CN110120292B - 磁性元件的散热结构及具有该散热结构的磁性元件 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种磁性元件的散热结构及其具有该散热结构的磁性元件。磁性元件包括至少一个绕组，每个绕组具有多个散热引脚。该散热结构包括电路板，电路板上设置多个散热通道，该绕组的散热引脚与电路板的散热通道连接；多个导热部，对应铺设于电路板的散热通道的下方；导热层，其与导热部接触；以及散热层，其铺设于导热层下方并与导热层接触。本公开的散热结构可获得良好的散热效果，生产工艺简单，成本较低并且可改善系统的EMI性能。

Description

磁性元件的散热结构及具有该散热结构的磁性元件

技术领域

本公开涉及电气元件，特别地，涉及磁性元件的散热结构以及具有该散热结构的磁性元件。

背景技术

磁性元件作为基本电路元件，在电子产品中具有广泛应用。磁性元件通过在围绕磁芯或空气芯的绕组中流过的电流产生磁场。但是，由于磁性元件流经其中的电流以及磁芯的磁滞效应会产生电力损耗而产生热量，导致磁性元件产生明显的温度升高。

当磁性元件温升过高时会带来诸多问题，比如：当磁性元件绕组的线径较小而无法承受过高的功率时，绕组的漆包线绝缘层会因为过热而融化，导致绕组之间由于短路而损坏；磁性元件的磁芯本身也存在工作温度范围，磁芯的磁导率会随着温度的上升而下降，并且在该温度达到某一特定值(居里温度)时快速下降使得磁芯的电感量减小直至消失。

因此，需要为磁性元件提供避免其温度过度升高的散热结构。

发明内容

为解决磁性元件由于温度过高导致的损坏和性能下降的问题，本公开提供用于磁性元件的散热结构以及具有这种散热结构的磁性元件。

根据本公开的一方面，提供一种磁性元件的散热结构，其中

所述磁性元件包括至少一个绕组，每个绕组具有多个散热引脚；

所述散热结构包括：

电路板，所述电路板上设置多个散热通道，所述绕组的所述散热引脚与所述散热通道接触；

多个导热部，所述导热部对应设置于所述散热通道的下方，并与所述电路板的一部分的接触；

导热层，所述导热层铺设于所述导热部的下方并与所述导热部接触；以及

散热层，所述散热层铺设于所述导热层下方并与所述导热层接触。

根据本公开的实施例，所述散热引脚通过分离绕组形成。

根据本公开的实施例，所述散热引脚通过串联或并联所述绕组形成。

根据本公开的实施例，所述散热通道为所述电路板上的过孔，所述散热引脚焊接在所述电路板的过孔中。

根据本公开的实施例，所述散热通道为所述电路板上的焊盘，所述散热引脚焊接在所述焊盘上。

根据本公开的实施例，所述散热通道中的一部分为所述电路板上的过孔，所述散热通道中的一部分为所述电路板上的焊盘。

根据本公开的实施例，所述散热引脚中的一部分对应设置在所述电路板的过孔中，所述散热引脚中的一部分对应焊接在所述电路板的焊盘上。

根据本公开的实施例，所述导热部为金属片。

根据本公开的实施例，所述金属片为铜片。

根据本公开的实施例，所述导热层选自导热胶、导热硅脂、陶瓷片和导热垫中的一种或者多种。

根据本公开的实施例，所述散热层为散热片或散热板。

根据本公开的实施例，所述散热层为水冷板。

根据本公开的实施例，所述磁性元件为变压器或电感器。

根据本公开的另一方面，提供一种磁性元件，具有如上所述的散热结构。

通过本公开的实施例所提供的磁性元件的散热结构，可获得更好的散热效果，生产工艺简单并且成本较低，还可以另外改善系统的电磁屏蔽(EMI)性能。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为根据本公开的实施例的磁性元件的散热结构的示意图；

图2为根据本公开的另一实施例的磁性元件的散热结构的示意图；

图3为根据本公开的又一实施例的磁性元件的散热结构的示意图；

图4为示出根据本公开的实施例的磁性元件的散热结构的散热效果的温度-时间曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能会夸大部分元件的尺寸或加以变形。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、元件等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法或者操作以避免模糊本公开的各方面。

图1示出根据本公开实施例的改进的磁性元件的散热结构。

磁性元件包括但不限于变压器或电感器，在本公开中，磁性元件包括在其围绕磁芯或空气芯的绕组中通过电流时产生磁场的任何元件。

磁性元件100包括至少一个绕组110，绕组110围绕磁芯120卷绕。磁芯120可以是用于增强磁场磁通量的永磁体芯或铁芯，也可以是空气芯或仅起支撑绕组的其它材料芯。绕组110包括多个引脚130，用于将绕组110的引脚130与电路板200上的导电触点通过插接、焊接等方式连接。在下文中，将引脚130称为散热引脚130。

由于磁性元件100中流经电流以及磁芯120的磁滞效应，会产生电力损耗。这些电力损耗以热量的形式聚集在绕组110和磁芯120上，使得磁性元件100自身产生明显的温度上升。

温度的升高，特别是过高的工作温度对磁性元件100的可靠性和性能会造成明显影响。首先，磁性元件100的绕组110的线径较小时，导致绕组的电阻较大，使得绕组110无法承受流过电流的发热功率，绕组110的漆包线的绝缘层由于温度过高被融化破坏，导致绕组110的线间短路而损坏磁性元件100。其次，磁芯120存在工作温度范围。当磁性元件100的温度高于特定温度值(例如居里温度)时，磁芯120的初始磁导率快速下降。实际上，在到达所定义的居里温度前，磁芯120的初始磁导率已经急剧下降，使得磁性元件100的性能下降明显，磁芯电感量减少甚至消失。

因此，为了防止磁性元件100温度过高而影响系统可靠性和性能，需要为磁性元件100设计足以将热量及时传导走的散热结构。

图1所示的改进的磁性元件100的散热结构包括散热引脚130、电路板200、散热层300、导热部400和导热层500，电路板200上设有多个散热通道140。

磁性元件100的热量通过绕组110的散热引脚130传导。电路板200上设置有多个散热通道140，使绕组110的散热引脚130与这些散热通道140接触并通过这些散热通道140连接到铺设于电路板200散热通道140下方的多个导热部400。其中，散热通道140的数量可以与散热引脚130的数量对应，例如，一个散热引脚130使用一个对应的散热通道140，或者多个散热引脚130共用一个较大的散热通道140，或者一个散热引脚130使用多个散热通道140。

参见图2，示出根据本公开的另一实施例的改进的磁性元件的散热结构，与图1相比，散热通道具有多种结构。散热通道可以是在电路板200上设置的贯穿电路板200上下表面的通孔或过孔142，将散热引脚130置于贯穿电路板200的过孔142中，同时实现电路连接和热传导的功能。在应用中，散热通道还可以充分利用电路板200上的焊盘140，将散热引脚130焊接在该焊盘140上，一起组成导热平面。另外，可以散热通道中的一部分是电路板200上的通孔或过孔142的形式，另一部分结构是电路板200上的焊盘140的形式，将散热引脚130置于通孔或过孔142中和/或焊接在焊盘140上。

导热部400可由金属片构成，金属片所使用的金属可选自具有良好的热传导性能的铜、铝等以及包含这些金属中的至少一种的合金。与图1类似，导热部400的数量可以与散热引脚130的数量对应，例如，一个散热引脚130使用一个对应的导热部400，或者多个散热引脚130共用一个较大的导热部400，或者一个散热引脚130使用多个导热部400。导热部400与对应散热通道下方的电路板的表面接触，增加了磁件元件的导热面积，有效的将热量传导出去。

电路板200的底层一般为覆铜，电路板表层一般具有树脂材料构成的绝缘层使得覆铜不与导热部直接接触，也可以将电路板300底面的覆铜层的外部绝缘层移除而直接使用该表面覆铜层作为导热部400或者其一部分。

导热层500铺设于导热部400下方并与导热部400直接热接触。导热层500选自导热胶、导热硅脂、陶瓷片和导热垫(thermal pad)中的一种或者多种。导热层500用于将多个导热部400上的热量通过更大的热传导面积传导至散热部件，同时导热层500还可以起到绝缘的作用。

进一步的，散热结构还包括散热层300，散热层300铺设于导热层500下方并与其直接接触。根据磁性元件100的使用环境和电路板200的外形，可选择不同的散热层形状。例如，散热层300可以为散热片或散热板的形式。在水冷散热方式中，散热层300还可以是连接水循环系统的水冷板，与其内包含流动的水的管路连接以通过水的循环流动将从导热层500上获取的热量带走。相对于传导散热和风冷散热，水冷散热方式中的散热系统可相对封闭，抗腐蚀性更强。

通过上述改进的散热结构，可以将磁性元件100上产生的热量快速通过电路板200上的散热通道140传导到电路板200下方的导热部，依次经由导热层和散热层传递出去，如图1和2中的箭头所示，有效降低磁性元件100的温度，满足可靠性和性能的要求。这种方式工艺简单，成本较低，通过增加热通道的方法实现了良好的散热效果。

参见图3，示出根据本公开的实施例的另一改进的磁性元件100的散热结构。箭头所示出的散热途径与图1和2类似。在该实施例中，针对多个绕组110的串联或并联方式，进一步增加导热通道140。本领域技术人员可以理解，图3中的导热通道140也可以是通孔142或者焊盘140，或者通孔142与焊盘140共存。

对于多个绕组110并联，可为每个绕组110设置单独的散热引脚130以增加散热引脚130的数量。增加散热引脚130的数量后，在电路板200上可以相应设置更多的散热通道140，同样在散热通道下方铺设导热部400，增加散热结构的散热面积。对于多个绕组110串联，或者绕组110的匝数较多或股数较少时，可以通过在绕组110卷绕时分离绕组110以增加绕组110的散热引脚130，采用与绕组110并联中类似的方式为每个散热引脚130设置对应的散热通道140和导热部400，同样可以增加导热的面积。

与图1和2类似，导热部400的数量可以与散热引脚130的数量对应，例如，一个散热引脚130使用一个对应的导热部400，或者多个散热引脚130共用一个较大的导热部400，或者一个散热引脚130使用多个导热部400。

通过该进一步改进，可以获得比图1和2中所示的实施例更优的散热效果。

另外，这种多层散热结构可以在磁性元件100下方的导热层500与散热层300之间形成寄生电容。通过合理设计导热层500和散热层300，还可以有效改善系统的抗电磁干扰(EMI)性能。

跟据本公开的实施例，还提出一种具有如上所述的散热结构的磁性元件。

图4为根据本公开的实施例的磁性元件的散热结构在实验中的散热效果的温度-时间曲线图。曲线图左侧为磁性元件中的电流强度I为83.3A时的磁性元件温度，元件的温度从30℃缓慢上升到60℃后，温度基本不再上升，可见本实施例达到良好的散热效果。进一步，将电流强度增加到90A时，温度也仅上升了10℃并且保持在70℃附近不再上升。可见，采用本公开的实施例的散热结构获得了良好的散热效果，可以有效避免磁性元件由于温度过高产生的可靠性和性能问题。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (13)

1.一种磁性元件的散热结构，其特征在于，

所述磁性元件包括至少一个绕组，每个绕组具有多个散热引脚；

所述散热结构包括：

电路板，所述电路板上设置形成为过孔或焊盘的多个散热通道，所述绕组的所述散热引脚与相应的所述过孔或焊盘接触；

多个导热部，所述导热部对应设置于所述过孔或所述焊盘的下方，通过所述过孔或所述焊盘与对应的散热引脚连接，并与所述电路板的一部分接触，所述导热部为金属片；

导热层，所述导热层铺设于所述导热部的下方并与所述导热部接触；以及

散热层，所述散热层铺设于所述导热层下方并与所述导热层接触。

2.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热引脚通过分离所述绕组形成。

3.如权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述散热引脚通过串联或并联所述绕组形成。

4.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热引脚焊接在所述电路板的过孔中。

5.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热引脚焊接在所述焊盘上。

6.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热通道中的一部分为所述电路板上的过孔，所述散热通道中的另一部分为所述电路板上的焊盘。

7.如权利要求6所述的散热结构，其特征在于，所述散热引脚中的一部分对应设置在所述电路板的过孔中，所述散热引脚中的另一部分对应焊接在所述电路板的焊盘上。

8.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述金属片为铜片。

9.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述导热层选自导热胶、导热硅脂、陶瓷片和导热垫中的一种或者多种。

10.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热层为散热片或散热板。

11.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述散热层为水冷板。

12.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述磁性元件为变压器或电感器。

13.一种磁性元件，具有如权利要求1-12中任一项所述的散热结构。

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