Persyaratan PCB untuk Sistem Elektronik Otomotif: Sistem Daya dan Energi di Kendaraan Listrik

Meta Description: Menjelajahi persyaratan desain dan manufaktur PCB kritis untuk sistem tenaga kendaraan listrik (EV), termasuk penanganan tegangan tinggi, manajemen termal,dan kepatuhan dengan standar otomotifPelajari bagaimana PCB tembaga tebal, protokol isolasi, dan bahan canggih memungkinkan kinerja EV yang andal.

Pengantar
Sistem tenaga dan energi kendaraan listrik (EV) adalah tulang punggung kinerja, keselamatan, dan efisiensi mereka.pengisi daya on-board (OBC), konverter DC-DC, inverter traksi, dan kotak persimpangan tegangan tinggi beroperasi dalam kondisi ekstrim: tegangan mulai dari 400V sampai 800V (dan hingga 1,400V).200V dalam model generasi berikutnya) dan arus melebihi 500AAgar sistem ini berfungsi dengan andal, papan sirkuit cetak (PCB) yang menjalankannya harus memenuhi standar desain, bahan, dan manufaktur yang ketat.

Dalam panduan ini, kami akan memecah persyaratan khusus untuk PCB dalam sistem listrik EV,Dari penanganan tegangan tinggi dan arus untuk memastikan stabilitas termal dan kepatuhan terhadap standar keselamatan globalKami juga akan mengeksplorasi tantangan manufaktur dan tren yang muncul, seperti pergeseran ke semikonduktor broad-bandgap dan solusi pendinginan canggih,yang membentuk masa depan desain PCB otomotif.

Komponen Utama Sistem Tenaga dan Energi EV
Sistem listrik EV bergantung pada modul yang saling terhubung, masing-masing dengan kebutuhan PCB yang unik.

1Baterai & BMS: Baterai menyimpan energi, sementara BMS mengatur tegangan sel, suhu, dan keseimbangan muatan.PCB di sini harus mendukung penginderaan tegangan rendah (untuk pemantauan sel) dan jalur arus tinggi (untuk pengisian/pengurangan).
2.On-Board Charger (OBC): Mengubah daya AC ke DC untuk mengisi daya baterai. PCB di OBC membutuhkan manajemen termal yang efisien untuk menangani kerugian konversi.
3.DC-DC Converter: Mengurangi tegangan tinggi (400V) ke tegangan rendah (12V/48V) untuk sistem bantu (cahaya, infotainment). PCB harus mengisolasi tegangan tinggi dan rendah untuk mencegah gangguan.
4.Inverter traksi: Mengubah DC dari baterai menjadi AC untuk motor listrik. Ini adalah komponen yang paling menuntut, membutuhkan PCB yang menangani 300 ~ 600A dan menahan panas ekstrim.
5High-Voltage Junction Box: Mendistribusikan daya di seluruh kendaraan, dengan PCB yang dirancang untuk mencegah busur dan sirkuit pendek melalui isolasi yang kuat.
6Sistem pengereman regeneratif: menangkap energi kinetik selama pengereman. PCB di sini membutuhkan resistensi rendah untuk memaksimalkan efisiensi pemulihan energi.

Persyaratan Desain PCB Kritis untuk Sistem Tenaga EV
PCB sistem listrik EV menghadapi tantangan unik karena tegangan tinggi, arus besar, dan lingkungan operasi yang keras.

1. Pengolahan Tegangan Tinggi dan Kapasitas Saat Ini
Sistem listrik EV membutuhkan PCB yang dapat mengelola 400V ⋅ 800V dan arus hingga 600A tanpa overheating atau penurunan tegangan.

a.Lapisan Tembaga Kental: Ketebalan tembaga berkisar dari 2oz hingga 6oz (1oz = 35μm) untuk mengurangi resistensi.sering menggunakan 4 ′′ 6oz tembaga atau PCB inti logam (MCPCB) untuk konduktivitas yang ditingkatkan.
b.Jarak dan Busbar yang luas: Jarak jejak yang diperluas (≥ 5 mm untuk 300A) dan busbar tembaga yang tertanam meminimalkan kerugian daya.4oz tembaga jejak 10mm lebar dapat membawa 300A pada 80 ° C tanpa melebihi batas suhu yang aman.
c.Layout Induktansi Rendah: Pergantian frekuensi tinggi di inverter (terutama dengan semikonduktor SiC/GaN) menghasilkan kebisingan. PCB menggunakan jejak pendek dan langsung dan bidang tanah untuk mengurangi induktansi,mencegah lonjakan tegangan.

2. Isolasi dan Keselamatan Kepatuhan
Tegangan tinggi menciptakan risiko busur, sirkuit pendek, dan sengatan listrik. PCB harus mematuhi standar isolasi yang ketat untuk memastikan keamanan:

a. Creepage dan Clearance: Ini adalah jarak minimum yang diperlukan antara jalur konduktif untuk mencegah busur. Untuk sistem 400V, creepage (jarak di sepanjang permukaan) adalah ≥4mm,dan celah udara (air gap) ≥3mmUntuk sistem 800V, jarak ini meningkat menjadi ≥6mm (creepage) dan ≥5mm (clearance) (menurut IEC 60664).
Bahan isolasi: Substrat dengan kekuatan dielektrik tinggi (≥ 20kV/mm) digunakan, seperti FR4 dengan Tg tinggi (≥ 170°C) atau komposit keramik.untuk cairan pendingin) tambahkan lapisan isolasi sekunder.
c.Pengertian Standar Global: PCB harus memenuhi sertifikasi khusus otomotif, termasuk:

3. Pengelolaan Termal
Panas adalah musuh utama dari sistem tenaga EV. Arus tinggi dan kehilangan switch menghasilkan panas yang signifikan, yang dapat merusak komponen dan mengurangi efisiensi.Desain PCB harus memprioritaskan disipasi panas:

a. Vias Termal dan Pesawat Tembaga: Array vias yang diisi tembaga (0,3 ∼ 0,5 mm diameter) mentransfer panas dari komponen panas (misalnya, MOSFET, IGBT) ke bidang tembaga bagian dalam atau luar.Sebuah 10x10 kisi-kisi termal dapat menurunkan suhu komponen dengan 20 ° C.
b.PCB Inti Logam (MCPCBs): Inverter traksi sering menggunakan MCPCB, di mana inti aluminium atau tembaga memberikan konduktivitas termal (24 W/m·K) yang jauh melebihi standar FR4 (0,25 W/m·K).
c.Material Tg Tinggi dan CTE Rendah: Laminat dengan suhu transisi kaca (Tg) ≥170°C tahan melembutkan di bawah panas, sedangkan bahan dengan koefisien ekspansi termal (CTE) rendah (misalnya,FR4 yang diisi keramik) meminimalkan penyimpangan selama siklus termal (-40 °C hingga 125 °C).

4. Desain Multilayer dan Hybrid
Sistem listrik EV membutuhkan PCB yang kompleks untuk memisahkan lapisan daya, tanah, dan sinyal, mengurangi gangguan:

a.Layer Stack-Ups: Desain lapisan 6 ∼12 umum, dengan pesawat daya khusus (2 ∼4 oz tembaga) dan pesawat tanah untuk menstabilkan tegangan.Sinyal → Bumi → Daya → Daya → Bumi → Sinyal.
b. Bahan Hibrida: Menggabungkan FR4 dengan substrat berkinerja tinggi mengoptimalkan biaya dan kinerja.DC-DC converter dapat menggunakan FR4 untuk lapisan daya dan Rogers RO4350B (low loss tangent) untuk jalur sinyal frekuensi tinggi, mengurangi EMI.
Komponen tertanam: Komponen pasif (resistor, kapasitor) tertanam dalam lapisan PCB untuk menghemat ruang dan mengurangi induktansi parasit, penting untuk desain kompak seperti modul BMS.

Tantangan Manufaktur untuk PCB Sistem Tenaga EV
Produksi PCB untuk sistem tenaga EV secara teknis menuntut, dengan beberapa tantangan utama:

1. Pengolahan Tembaga Kental
Lapisan tembaga ≥4oz (140μm) rentan terhadap inkonsistensi ukiran, seperti undercutting (di mana etchant menghilangkan tembaga berlebih dari sisi jejak).Solusi meliputi:

a.Controled Etching: Menggunakan asam tembaga sulfat dengan suhu yang tepat (45 ∼ 50 °C) dan tekanan semprot untuk memperlambat laju etching, menjaga toleransi lebar jejak dalam ± 10%.
Optimasi Plati: Plati pulsa memastikan deposisi tembaga yang seragam, penting untuk lapisan 6oz di inverter traksi.

2. Mengimbangi Miniaturisasi dan Isolasi
EV membutuhkan modul daya yang kompak, tetapi tegangan tinggi membutuhkan jarak creepage/clearance yang besar, menciptakan konflik desain.

a.3D PCB Designs: Integrasi vertikal (misalnya, PCB ditumpuk yang terhubung dengan vias buta) mengurangi jejak sementara menjaga jarak isolasi.
b. Penghalang isolasi: Mengintegrasikan spacer dielektrik (misalnya, film poliamida) antara jejak tegangan tinggi memungkinkan jarak yang lebih dekat tanpa mengorbankan keselamatan.

3. Laminasi bahan hibrida
Pengikatan bahan yang berbeda (misalnya, FR4 dan keramik) selama laminasi sering menyebabkan delaminasi karena CTE yang tidak cocok. Strategi mitigasi meliputi:

a.Laminasi bertingkat: Menggunakan bahan perantara dengan nilai CTE antara kedua substrat (misalnya, prepreg dengan serat kaca) untuk mengurangi tekanan.
b. Siklus Tekanan/Suhu Terkontrol: Tingkat ramp 2°C/menit dan tekanan tahan 300-400 psi memastikan adhesi yang tepat tanpa penyimpangan.

4. pengujian ketat
PCB EV harus lulus tes keandalan yang ekstrim untuk memastikan kinerja di lingkungan yang keras:

a. Siklus Termal: 1.000+ siklus antara -40°C dan 125°C untuk mensimulasikan perubahan suhu musiman.
b.Pengujian getaran: getaran sinusoidal 20 ‰ 2.000 Hz (menurut ISO 16750) untuk meniru kondisi jalan.
c.Pengujian Dielektrik Tegangan Tinggi: 100% pengujian pada tegangan operasi 2x (misalnya, 1,600V untuk sistem 800V) untuk mendeteksi cacat isolasi.

Tren Masa Depan dalam Desain PCB Daya EV
Seiring kemajuan teknologi EV, desain PCB berevolusi untuk memenuhi tuntutan baru, didorong oleh efisiensi, miniaturisasi, dan semikonduktor generasi berikutnya:

1Semikonduktor Wide Bandgap (WBG)
Perangkat silikon karbida (SiC) dan gallium nitrida (GaN) beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi (100kHz+) dan suhu (150°C+) daripada silikon tradisional, yang membutuhkan PCB dengan:

a.Induktansi rendah: jejak pendek dan langsung dan busbar terintegrasi untuk meminimalkan lonjakan tegangan selama beralih.
b.Jalan Termal yang Ditingkatkan: MCPCB atau substrat yang didinginkan cair (misalnya, lempeng dingin yang diikat pada bagian belakang PCB) untuk menangani beban panas 200W/cm2.

2. Elektronika Daya Tertanam
Mengintegrasikan komponen daya (misalnya, kondensator, sekering) langsung ke lapisan PCB mengurangi ukuran modul sebesar 30% dan meningkatkan keandalan.

a. Busbar tertanam: Busbar tembaga tebal (6 oz) yang tertanam di antara lapisan menghilangkan ikat kawat, mengurangi resistensi sebesar 50%.
b.3D Pencetakan Konduktor: Teknik manufaktur aditif menyimpan jejak tembaga dengan geometri yang kompleks, mengoptimalkan aliran arus.

3. Smart PCB dengan Sensor
PCB masa depan akan mencakup sensor terintegrasi untuk memantau:

a.Suhu: Pemetaan termal real-time untuk mencegah hotspot.
b. Tegangan/Arus: Sensor arus inline (misalnya, efek Hall) untuk perlindungan overcurrent.
c. Resistensi isolasi: Pemantauan terus menerus untuk mendeteksi degradasi sebelum kegagalan terjadi.

4. Keberlanjutan dan Desain Sirkular
Produsen mobil mendorong PCB yang ramah lingkungan, dengan tren termasuk:

a.Bahan yang dapat didaur ulang: Solder bebas timbal, laminat bebas halogen, dan tembaga yang dapat didaur ulang.
b.Desain modular: PCB dengan bagian yang dapat diganti untuk memperpanjang umur dan mengurangi limbah.

Pertanyaan Umum Tentang PCB Sistem Daya EV
T: Mengapa inverter traksi membutuhkan tembaga yang lebih tebal daripada PCB BMS?
A: Inverter traksi menangani 300 ‰ 600A, jauh lebih banyak daripada sistem BMS (200 ‰ 500A puncak). Tembaga yang lebih tebal (4 ‰ 6 oz) mengurangi resistensi dan penumpukan panas, mencegah termal kabur.

T: Apa perbedaan antara creepage dan clearance pada PCB tegangan tinggi?
A: Creepage adalah jalur terpendek antara konduktor di sepanjang permukaan PCB; clearance adalah celah udara terpendek.Sistem 800V membutuhkan creepage ≥6mm).

T: Bagaimana PCB inti logam meningkatkan kinerja inverter EV?
A: MCPCB menggunakan inti logam (aluminium/tembaga) dengan konduktivitas termal yang tinggi (24 W/m·K), disipasi panas dari IGBT/SiC 510x lebih cepat daripada FR4 standar, memungkinkan kepadatan daya yang lebih tinggi.

T: Standar apa yang harus dipenuhi oleh PCB tenaga EV?
A: Standar utama termasuk IEC 60664 (insulasi), UL 796 (keamanan tegangan tinggi), ISO 26262 (keamanan fungsional), dan IPC-2221 (aturan desain).

T: Bagaimana SiC semikonduktor akan mempengaruhi desain PCB?
A: Perangkat SiC beralih lebih cepat (100kHz+), membutuhkan PCB induktansi rendah dengan jejak pendek dan busbar terintegrasi.

Kesimpulan
PCB adalah pahlawan sistem listrik EV yang tidak terkenal, memungkinkan operasi komponen tegangan tinggi yang aman dan efisien.Dari lapisan tembaga tebal dan standar isolasi yang ketat hingga manajemen termal canggih dan bahan hibrida, setiap aspek desain mereka dioptimalkan untuk tuntutan unik kendaraan listrik.

Sebagai EV bergerak menuju arsitektur 800V, SiC semikonduktor, dan mengemudi otonom, persyaratan PCB hanya akan tumbuh lebih ketat.Keamanan, dan biaya akan memainkan peran penting dalam mempercepat adopsi mobilitas listrik.

Bagi insinyur dan produsen, tetap maju berarti mengadopsi inovasi seperti komponen tertanam, pendinginan cair, dan sensor cerdas, sambil mematuhi standar global yang memastikan keandalan.Dengan desain PCB yang tepat, generasi berikutnya EV akan lebih aman, lebih efisien, dan siap untuk mengubah transportasi.