CN113891544B - 磁性功率器件和应用其的电源模块 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁性功率器件，包括印刷电路板和装配在所述印刷电路板上的磁芯。所述磁芯包括磁芯本体和多个散热齿。所述磁芯本体与所述印刷电路板结合。所述多个散热齿凸设在所述磁芯本体背离所述印刷电路板的外表面上。所述多个散热齿与所述磁芯本体为直接接触结合。本申请还提供该种应用该磁性功率器件的电源模块。所述散热齿的设计增大了所述磁芯的表面散热面积，提升散热能力；由于所述磁芯本体的至少局部结合在所述印刷电路板上，如此所述印刷电路板的热量可传导至磁芯，通过磁芯将热量散发出去。

Description

磁性功率器件和应用其的电源模块

技术领域

本申请涉及一种磁性功率器件和应用该磁性功率器件的电源模块。

背景技术

随着电源产品功率密度的不断提升，变压器、电感等磁性功率器件工作温度越来越高，但磁性功率器件中用于散热的空间也越来越小，对其散热措施提出新的挑战。一种散热的方式是在磁性功率器件上粘结散热器，具体为采用导热系数较好的胶水，将散热器粘接至磁芯上用于散热。然而，该种散热方式具有以下缺点：(1)物料成本：如果粘接面积较大，所需导热胶用量较多，成本也较高；(2)适用场景：在室外等温度大幅变化、高湿等恶劣环境下散热器有脱落的风险；(3)工艺难度：粘接散热器需要特定种类的导热胶，否则存在因导热胶热膨胀系数较大压裂磁芯的风险，此外还需要在导热胶的导热能力与粘接能力间进行权衡取舍。另一种散热的方式是在磁芯与产品的机壳之间设置导热垫，将热量通过导热垫继而由机壳散发除去。然而，该种散热方式具有以下缺点：(1)物料成本：导热垫的成本随厚度的增加不断提高；(2)适用场景：难以覆盖磁芯远离机壳的场景；(3)工艺难度：对磁芯和机壳的尺寸公差提出了很高的要求，当导热垫厚度偏小时，会导致磁芯与散热机壳的接触不够紧密，散热效果差；当导热垫厚度偏大时，装配完成后会使磁芯和机壳都承受较大应力，出现开裂、变形等风险。

发明内容

本申请实施例第一方面提供了一种磁性功率器件，包括：

印刷电路板；

装配在所述印刷电路板上的磁芯，所述磁芯包括磁芯本体和多个散热齿，所述磁芯本体与所述印刷电路板结合，所述多个散热齿凸设在所述磁芯本体背离所述印刷电路板的至少一外表面上。

所述磁芯的散热齿的设计增大了所述磁芯的表面散热面积，提升散热能力；所述磁芯上可不需要另外粘接散热器或设置导热垫实现与机壳的连接，有效降低了磁性功率器件占用的体积；由于所述磁芯本体结合在所述印刷电路板上，如此所述印刷电路板的热量可传导至磁芯，通过磁芯将热量散发出去。

本申请实施方式中，所述磁芯本体包括相互连接的第一磁芯部和第二磁芯部，所述第一磁芯部包括主体部和连接在所述主体部一表面上的至少一支撑部，所述支撑部贯穿所述印刷电路板与所述第二磁芯部结合；所述印刷电路板位于所述主体部和所述第二磁芯部之间；所述多个散热齿凸设在所述第一磁芯部背离所述印刷电路板的外表面上和所述第二磁芯部背离所述印刷电路板的外表面上。

通常磁芯本体的第一磁芯部和第二磁芯部为分别成型的，组装时将第一磁芯部和第二磁芯部分别放置在所述印刷电路板的两侧，能够实现简单快速将所述磁芯本体装配到所述印刷电路板上，且所述支撑部与所述第二磁芯部的结合界面上可设置胶粘剂以使所述第一磁芯部和所述第二磁芯部牢固结合。

本申请实施方式中，所述第一磁芯部和所述第二磁芯部中的至少一个与所述印刷电路板结合。

本申请实施方式中，所述第一磁芯部还包括与所述主体部一体成型的至少一凸块，所述至少一凸块与所述至少一支撑部位于所述主体部的同一表面；或者所述第二磁芯部朝向所述印刷电路板的表面设置有至少一凸块；所述至少一凸块与所述印刷电路板结合。

凸块的数量可为多个，以保证第一磁芯部与印刷电路板的接触面积。每一个凸块的厚度小于所述支撑部的厚度以使凸块能够结合在所述印刷电路板上。如此，印刷电路板产生的热量，尤其是绕组产生的热量可通过凸块传导至磁芯通过磁芯将热量散发出去。

本申请实施方式中，所述第一磁芯部和凸设在所述第一磁芯部表面上的散热齿采用磁性材料一体成型；所述第二磁芯部和凸设在所述第二磁芯部表面上的散热齿采用磁性材料一体成型。

本申请实施方式中，所述磁芯为UI型磁芯、EE型磁芯、EI型磁芯、UU型磁芯中的一种。

本申请实施方式中，每一个散热齿延伸呈长条状，位于同一个外表面上的多个散热齿相互平行且间隔。

位于同一个外表面上的相邻的两个散热齿之间为条状的凹槽，散热齿的长条状的延伸方向一般是沿着风道的方向，而如果二者方向不一致的，则会降低空气的流动速率，降低散热效果。

本申请实施方式中，所述磁芯本体与所述印刷电路板二者连接的界面之间设置有导热界面材料。

本申请实施方式中，每一个散热齿垂直于延伸方向的宽度大于等于2mm。

本申请实施方式中，位于同一个外表面上的相邻的两个散热齿的间距大于等于1mm。

本申请实施方式中，每一个散热齿垂直其所在的外表面的高度小于等于2mm。

本申请实施方式中，所述印刷电路板中集成有绕组。

本申请实施例第二方面提供了一种电源模块，包括基板和设置在所述基板上如本申请实施例第一方面所述的磁性功率器件，所述基板为电路板。

本申请实施方式中，所述印刷电路板垂直插设在所述基板上。

所述磁性功率器件的印刷电路板一端面形成有多个凸起，所述印刷电路板可通过所述凸起插接在所述基板上，对应所述基板上设置有插接孔，所述印刷电路板可通过所述凸起插接在所述基板的插接孔中且所述印刷电路板与所述基板电性连接。

本申请实施方式中，所述电源模块还包括设置在所述基板上的散热风扇，所述散热风扇位于所述磁性功率器件的一端。

本申请实施方式中，所述磁性功率器件的所述散热齿延伸呈长条状，且延伸方向与所述散热风扇的风道方向一致。

所述基板上设置有间隔设置的多个磁性功率器件且磁性功率器件的印刷电路板为相对且平行设置。所述散热风扇位于多个磁性功率器件的同一端。所述散热风扇吹出的风吹向所述两个磁性功率器件，且风道方向与所述磁性功率器件的散热齿的延伸方向一致，通过散热风扇吹出的流动的空气快速将磁芯表面产生的热量快速带走，散热效果良好，避免高温损坏设备。

附图说明

图1A是本申请实施例的磁性功率器件的立体示意图。

图1B是图1A的磁性功率器件的侧面示意图。

图2是图1的磁性功率器件的分解示意图。

图3是图1的磁性功率器件的磁芯的立体示意图。

图4是磁芯的局部示意图。

图5A至图5C是三种变更实施例的磁芯的平面示意图。

图6是电源模块的立体示意图。

主要元件符号说明

磁性功率器件 100

磁芯 10

印刷电路板 30

磁芯本体 11

散热齿 13

凹槽 130

第一磁芯部 111

第二磁芯部 113

主体部 112

支撑部 114

通孔 31

凸块 116

平滑区 110

电源模块 200

基板 210

散热风扇 40

凸起 101

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。

磁性功率器件，例如变压器、电感等，包括磁性材料的磁芯。然而，现有的磁性功率器件的散热的方式是通过胶水在磁性功率器件上粘结散热器，导致磁性功率器件的整体结构占据的空间更大，且存在散热器脱落的风险。

如图1A和图1B所示，本申请提供一种磁性功率器件100，包括磁芯10，所述磁芯10具有大的比表面积，从而具有大的散热面积，磁芯10本身产生的热量以及其他元件(例如印刷电路板30)的热量也可通过所述磁芯10有效传递。

如图1A和图1B所示，所述磁性功率器件100还包括印刷电路板30，所述磁芯10装配在所述印刷电路板30上。所述磁芯10包括磁芯本体11和凸设在所述磁芯本体11至少一外表面上的多个散热齿13。所述磁芯本体11与所述印刷电路板30结合。所述多个散热齿13凸设在所述磁芯本体11背离所述印刷电路板30的至少一外表面上。位于同一外表面上的相邻的两个散热齿13之间相当于形成了一个凹槽130。所述散热齿13的设计增大了所述磁芯10的表面散热面积，提升散热能力，所述磁芯10上可不需要另外粘接散热器或设置导热垫实现与机壳的连接，有效降低了磁性功率器件100占用的体积。本实施例中，所述印刷电路板30为多层结构且集成有绕组(图未示)，所述绕组位于所述磁芯10形成的磁路中。磁性功率器件100工作时，绕组中有电流通过，绕组将升温并产生大量的热量，因此需要为绕组即印刷电路板30提供散热途径，否则会导致绕组的电阻率升高。

所述磁芯10为磁性材料构成，包括但不限于金属磁性材料、合金磁性材料和铁氧体磁性材料中的一种。本实施例中，所述散热齿13与所述磁芯本体11的至少局部采用磁性材料在模具(图未示)中一体成型。所述散热齿13和所述磁芯本体11二者为直接接触结合，二者之间没有设置任何的介质(例如胶粘剂)起到粘接作用，因而也不会存在因胶粘剂失效导致的散热齿13脱落的风险，而热量可直接由所述磁芯本体11传导至散热齿13，散热效率也较高。

另外，由于所述磁芯本体11结合在所述印刷电路板30上，如此所述印刷电路板30的热量可经由磁芯本体11传导至磁芯10，通过磁芯10将热量散发出去。

如图2和图3所示，所述磁芯本体11包括相互连接的第一磁芯部111和第二磁芯部113，所述印刷电路板30大致位于所述第一磁芯部111和所述第二磁芯部113之间。通常，所述第一磁芯部111和所述第二磁芯部113为分别成型的。所述第一磁芯部111包括主体部112和凸设于所述主体部112一表面上的至少一个支撑部114，所述主体部112与所述支撑部114为一体成型。一些实施例中，所述主体部112为平板状，所述支撑部114大致呈柱状。所述印刷电路板30开设有贯穿印刷电路板30的至少一个通孔31，每一个通孔31对应一个支撑部114。每一个支撑部114穿过对应的一个通孔31从而与所述第二磁芯部113结合。本申请中，所述第一磁芯部111的结构如上所述，而对所述第二磁芯部113的结构没有特殊要求(例如平板状、与所述第一磁芯部111对称的镜像结构均可，且不以此为限)，只要能与所述第一磁芯部111连接而将印刷电路板30夹持在第一磁芯部111和第二磁芯部113之间即可。所述支撑部114与所述第二磁芯部113的结合界面上可设置胶粘剂(图未示)以使所述第一磁芯部111和所述第二磁芯部113牢固结合。所述印刷电路板30位于所述主体部112和所述第二磁芯部113之间。所述通孔31的开口大小大于所述支撑部114的横截面大小，以保证装配过程中，所述支撑部114能够轻松穿过所述通孔31。

如图2所示，所述多个散热齿13凸设在所述第一磁芯部111背离所述印刷电路板30的外表面上以及所述第二磁芯部113背离所述印刷电路板30的外表面上。第一磁芯部111和凸设在其上的散热齿13为一体成型；所述第二磁芯部113和凸设在其上的散热齿13为一体成型。所述第一磁芯部111和所述第二磁芯部113中的至少一个与所述印刷电路板30结合。

如图2和图3所示，本实施例中，所述磁芯10可为UI型磁芯，所述第一磁芯部111大致为U形，所述第二磁芯部113为平板状的I形。所述第一磁芯部111包括平板状的主体部112和位于所述主体部112同一表面上的两个间隔设置的支撑部114。每一个支撑部114呈柱状。所述印刷电路板30开设有贯穿印刷电路板30的两个通孔31，每一个通孔31对应一个支撑部114。每一个支撑部114穿过对应的一个通孔31从而与所述第二磁芯部113接触结合。本实施例中，所述第二磁芯部113与所述印刷电路板30为间隔设置。所述第一磁芯部111背离所述印刷电路板30的外表面凸设有散热齿13，所述第二磁芯部113背离所述印刷电路板30的外表面也凸设有散热齿13，磁芯本体11的相对的两个表面上分别设置有多个散热齿13。由于该两个外表面为磁芯本体11与外界空气大面积接触的表面，所以选择该两个外表面作为散热齿13所在的表面。所述第二磁芯部113靠近所述印刷电路板30的表面并未设置散热齿13，是由于所述第二磁芯部113与所述印刷电路板30虽为间隔设置，但二者之间的间隙较小，形成的风道有限，散热效果不会太好。另外，本申请中，所述第一磁芯部111的局部与所述印刷电路板30结合，所述第一磁芯部111还包括与所述主体部112一体成型的至少一个凸块116，所述凸块116为直接结合在所述印刷电路板30上。本实施例中，凸块116的数量为三个。凸块116的数量为多个，以保证第一磁芯部111与印刷电路板30的结合接触面积。所述凸块116与所述两个支撑部114位于所述主体部112的同一表面，且凸块116与所述两个支撑部114间隔。每一个凸块116的厚度小于所述支撑部114的厚度以使凸块116能够结合在所述印刷电路板30上。如此，印刷电路板30产生的热量，尤其是绕组产生的热量可通过凸块116传导至所述第一磁芯部111，通过所述磁芯10将热量散发出去。

可以理解的，其他实施例中，虽图未示，也可为所述第二磁芯部113包括凸块116实现与所述印刷电路板30的结合。

可以理解的，所述磁性功率器件100的磁芯10不限于UI型磁芯，还可为其他的磁芯。如图5A所示，所述磁芯10为UU型磁芯等。即，所述第一磁芯部111和所述第二磁芯部113均为U形。所述第一磁芯部111和第二磁芯部113分别包括平板状的主体部112和位于所述主体部112同一表面上的两个个间隔设置的支撑部114。对应，虽图未示，所述印刷电路板上开设有两个通孔以供第一磁芯部111的两个支撑部114分别穿过从而与第二磁芯部113的两个支撑部114结合。同样，虽图未示，第一磁芯部111或者第二磁芯部113还包括与主体部112一体成型的凸块，通过凸块实现与印刷电路板30的结合。

如图5B所示，所述磁芯10为EE型磁芯，所述第一磁芯部111和所述第二磁芯部113均为E形。所述第一磁芯部111和第二磁芯部113分别包括平板状的主体部112和位于所述主体部112同一表面上的三个间隔设置的支撑部114。所述第一磁芯部111的三个支撑部114与第二磁芯部113的三个支撑部114一一对应结合。对应，虽图未示，所述印刷电路板上开设有三个通孔以供第一磁芯部111的三个支撑部114分别穿过从而与第二磁芯部113的三个支撑部114分别结合。同样，虽图未示，第一磁芯部111或者第二磁芯部113还包括与主体部112一体成型的凸块，通过凸块实现与印刷电路板30的结合。

如图5C所示，所述磁芯10为EI型磁芯。即，所述第一磁芯部111为E形，所述第二磁芯部113为平板状的I形。所述第一磁芯部111包括平板状的主体部112和位于所述主体部112同一表面上的三个间隔设置的支撑部114。对应，虽图未示，所述印刷电路板上开设有三个通孔以供第一磁芯部111的三个支撑部114分别穿过从而与第二磁芯部113结合。同样，虽图未示，第一磁芯部111或者第二磁芯部113还包括与主体部112一体成型的凸块通过凸块实现与印刷电路板30的结合。

可以理解的，所述磁芯10不限于图3和图5A至图5C所示的结构，还可为其他形状的磁芯。

可以理解的，所述磁芯10与所述印刷电路板30可为直接接触结合，或者是二者连接的界面之间还可设置有导热界面材料。

可以理解的，虽图未示，所述印刷电路板30上还可设置其他的电子元件，如电阻、电容等等。

如图4所示，每一个散热齿13延伸呈长条状。本实施例中，位于磁芯本体11的同一个外表面上的多个散热齿13相互平行且间隔。相邻的两个散热齿13之间为条状的凹槽130。下面对散热齿13的尺寸可根据需要进行调整设计。每一个散热齿13具有延伸方向的长度a、垂直于延伸方向的宽度b、垂直所述磁芯本体外表面的高度c、以及相邻散热齿13的间距d。

磁性功率器件100的旁边通常还配备了风冷散热装置，例如散热风扇，通过流动的空气快速将磁芯10及印刷电路板30产生的热量带走，散热效果良好，避免高温损坏设备。散热齿13的长度a的方向一般是沿着风道的方向。所以磁芯10表面散热齿13的延伸方向与空气流动的方向进行设计使二者保持一致，而如果不一致的，则会降低空气的流动速率，散热效果大打折扣。

散热齿13的长度a通常与所述磁芯的总体长度L相等。但本实施例中，如图4所示，设置有散热齿13的磁芯本体11的外表面仅在表面的两侧部设置散热齿13，而两侧部的中间是表面平滑的平滑区110。所述平滑区110的设置是位于便于自动化加工组装所述磁性功率器件100时，使吸附嘴能够吸附在所述平滑区从而实现自动化抓取所述磁芯。本实施例中，所述散热齿13背离所述磁芯本体11的表面与所述平滑区为平齐的，可降低所述磁芯10的模具成型难度。可以理解的，实际应用中，可以根据需求决定散热齿13是整个外表面都设置还是局部外表面设置。

在所述磁芯本身的长度L、宽度M都已经确定的情况下，散热齿13的宽度b与散热齿13的间距d共同决定了磁芯一个外表面上的散热齿13的数量n，n＝M/(b+d)。散热齿13的宽度b与散热齿13的间距d二者之和越小，散热齿13的数量n越大。而散热齿13的数量n又与散热齿13的高度c、长度a共同决定了磁芯增加的散热面积S＝c×a×2n。基于增加散热面积的考虑，理论上长度a、高度c越大越好，宽度b、间距d越小越好。但受限于模具的成型工艺能力，为保证可大批量量产，每一个散热齿13垂直于延伸方向的宽度b大于等于2mm。位于同一个外表面上的相邻的两个散热齿13的间距大于等于1mm。每一个散热齿13垂直其所在的外表面的高度小于等于2mm。

如图6所示，本申请还提供一种电源模块200，包括基板210和设置在所述基板210上的磁性功率器件100。所述电源模块200可为变压器、电感等，但不以此为限。所述磁性功率器件100依靠所述印刷电路板30垂直插设在所述基板210上。所述基板210本身也为一印刷电路板。本申请实施例中，所述基板210上设置有间隔设置的两个磁性功率器件100。本实施例中，两个磁性功率器件100的印刷电路板30为相对且平行设置。所述基板210上还设置有散热风扇40，所述散热风扇40位于所述两个磁性功率器件100的同一端。所述散热风扇40吹出的风吹向所述两个磁性功率器件100，且风道方向与所述磁性功率器件100的散热齿13的延伸方向一致，通过散热风扇40吹出的流动的空气快速将磁芯10表面产生的热量快速带走，散热效果良好，避免高温损坏设备。如图2所示，所述磁性功率器件100的印刷电路板30一端面形成有多个凸起101，对应所述基板210上设置有插接孔(图未示)，所述印刷电路板30可通过所述凸起101插接在所述基板210的插接孔中实现印刷电路板30与所述基板210的固定连接，且所述印刷电路板30与所述基板210电性连接。

散热效果的仿真数据验证：

选取相同尺寸的两个磁芯应用于相同尺寸规格的两个变压器中，两个磁芯的长度、宽度、和厚度均相同，不同的地方是一个磁芯上设置有散热齿，另一个磁芯上未设置有散热齿作为对比例。根据热仿真数据，相较于对比例，设置有散热齿的磁芯构成平面变压器的PCB绕组温度降低4.4℃；磁芯本体温度降低了11℃。

本申请区别于现有技术的改进之处：

(1)物料成本：无需额外的散热器、粘接胶和导热垫等物料，降低了物料成本。

(2)适用场景：磁芯的散热齿可匹配磁芯本体及所处环境进行自由的尺寸设计；与磁芯一体成型，没有长期工作后散热部分脱落、散热性能降低的风险。

(3)工艺难度：磁芯散热齿可通过开模一次性制造完成，适合大规模量产；无需后期针对磁芯尺寸进行其他物料的二次设计，考虑装配方案，降低了工艺成本。

(4)体积优势：本申请的磁性功率器件由于不需要额外设置散热器、粘接胶和导热垫等物料，整体占用的空间较小，利于所述电源模块的小型化。

需要说明的是，以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内；在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电源模块，其特征在于，包括磁性功率器件，所述磁性功率器件包括：

印刷电路板；

装配在所述印刷电路板上的磁芯，所述磁芯包括磁芯本体和多个散热齿，所述磁芯本体与所述印刷电路板结合，所述多个散热齿凸设在所述磁芯本体背离所述印刷电路板的至少一外表面上，所述多个散热齿与所述磁芯本体为一体成型，每一个散热齿延伸呈长条状，位于同一个外表面上的多个散热齿相互平行且间隔，相邻两个所述散热齿之间形成条状的凹槽；

所述磁芯本体包括相互连接的第一磁芯部和第二磁芯部，所述第一磁芯部包括主体部和连接在所述主体部一表面上的至少一支撑部，所述支撑部贯穿所述印刷电路板与所述第二磁芯部结合；所述印刷电路板位于所述主体部和所述第二磁芯部之间；所述多个散热齿凸设在所述第一磁芯部背离所述印刷电路板的外表面上和所述第二磁芯部背离所述印刷电路板的外表面上，

所述第一磁芯部还包括与所述主体部一体成型的至少一凸块，所述至少一凸块与所述至少一支撑部位于所述主体部的同一表面且间隔设置；或者所述第二磁芯部朝向所述印刷电路板的表面设置有至少一凸块；所述至少一凸块朝向所述印刷电路板的端面与所述印刷电路板结合，以使所述凸块与所述支撑部之间形成散热通道；

所述电源模块还包括基板和设于所述基板上的散热风扇，所述印刷电路板垂直插设在所述基板上，所述散热风扇位于所述磁性功率器件的一端，所述凹槽的延伸方向与所述散热风扇的风道方向一致，所述磁芯上不设置散热器或导热垫。

2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述第一磁芯部和所述第二磁芯部中的至少一个与所述印刷电路板结合。

3.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述第一磁芯部和凸设在所述第一磁芯部表面上的散热齿采用磁性材料一体成型；所述第二磁芯部和凸设在所述第二磁芯部表面上的散热齿采用磁性材料一体成型。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电源模块，其特征在于，所述磁芯为UI型磁芯、EE型磁芯、EI型磁芯、UU型磁芯中的一种。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电源模块，其特征在于，所述磁芯本体与所述印刷电路板二者连接的界面之间设置有导热界面材料。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电源模块，其特征在于，每一个散热齿垂直于延伸方向的宽度大于等于2mm。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电源模块，其特征在于，位于同一个外表面上的相邻的两个散热齿的间距大于等于1mm。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的电源模块，其特征在于，每一个散热齿垂直其所在的外表面的高度小于等于2mm。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的电源模块，其特征在于，所述印刷电路板中集成有绕组。