，實現(xiàn)更高效、更可靠的電能轉(zhuǎn)換。

3. 散熱技術(shù)

除了通過材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計解決電感的發(fā)熱問題外，在進行系統(tǒng)設(shè)計的時候，直接采用散熱技術(shù)也是一種有效的解決方案。主動散熱技術(shù)，如風扇冷卻或液體冷卻，可以強制增加散熱量，有效降低電感的工作溫度。這些技術(shù)尤其適用于高功率密度的應(yīng)用場景，可以有效防止電感過熱，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4. 控制策略調(diào)整

在電動汽車的動力系統(tǒng)中，通過智能控制策略調(diào)整電流的分配和使用，也是解決功率電感發(fā)熱問題的有效方法之一。動態(tài)電流管理技術(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的實時負載和溫度條件，調(diào)整電流的大小和分配，避免電感長時間處于高電流狀態(tài)，從而減少發(fā)熱。同時，溫度監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測電感的溫度，一旦檢測到過熱情況，及時調(diào)整工作狀態(tài)或啟動散熱裝置，防止溫度過高。這些智能控制策略不僅可以有效降低功率電感的發(fā)熱，還能提升整個系統(tǒng)的效率和可靠性，確保電動汽車的安全運行。

Part 4

CSMPS系列設(shè)計與應(yīng)用

華銳達電子推出的CSMPS系列車規(guī)級大電流電感是針對汽車電子市場的高性能需求而設(shè)計的。CSMPS系列通過創(chuàng)新的材料使用和先進的設(shè)計理念，成功解決了功率電感在高負載應(yīng)用中常見的發(fā)熱問題。

其一，CSMPS系列電感采用了高Bs磁芯材料，這種材料具有優(yōu)異的直流偏置性能和出色的抗飽和能力。在電動汽車的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，這種高性能的磁芯材料使得電感即使在高電流沖擊下也能保持穩(wěn)定，顯著減少了因磁飽和引起的損耗和發(fā)熱。此外，CSMPS系列的低直流損耗設(shè)計進一步優(yōu)化了能量轉(zhuǎn)換效率，減少了熱量的產(chǎn)生。

其二，CSMPS系列電感采用了緊湊的扁平線繞組技術(shù)，這不僅減小了電感的體積，還優(yōu)化了電感的發(fā)熱性能。與傳統(tǒng)的圓線繞組相比，扁平線繞組在相同的繞線空間內(nèi)，能夠容納更多的導體截面積，從而在保持電感體積不變的情況下，有效降低直流電阻，減少熱量產(chǎn)生。此外，扁平線繞組還有助于改善線圈間的熱分布，使得熱量能更均勻地在繞組中傳導和擴散，避免局部熱點的產(chǎn)生，提高了電感的整體散熱性能。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得CSMPS系列電感能夠在緊湊的空間內(nèi)提供高效性能，同時保持良好的熱穩(wěn)定性，非常適合空間受限且對發(fā)熱敏感的汽車電子應(yīng)用，如DC-DC轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動等。

其三，CSMPS系列電感采用了優(yōu)化的磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，這為其抗電磁干擾（EMI）能力提供了有力支持。在高頻開關(guān)應(yīng)用中，電感的磁場可能會對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響其正常工作。CSMPS系列電感通過合理設(shè)計磁屏蔽結(jié)構(gòu)，有效地將磁場限制在電感內(nèi)部，減少了對外部電路的電磁干擾，保護了周圍的電子設(shè)備不受影響。

其四，CSMPS系列電感通過了AEC-Q200 G0標準的嚴格測試，工作溫度-55℃ ～ +155℃，在極端溫度條件下具有較強的穩(wěn)定性和可靠性。這一系列電感已被廣泛應(yīng)用于多種汽車電子系統(tǒng)中，如LED驅(qū)動器、電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）和電機控制系統(tǒng)等，均展現(xiàn)出了卓越的性能。

華銳達電子CSMPS系列電感在汽車電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不僅展示了其在技術(shù)上的先進性，也驗證了其在實際應(yīng)用中對提升電動汽車性能和安全性的重要作用。

關(guān)于華銳達電子 深圳市華銳達電子有限公司成立于2008年，是國內(nèi)早期開始生產(chǎn)電感的知名品牌企業(yè)。

華銳達電子的主要產(chǎn)品包括：貼片功率電感、疊層磁珠電感、工字電感、插件磁棒電感、環(huán)形電感、貼片共模電感、插件共模電感、色環(huán)電感、車載扁平線大電流電感和定制化電感等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療電子、新能源、電機、通訊設(shè)備、數(shù)字功放、電源系統(tǒng)等領(lǐng)域。