新能源汽車電控模塊PCB熱分析

新能源汽車電控模塊PCB熱分析汪珩1電控模塊PCB熱的產生2電控模塊PCB熱的傳遞和耗散3電控模塊PCB熱分析步驟4結語熱的產生、傳遞和耗散，成為電控模塊成敗的關鍵。印制電路板（PCB）作為電控模塊各個元器件和電流的載體，是電控模塊是一個復雜的系統(tǒng)，無法用常規(guī)的理論計算解決系統(tǒng)的從理論計算、仿真、實測及參數(shù)迭代等多個角度對電控模塊的熱問題進行了分析研究，給出了解決新能源汽車電控模塊熱分析問2022年全球新能源汽車銷量達1010萬輛，同比增長59%。其中，中國新能源汽車市場持續(xù)突破，產銷分別為705.5萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%，新能源汽車市場滲透率達到了25.6%。同時，新能源汽車電驅技術的發(fā)展也朝集成化、小型化和高壓化新能源汽車日常行駛中，驅動模塊將電池包的電能轉化為電機轉在轉化過程中，損失的能量以熱能的形式表現(xiàn)。優(yōu)越的電控模塊熱設計是新能源汽車安全、高效、穩(wěn)定運行的保隨著電驅系統(tǒng)小型化和集成化的發(fā)展［1電控模塊的功率密度而印制電路板（printedcircuitboard，PCB）在整個系統(tǒng)諸多器件以及電流的載體，合理的PCB熱設計成為了電控熱設計1.電控模塊PCB熱的產生新能源汽車電控模塊中PCB的熱量主要有3個來源：①功率器件等發(fā)熱器件的功耗；在這3個熱源中，功率器件的熱功耗最大，是PCB熱功率的主要來源，但該類型的功率器件通常在產品設計之初就已確定，在PCB設計和加工階段對該熱源的控制點并不多。外部輻射而來的熱量主要取決于電控系統(tǒng)的整體設計。熱功率P計算公式為2通過式（1）可以得出，如需降低PCB線路的熱功率，可從以電控模塊中的電流大小，在產品設計初期根據系統(tǒng)功率就已經確,每條載流電路的電阻R2=R1，該條件下線路產生的熱功率"。增加載流線路數(shù)量的方法就是通過降低流經特定載流電路的電流，熱阻計算公式為（2）），），表1不同材料的導熱系數(shù)材料導熱系數(shù)/（W·m·K）銀429銅401金鋁錫鉛6061型鋁合金6063型鋁合金空氣0.0267常規(guī)FR-40.3~0.4通常增加PCB載流線路截面積的方法有：增加銅厚、加寬線路、外層銅箔可與空氣進行熱對流并對空氣進行熱輻射，因此，散熱此外，外層銅箔還可與外部的散熱器相貼合，將PCB線路產生的熱量迅速傳遞至散熱器，降低PCB表層的溫度。PCB走線載流理論計算的結果見表2。表2PCB走線載流計算項目載流100A載流100A銅厚0.42mm銅厚0.21mm溫升/K外層線寬/mm7.372內層線寬/mm38.350當額定電流為100A時，若銅厚為0.210mm，外層線路寬需要而當銅厚為0.420mm時，外層線寬可以降為7.372mm。該條件下，外層建議線寬14.740mm。在大部分情況下，加寬載流線路比增加疊層和增加銅厚更容易實但電控系統(tǒng)小型化和集成化趨勢明顯，加寬線路的寬度會增大整個系統(tǒng)的體積，因此，大部分廠商寧愿增加成本采用增加銅厚方PCB埋入銅塊用于載流，常規(guī)PCB銅厚通常為0.035mm銅條的厚度可達1.60~2.00mm，極大地提升了載流線路的截面2.電控模塊PCB熱的傳遞和耗散新能源汽車電驅模塊需優(yōu)先考慮功率器件的熱，此外，三極管、電源轉換芯片等發(fā)熱量較大的器件同樣需重點處理。此類器件的散熱，通常為在有限的板面空間內將發(fā)熱器件區(qū)域的利用夾心層散熱［3因接地、信號完成回路等需要，經常需要在PCB內部鋪設一整層的銅箔，充分利用夾心層進行散熱。將PCB表貼功率器件的熱量通過導熱孔傳遞至夾心層，夾心層可以將熱量迅速地沿水平方向進行傳遞并通過整個PCB進行熱量的功率器件下方埋銅塊［4］，常規(guī)FR?4材料的導熱率僅為0.3~0.4W/（m·K），而銅的導熱率高達401W/（m·K），在功率器件下方埋入銅塊可以極大地增大PCB板的散熱效率，如圖2所示。圖2功率器件下方埋銅塊方案在安裝過程中，需在銅塊與外部散熱器之間放置一層絕緣導熱材），表3系統(tǒng)熱阻計算導熱材料的熱阻達2.646K/W。對整個系統(tǒng)而言，提高絕緣導熱材料的導熱系數(shù)對電控模塊散熱仿真結果如圖3所示，將絕緣導熱材料的導熱系數(shù)從1.4W/低，最高溫度下降了近5.5K。圖3不同導熱系數(shù)絕緣導熱材料散熱能力在新能源汽車電控模塊的PCB中，常用埋銅塊作為功率器件的散熱方式，對常用尺寸的金屬基、PCB以及絕緣導熱材料［熱界［5］進行對比分析，結果見表4~表6。表4不同尺寸金屬基散熱能力金屬基尺寸/mm金屬基厚度/mm金屬基熱阻/溫升25K所需功率/W20.05020.01252000.020.00564464.320.0031258000.020.00212500.0表5不同尺寸PCB的散熱能力PCB尺寸/mmPCB厚度/mmPCB熱阻/溫升25K所需功率/W2224.46222由表4和表5可知，理論上銅塊的導熱能力為常規(guī)PCB板材的112.5W的散熱能力，而同規(guī)格的金屬基具備1在實際使用過程中，金屬基與外部散熱器間還有一層絕緣導熱材料，同尺寸的絕緣導熱材料的散熱能力在625W左右，絕緣導熱表6不同尺寸導熱材料的散熱能力TIM尺寸/mmTIM厚度/mmTIM熱阻/溫升25K所需功率/W10.250.1110.06254000.043.電控模塊PCB熱分析步驟目前新能源汽車主流的電控模塊的功率器件主要有2種封裝方式：一種為分立式封裝，如TO247；另一種為模塊式封裝，如英飛凌該種情況下，需通過增加發(fā)熱器件底部銅箔或夾心層導熱的方式層的線路承載大電流，表底層的銅箔需以0.105mm為上限。據以往經驗，如系統(tǒng)電流超過100A，PCB線路承載大電流的性價PCB內部埋入的銅塊，在承載大電流的同時也起到為PCB散熱的4.結語新能源汽車電控模塊PCB熱分析，需從PCB熱量的產生、傳遞和耗散多個維度進行分析；從降低流經特定載流線路的電流，以及采用增加PCB載流層的層數(shù)、增加銅厚、加寬線路寬度以及埋入銅塊等方案增強PCB熱傳導的能力，還可通過擴大散熱區(qū)域銅箔、利用夾心層以及選擇合適的導熱材料等方法增強PCB的散熱能力。新能源汽車電驅模塊的PCB熱設計，與整體模塊的熱設計息息相參考文獻[1]尹彥秋,張俊深.純電動汽車驅動系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢子科技大學,2010.[3