PCB廠講隨著新能源汽車電控模塊功率密度的提升，合理地處理電控模塊熱的產(chǎn)生、傳遞和耗散，成為電控模塊成敗的關(guān)鍵。印制電路板 （PCB） 作為電控模塊各個(gè)元器件和電流的載體，是解決電控模塊熱分析問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。電控模塊是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，無(wú)法用常規(guī)的理論計(jì)算解決系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。從理論計(jì)算、仿真、實(shí)測(cè)及參數(shù)迭代等多個(gè)角度對(duì)電控模塊的熱問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，給出了解決新能源汽車電控模塊熱分析問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案。

2022年全球新能源汽車銷量達(dá)1010萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)59%。其中，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)持續(xù)突破，產(chǎn)銷分別為705.5萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9%和93.4%，新能源汽車市場(chǎng)滲透率達(dá)到了25.6%。同時(shí)，新能源汽車電驅(qū)技術(shù)的發(fā)展也朝集成化、小型化和高壓化穩(wěn)步邁進(jìn)。

新能源汽車日常行駛中，驅(qū)動(dòng)模塊將電池包的電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能。在轉(zhuǎn)化過(guò)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(shè)計(jì)是新能源汽車安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。隨著電驅(qū)系統(tǒng)小型化和集成化的發(fā)展［1］，電控模塊的功率密度急劇增加，無(wú)論是純電動(dòng)汽車還是混合動(dòng)力汽車，電控模塊的熱設(shè)計(jì)越來(lái)越受重視。而印制電路板（printedcircuitboard，PCB）在整個(gè)系統(tǒng)中是諸多器件以及電流的載體，合理的PCB熱設(shè)計(jì)成為了電控?zé)嵩O(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。新能源汽車電控模塊PCB熱分析主要對(duì)以下3個(gè)方面進(jìn)行研究：熱的產(chǎn)生、傳遞與耗散。在PCB領(lǐng)域，熱的傳遞和耗散通常同時(shí)進(jìn)行，本文從這幾個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)，對(duì)電控模塊PCB熱設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

01電控模塊PCB熱的產(chǎn)生 

新能源汽車電控模塊中PCB的熱量主要有3個(gè)來(lái)源:①功率器件等發(fā)熱器件的功耗;②PCB線路因載流而產(chǎn)生的熱量;③其他部分(環(huán)境)輻射而來(lái)的熱量?在這3個(gè)熱源中,功率器件的熱功耗最大,是PCB熱功率的主要來(lái)源,但該類型的功率器件通常在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就已確定,在PCB設(shè)計(jì)和加工階段對(duì)該熱源的控制點(diǎn)并不多?外部輻射而來(lái)的熱量主要取決于電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)?本文主要研究PCB相關(guān)的熱?

熱功率P計(jì)算公式為

式中:I為流過(guò)PCB線路中電流的大小,A,其值由電控系統(tǒng)功能所確定;R為PCB線路的電阻,Ω?

通過(guò)式(1)可以得出,如需降低PCB線路的熱功率,可從以下2個(gè)角度出發(fā):①降低流經(jīng)特定載流線路的電流;②降低載流線路的熱阻?

電控模塊中的電流大小,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期根據(jù)系統(tǒng)功率就已經(jīng)確定,PCB設(shè)計(jì)和加工階段可控的更多為降低通過(guò)特定線路的電流大小?增加PCB層數(shù)是可以采用的方案?

當(dāng)某一層PCB載流的線路確定時(shí),假定該線路的電阻為R1,流經(jīng)該線路的電流為I1,該線路產(chǎn)生的熱功率P1=I12R1?

若增加PCB層數(shù)進(jìn)而增加一條同樣的載流線路,此時(shí)I2=12I1,每條載流電路的電阻R2=R1,該條件下線路產(chǎn)生的熱功率P2=12P1?換言之,增加一條同樣的載流電路,載流線路總的熱功率為單條線路熱功率的一半?增加載流線路數(shù)量的方法就是通過(guò)降低流經(jīng)特定載流電路的電流,來(lái)降低載流線路的發(fā)熱?

另一種降低PCB線路熱功率的方法為:降低載流線路的熱阻[2]?

熱阻計(jì)算公式為

式中：λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K），銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 401 W/（m·K），見(jiàn)表 1；L 為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m；S為導(dǎo)體的傳熱面積，m2 。

根據(jù)式（2）可以發(fā)現(xiàn)，增加導(dǎo)體的傳熱面積（載流截面積）可有效降低線路的熱阻。通常增加PCB載流線路截面積的方法有：增加銅厚、加寬線路、PCB嵌入銅條等。增加銅厚，尤其是外層銅厚。外層銅箔可與空氣進(jìn)行熱對(duì)流并對(duì)空氣進(jìn)行熱輻射，因此，散熱能力要大于內(nèi)層銅箔。此外，外層銅箔還可與外部的散熱器相貼合，將PCB線路產(chǎn)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(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表2。

當(dāng)額定電流為100A時(shí)，若銅厚為0.210mm，外層線路寬需要14.740mm；而當(dāng)銅厚為0.420mm時(shí)，外層線寬可以降為7.372mm?？紤]汽車電驅(qū)模塊的載流通常需預(yù)留100%的余量，在實(shí)際應(yīng)用中，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(shí)現(xiàn)，且成本更低。但電控系統(tǒng)小型化和集成化趨勢(shì)明顯，加寬線路的寬度會(huì)增大整個(gè)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案也不愿加寬載流線路的寬度。

PCB埋入銅塊用于載流，常規(guī)PCB銅厚通常為0.035mm，而銅條的厚度可達(dá)1.60~2.00mm，極大地提升了載流線路的截面積，進(jìn)而降低熱阻和PCB的熱功率。

02電控模塊PCB熱的傳遞和耗散

新能源汽車電驅(qū)模塊需優(yōu)先考慮功率器件的熱，此外，三極管、電源轉(zhuǎn)換芯片等發(fā)熱量較大的器件同樣需重點(diǎn)處理。此類器件的散熱，通常為在有限的板面空間內(nèi)將發(fā)熱器件區(qū)域的銅箔盡可能擴(kuò)大，增加表面銅箔散熱面積，將功率器件底部的熱量傳遞至更大的銅箔散熱面，降低發(fā)熱器件區(qū)域PCB表面的溫度。

利用夾心層散熱［3］，因接地、信號(hào)完成回路等需要，經(jīng)常需要在PCB內(nèi)部鋪設(shè)一整層的銅箔，充分利用夾心層進(jìn)行散熱。將PCB表貼功率器件的熱量通過(guò)導(dǎo)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(jìn)行傳遞并通過(guò)整個(gè)PCB進(jìn)行熱量的耗散。

功率器件下方埋銅塊［4］，常規(guī)FR?4材料的導(dǎo)熱率僅為 0.3~0.4 W/（m·K），而銅的導(dǎo)熱率高達(dá) 401 W/（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。

據(jù)新能源汽車電池包線路板廠所了解到，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，PCB 中埋入的銅塊同時(shí)具有載流和散熱雙重功能。功率器件的底部會(huì)與銅塊進(jìn)行焊接，因而銅塊會(huì)帶有一定的電壓，在安裝過(guò)程中，需在銅塊與外部散熱器之間放置一 層絕緣導(dǎo)熱材料 （見(jiàn)表 3），該導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率。

由表3可知，整個(gè)系統(tǒng)傳熱路徑的熱阻為2.786 K/W， 其中絕緣導(dǎo)熱材料的熱阻達(dá)2.646 K/W。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，提高絕緣導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)電控模塊散熱能力的提升收益最高。

仿真結(jié)果如圖 3 所示，將絕緣導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)從 1.4 W/（m·K） 提升到2.0 W/（m·K） 后，PCB 表面的溫度有明顯的降低，最高溫度下降了近5.5 K。

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(duì)常用尺寸的金屬基、PCB以及絕緣導(dǎo)熱材料［熱界面材料（thermalinterfacematerial，TIM）］的理論散熱能力［5］進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表4~表6。

由表4和表5可知，理論上銅塊的導(dǎo)熱能力為常規(guī)PCB板材的1000倍左右；理論上2mm厚50mm×50mm的PCB僅具備12.5W的散熱能力，而同規(guī)格的金屬基具備12500W的散熱能力。在實(shí)際使用過(guò)程中，金屬基與外部散熱器間還有一層絕緣導(dǎo)熱材料，同尺寸的絕緣導(dǎo)熱材料的散熱能力在625W左右，絕緣導(dǎo)熱材料限制了系統(tǒng)的散熱能力。

03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，如英飛凌的HPD（HybridPACKTMdrive）封裝。這2種封裝的功率器件通常會(huì)使用獨(dú)立的風(fēng)冷或水冷散熱器，相關(guān)熱量并不會(huì)傳遞到PCB表面。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)中對(duì)PCB影響最大的發(fā)熱器件為電源轉(zhuǎn)換器件，該類型的器件通常貼裝于PCB表面，其熱功率已確定。該種情況下，需通過(guò)增加發(fā)熱器件底部銅箔或夾心層導(dǎo)熱的方式將PCB表面的溫升控制在系統(tǒng)規(guī)定的范圍內(nèi)。

HPD封裝的功率器件通常采用銅排承載大電流。如系統(tǒng)功率器件需PCB本身線路承載大電流，則將優(yōu)先選擇表底層的線路承載大電流，表底層的銅箔需以0.105mm為上限。據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如系統(tǒng)電流超過(guò)100A，PCB線路承載大電流的性價(jià)比會(huì)急劇下降，此時(shí)選用PCB內(nèi)部埋入銅塊的方案為最佳。PCB內(nèi)部埋入的銅塊，在承載大電流的同時(shí)也起到為PCB散熱的作用。

04結(jié)語(yǔ)

新能源汽車電控模塊PCB熱分析，需從PCB熱量的產(chǎn)生、傳遞和耗散多個(gè)維度進(jìn)行分析；從降低流經(jīng)特定載流線路的電流，以及降低載流線路的熱阻2個(gè)方面去緩解PCB的發(fā)熱情況。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(qiáng)PCB熱傳導(dǎo)的能力，還可通過(guò)擴(kuò)大散熱區(qū)域銅箔、利用夾心層以及選擇合適的導(dǎo)熱材料等方法增強(qiáng)PCB的散熱能力。新能源汽車電驅(qū)模塊的PCB熱設(shè)計(jì)，與整體模塊的熱設(shè)計(jì)息息相關(guān)，PCB設(shè)計(jì)人員具備一定的系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將更有利于電驅(qū)模塊整體熱設(shè)計(jì)能力的提升。