PCB-vereisten voor elektronische systemen voor de automobielindustrie: stroom- en energiesystemen in elektrische voertuigen

Meta-beschrijving: Verken de kritische PCB-ontwerp- en fabricagevereisten voor stroomsystemen voor elektrische voertuigen (EV), met inbegrip van hoogspanningsbeheer, thermisch beheer,en naleving van de automobielnormenLeer hoe dikke koperen PCB's, isolatieprotocollen en geavanceerde materialen een betrouwbare EV-prestatie mogelijk maken.

Inleiding
De kracht- en energiesystemen van elektrische voertuigen (EV's) vormen de ruggengraat van hun prestaties, veiligheid en efficiëntie.laadapparaten aan boord (OBC), gelijkstroomomvormers, trekkingsomvormers en hogespanningsverbindingsdozen werken onder extreme omstandigheden: spanningen van 400 V tot 800 V (en maximaal200 V in de volgende generatie modellen) en stromen van meer dan 500 AOm deze systemen betrouwbaar te laten functioneren, moeten de printplaten (PCB's) die ze aansturen, voldoen aan strenge ontwerp-, materiaal- en fabricagestandaarden.

In deze gids zullen we de gespecialiseerde vereisten voor PCB's in EV-energiesystemen uiteenzetten.van het verwerken van hoge spanningen en stromen tot het waarborgen van thermische stabiliteit en naleving van wereldwijde veiligheidsnormenWe zullen ook onderzoek doen naar uitdagingen in de productie en opkomende trends, zoals de overgang naar breedbandsemiconductoren en geavanceerde koeloplossingen.die de toekomst van het PCB-ontwerp van auto's vormen.

Belangrijke onderdelen van elektrische voertuigen
EV-energiesystemen zijn gebaseerd op onderling verbonden modules, elk met unieke PCB-behoeften.

1.Battery Pack & BMS: Het batterijpakket slaat energie op, terwijl het BMS de celspanning, temperatuur en ladingbalans regelt.PCB's hier moeten lage-spanning sensing (voor cel monitoring) en hoge-stroom paden (voor opladen/ontladen) ondersteunen.
2.On-Board Charger (OBC): Converteert AC-netkracht naar DC voor het opladen van batterijen. PCB's in OBC's vereisen efficiënt thermisch beheer om conversieverliezen te verwerken.
3.DC-DC-omvormer: verlaagt de hoge spanning (400V) naar lage spanning (12V/48V) voor hulpsystemen (verlichting, infotainment). PCB's moeten hoge en lage spanningen isoleren om interferentie te voorkomen.
4.Tractie-omvormer: zet DC van de batterij om in wisselstroom voor de elektromotor. Dit is het meest veeleisende onderdeel, waarbij PCB's nodig zijn die 300 ∼ 600 A kunnen hanteren en extreme hitte kunnen weerstaan.
5.High-Voltage Junction Box: verdeelt stroom over het voertuig, met PCB's die zijn ontworpen om bochten en kortsluitingen te voorkomen via robuuste isolatie.
6.Regeneratief remsysteem: vangt kinetische energie op tijdens het remmen. PCB's hier hebben een lage weerstand nodig om de efficiëntie van energieherwinning te maximaliseren.

Critische PCB-ontwerpvereisten voor elektrische voertuigen
PCB's voor elektrische aandrijfsystemen worden geconfronteerd met unieke uitdagingen als gevolg van hoge spanningen, grote stromen en harde bedrijfsomgevingen.

1Hoogspanningsbehandeling en stroomcapaciteit
EV-energiesystemen vereisen PCB's die 400V ¥ 800V en stroom tot 600A kunnen beheren zonder oververhitting of spanningsverlies.

a.Dikke koperlagen: de dikte van koper varieert van 2 oz tot 6 oz (1 oz = 35 μm) om de weerstand te verminderen.gebruik vaak 4 ̊6oz koper- of metaalkern-PCB's (MCPCB's) voor verbeterde geleidbaarheid.
b.Wide traces en busbars: uitgebreide tracebreedten (≥ 5 mm voor 300A) en ingebedde koperbusbars minimaliseren het vermogen.een 4oz koper spoor 10mm breed kan 300A dragen bij 80°C zonder het overschrijden van de veilige temperatuur limieten.
c.Low-Inductance Layouts: Hoogfrequente schakeling in omvormers (vooral met SiC/GaN halfgeleiders) genereert lawaai. PCB's gebruiken korte, directe sporen en grondvlakken om de inductance te verminderen,het voorkomen van spanningspieken.

2Isolatie en veiligheid
Hoge spanningen veroorzaken risico's op bochten, kortsluitingen en elektrische schokken.

a.Krippage en vrijheid: dit zijn de minimale afstanden die nodig zijn tussen geleidende paden om boogvorming te voorkomen. Voor 400V-systemen is de krimp (afstand langs het oppervlak) ≥ 4 mm,en de vrije ruimte (luchtkloof) ≥3 mmVoor 800V-systemen worden deze afstanden verhoogd tot ≥6 mm (krimp) en ≥5 mm (afstand) (volgens IEC 60664).
b.Isolerende materialen: er worden substraten met een hoge dielectrische sterkte (≥ 20 kV/mm) gebruikt, zoals FR4 met een hoge Tg (≥ 170°C) of keramische composieten.aan koelmiddelen) een secundaire isolatielaag toevoegen.
c.Naleving van wereldwijde normen: PCB's moeten voldoen aan auto-specifieke certificeringen, waaronder:

3. Thermisch beheer
Hitte is de belangrijkste vijand van EV-energiesystemen. Hoge stroom en schakelverliezen genereren aanzienlijke warmte, wat componenten kan afbreken en de efficiëntie kan verminderen.PCB-ontwerp moet prioriteit geven aan warmteafvoer:

a.Thermische via's en koperen vlakken: een reeks met koper gevulde via's (diameter 0,3 ∼ 0,5 mm) brengt warmte van hete onderdelen (bv. MOSFET's, IGBT's) naar de binnenste of buitenste koperen vlakken.Een raster van 10x10 thermische via's kan de onderdelentemperatuur met 20°C verlagen.
b.Metal-Core PCB's (MCPCB's): bij tractie-omvormers worden vaak MCPCB's gebruikt, waarbij een aluminium- of koperkern een warmtegeleidbaarheid (24 W/m·K) biedt die ver boven de standaard FR4 (0,25 W/m·K) ligt.
c.Materialen met een hoge Tg- en een lage CTE-temperatuur: laminaten met een glazen overgangstemperatuur (Tg) van ≥ 170°C zijn bestand tegen verzachting onder hitte, terwijl materialen met een lage thermische uitbreidingscoëfficiënt (CTE) (bijv.keramisch gevulde FR4) verminderen vervorming tijdens thermische cyclus (-40 °C tot 125 °C).

4. Meerlaagse en hybride ontwerpen
EV-energiesystemen vereisen complexe PCB's om de energie-, grond- en signaallagen te scheiden, waardoor interferentie wordt verminderd:

a.Layer Stack-Ups: 6 ′′ 12 laag ontwerpen zijn gebruikelijk, met speciale vermogen vlakken (2 ′′ 4 oz koper) en grond vlakken om spanningen te stabiliseren.Signal → Aarde → Kracht → Kracht → Aarde → Signal.
b.Hybride materialen: het combineren van FR4 met hoogwaardige substraten optimaliseert kosten en prestaties.een DC-DC-omvormer kan FR4 voor vermogen lagen en Rogers RO4350B (low loss tangent) voor hoogfrequente signaalpaden gebruiken, waardoor de EMI wordt verminderd.
c. Ingebedde componenten: passieve componenten (resistoren, condensatoren) zijn ingebed in PCB-lagen om ruimte te besparen en parasitaire inductance te verminderen, wat cruciaal is voor compacte ontwerpen zoals BMS-modules.

Productie-uitdagingen voor PCB's voor elektrische voertuigen
De productie van PCB's voor elektrische voertuigen is technisch zeer veeleisend en biedt verschillende uitdagingen:

1. Verwerking van dik koper
Koperlagen ≥4oz (140μm) zijn gevoelig voor etsen inconsistenties, zoals ondersnijden (waarbij etser verwijdert overtollig koper van de spoor zijden).Oplossingen omvatten::

a.Controlled Etching: met behulp van zuurkopersulfaat met een precieze temperatuur (45 ∼50 °C) en sproeidruk om het etsen te vertragen, waarbij de toleranties voor de breedte van de sporen binnen ± 10% worden gehandhaafd.
b. Optimalisatie van het platten: pulse-elektroplating zorgt voor een uniforme koperafzetting, die van cruciaal belang is voor 6 oz lagen in tractie-omvormers.

2. Het evenwicht tussen miniaturisatie en isolatie
Elektrische voertuigen vereisen compacte stroommodules, maar hoge spanningen vereisen grote kruip-/ruimteafstanden, wat een ontwerpconflict veroorzaakt.

a.3D-PCB-ontwerpen: Verticale integratie (bijv. gestapelde PCB's die met blinde vias zijn verbonden) vermindert de voetafdruk en behoudt de isolatieafstanden.
b.Isolatiebarrières: door dielectrische afstandsbepalers (bijv. polyimidefilms) tussen hoogspanningsspuren te integreren, kan een nauwere afstand worden bereikt zonder de veiligheid in gevaar te brengen.

3. Hybride materiaal laminatie
Het binden van verschillende materialen (bijv. FR4 en keramiek) tijdens lamineren veroorzaakt vaak delaminatie als gevolg van onevenwichtige CTE.

a.Graded Lamination: het gebruik van tussenmaterialen met CTE-waarden tussen de twee substraten (bijv. prepregs met glasvezels) om de spanning te verminderen.
b.Geleide druk/temperatuurcycli: rampsnelheden van 2°C/min en houddrukken van 300-400 psi zorgen voor een goede hechting zonder vervorming.

4- Strenge testen.
EV-PCB's moeten uiterste betrouwbaarheidstests doorstaan om prestaties in ruwe omgevingen te garanderen:

a.Thermische cyclus: meer dan 1000 cycli tussen -40°C en 125°C om seizoensgebonden temperatuurveranderingen te simuleren.
b.Vibratietesten: 20 ‰ 2.000 Hz sinusvormige trillingen (volgens ISO 16750) om de wegomstandigheden na te bootsen.
c.High-Voltage Dielectric Testing: 100% test bij 2x werkspanning (bijv. 1,600V voor 800V-systemen) om isolatiefouten op te sporen.

Toekomstige trends in het ontwerp van PCB's voor elektrische voertuigen
Naarmate EV-technologie vooruitgang boekt, evolueert PCB-ontwerp om aan nieuwe eisen te voldoen, gedreven door efficiëntie, miniaturisatie en volgende generatie halfgeleiders:

1. Wide Bandgap (WBG) halfgeleiders
"Technologie" voor de "ontwikkeling" of "ontwikkeling" van "technologieën" voor de "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling", "ontwikkeling",

a.Low inductance: korte, directe sporen en geïntegreerde busbars om spanningspieken tijdens het schakelen te minimaliseren.
b.Verbeterde thermische paden: MCPCB's of met vloeistof gekoelde substraten (bijv. koude platen die aan de achterkant van PCB's zijn gebonden) voor het verwerken van warmtebelastingen van 200 W/cm2.

2Geïntegreerde Power Electronics.
Het rechtstreeks integreren van vermogenskomponenten (bijv. condensatoren, veiligmakers) in PCB-lagen vermindert de moduleomvang met 30% en verbetert de betrouwbaarheid.

a.Inbedded Busbars: Dikke koperen (6 oz) busbars tussen lagen verwijderen draadgordels, waardoor de weerstand met 50% wordt verminderd.
b.3D-printen van geleiders: additieve productietechnieken leggen kopersporen met complexe geometrieën neer, waardoor de stroomstroom wordt geoptimaliseerd.

3Slimme PCB's met sensoren
Toekomstige PCB's zullen geïntegreerde sensoren bevatten om:

a.Temperatuur: thermische kaart in realtime om hotspots te voorkomen.
b. Spanning/stroom: Inline stroomsensoren (bijv. Hall-effect) voor overstroombescherming.
c. Isolatieweerstand: continue monitoring om afbraak te detecteren voordat storingen optreden.

4Duurzaamheid en circulair ontwerp
De autofabrikanten dringen aan op milieuvriendelijke PCB's, waaronder:

a.Recyclebare materialen: loodvrij soldeer, halogeenvrij laminaat en recyclebaar koper.
b.Moduleerde ontwerpen: PCB's met vervangbare secties om de levensduur te verlengen en afval te verminderen.

Vragen over PCB's voor elektrische voertuigen
V: Waarom hebben tractie-omvormers dikker koper nodig dan BMS-PCB's?
A: Trekkingsomvormers hanteren 300 ‰ 600A, veel meer dan BMS-systemen (200 ‰ 500A piek).

V: Wat is het verschil tussen kruipvermogen en vrijheid bij hoogspannings-PCB's?
A: Creepage is het kortste pad tussen geleiders langs het PCB-oppervlak; clearance is het kortste luchtgap. Beide voorkomen boogvorming, waarbij de waarden toenemen met de spanning (bijv.800V-systemen vereisen ≥6 mm kruipvlak).

V: Hoe verbeteren PCB's met metalen kern de prestaties van EV-omvormers?
A: MCPCB's maken gebruik van een metalen kern (aluminium/koper) met een hoge thermische geleidbaarheid (24 W/m·K), waardoor warmte van IGBT's/SiC's 5×10x sneller wordt verdreven dan standaard FR4, waardoor een hogere vermogendichtheid mogelijk is.

V: Aan welke normen moeten PCB's voor elektrische voertuigen voldoen?
A: Belangrijkste normen zijn IEC 60664 (isolatie), UL 796 (veiligheid bij hoge spanning), ISO 26262 (functionele veiligheid) en IPC-2221 (ontwerpregels).

V: Hoe zullen SiC-halfgeleiders het PCB-ontwerp beïnvloeden?
A: SiC-apparaten schakelen sneller (100kHz+), waardoor PCB's met een lage inductance met korte sporen en geïntegreerde busbars nodig zijn.

Conclusies
PCB's zijn de onbekende helden van elektrische stroomsystemen en maken de veilige en efficiënte werking van hoogspanningscomponenten mogelijk.Van dikke koperlagen en strenge isolatie normen tot geavanceerd thermisch beheer en hybride materialen, elk aspect van hun ontwerp is geoptimaliseerd voor de unieke eisen van elektrische voertuigen.

Als elektrische voertuigen zich richt op 800V-architecturen, SiC-halfgeleiders en autonoom rijden, zullen de PCB-vereisten alleen maar strenger worden.Veiligheid, en kosten zullen een centrale rol spelen bij het versnellen van de invoering van elektrische mobiliteit.

Voor ingenieurs en fabrikanten betekent vooruit blijven innovaties zoals ingebedde componenten, vloeibare koeling en slimme sensoren, terwijl ze zich houden aan wereldwijde normen die betrouwbaarheid garanderen.Met het juiste PCB-ontwerp, zal de volgende generatie elektrische voertuigen veiliger, efficiënter en klaar zijn om het vervoer te transformeren.