隨著磁性元件行業(yè)的快速發(fā)展，磁集成技術(shù)已成為一大趨勢。然而，磁集成后線材（絕緣線）的散熱問題逐漸凸顯，成為行業(yè)關(guān)注的焦點。本文結(jié)合部分線材企業(yè)的實踐經(jīng)驗，詳細分析磁集成后散熱難的原因、具體表現(xiàn)及應(yīng)對策略。
磁集成產(chǎn)品，圖片來源：超越
磁集成后線材散熱難的四大原因
磁集成技術(shù)通過將多個磁性元件整合在一起，顯著縮小了器件體積，但也帶來了散熱難題。無論是分離式還是集成式磁性元件，在磁化過程中都會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，這些損耗最終轉(zhuǎn)化為熱量。
磁集成后，器件體積縮小導(dǎo)致熱量更加集中，散熱難度增加，具體原因包括以下幾個方面：
一是磁集成后熱量集中效應(yīng)。磁集成后，多個磁性元件被整合到一個緊湊的空間中，導(dǎo)致熱量分布更加集中。線材作為電流的主要載體，其產(chǎn)生的焦耳熱和渦流熱難以通過空氣或散熱片有效散發(fā)，導(dǎo)致溫升問題加劇。
二是磁集成后渦流損耗增加。在高頻工作環(huán)境下，線材中的渦流效應(yīng)顯著增強。磁集成后，由于磁場分布更加復(fù)雜，渦流損耗進一步增加，導(dǎo)致線材發(fā)熱量大幅上升。
三是趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。高頻電流在導(dǎo)體中會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致電流主要集中在導(dǎo)體表面，增加了有效電阻和發(fā)熱量。此外，多股絞合線材中的鄰近效應(yīng)也會加劇渦流損耗，進一步增加散熱難度。
四是絕緣材料的熱阻。線材的絕緣材料（如漆包線的漆層）雖然提供了電氣絕緣性能，但也增加了熱阻，阻礙了熱量的快速傳導(dǎo)和散發(fā)。
散熱難的具體表現(xiàn)及應(yīng)用案例分析
磁集成后散熱難的問題存在于多個應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在新能源電車相關(guān)的車載電源、充電樁模塊電源和儲能模塊電源等領(lǐng)域。以下是具體表現(xiàn)及相關(guān)案例分析：
溫升過高。在實際應(yīng)用中，由于熱量更集中，磁集成后的線材溫升往往高于分立式磁性元件。例如，在車載OBC中，磁集成電感和變壓器的線材溫升可能達到80℃以上，遠高于傳統(tǒng)設(shè)計。
局部熱點形成。由于磁場分布復(fù)雜且不均勻，導(dǎo)致熱量分布也不均勻，磁集成后的線材容易出現(xiàn)局部熱點。這些熱點可能導(dǎo)致絕緣材料燒毀或線材斷裂，引發(fā)設(shè)備故障。
熱老化加速。高溫環(huán)境會加速線材絕緣材料的老化，降低其電氣性能和機械強度，從而影響產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。
散熱設(shè)計復(fù)雜化。為了應(yīng)對磁集成后的散熱難題，磁集成產(chǎn)品的散熱設(shè)計往往需要更加復(fù)雜，例如增加散熱片、使用導(dǎo)熱膠或引入強制風(fēng)冷等，這增加了磁集成產(chǎn)品的成本和設(shè)計難度。
尤其是充電樁模塊電源和儲能模塊電源等高功率應(yīng)用中，磁集成的熱量集中問題更加明顯。線材的渦流損耗和磁芯的磁滯損耗疊加，導(dǎo)致整體溫升較高，散熱難度進一步加大。
在車載OBC中，磁集成主要集中在前級PFC電路中的電感以及后級LLC橋式電路等電路拓撲結(jié)構(gòu)中的主變壓器和諧振電感。這些磁集成元件在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，尤其是線材因渦流效應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱。焦耳熱與導(dǎo)體的電導(dǎo)率密切相關(guān)，電阻越大，熱量越高。
車載OBC案例。某車載OBC制造商在磁集成設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，PFC電感和LLC變壓器的線材溫升比傳統(tǒng)設(shè)計高出20%-30%。通過改用多股絞合利茲線并優(yōu)化繞線工藝，磁集成產(chǎn)品溫升降低了10%-15%，但仍有進一步改進的空間。
充電樁模塊電源案例。在充電樁模塊電源中，磁集成后的線材溫升問題尤為突出。某廠商測試數(shù)據(jù)顯示，采用傳統(tǒng)漆包線時，線材溫升達到90℃以上；而改用耐高溫聚酰胺酰亞胺漆包線后，溫升降至75℃左右。
儲能模塊電源案例。某儲能模塊電源制造商在磁集成設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)線材的渦流損耗占總損耗的30%以上。通過采用微細單支線絞合技術(shù)，渦流損耗降低了20%，整體溫升下降了8%-10%。
有何妙招解決磁集成散熱難題
針對磁集成后線包散熱難的問題，可在產(chǎn)品研發(fā)和工藝等方面采取措施改進：
提升線材的耐高溫性能。在開發(fā)磁集成新產(chǎn)品時，注重提高線材的耐溫等級和柔軟性。耐高溫性能確保線材在散熱不良的環(huán)境中仍能正常工作，而柔軟性則使線材更易于繞制，并能保持與磁芯適配的形狀，避免回彈。
采用微細單支線絞合技術(shù)。為降低趨膚效應(yīng)并增加線材的柔軟性，可采用微細單支線絞合技術(shù)。這種技術(shù)不僅減少了磁集成產(chǎn)品渦流損耗，還提高了線材的散熱效率。
優(yōu)化利茲線工藝。針對多股絞合線材容易產(chǎn)生鄰近效應(yīng)和渦流的問題，在選線規(guī)時，采用直徑較小、股數(shù)較多的導(dǎo)體方案。在保證截面積不變的前提下，這種設(shè)計有效降低了線材工作時產(chǎn)生的焦耳熱。
不僅如此，還可通過分層繞線分層繞線設(shè)計，減少線材之間的鄰近效應(yīng)和渦流損耗，進一步優(yōu)化多股絞合線材的股數(shù)和直徑，平衡趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，并嘗試在線包中設(shè)計內(nèi)置散熱通道，利用液體冷卻或強制風(fēng)冷提高散熱效率。
通過上述措施，可有效解決磁集成產(chǎn)品的散熱問題。
總結(jié)
磁集成技術(shù)雖然為磁性元件行業(yè)帶來了體積縮小和性能提升的優(yōu)勢，但也帶來了散熱難的挑戰(zhàn)。通過提升線材耐溫性能、優(yōu)化絞合工藝以及引入新材料，可有效應(yīng)對磁集成后的線材散熱問題。 |
