如何从新材料和新工艺中降低电感变压器损耗

变压器、电感器的技术方向简单来说就是实现低损耗和高转化效率。在满足电性能的前提下，降低损耗成为变压器、电感器设计的关键。为此，需要对变压器、电感器的损耗进行详细分解，并从材料技术和结构工艺技术两大方面降低变压器、电感器的损耗。

电感器

01 变压器、电感器损耗特性分解

变压器、电感器损耗特性可以分解为磁损和铜损两大类。

其中磁损分为磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗受磁芯材料及体积的影响，磁滞损耗发生在磁化过程中，是由于磁畴的不可逆移动导致的。使用具有较低磁滞特性的磁芯材料或调整磁芯体积可以减少这种损耗。

涡流损耗受变压器、电感器的产品结构和磁芯材料及体积的影响。涡流损耗是由于磁芯内部感应电流（涡流）流动产生的。优化变压器、电感结构和使用高电阻率的磁芯材料可以减少涡流损耗。

而铜损分为交流损耗和直流损耗。交流损耗受温度、导热系数和散热结构的影响。交流损耗主要发生在绕组中，是由于电流的交流性质导致的。温度的升高会增加交流损耗，因此提高导热系数和优化散热结构对于减少交流损耗至关重要。

直流损耗受绕组材料及体积的影响。直流损耗是由于电流通过绕组时产生的电阻损耗。使用电阻率更低的绕组材料或调整绕组体积可以减少直流损耗。

因此，基于磁性损耗的特性，其优化思路分为材料技术和变压器结构工艺技术的优化。材料技术分为低损耗磁性材料、低损耗绕组材料以及高导热系数材料的开发和应用。

结构工艺技术分为集成技术和注塑一体技术，以实现电感变压器性能的优化。目前，一体成型电感能够快速替代传统NR系列电感产品，正是主要得益于工艺上的突破。

一体成型功率电感 来源：顺络电子

02 应对策略

基于变压器、电感器的损耗特性，变压器、电感器的创新思路是通过应用新材料和新工艺，实现变压器、电感器的高可靠性、高效率和智能化生产。

机理分析及改善

以LLC变压器为例，传统的变压器结构存在损耗大、散热差、效率低等问题，变压器零件多、工艺复杂、安装精度差，导致变压器在市场上缺乏竞争力。通过机理分析和仿真模拟，可以发现主要变压器的发热点集中在磁芯气隙和次级铜片。

a）气隙涡流损耗

传统变压器结构中，由于气隙处漏磁通切割线圈及磁芯，导致涡流损耗增加。同时，磁芯中柱是热量集中的地方，而气隙的存在切断了磁芯中柱的导热路径，从而影响了变压器热量的散发。

而一体磁芯结构的优势在于这种结构没有气隙，因此可以有效降低由气隙造成的涡流损耗。此外，一体结构提供了更优的导热路径，有助于提高热量的传导效率，从而改善整体的散热性能。通过这种结构优化，可以显著提升磁芯的工作效率和热管理能力。

b）次级绕组

在次级绕组中，由于空气导热系数低，绕组和磁芯之间被空气隔绝，导致热量无法有效散出。改进方案是采用绕组及磁芯注塑结构，通过使用高导热绝缘材料，可以保证绝缘性能的同时提高变压器导热特性。这种材料的应用使得电感器、变压器热量能够更有效地从绕组和磁芯中散发出去，从而解决了电感器、变压器热量无法散出的问题。

优化方向

a)新材料

在新材料方面，通过优化材料的粒径和绝缘包覆强度，以实现更高的有效磁导率和更低的损耗。

如顺络电子的磁芯材料的粒径在300到500目之间，绝缘包覆厚度不超过20纳米。这些特性能够确保磁芯材料具有高有效磁导率，达到至少60ui，同时保持低损耗，即在100KHz和100mT条件下损耗不超过310mW/cm³。

绝缘导热材料采用了新三相复合双逾渗结构，这种结构的导热系数为7.69 W/(m·K)。根据能量传递公式，E=KS(T1-T0)*t/L，说明了在导热面积S和长度L不变的情况下，为了维持能量稳定，当温差(T1-T0)减半时，导热系数K需要翻倍。这强调了在设计中选择高导热系数材料的重要性，以提高热管理效率。

b）新工艺

在线圈绝缘注塑工艺中，注塑厚度控制在0.32mm以内，并且采用低温注塑技术，温度不超过165℃。这种工艺能够确保线圈的绝缘特性达到6000V以上，同时综合导热系数达到4W/(m·K)，这有助于提高变压器、电感器的热管理性能。

磁芯一体注塑工艺则采用微压低温（不超过150℃）一体成型技术，这种技术可以制造出具有更大绕线窗口的磁芯，从而增加次级绕组的空间约10%，且无需额外的装配间隙和安规空间。这不仅提高了变压器、电感器空间利用率，还简化了组装工艺，使得变压器、电感器自动化生产成为可能。

新工艺方面，线圈绝缘注塑和磁芯一体注塑技术的应用，能够快速实现变压器、电感器体积的小型化，并在量产过程中实现变压器、电感器标准化作业。

结语

从终端应用上看，以光储充、新能源汽车、AI服务器、云计算等为代表的领域正在延续大功率发展的态势。而大功率发展趋势又对变压器、电感器提出低损耗、小型化、集成化需求，这就需要变压器、电感器产业链企业需要从材料、工艺两方面革新，并且在整个变压器、电感器产品设计过程中，更多地运用仿真优化技术，以提升变压器、电感器性能。

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审核编辑 黄宇