자동차 전자 시스템: 전기 차량의 전력 및 에너지 시스템

메타 설명: 전기 차량 (EV) 전력 시스템에 대한 중요한 PCB 설계 및 제조 요구 사항을 탐구합니다. 고전압 처리, 열 관리,그리고 자동차 표준을 준수두꺼운 구리 PCB, 단열 프로토콜, 그리고 첨단 재료가 어떻게 EV의 신뢰성 높은 성능을 가능하게 하는지 알아보세요.

소개
전기차 (EV) 의 전력 및 에너지 시스템은 성능, 안전 및 효율성의 척추입니다.탑재 충전기 (OBC), DC-DC 변환기, 트렉션 인버터 및 고전압 연결 상자는 극한 조건에서 작동합니다: 400V에서 800V까지의 전압 (그리고 최대 1,400V까지)차세대 모델에서 200V) 및 500A를 초과하는 전류· 이 시스템 이 안정적 으로 작동 하기 위해서는, 그것 들 을 가동 하는 인쇄 회로 보드 (PCB) 는 엄격 한 설계, 재료, 제조 표준 을 충족 해야 합니다.

이 가이드에서는 EV 전력 시스템에서 PCB에 대한 전문 요구 사항을 분해합니다.높은 전압과 전류를 처리하는 것부터 열 안정성 및 세계 안전 표준을 준수하는 것까지우리는 또한 광대역 반도체와 첨단 냉각 솔루션으로의 전환과 같은 제조업 과제와 신흥 트렌드를 탐구할 것입니다.자동차 PCB 디자인의 미래를 형성하고 있습니다..

EV 전력 및 에너지 시스템의 주요 구성 요소
EV 전력 시스템은 서로 연결된 모듈에 의존하며, 각각의 PCB는 고유한 PCB 요구사항을 갖는다. 효과적인 PCB를 설계하기 위해서는 그 역할에 대한 이해가 중요합니다.

1배터리 팩 & BMS: 배터리 팩은 에너지를 저장하고, BMS는 셀 전압, 온도 및 충전 균형을 조절합니다.여기 PCB는 낮은 전압 감지 (전지 모니터링) 및 높은 전류 경로를 지원해야합니다 (충전 / 방하).
2탑재 충전기 (On-Board Charger, OBC): 배터리 충전을 위해 AC 네트워크 전력을 DC로 변환합니다. OBC의 PCB는 변환 손실을 처리하기 위해 효율적인 열 관리가 필요합니다.
3.DC-DC 변환기: 보조 시스템 (광, 인포테인먼트) 을 위해 높은 전압 (400V) 을 낮은 전압 (12V/48V) 으로 줄입니다. PCB는 간섭을 방지하기 위해 높은 전압과 낮은 전압을 격리해야합니다.
4.트랙션 인버터: 전기 모터를 위해 배터리에서 DC를 AC로 변환합니다. 이것은 가장 까다로운 부품이며 300~600A를 처리하고 극한 열에 견딜 수있는 PCB가 필요합니다.
5고전압 연결 상자: 강력한 단열을 통해 활과 단회로를 방지하기 위해 설계된 PCB를 통해 차량 전체에 전력을 분배합니다.
6재생 브레이킹 시스템: 브레이킹 도중 운동 에너지를 캡처 합니다. 여기 PCB는 에너지 회수 효율을 극대화 하기 위해 낮은 저항이 필요합니다.

EV 전력 시스템에 대한 중요한 PCB 설계 요구 사항
EV 전력 시스템 PCB는 높은 전압, 큰 전류 및 혹독한 운영 환경으로 인해 독특한 도전에 직면합니다. 아래는 핵심 설계 요구 사항입니다:

1고전압 처리 및 전류 용량
EV 전력 시스템은 과열이나 전압 하락 없이 400V~800V 및 최대 600A 전류를 관리할 수 있는 PCB를 요구한다. 주요 설계 특징은 다음과 같다:

a. 두꺼운 구리 층: 구리의 두께는 저항을 줄이기 위해 2oz에서 6oz (1oz = 35μm) 까지 다양합니다. 가장 높은 전류를 처리하는 견인 인버터,종종 4 ̊6oz 구리 또는 금속 코어 PCB (MCPCB) 를 사용하여 전도성을 향상시킵니다..
b. 넓은 흔적 및 버스 바: 확장 된 흔적 너비 (≥ 5mm 300A) 및 내장 된 구리 버스 바는 전력 손실을 최소화합니다. 예를 들어,4온스 구리 10mm 폭의 흔적은 안전 온도 한계를 초과하지 않고 80°C에서 300A를 운반할 수 있습니다.
c. 낮은 인덕턴스 레이아웃: 인버터 (특히 SiC / GaN 반도체) 의 고 주파수 전환은 소음을 발생시킵니다. PCB는 인덕턴스를 줄이기 위해 짧고 직접적인 흔적과 지상 평면을 사용합니다.전압 스파이크를 방지합니다..

2단열 및 안전 준수
높은 전압은 활, 단전 및 전기 충격의 위험을 초래합니다. PCB는 안전을 보장하기 위해 엄격한 단열 표준을 준수해야합니다.

a.크리프장과 클리어런스: 이것은 활을 방지하기 위해 전도 경로 사이에 필요한 최소 거리입니다. 400V 시스템에서는 크리프장 (표면을 따라 거리) 은 ≥4mm입니다.공중 간격 (공기 간격) 이 ≥3mm800V 시스템에서는 이러한 거리가 ≥6mm (크리프) 및 ≥5mm (클리어런스) 로 증가합니다 (IEC 60664에 따라).
b. 단열 재료: 높은 변압력 (≥ 20kV/mm) 을 가진 기판, 예를 들어 높은 Tg FR4 (≥ 170°C) 또는 세라믹 복합재료가 사용됩니다. 자외선 저항과 화학 용도 (예를 들어,냉각 액체에) 2차 단열 층을 추가합니다..
c.세계 표준의 준수: PCB는 다음을 포함한 자동차 특정 인증에 따라야 합니다.

3열 관리
열은 EV 전력 시스템의 주요 적입니다. 높은 전류와 스위치 손실은 상당한 열을 발생시켜 구성 요소를 손상시키고 효율을 줄일 수 있습니다.PCB 설계는 열 방출을 우선시해야 합니다.:

a.열성 비아 및 구리 평면: 구리로 가득 찬 비아 (0,3~0,5mm 지름) 의 배열은 뜨거운 구성 요소 (예를 들어, MOSFET, IGBT) 로부터 내부 또는 외부 구리 평면으로 열을 전달합니다.10x10 열 통로 격자 부품 온도를 20°C로 줄일 수 있습니다..
b. 금속 코어 PCB (MCPCB): 트랙션 인버터는 종종 알루미늄 또는 구리 코어가 표준 FR4 (0.25 W/m·K) 를 훨씬 넘는 열 전도성을 (2 ∼4 W/m·K) 제공하는 MCPCB를 사용합니다.
c. 고 Tg 및 낮은 CTE 소재: 유리 전환 온도 (Tg) ≥170 °C의 laminates는 열 아래 부드럽게 저항, 낮은 열 팽창 계수 (CTE) 소재 (예를 들어,세라믹으로 채워진 FR4) 는 열순환 (-40°C ~ 125°C) 에서 변형을 최소화합니다..

4다층 및 하이브리드 디자인
EV 전력 시스템에는 전력, 지상 및 신호 계층을 분리하는 복잡한 PCB가 필요하며 간섭을 줄입니다.

a. 레이어 스택업: 전압을 안정화하기 위해 전력 평면 (24oz 구리) 및 지상 평면이 전용되어 있는 6~12 레이어 디자인이 일반적입니다. 예를 들어, 견인 인버터 PCB는 다음과 같은 스택업을 사용할 수 있습니다.신호 → 지상 → 전력 → 전력 → 지상 → 신호.
b. 하이브리드 재료: FR4를 고성능 기판과 결합하면 비용과 성능을 최적화합니다. 예를 들어,DC-DC 변환기는 전력 계층에 FR4와 고주파 신호 경로에 Rogers RO4350B (소 손실 촉수) 를 사용할 수 있습니다., EMI를 줄입니다.
c. 내장된 부품: 비동기 부품 (항रोध기, 콘덴서) 은 PCB 층 내에 내장되어 공간을 절약하고 BMS 모듈과 같은 컴팩트 설계에 중요한 기생충 인덕턴스를 줄입니다.

EV 전력 시스템 PCB의 제조 과제
전기전기 전원 시스템에 PCB를 생산하는 것은 기술적으로 까다롭고 몇 가지 주요 과제를 가지고 있습니다.

1두꺼운 구리 가공
구리층 ≥4oz (140μm) 은 부각 (부각자가 흔적 면에서 과도한 구리를 제거하는 경우) 와 같은 모순 불일치로 예민합니다. 이것은 흔적 정확도를 감소시키고 단회로로 이어질 수 있습니다.해결책은:

a. 제어된 에칭: 정확한 온도 (45~50°C) 와 스프레이 압력으로 산 구리 황산을 사용하여 ±10% 내의 흔적 너비 허용을 유지하여 에칭 속도를 느리게합니다.
b. 플래팅 최적화: 펄스 전자기 는 견인 인버터 의 6 온스 층 에 있어서 매우 중요한 균일 한 구리 퇴적 을 보장 합니다.

2소형화와 단열의 균형을 맞추기
전기차는 컴팩트한 전원 모듈을 요구하지만, 고전압은 크리페이지/클리어스 거리가 커야 하며, 설계 갈등을 야기한다. 제조업체는 다음과 같이 해결한다.

a.3D PCB 디자인: 수직 통합 (예를 들어, 블라인드 비아에 의해 연결 된 쌓인 PCB) 는 단열 거리를 유지하면서 발자국을 줄입니다.
b. 단열 장벽: 고전압 흔적들 사이에 다이 일렉트릭 간격자를 (예를 들어 폴리아미드 필름) 통합하면 안전성을 손상시키지 않고 더 가까운 간격을 허용합니다.

3하이브리드 재료 라미네이션
라미네이션 과정에서 서로 다른 재료 (예: FR4 및 세라믹) 를 결합하면 종종 CTE가 일치하지 않아 인해 탈라미네이션이 발생합니다. 완화 전략에는 다음이 포함됩니다.

a.차별 lamination: 두 기판 사이의 CTE 값을 가진 중간 재료를 사용 (예를 들어, 유리 섬유와 prepregs) 을 사용하여 스트레스를 줄이십시오.
b. 제어 된 압력/온도 사이클: 2°C/min의 램프 속도와 300~400 psi의 유지 압력은 변형없이 적절한 접착을 보장합니다.

4엄격한 테스트
EV PCB는 가혹한 환경에서 성능을 보장하기 위해 극심한 신뢰성 테스트를 통과해야합니다.

a. 열 사이클: 계절 온도 변화를 시뮬레이션하기 위해 -40°C에서 125°C 사이의 1,000+ 사이클.
진동 테스트: 도로 조건을 모방하기 위해 20~2,000Hz 시누소이드 진동 (ISO 16750 기준)
c.고전압 다이전트릭 테스트: 단열 결함을 탐지하기 위해 2배의 작동 전압 (예: 800V 시스템 1,600V) 에서 100% 테스트.

EV 전력 PCB 설계의 미래 트렌드
EV 기술이 발전함에 따라 PCB 디자인은 효율성, 소형화 및 차세대 반도체로 인해 새로운 요구를 충족시키기 위해 진화하고 있습니다.

1광대역 간격 (WBG) 반도체
실리콘 카바이드 (SiC) 및 갈륨 나이트라이드 (GaN) 장치들은 전통적인 실리콘보다 더 높은 주파수 (100kHz+) 와 온도 (150°C+) 에서 작동하며, 다음의 PCB를 필요로 한다.

a. 낮은 인덕턴스: 스위치하는 동안 전압 스파이크를 최소화하기 위해 짧고 직접적인 흔적과 통합 버스 바.
b. 향상된 열 경로: 200W/cm2 열 부하를 처리하기 위해 MCPCB 또는 액체 냉각 기판 (예를 들어 PCB 뒷면에 결합된 냉각 판)

2. 임베디드 전력 전자
전력 구성 요소 (예를 들어, 콘덴서, 퓨즈) 를 직접 PCB 계층에 통합하면 모듈 크기가 30% 감소하고 신뢰성이 향상됩니다. 예를 들어:

a. 내장된 버스바: 층 사이에 내장된 두꺼운 구리 (6온스) 버스바는 와이어 해운을 제거하여 저항을 50% 감소시킵니다.
b.3D 선도자의 인쇄: 첨가 제조 기술은 복잡한 기하학으로 구리 흔적을 저장하여 전류 흐름을 최적화합니다.

3센서가 있는 스마트 PCB
미래의 PCB에는 다음을 모니터링 할 수있는 통합 센서가 포함됩니다.

a.온도: 핫스팟을 방지하기 위해 실시간 열 지도.
b.전압/전류: 과도한 전류 보호를 위한 직선 전류 센서 (예를 들어, 홀 효과).
c. 단열 저항: 고장이 발생하기 전에 퇴화를 탐지하기 위한 지속적인 모니터링.

4지속가능성 및 순환형 디자인
자동차 제조업체는 환경 친화적인 PCB를 추진하고 있습니다.

a. 재활용 가능한 재료: 납 없는 용매, 하로겐 없는 라미네이트, 재활용 가능한 구리.
b.모듈적 설계: 수명을 연장하고 폐기물을 줄이기 위해 교체 가능한 섹션을 가진 PCB.

EV 전력 시스템 PCB에 대한 FAQ
Q: 왜 견인 인버터에는 BMS PCB보다 더 두꺼운 구리가 필요한가?
A: 트랙션 인버터는 BMS 시스템 (200 500A 정점) 보다 훨씬 더 많은 300 ′′ 600A를 처리합니다. 두꺼운 구리 (4 ′′ 6 온스) 는 저항과 열 축적을 줄여 열 도출을 방지합니다.

Q: 고전압 PCB에서 미끄러짐과 클리어런스의 차이점은 무엇입니까?
A: 크리피지는 PCB 표면을 따라 전도기 사이의 가장 짧은 경로이며, 클리어런스는 가장 짧은 공기 격차입니다. 둘 다 전압과 함께 증가하는 값으로 활을 방지합니다.800V 시스템에는 ≥6mm의 스크립이 필요합니다.).

Q: 금속 핵 PCB는 어떻게 EV 인버터 성능을 향상시키나요?
A: MCPCB는 높은 열전도 (2 ∼4 W/m·K) 를 가진 금속 코어 (알루미늄 / 구리) 를 사용하여 표준 FR4보다 5 ∼10 배 더 빨리 IGBT / SiC에서 열을 분산하여 더 높은 전력 밀도를 가능하게합니다.

Q: EV 전력 PCB는 어떤 기준을 충족해야 합니까?
A: 주요 표준에는 IEC 60664 (열대), UL 796 (고압 안전), ISO 26262 (기능 안전), IPC-2221 (설계 규칙) 등이 있습니다.

Q: SiC 반도체는 PCB 설계에 어떤 영향을 미칠까요?
A: SiC 장치는 더 빨리 전환 (100kHz+), 짧은 흔적과 통합 버스바를 가진 낮은 인덕턴스 PCB가 필요합니다. 그들은 또한 더 높은 온도에서 작동하여 액체 냉각 기판에 대한 수요를 증가시킵니다.

결론
PCB는 고전압 부품의 안전하고 효율적인 작동을 가능하게 하는 EV 전력 시스템의 알려지지 않은 영웅입니다.두꺼운 구리 층과 엄격한 단열 표준에서 첨단 열 관리 및 하이브리드 재료까지, 전기차의 독특한 요구에 최적화 된 설계의 모든 측면.

전기차가 800V 아키텍처, SiC 반도체, 자율주행으로 발전함에 따라 PCB 요구 사항은 더욱 엄격해질 것입니다.안전성전기 모빌리티의 도입을 가속화하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.

엔지니어와 제조업체의 경우, 앞서가는 것은 내장 부품, 액체 냉각, 스마트 센싱과 같은 혁신을 수용하는 것을 의미하며, 동시에 신뢰성을 보장하는 글로벌 표준을 준수합니다.올바른 PCB 디자인으로, 차세대 전기차는 더 안전하고 효율적이며 교통을 변화시킬 준비가 될 것입니다.