자동차 전자 시스템의 인쇄 회로 기판 요구 사항 (1) 전력 및 에너지 시스템

메타 설명: 배터리 팩, BMS, 온보드 충전기, DC-DC 컨버터 및 트랙션 인버터를 포함한 EV 전력 및 에너지 시스템에 대한 주요 PCB 설계 및 제조 요구 사항을 알아보세요. 고전압 PCB 설계, 열 관리, 두꺼운 구리 기판 및 절연 표준에 대해 알아보세요.

나소개

전력 및 에너지 시스템은 전기 자동차(EV)의 핵심 역할을 하며 차량 작동을 구동하는 전기 에너지의 저장, 변환 및 분배를 가능하게 합니다. 배터리 팩, 배터리 관리 시스템(BMS), 온보드 충전기(OBC), DC-DC 컨버터, 트랙션 인버터 및 고전압 정션 박스와 같은 중요한 구성 요소가 함께 작동하여 효율적이고 안전한 에너지 흐름을 보장합니다. 이러한 시스템은 극한의 조건에서 작동하여 400V~800V(고급 모델의 경우 최대 1200V) 범위의 고전압과 수백 암페어에 달하는 큰 전류를 처리합니다. 결과적으로 이러한 시스템을 위한 인쇄 회로 기판(PCB)의 설계 및 제조는 차량 신뢰성, 안전성 및 전반적인 성능을 보장하는 데 중추적입니다. 이 기사에서는 EV 전력 및 에너지 시스템의 특정 PCB 요구 사항, 기술적 과제, 새로운 동향을 자세히 살펴봅니다.

EV 전력 및 에너지 시스템 개요

EV 전력 및 에너지 시스템은 여러 개의 상호 연결된 모듈로 구성되며, 각 모듈은 서로 다른 기능을 갖고 있지만 신뢰성, 안전성 및 열 효율성에 대한 공통 요구 사항을 공유합니다.

•배터리 팩 및 BMS: 배터리 팩은 전기 에너지를 저장하고, BMS는 셀 전압, 온도, 충전 상태를 모니터링하여 셀의 균형을 유지하여 성능과 수명을 극대화합니다.

•온보드 충전기(OBC): 그리드의 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하여 배터리 팩을 충전하며 효율성은 충전 속도에 직접적인 영향을 미칩니다.

•DC-DC 컨버터: 조명, 인포테인먼트, 센서 등 보조 시스템에 전원을 공급하기 위해 배터리(일반적으로 400V)의 고전압 전력을 저전압(12V 또는 48V)으로 낮춥니다.

•트랙션 인버터 및 모터 컨트롤러: 배터리의 DC를 교류(AC)로 변환하여 전기 모터를 구동합니다. 이는 차량 가속 및 효율성에 중요한 프로세스입니다.

•고전압 정션 박스: 과부하나 합선을 방지하는 보호 메커니즘을 탑재하여 고전압 전력을 차량 전체에 안전하게 분배합니다.

•회생제동 제어: 제동 시 운동에너지를 포착하여 다시 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장함으로써 에너지 효율을 높입니다.

전력 및 에너지 시스템을 위한 PCB 설계 요구 사항

고전압, 고전류 작동 요구 사항을 충족하려면 EV 전원 시스템 PCB는 엄격한 설계 기준을 준수해야 합니다.

1. 고전압 및 고전류 처리

과열이나 전압 손실 없이 큰 전류를 관리하는 능력은 기본입니다. 이를 위해서는 다음이 필요합니다.

•두꺼운 구리층: PCB 구리 두께는 2oz ~ 6oz(1oz는 35μm에 해당)이며 금속 코어 보드는 전류 전달 용량을 향상시키기 위해 트랙션 인버터와 같은 구성 요소에 자주 사용됩니다.

•넓은 트레이스 및 통합 버스바: 확장된 트레이스 폭과 내장된 구리 버스바는 고전류 경로에 중요한 저항을 최소화하고 전력 손실을 줄입니다.

2. 절연 및 안전기준

고전압 작동에는 아크 및 전기 위험을 방지하기 위해 견고한 절연이 필요합니다.

•연면거리 및 공간거리: 고압선의 경우 절연파괴를 방지하기 위해 일반적으로 이 거리는 4mm~8mm 이상입니다.

•글로벌 표준 준수: PCB는 표 2에 설명된 대로 IEC 60664(연면거리/공간거리), UL 796(고전압 인증) 및 IPC-2221(일반 간격 규칙)을 충족해야 합니다.

3. 열 관리

과도한 열은 성능을 저하시키고 부품 수명을 단축시킬 수 있습니다. 열 관리 전략에는 다음이 포함됩니다.

•열 비아, 내장 구리 및 금속 기판: 이러한 기능은 고전력 구성 요소의 열 방출을 향상시킵니다.

•높은 Tg 및 낮은 CTE 라미네이트: 유리전이온도(Tg)가 ≥170°C이고 열팽창계수(CTE)가 낮은 적층판은 온도 변화에 따른 뒤틀림을 방지합니다.

4. 다층 및 하이브리드 소재

복잡한 전력 시스템에는 고급 PCB 구조가 필요합니다.

•6~12개 레이어 스택업: 전원 모듈에서 일반적으로 전원, 접지 및 신호 레이어를 분리하여 간섭을 줄입니다.

•하이브리드 소재: FR-4와 고주파 또는 세라믹 기판(예: SiC/GaN 인버터 장치용)의 조합은 특정 부품의 성능을 최적화합니다.

표 1: 전압 및 전류 수준과 PCB 구리 두께 비교

제조 과제

EV 전력 시스템용 PCB를 생산하는 데에는 몇 가지 기술적 장애물이 있습니다.

•두꺼운 구리 가공: 4oz 이상의 구리층 에칭은 언더커팅이 발생하기 쉬우므로 추적 정확도를 유지하려면 정밀한 제어가 필요합니다.

•고전압 절연: 소형화가 절연 요구 사항과 충돌하는 경우가 많기 때문에 컴팩트 모듈 설계와 필요한 연면 거리/공간 거리의 균형을 맞추는 것이 어렵습니다.

•하이브리드 소재 적층: FR-4와 세라믹, PTFE 등의 소재를 결합할 경우 박리 현상을 방지하기 위해 라미네이션 압력과 온도에 대한 엄격한 제어가 필요합니다.

•신뢰성 테스트: PCB는 열악한 자동차 환경에서 내구성을 보장하기 위해 엄격한 열 사이클링, 습도 노화, 진동 및 고전압 절연 테스트를 거쳐야 합니다.

표 2: PCB 안전 및 절연 표준

EV 전력 PCB 설계의 미래 동향

EV 기술이 발전함에 따라 PCB 설계는 새로운 요구 사항을 충족하도록 발전하고 있습니다.

•와이드 밴드갭 반도체: 고효율과 주파수로 알려진 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 소자는 성능 극대화를 위해 저인덕턴스, 저손실 PCB 구조가 요구된다.

•임베디드 전력전자: 구리 버스바가 내장된 PCB는 저항과 모듈 크기를 줄여 에너지 효율성을 향상시킵니다.

•고급 열 솔루션: 차세대 반도체의 높은 열 부하를 처리하기 위해 인버터에 수냉식 PCB 기판이 채택되고 있습니다.

•통합 및 소형화: 단일 PCB 모듈에 기능을 통합할수록 시스템 복잡성과 무게가 줄어들어 차량 효율성이 향상됩니다.

표 3: EV 전력 시스템용 PCB 재료 비교

결론

EV 전력 및 에너지 시스템은 두꺼운 구리층과 고전압 절연부터 고급 열 관리 및 하이브리드 재료 통합에 이르기까지 PCB 설계 및 제조에 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 안전하고 효율적인 에너지 전달의 중추인 이러한 PCB는 현대 EV의 성능에 매우 중요합니다. 전기 이동성의 채택이 가속화됨에 따라 고성능, 안전 인증 및 열에 강한 PCB에 대한 필요성은 더욱 커질 것입니다. 이러한 기술을 숙지한 제조업체는 전기 모빌리티 혁명을 추진하는 데 핵심적인 역할을 하게 될 것입니다.