Otomotiv Elektronik Sistemlerinde Baskılı Devre Kartları için Gereksinimler (1) Güç ve Enerji Sistemleri

Meta Açıklama: Pil paketleri, BMS, yerleşik şarj cihazları, DC-DC dönüştürücüler ve çekiş invertörleri dahil olmak üzere EV güç ve enerji sistemleri için temel PCB tasarım ve üretim gereksinimlerini keşfedin. Yüksek voltajlı PCB tasarımı, termal yönetim, kalın bakır panolar ve yalıtım standartları hakkında bilgi edinin.

GirişElektrikli araçların (EV'ler) temelini oluşturan güç ve enerji sistemleri, araç operasyonunu sağlayan elektriksel enerjinin depolanmasını, dönüştürülmesini ve dağıtılmasını sağlar. Pil paketleri, pil yönetim sistemleri (BMS), yerleşik şarj cihazları (OBC), DC-DC dönüştürücüler, çekiş invertörleri ve yüksek voltajlı bağlantı kutuları gibi kritik bileşenler, verimli ve güvenli enerji akışını sağlamak için birlikte çalışır. Bu sistemler, 400V ila 800V (ve gelişmiş modellerde 1200V'a kadar) arasında değişen yüksek voltajlar ve yüzlerce ampere ulaşan büyük akımlar kullanarak aşırı koşullarda çalışır. Sonuç olarak, bu sistemler için baskılı devre kartlarının (PCB'ler) tasarımı ve üretimi, araç güvenilirliğini, güvenliğini ve genel performansını sağlamak için çok önemlidir. Bu makale, EV güç ve enerji sistemlerindeki özel PCB gereksinimlerini, teknik zorlukları ve ortaya çıkan eğilimleri incelemektedir.

EV Güç ve Enerji Sistemlerine Genel Bakış

EV güç ve enerji sistemleri, her biri farklı işlevlere sahip, ancak güvenilirlik, güvenlik ve termal verimlilik için ortak talepleri paylaşan birkaç birbirine bağlı modülden oluşur:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Pil paketi elektriksel enerjiyi depolar, BMS ise hücre voltajını, sıcaklığını ve şarj durumunu izleyerek performansı ve ömrü en üst düzeye çıkarmak için hücreleri dengeler.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme230–400V AC• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme400V → 12/48V• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Pilden gelen DC'yi elektrik motorunu sürmek için alternatif akıma (AC) dönüştürür; bu işlem, araç hızlanması ve verimliliği için kritiktir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Yüksek voltajlı gücü araç genelinde güvenli bir şekilde dağıtır, aşırı yükleri veya kısa devreleri önlemek için koruma mekanizmaları içerir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Frenleme sırasında kinetik enerjiyi yakalar ve pil içinde depolama için elektrik enerjisine dönüştürür, enerji verimliliğini artırır.Güç ve Enerji Sistemleri için PCB Tasarım Gereksinimleri

Yüksek voltajlı, yüksek akımlı operasyonun taleplerini karşılamak için, EV güç sistemi PCB'leri katı tasarım kriterlerine uymalıdır:

1. Yüksek Voltaj ve Yüksek Akım İşleme

Büyük akımları aşırı ısınma veya voltaj kaybı olmadan yönetme yeteneği temeldir. Bu şunları gerektirir:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: PCB bakır kalınlığı 2oz ila 6oz arasında değişir (1oz, 35μm'ye eşdeğerdir) ve metal çekirdekli panolar, akım taşıma kapasitesini artırmak için çekiş invertörleri gibi bileşenler için sıklıkla kullanılır.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Genişletilmiş iz genişlikleri ve gömülü bakır baralar, direnci en aza indirir ve yüksek akım yolları için kritik olan güç kaybını azaltır.2. Yalıtım ve Güvenlik Standartları

Yüksek voltajlı çalışma, ark oluşumunu ve elektriksel tehlikeleri önlemek için sağlam yalıtım gerektirir:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Yüksek voltaj hatları için bu mesafeler tipik olarak yalıtım arızasını önlemek için ≥4mm–8mm'dir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: PCB'ler, Tablo 2'de ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, IEC 60664 (yüzey sızıntısı/açıklık için), UL 796 (yüksek voltaj sertifikası) ve IPC-2221 (genel aralık kuralları) standartlarını karşılamalıdır.3. Termal Yönetim

Aşırı ısı, performansı düşürebilir ve bileşen ömrünü kısaltabilir. Termal yönetim stratejileri şunları içerir:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Bu özellikler, yüksek güçlü bileşenlerden ısı dağılımını artırır.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: 170°C'nin üzerinde bir cam geçiş sıcaklığına (Tg) ve düşük termal genleşme katsayısına (CTE) sahip laminatlar, sıcaklık dalgalanmaları altında eğrilmeye karşı direnç gösterir.4. Çok Katmanlı ve Hibrit Malzemeler

Karmaşık güç sistemleri gelişmiş PCB yapıları gerektirir:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Güç, toprak ve sinyal katmanlarını ayırmak, paraziti azaltmak için güç modüllerinde yaygındır.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: FR-4'ün yüksek frekanslı veya seramik alt tabakalarla (örneğin, SiC/GaN invertör cihazları için) kombinasyonları, belirli bileşenler için performansı optimize eder.Tablo 1: Voltaj ve Akım Seviyeleri ile PCB Bakır Kalınlığı Karşılaştırması

EV Sistem Bileşeni

EV güç sistemleri için PCB üretimi, çeşitli teknik engeller içerir:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: 4oz'un üzerindeki bakır katmanları dağlamak, iz doğruluğunu korumak için hassas kontrol gerektiren kesme eğilimlidir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Kompakt modül tasarımını gerekli yüzey sızıntısı/açıklık mesafeleriyle dengelemek zordur, çünkü minyatürleştirme genellikle yalıtım ihtiyaçlarıyla çelişir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: FR-4 ve seramik veya PTFE gibi malzemeleri birleştirmek, delaminasyonu önlemek için laminasyon basıncı ve sıcaklığı üzerinde sıkı kontrol gerektirir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: PCB'ler, zorlu otomotiv ortamlarında dayanıklılığı sağlamak için sıkı termal döngü, nem yaşlandırma, titreşim ve yüksek voltaj yalıtım testlerinden geçmelidir.Tablo 2: PCB Güvenlik ve Yalıtım Standartları

Standart

EV teknolojisi ilerledikçe, PCB tasarımı yeni talepleri karşılamak için gelişiyor:

• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Yüksek verimlilik ve frekans ile bilinen silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) cihazları, performansı en üst düzeye çıkarmak için düşük endüktanslı, düşük kayıplı PCB yapıları gerektirir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Gömülü bakır baralı PCB'ler, direnci ve modül boyutunu azaltarak enerji verimliliğini artırır.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: Yeni nesil yarı iletkenlerden gelen daha yüksek ısı yüklerini yönetmek için invertörler için sıvı soğutmalı PCB alt tabakaları benimsenmektedir.• 

Entegrasyon ve Minyatürleştirme: İşlevlerin tek PCB modüllerine artan entegrasyonu, sistem karmaşıklığını ve ağırlığı azaltarak araç verimliliğini artırır.Tablo 3: EV Güç Sistemleri için PCB Malzemeleri Karşılaştırması

Malzeme

EV güç ve enerji sistemleri, kalın bakır katmanlardan ve yüksek voltaj yalıtımından gelişmiş termal yönetime ve hibrit malzeme entegrasyonuna kadar PCB tasarım ve üretimi üzerinde titiz taleplerde bulunur. Güvenli ve verimli enerji dağıtımının bel kemiği olarak, bu PCB'ler modern EV'lerin performansı için kritiktir. Elektrikli mobiliteye yönelik artan benimseme ile, yüksek performanslı, güvenlik sertifikalı ve termal olarak sağlam PCB'lere olan ihtiyaç artacaktır. Bu teknolojilerde ustalaşan üreticiler, elektrikli mobilite devrimini ileriye taşımada önemli bir rol oynayacaktır.