内壁功能化中空扁铜线大功率电感散热结构及制备方法与流程

本发明涉及电子元器件制造，具体的说是内壁功能化中空扁铜线大功率电感散热结构及制备方法。

背景技术：

1、随着5g通信基站大规模部署、新能源汽车电驱系统功率持续提升以及航空航天电子设备向集成化、小型化方向发展，电子系统的功率密度呈指数级增长，对核心无源器件——功率电感的载流能力与散热性能提出了前所未有的挑战。大功率电感在大电流、高频工况下工作时，线圈导体的焦耳损耗（i2r损耗）、磁芯的磁滞损耗与涡流损耗会转化为大量热量，若热量无法及时散出，会导致线圈温度急剧升高，加速绝缘层老化，降低磁芯性能，甚至引发器件烧毁失效，成为制约功率密度提升的核心瓶颈。

2、现有技术中，针对大功率电感的散热方案主要分为外部散热与内部散热两大类。外部散热方案应用最为广泛，例如通过在电感外壳设置导热凸起并贴装于液冷板表面，或在线圈外部垫设导热垫片并匹配外置冷却水道，依靠热传导将线圈内部的热量依次经绝缘层、磁芯、灌封胶、外壳传递至外部冷却液。然而，该类散热路径存在多层界面热阻，热量从线圈中心传递至冷却液需要经过至少4-5层不同介质的界面，总热阻大，散热效率提升空间有限，难以满足kw级以上大功率电感的散热需求。

3、为缩短散热路径，部分技术尝试在导体内部构建散热结构，例如在扁铜线内部设置封闭容纳腔并填充石蜡、烷烃类相变换热介质，利用热管的蒸发-冷凝原理实现导体内部的均温。但该方案本质上属于被动均热，仅能实现热量在导体内部的重新分布，无法将热量主动导出器件，冷却介质依赖外部冷凝段进行二次散热，整体散热功耗大且响应速度慢，无法实现主动强对流换热，在持续大功率工况下散热效果有限。

4、采用中空导体并直接通入冷却液是实现近端散热的理想路径，但该方案面临两大核心难题：一是冷却液直接与铜内壁接触会造成铜管腐蚀，且冷却液的导电性易引发匝间短路，存在可靠性风险；二是若在内壁涂覆普通绝缘漆，传统绝缘树脂的导热系数通常低于0.3w/mk，会在管壁与冷却液之间形成“保温层”，反而增大热阻，恶化散热效果，无法发挥内部液冷的优势。

5、为提升绝缘涂层的导热性能，行业内通常会在树脂中添加氧化铝、氮化硼等高导热填料，但常规共混涂层中填料呈无规杂乱分布，无法形成连续的导热通路，导热系数提升有限。已有研究表明，六方氮化硼（h-bn）微片具有显著的各向异性，其面内导热系数可达300w/mk以上，通过使片层垂直于管壁，强制热量在垂直于管壁的方向（即径向）上沿h-bn片层的面内方向传递，从而形成连续的、低热阻的径向导热通道。同时，该涂层在垂直方向（沿管壁法向）保持优异的电绝缘性能。若能使h-bn片层在涂层中定向排列，可在特定方向上构建高效导热网络。然而，现有定向排列技术如刮涂、旋涂、电场取向等均适用于平面基材，对于中空扁铜线所具有的狭长微通道、大长径比、高曲率内壁曲面，如何在有限空间内实现填料的均匀涂覆与高度定向排列，同时保证涂层与内壁的结合力、绝缘性能与导热性能的平衡，目前仍存在显著的技术空白，尚无成熟的工业化解决方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明提供了内壁功能化中空扁铜线大功率电感散热结构及制备方法，解决传统实心导体散热路径长、现有外部液冷热阻大、中空导体内壁绝缘与导热难以兼顾、狭长曲面内壁高导热填料定向排列困难等技术问题，在保证电气绝缘与结构可靠性的前提下，实现电感热源近端的高效主动液冷散热，大幅提升器件功率密度与工作稳定性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：内壁功能化中空扁铜线大功率电感散热结构，包括磁芯和绕设于磁芯上的绕组，所述绕组由至少一根具有沿长度方向贯通的流体冷却通道的中空扁铜线绕制而成；所述流体冷却通道的内壁设有一层高导热绝缘复合涂层；所述复合涂层包含树脂基体以及分散于树脂基体中的片状高导热电绝缘填料，所述片状高导热电绝缘填料在复合涂层内呈定向排列，且填料的片层平面基本垂直于所述流体冷却通道的内壁表面，从而在垂直于所述内壁表面的径向方向上形成连续的低热阻导热通道。

3、具体地，所述片状高导热电绝缘填料为六方氮化硼微片，其平均粒径为0.5μm～15μm，长径比大于10；所述六方氮化硼微片在复合涂层中的体积填充比为30%～60%。

4、具体地，所述中空扁铜线的横截面为矩形或跑道形，其宽厚比大于3:1；所述中空扁铜线的铜基体壁厚为0.3mm～1mm，所述流体冷却通道的截面面积占中空扁铜线总截面面积的30%～60%。

5、具体地，所述复合涂层的厚度为15μm～35μm，涂层的径向等效导热系数≥5w/mk，击穿电压≥2000v，耐温等级≥180℃。

6、具体地，所述树脂基体为聚酰亚胺、改性环氧树脂或有机硅树脂中的一种；所述中空扁铜线的外表面设有外绝缘层，绕组匝间填充有导热结构胶层，所述导热结构胶层与内部流体冷却通道共同构成双路散热路径。

7、上述的内壁功能化中空扁铜线大功率电感散热结构的制备方法，包括以下步骤：

8、s1：对中空扁铜线的流体冷却通道内壁进行清洗与表面粗化处理，去除内壁油污、氧化层并形成微观粗糙界面；

9、s2：将片状高导热电绝缘填料分散于树脂基体的前驱体溶液中，经分散处理得到均匀的绝缘涂料；

10、s3：采用内壁流涂法或电泳沉积法将绝缘涂料均匀附着于流体冷却通道的内壁表面；

11、s4：对涂覆后的中空扁铜线进行分段加热固化，在固化过程中通过流体剪切力或电场力维持填料的定向排列，形成致密的高导热绝缘复合涂层；

12、s5：将制备完成的内壁功能化中空扁铜线绕制于磁芯上，组装得到电感散热结构。

13、具体地，步骤s3采用内壁流涂法时，控制绝缘涂料的表观粘度为150mpa·s～1200mpa·s，流涂线速度为5cm/s～50cm/s，使流体剪切速率维持在10s-1～100s-1，通过层流剪切力配合壁面约束效应，诱导片状填料垂直于内壁排列。

14、具体地，步骤s3采用电泳沉积法时，先对片状高导热电绝缘填料进行表面改性使其带电荷，将绝缘涂料配置为水性电泳液，施加10v/cm～30v/cm的直流电场，沉积时间为5min～20min，通过电场力驱动带电填料沿电场方向定向排列并沉积于内壁。

15、具体地，步骤s4中，分段加热固化的工艺为：先以0.5℃/min～5℃/min的升温速率升至80℃～120℃，保温1h～2h进行预固化；再以相同升温速率升至180℃～220℃，保温1h～3h进行后固化；固化过程中溶剂缓慢挥发，树脂交联收缩进一步促使填料片层垂直于内壁表面取向。

16、具体地，步骤s1中，清洗粗化处理依次采用碱洗除油、酸洗去氧化、去离子水冲洗以及等离子体粗化；步骤s5中，绕制后在绕组匝间填充导热结构胶，并在绕组两端焊接流体转接头，所述流体转接头内置分流槽，使冷却液均匀分配至各匝流体冷却通道。

17、本发明的有益效果：

18、1、近端主动散热，热阻极低，温升降幅显著

19、冷却液直接在发热的铜导体内部流动，从热源处直接带走热量，散热路径大幅缩短，消除了传统外部散热中多层介质的界面热阻。结合内壁高导热定向涂层，彻底打通了“铜基体→绝缘涂层→冷却液”的热传导通路。实测数据表明，10kw工况下本发明结构的绕组热点温升仅29℃，相比实心扁线电感降低，相比普通绝缘涂层中空扁线电感降低，散热效果提升显著。

20、2、绝缘与导热兼得，突破传统涂层性能瓶颈

21、通过h-bn微片的高度定向排列，巧妙利用其各向异性，在同一涂层中同时实现了径向高导热与法向高绝缘，解决了传统绝缘涂层“绝缘好则导热差、导热好则绝缘差”的固有矛盾。最优配比涂层的径向导热系数可达7.5w/mk，是普通未定向绝缘涂层的25倍，同时保持优异的电气绝缘性能。

22、3、高功率密度，适配高频工况

23、扁线结构绕组窗口填充系数可达90%以上，远高于圆线绕组；同时高频工况下的趋肤效应使电流集中于导体表面，中空结构恰好去除了不参与导电的中心材料，在不影响载流能力的前提下减轻了重量、节省了铜材，且内部通道可直接用于散热，实现了电学性能与散热性能的完美契合。整体电感体积可比传统方案减小，功率密度大幅提升。

24、4、工艺可控性强，适合工业化量产

25、采用流涂或电泳沉积工艺，均可实现长尺寸中空扁铜线的连续化涂覆生产，工艺参数稳定可控，涂层一致性好。无需复杂设备与苛刻环境，生产成本较低，易于大规模推广应用，可适配不同规格、不同功率等级的电感产品。