【導(dǎo)讀】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)。
圖6:冷卻板的測(cè)試裝置
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。
作者:Hector Perdomo Díaz,Juan Manuel Codes Troyano與MSMP Power GmbH合作
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