2. 热设计基础
磁性器件（电感、变压器、共模扼流圈等）的损耗最终都会变成热。热设计的目标不是“让器件不发热”，而是把发热点产生的热量以可预测的路径排到环境中，使绕组绝缘、磁芯和焊点都停留在安全温度以内。要做到可预测，就必须先把温度、热流、热阻、热容这几个量，以及导热、对流、辐射三种传热方式的语言统一起来。
一、温度与热流：热设计的两个基本状态量
温度是“热势”的度量，单位是摄氏度（℃）或开尔文（K）。热设计中最关心的是温差 ΔT，而不是绝对温度，因为热量总是从高温处流向低温处。工程上常把环境温度记为 Ta，器件某点温度记为 Tx，则 ΔT = Tx − Ta。
热流（热功率）P 表示单位时间内传递的热量，单位是瓦特（W）。它与电学中的电流高度类比：温差相当于电压，热流相当于电流，热阻相当于电阻。磁性器件的总损耗 Ploss = Pcore + Pcu，其中磁芯损耗来自磁滞与涡流，铜损来自绕组直流电阻与集肤、邻近效应。这个 Ploss 就是热流源，是后续所有热计算的输入。
二、热阻与热容：稳态与瞬态的两把尺子
热阻 Rth 描述“每传递 1 W 热量需要多大温差”，单位是 ℃/W 或 K/W。其定义式为 Rth = ΔT / P。稳态下，器件的温升就是热流乘以热阻：ΔT = Ploss × Rth。热阻可以串联，例如“结到壳 + 壳到散热器 + 散热器到环境”，总热阻为各段之和，这与电阻串联完全一致。
热容 Cth 描述“升高 1 ℃需要吸收多少热量”，单位是 J/℃ 或 J/K。它决定热系统的瞬态响应速度。热阻与热容的乘积 Rth·Cth 称为热时间常数 τ，单位是秒。τ 越大，器件升温越慢，短时过载能力越强，但达到稳态也越慢。对于脉冲工作的磁性器件，热容往往是决定峰值温度的关键参数。
稳态温升：ΔT = P_loss × R_th_total
瞬态温升：ΔT(t) = P_loss × R_th × (1 − e^(−t/τ))
热时间常数：τ = R_th × C_th
串联热阻：R_th_total = R_th1 + R_th2 + R_th3三、三种传热方式：导热、对流与辐射
导热发生在固体内部或紧密接触的物体之间，由分子振动和自由电子传递能量。其基本定律为傅里叶定律：Q = k·A·ΔT / L，其中 k 是材料导热系数（W/(m·K)），A 是传热面积（m²），L 是传热路径长度（m）。磁性器件中，磁芯到骨架、绕组到灌封胶、器件到散热器都主要靠导热。铁氧体 k 约 3～5 W/(m·K)，铜约 400 W/(m·K)，导热硅脂约 1～5 W/(m·K)，空气仅约 0.026 W/(m·K)。
对流发生在固体表面与流体之间，分为自然对流和强制风冷。牛顿冷却定律为 Q = h·A·ΔT，其中 h 是对流换热系数（W/(m²·K)）。自然对流 h 约 5～25，强制风冷 h 约 25～250。对流是大多数开放式磁性器件的主要散热路径。
辐射通过电磁波传递能量，不需要介质。斯特藩-玻尔兹曼定律为 Q = ε·σ·A·(Ts⁴ − Ta⁴)，其中 ε 是发射率（0～1），σ = 5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴)。辐射在高温差、大表面积时不可忽略，常温小温差下通常占比很小。
四、单位体系与量纲一致性
热计算出错，很大一部分来自单位混用。下表把本节涉及的核心量、符号、单位与典型值集中列出，便于在计算前逐项核对。
| 物理量 | 符号 | 单位 | 典型值 / 说明 |
|---|---|---|---|
| 温度 | T | ℃ 或 K | 关注温差 ΔT，而非绝对值 |
| 热流（热功率） | P | W | 磁性器件总损耗 P_loss |
| 热阻 | Rth | ℃/W | 串联相加，与电阻类比 |
| 热容 | Cth | J/℃ | 决定瞬态升温速度 |
| 导热系数 | k | W/(m·K) | 铜≈400，铁氧体≈3～5，空气≈0.026 |
| 对流换热系数 | h | W/(m²·K) | 自然对流 5～25，强制风冷 25～250 |
| 发射率 | ε | 无量纲 | 抛光金属低，黑体接近 1 |
| 斯特藩-玻尔兹曼常数 | σ | W/(m²·K⁴) | 5.67×10⁻⁸ |
五、案例：一个 20 W 磁性器件的稳态温升估算
某 PFC 电感总损耗 Ploss = 20 W，环境温度 Ta = 45 ℃。已知磁芯到散热器热阻 Rth1 = 0.8 ℃/W，散热器到环境热阻 Rth2 = 1.7 ℃/W。则总热阻 Rth_total = 0.8 + 1.7 = 2.5 ℃/W，稳态温升 ΔT = 20 × 2.5 = 50 ℃，器件温度约为 45 + 50 = 95 ℃。若绝缘等级允许最高 105 ℃，则余量仅 10 ℃，需要优化散热器或降低损耗。
若该器件工作在 10 s 脉冲、占空比 30%，则热容会显著抑制峰值温升。假设 Cth = 12 J/℃，τ = 2.5 × 12 = 30 s，10 s 时温升仅达到稳态的 1 − e−10/30 ≈ 28%，峰值温度远低于稳态估算值。这说明瞬态工况必须同时看 Rth 与 Cth。
六、常见误区与复盘
- 只算铜损，忽略磁芯损耗：高频下磁芯损耗可能超过铜损，漏算会导致温升严重低估。
- 把热阻当常数：Rth 随气流、安装姿态、表面状态变化，自然对流与强制风冷可差数倍。
- 忽略接触热阻：器件与散热器之间的空气隙会引入额外热阻，导热硅脂或导热垫不可省。
- 单位混用：把 mm 当 m、把 mW 当 W，是最常见也最致命的计算错误。
- 只看稳态：脉冲工况下热容决定峰值温度，稳态公式会给出过于保守的结论。
复盘时建议建立一张“热预算表”：列出各段热阻、对应温升、累计温度与允许上限，逐项核对。这样既能定位瓶颈段，也能在改版时快速评估散热方案是否达标。