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2016年，Premo集团推出了3DPower™，这是第一款集成两个磁性元件的产品，这两个磁性元件共享相同的核心，并在核心内的所有点处具有两个正交磁场。因此，元件中功率密度的增加使得散热成为我们设计师面临的严峻挑战。

本文重点讨论PREMO在3DPower中的散热技术取得的进展。与同一组件的分立解决方案相比，磁集成的最大影响是体积减小。增加功率密度的结果是部件的温度升高。

3DPower Pot-Core采用定制的锅芯形状，集成了2个电感元件。其中一个放在锅芯本身，另一个放在锅芯外面，好像它是一个环形。该产品使我们能够解决集成磁性元件的工程挑战：在这种情况下，它由一个扼流圈和一个变压器组成。与其他磁集成技术不同，这两个组件共享3DPower中的整个核心卷。为此目的，一个部件的磁场与另一个部件的磁场正交，从而产生2个独立且完全未耦合的磁性元件。

如图1所示，在铁氧体磁芯（70a）内部有一个绕组，而另一个正交绕组在外部（70b / c / d）。用于批量生产的磁性设计者知道铁氧体磁芯容易断裂，特别是当绕线是机器制造时。因此，必须用线圈覆盖芯。想象一下，当核心包含一个几十安培的绕组时，核心有多热，并且它被一个塑料线圈覆盖，塑料线圈也绕过它。此外，由于磁芯损耗导致磁芯自热。

图1：Pot-core解决方案（左）; 详细的横截面（右）。

大多数时候过热失败不仅是由整体温度升高引起的，也是由热点造成的。热点可能会在铁氧体磁芯中产生温度梯度，从而导致断裂或性能下降。因此，主要目标是通过在所有组件之间建立良好的热连接来避免热点，确保适当的冷却系统以移除热量。

Premo可以提供完全定制的3DPower解决方案。然而，由于其几何形状，主要应用是相移全桥和谐振LLC DCDC转换器。输出功率范围从1 kW到11 kW，但可以按需提供更高的功率。我们的最新发展之一可以在图2中看到，其中三个磁性元件组合在一个单芯（1个变压器和2个电感器）中。这只是通过使用我们的创新技术集成磁性是多么容易的一个例子。

图2：用于3.5kW LLC转换器的降压变压器+串联电感器+并联电感器。

适当的设计和广泛的材料选择是成功热性能的关键。下图显示了一个11kW的变压器，其中绕组采用立体光刻3D打印技术制造，并在底部芯中用水冷却。电线比芯更热，特别是在底部。

该解决方案包括在线圈上使用导热塑料以在线和芯之间产生热连接，例如利用导热垫或热液隙填充材料。在3DPower中，分配热液隙填料以确保线圈，绕组和芯之间的可靠热连接。

核心套装分为两半。连接两个内核最简单，最便宜的方法是使用磁带，这对于经济型和小型变压器来说很常见。尽管IC磁路不受影响，但两个磁芯之间的热阻很高。因此，当其中一个芯连接到散热器时，另一个芯的温度梯度很高，可能导致铁素体断裂。

图3：带负载的11kW变压器的红外图像。11kW变压器概述。

图4：使用不同粘合剂的芯组的温度梯度：标准粘合剂（顶部），高导热粘合剂（底部）。

我们在我们的研发设施中进行了测试，结果强调，当使用标准粘合剂时，两个半芯之间的温度梯度是使用高导热粘合剂时的两倍。铁氧体不仅断开，而且由于电感随温度变化，两个磁芯的磁阻将不同并且可能产生不希望的性能。

如上所述，罐芯覆盖有塑料线圈，以在缠绕过程中保护铁氧体并提供电隔离。如果使用自然或强制对流，该线圈将暴露在空气中。如果使用水冷却，它也暴露在冷却板中。

测试了三种不同的塑料的自然对流。第一种塑料是常用的液晶聚合物（LCP）〜0.5 W / m·K的导热系数，第二种是PA6基化合物（聚酰胺），导热系数为1.2W / m·K，而第三种是也是一种PA6基塑料，具有4W / m·K的导热性。用内部热电偶制备三个样品，并在相同的操作点进行测试。根据最小二乘法（等式1）记录并拟合温度测量值。该等式简化了热模型，后者成为集总电容模型。

公式1 

图5：测试期间LCP样品的IR图像。

结果显示所有三个样品的最终温度相同。然而，具有更高导热率的PA6达到稳定温度的速度是其他样品的两倍。这意味着与其余部分相比，集总电容模型方程中PA6 4W / m·K样本的“tau”系数减半。

快速响应系统将对温度变化产生更快的“反应”，更快地散热，从而降低铁素体裂缝或热点的风险。因此，在这种情况下，高导热塑料的使用对部件的热性能具有显着影响。在下一节中，我们将看看这IC是否也适用于强制传导方法。

在EV / HEV车辆中，必须通过强制冷却技术冷却所有高功率磁力。由于半导体功率模块连接到冷却板，因此也用于将磁性元件安装在冷却板上。我们的大多数客户只使用导热垫，但业界越来越倾向于使用树脂来装载整个车载充电器或电源转换器。由于更好的散热和树脂的电气隔离，电力电子单元的尺寸总体上减小了。

图1：不同线圈塑料的测试结果。

我们用PA6 4W / m·K和LCP样品进行了测试，这些样品都在铝制外壳内并用汽车硅树脂封装。这些外壳安装在冷却板上，中间有一个导热垫，如图6所示。该测试的目的是检查导热塑料在用树脂灌封时是否改善了设计。

图6：使用冷却板进行测试设置。

结果证实样品的最终温度相似，仅相差4℃，如果我们考虑热电偶的准确性和样品间的制造差异，这可以忽略不计。对于PA6样品，系统的时间响应较慢（慢25％）。

为了在所有负载条件下测试3DPower磁性元件的电气和热性能，使用了MSPM Power GmbH的高功率测试装置。TTG1000SIC方波发生器是测试设备的主要部分，它产生高达1000V的方波信号。方波频率可以设置在10 kHz至450 kHz的范围内，并且还可以将占空比设置为0至100％。外部全波整流器模块（PCK模块）连接到变压器的次级侧或谐振电路，以将AC信号转换为DC电压。通过该测试设置，可以很容易地在真实条件下表征磁性元件。

图7：高功率测试设备。

组件的可靠性是一个经常被遗忘的性能点 - 我们只在出现问题时才关心它。大多数可靠性问题与温度有关：火灾，参数变化，铁素体裂缝，低性能等。因此，工程师必须设计并选择最佳材料以改善热性能。

这些结果表明了在不同情景中选择最佳材料的相关性。首先，他们强调在变压器的所有部件之间建立良好的热连接，以实现热量到冷却源的连续路径。

然后，我们测试了一个简单的事情，如核心粘合剂如何将温度梯度从18ºC降低到9ºC。

最后，我们确认这些结果和良好的导热塑料的组合可以在某些情况下改善散热; 但是，在其他情况下，它可能不值得。当部件用树脂灌封时，高导热塑料在标准液晶聚合物塑料上完全没有改善。树脂的成本较高，因此最终决定通常是成本 - 性能权衡。