新能源汽車電控模塊PCB熱分析

汪 珩

（無錫深南電路有限公司，江蘇 無錫 214412）

0 引言

2022年全球新能源汽車銷量達1 010萬輛，同比增長59%。其中，中國新能源汽車市場持續(xù)突破，產(chǎn)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(qū)技術的發(fā)展也朝集成化、小型化和高壓化穩(wěn)步邁進。

新能源汽車日常行駛中，驅(qū)動模塊將電池包的電能轉化為電機轉動的動能。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，無論是純電動汽車還是混合動力汽車，電控模塊的熱設計越來越受重視。而印制電路板（printed circuit board，PCB）在整個系統(tǒng)中是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的關鍵環(huán)節(jié)。

新能源汽車電控模塊PCB 熱分析主要對以下3 個方面進行研究：熱的產(chǎn)生、傳遞與耗散。在PCB 領域，熱的傳遞和耗散通常同時進行，本文從這幾個方面進行展開，對電控模塊PCB 熱設計進行詳細分析。

1 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 個來源：①功率器件等發(fā)熱器件的功耗；② PCB 線路因載流而產(chǎn)生的熱量；③其他部分（環(huán)境）輻射而來的熱量。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(chǎn)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。本文主要研究PCB相關的熱。

熱功率P計算公式為

式中：I為流過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。

通過式（1）可以得出，如需降低PCB 線路的熱功率，可從以下2 個角度出發(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)品設計初期根據(jù)系統(tǒng)功率就已經(jīng)確定，PCB 設計和加工階段可控的更多為降低通過特定線路的電流大小。增加PCB層數(shù)是可以采用的方案。

當某一層PCB 載流的線路確定時，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)進而增加一條同樣的載流線路，此時I2=，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=。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)量的方法就是通過降低流經(jīng)特定載流電路的電流，來降低載流線路的發(fā)熱。

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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］。

熱阻計算公式為

式中：λ為導熱系數(shù)，W/（m·K），銅的導熱系數(shù)為401 W/（m·K），見表1；L為導體的長度，m；S為導體的傳熱面積，m2。

表1 不同材料的導熱系數(shù)

根據(jù)式（2）可以發(fā)現(xiàn)，增加導體的傳熱面積（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行熱對流并對空氣進行熱輻射，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走線載流理論計算的結果見表2。

表2 PCB走線載流計算

當額定電流為100 A 時，若銅厚為0.210 mm，外層線路寬需要14.740 mm；而當銅厚為0.420 mm 時，外層線寬可以降為7.372 mm?？紤]汽車電驅(qū)模塊的載流通常需預留100%的余量，在實際應用中，該條件下，外層建議線寬14.740 mm。

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

2 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(nèi)將發(fā)熱器件區(qū)域的銅箔盡可能擴大，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、信號完成回路等需要，經(jīng)常需要在PCB內(nèi)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進行熱量的耗散，如圖1所示。

圖1 夾心層導熱方式

功率器件下方埋銅塊［4］，常規(guī)FR-4材料的導熱率僅為0.3～0.4 W/（m·K），而銅的導熱率高達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，如圖2所示。

圖2 功率器件下方埋銅塊方案

在實際應用過程中，PCB 中埋入的銅塊同時具有載流和散熱雙重功能。功率器件的底部會與銅塊進行焊接，因而銅塊會帶有一定的電壓，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料（見表3），該導熱材料的導熱系數(shù)直接關系整個系統(tǒng)的散熱效率。

表3 系統(tǒng)熱阻計算

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

仿真結果如圖3 所示，將絕緣導熱材料的導熱系數(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。

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［熱界面材料（thermal interface material，TIM）］的理論散熱能力［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

表5 不同尺寸PCB的散熱能力

表6 不同尺寸導熱材料的散熱能力

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1 000 倍左右；理論上2 mm 厚50 mm×50 mm 的PCB 僅具備12.5 W 的散熱能力，而同規(guī)格的金屬基具備12 500 W 的散熱能力。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625 W 左右，絕緣導熱材料限制了系統(tǒng)的散熱能力。

3 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使用獨立的風冷或水冷散熱器，相關熱量并不會傳遞到PCB 表面。由此可見，系統(tǒng)中對PCB 影響最大的發(fā)熱器件為電源轉換器件，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，需通過增加發(fā)熱器件底部銅箔或夾心層導熱的方式將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0.105 mm 為上限。據(jù)以往經(jīng)驗，如系統(tǒng)電流超過100 A，PCB線路承載大電流的性價比會急劇下降，此時選用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也起到為PCB散熱的作用。

4 結語

新能源汽車電控模塊PCB 熱分析，需從PCB熱量的產(chǎn)生、傳遞和耗散多個維度進行分析；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(qū)模塊的PCB 熱設計，與整體模塊的熱設計息息相關，PCB 設計人員具備一定的系統(tǒng)熱設計經(jīng)驗將更有利于電驅(qū)模塊整體熱設計能力的提升。