الالزامات مربوط به بردهای مدار چاپی در سیستم‌های الکترونیکی خودرو (1) سیستم‌های قدرت و انرژی

توضیحات متا: الزامات کلیدی طراحی و ساخت PCB برای سیستم‌های قدرت و انرژی خودروهای برقی (EV) را کشف کنید، از جمله بسته‌های باتری، BMS، شارژرهای داخلی، مبدل‌های DC-DC و اینورترهای کششی. درباره طراحی PCB ولتاژ بالا، مدیریت حرارتی، بردهای مسی ضخیم و استانداردهای عایق‌بندی بیاموزید.

مقدمهسیستم‌های قدرت و انرژی به عنوان هسته اصلی خودروهای برقی (EV) عمل می‌کنند و امکان ذخیره، تبدیل و توزیع انرژی الکتریکی را که باعث عملکرد خودرو می‌شود، فراهم می‌کنند. اجزای حیاتی مانند بسته‌های باتری، سیستم‌های مدیریت باتری (BMS)، شارژرهای داخلی (OBC)، مبدل‌های DC-DC، اینورترهای کششی و جعبه‌های اتصال ولتاژ بالا به منظور اطمینان از جریان انرژی کارآمد و ایمن، با هم کار می‌کنند. این سیستم‌ها تحت شرایط سخت، ولتاژهای بالا از 400 ولت تا 800 ولت (و تا 1200 ولت در مدل‌های پیشرفته) و جریان‌های زیادی که به صدها آمپر می‌رسد، را مدیریت می‌کنند. در نتیجه، طراحی و ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) برای این سیستم‌ها برای اطمینان از قابلیت اطمینان، ایمنی و عملکرد کلی خودرو بسیار مهم است. این مقاله به الزامات خاص PCB، چالش‌های فنی و روندهای نوظهور در سیستم‌های قدرت و انرژی EV می‌پردازد.

مروری بر سیستم‌های قدرت و انرژی EV

سیستم‌های قدرت و انرژی EV از چندین ماژول به هم پیوسته تشکیل شده‌اند که هر کدام عملکردهای متمایزی دارند اما خواسته‌های مشترکی برای قابلیت اطمینان، ایمنی و راندمان حرارتی دارند:

•  بسته باتری و BMS: بسته باتری انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند، در حالی که BMS ولتاژ سلول، دما و وضعیت شارژ را نظارت می‌کند و سلول‌ها را متعادل می‌کند تا عملکرد و طول عمر را به حداکثر برساند.

•  مبدل DC-DC: توان ولتاژ بالا را از باتری (معمولاً 400 ولت) به ولتاژهای پایین‌تر (12 ولت یا 48 ولت) کاهش می‌دهد تا سیستم‌های کمکی مانند چراغ‌ها، سرگرمی و حسگرها را تغذیه کند.•  اینورتر کششی و کنترل‌کننده موتور: DC را از باتری به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند تا موتور الکتریکی را به حرکت درآورد، فرآیندی که برای شتاب و راندمان خودرو حیاتی است.

قوانین طراحی عمومی برای فاصله‌گذاری PCBالزامات طراحی PCB برای سیستم‌های قدرت و انرژی

•  نیمه‌رساناهای باند پهن: دستگاه‌های کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) که به دلیل راندمان و فرکانس بالا شناخته می‌شوند، برای به حداکثر رساندن عملکرد به ساختارهای PCB با اندوکتانس کم و تلفات کم نیاز دارند.توانایی مدیریت جریان‌های زیاد بدون گرم شدن بیش از حد یا افت ولتاژ اساسی است. این نیاز دارد:

•  ردیابی‌های پهن و شینه‌های مسی یکپارچه: عرض ردیابی‌های گسترده و شینه‌های مسی تعبیه شده مقاومت را به حداقل می‌رساند و تلفات توان را کاهش می‌دهد، که برای مسیرهای جریان بالا بسیار مهم است.2. استانداردهای عایق‌بندی و ایمنی

•  فواصل خزش و فاصله هوایی: برای خطوط ولتاژ بالا، این فواصل معمولاً 4 میلی‌متر تا 8 میلی‌متر است تا از شکست عایق‌بندی جلوگیری شود.•  انطباق با استانداردهای جهانی: PCBها باید با IEC 60664 (برای خزش/فاصله هوایی)، UL 796 (گواهینامه ولتاژ بالا) و IPC-2221 (قوانین فاصله‌گذاری عمومی) مطابقت داشته باشند، همانطور که در جدول 2 توضیح داده شده است.

گرمای بیش از حد می‌تواند عملکرد را کاهش داده و طول عمر اجزا را کوتاه کند. استراتژی‌های مدیریت حرارتی عبارتند از:•  ویاهای حرارتی، مس تعبیه شده و زیرلایه‌های فلزی: این ویژگی‌ها اتلاف گرما را از اجزای پرقدرت افزایش می‌دهند.

•  لمینت‌های با Tg بالا و CTE کم: لمینت‌ها با دمای انتقال شیشه (Tg) 170 درجه سانتی‌گراد و ضریب انبساط حرارتی (CTE) کم در برابر تاب خوردگی تحت نوسانات دما مقاومت می‌کنند.

4. مواد چند لایه و هیبریدی

سیستم‌های قدرت پیچیده به ساختارهای PCB پیشرفته نیاز دارند:

•  6 تا 12 لایه چیدمان: در ماژول‌های قدرت برای جدا کردن لایه‌های قدرت، زمین و سیگنال، کاهش تداخل، رایج است.

جدول 1: سطوح ولتاژ و جریان در مقابل ضخامت مس PCBاجزای سیستم EV

محدوده جریانضخامت مس PCB معمولی

بسته باتری / BMS

400 تا 800 ولت

2 تا 4 اونسشارژر داخلی (OBC)

10 تا 40 آمپر2 تا 3 اونس

مبدل DC-DC

400 ولت → 12/48 ولت

2 تا 4 اونساینورتر کششی

300 تا 600 آمپر4 تا 6 اونس یا هسته فلزی

چالش‌های تولید

تولید PCB برای سیستم‌های قدرت EV شامل چندین مانع فنی است:

•  عایق‌بندی ولتاژ بالا: متعادل کردن طراحی ماژول فشرده با فواصل خزش/فاصله هوایی مورد نیاز چالش برانگیز است، زیرا مینیاتوری‌سازی اغلب با نیازهای عایق‌بندی در تضاد است.•  لمینیت مواد هیبریدی: ترکیب موادی مانند FR-4 و سرامیک یا PTFE نیاز به کنترل دقیق فشار و دمای لمینیت دارد تا از جدا شدن لایه‌ها جلوگیری شود.

جدول 2: استانداردهای ایمنی و عایق‌بندی PCBاستاندارد

الزامات

تانژانت تلفات (Df)

مثال کاربردی

170 تا 1800.25

BMS، بردهای DC-DCRogers RO4350B

0.620.0037

PCB هسته فلزی>200

2.0 تا 4.0