การออกแบบ PCB ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในระบบแปลงไฟฟ้า DC-DC ได้อย่างไร

การประยุกต์ใช้ PCB มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC) ของรถยนต์ไฟฟ้า วิศวกรพัฒนาแผงวงจรพิมพ์เฉพาะทางเพื่อผสานรวมวงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพ การประยุกต์ใช้ PCB นี้ช่วยให้ระบบสามารถส่งมอบความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นภายในพื้นที่ขนาดกะทัดรัด พร้อมกับปรับปรุงประสิทธิภาพ EMC ส่งผลให้รถยนต์ไฟฟ้าแบบใช้แบตเตอรี่สามารถจัดการพลังงานได้ดีขึ้น ลดการสูญเสียพลังงาน และปรับปรุงการกระจายความร้อน ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการประยุกต์ใช้ PCB แบบฝังมีส่วนช่วยในด้านพลังงาน EMC และความน่าเชื่อถือในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังของรถยนต์ไฟฟ้าอย่างไร

แง่มุม	การมีส่วนสนับสนุนต่อความหนาแน่นของพลังงานสูงและความน่าเชื่อถือ
miniaturization	การรวมส่วนประกอบต่างๆ ไว้ในแอปพลิเคชัน PCB จะช่วยประหยัดพื้นที่ ทำให้ระบบมีขนาดเล็กลงและสามารถรองรับพลังงานได้มากขึ้น
การกระจายความร้อน	กรอบนำกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และไมโครเวียที่เติมทองแดงช่วยลดความต้านทานความร้อน ทำให้ระบบแข็งแกร่งขึ้น
ประสิทธิภาพไฟฟ้า	ความต้านทานของสายพันธะต่ำและความเหนี่ยวนำปรสิตที่น้อยที่สุดในแอปพลิเคชัน PCB ช่วยให้สลับได้เร็วขึ้นพร้อมสูญเสียพลังงานน้อยลง
ความเชื่อถือได้	เทคโนโลยีการใช้งาน PCB แบบฝังช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ โดยการทดสอบการจ่ายไฟแบบหมุนเวียนแสดงให้เห็นถึงความทนทานมากกว่า 700,000 รอบ
ระบบบูรณาการ	การรวมวงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมบนแอปพลิเคชัน PCB เดียวทำให้การออกแบบง่ายขึ้น ลดขนาดและต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพของ EMC
ความสามารถในปัจจุบันสูง	ชันท์ฝังตัวที่มีการจัดการความร้อนที่ได้รับการปรับปรุงในแอปพลิเคชัน PCB ช่วยให้การวัดกระแสไฟฟ้าสูงแม่นยำยิ่งขึ้น
ลดต้นทุน	การลดความต้องการตัวเชื่อมต่อ สายเคเบิล ระบบระบายความร้อน และขนาดชิ้นส่วนที่เล็กลงผ่านการใช้งาน PCB จะช่วยลดต้นทุนระบบโดยรวม
การบังคับใช้	แอปพลิเคชัน PCB นี้เหมาะสำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างแรงดันต่ำกระแสสูงและแรงดันสูง

ประเด็นที่สำคัญ

• การออกแบบ PCB ที่ชาญฉลาดช่วยให้ตัวแปลง DC-DC สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าทำงานได้ดีขึ้น ทำให้มีขนาดเล็กลงและเบาลง อีกทั้งยังมีกำลังมากขึ้น การใช้ชั้นทองแดงหนาช่วยกระจายความร้อนได้ดี รูระบายความร้อนช่วยให้ตัวแปลงเย็นลง ทำให้มีความน่าเชื่อถือมากขึ้น การจัดวาง PCB ที่ดีช่วยลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า การต่อสายดินที่ดีก็ช่วยได้เช่นกัน ทำให้ระบบมีความเสถียรและปลอดภัย การวางวงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมไว้บน PCB เดียวกันช่วยประหยัดพื้นที่ ลดต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพ คุณสมบัติขั้นสูงช่วยได้มากยิ่งขึ้น การไหลของพลังงานแบบสองทิศทางและการแก้ไขแบบซิงโครนัสช่วยประหยัดพลังงาน และยังทำให้ระบบมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย

การประยุกต์ใช้ PCB ในตัวแปลง DC-DC

การจ่ายพลังงานและการควบคุมสัญญาณ

แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) มีความสำคัญมากในตัวแปลง DC-DCช่วยในการส่งกำลังและสัญญาณควบคุมในพื้นที่ขนาดเล็ก วิศวกรออกแบบPCBให้สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าสูงและสัญญาณที่ละเอียดอ่อนได้พร้อมกัน ซึ่งช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและทำงานได้อย่างราบรื่น

วงจรพิมพ์ (PCB) ทำหน้าที่ส่งพลังงานจากแบตเตอรี่ไปยังอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไฟส่องสว่าง หน้าจอ และมอเตอร์ การออกแบบอย่างพิถีพิถันช่วยให้มั่นใจได้ว่าชิ้นส่วนที่ใช้พลังงานจะได้รับแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่คงที่ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานและแรงดันตกคร่อม สายสัญญาณบนPCBทำหน้าที่ส่งข้อความควบคุมระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์และตัวแปลงพลังงาน ทำให้ระบบสามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วและควบคุมพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวแปลง DC-DC บางรุ่น เช่น รุ่นที่มี MPQ2967-AEC1 และ MPQ86960-AEC1 แสดงให้เห็นว่าการรวมวงจรจ่ายไฟและวงจรควบคุมไว้บนแผงวงจรพิมพ์ เดียวกันนั้น มีประโยชน์อย่างไร การออกแบบเหล่านี้ให้พลังงานที่เสถียรและสัญญาณที่ดี แม้ในสภาวะการใช้งานในรถยนต์ที่ยากลำบาก นอกจากนี้ยังช่วยให้ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) ทำงานได้ดียิ่งขึ้นด้วย

คำแนะนำ: วิศวกรใช้การออกแบบ แผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้นเพื่อแยกชั้นพลังงานและชั้นสัญญาณออกจากกัน ซึ่งจะช่วยลดการรบกวนและช่วยให้เข้ากันได้กับระบบแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)

บูรณาการส่วนประกอบ

การวางหม้อแปลงและภาคจ่ายไฟไว้บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยตรง ถือเป็นก้าวสำคัญ ทำให้ตัวแปลงไฟมีขนาดเล็ลงและสร้างได้ง่ายขึ้นการใช้งาน PCBช่วยให้สามารถออกแบบที่เหมาะสมกับพื้นที่จำกัดและไม่หนักเกินไปสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

ตารางด้านล่างนี้แสดงให้เห็นถึงวิธีการต่างๆ ในการถอดประกอบชิ้นส่วนต่างๆ ส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงาน ประสิทธิภาพ และความง่ายในการผลิตอย่างไร:

ขั้นตอนการแปลง / แนวทางการออกแบบ	คุณสมบัติการรวมที่สำคัญ	ความหนาแน่นของพลังงาน (W/in³)	ประสิทธิภาพ (%)	ประโยชน์ด้านการผลิตและประสิทธิภาพ
CLLC เฟสเดียว (1PCLLC) พร้อมหม้อแปลงรวมแบบ PCB	หม้อแปลงเมทริกซ์แบบบูรณาการพร้อมความเหนี่ยวนำการรั่วไหลที่ควบคุมได้ ลดการสูญเสียแกน ขนาดเล็กกว่า อุปกรณ์ SiC ที่การสลับความถี่ 250 kHz	250	98.4	ส่วนประกอบแม่เหล็กที่ลดลง การออกแบบที่กะทัดรัด ความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น
1PCLLC พร้อมเทคนิคการยกเลิกการพัน	การยกเลิกการพันขดลวดเพื่อลดเสียงรบกวนโหมดทั่วไปลง 17 เดซิเบล; การลด EMI	420	98.5	ประสิทธิภาพ EMI ที่ดีขึ้น การจัดการปรสิตที่ดีขึ้น ความน่าเชื่อถือของตัวแปลงที่เพิ่มขึ้น
ตัวแปลงเรโซแนนซ์สามเฟส CLLC (3PCLLC)	หม้อแปลงสามเฟสแบบบูรณาการที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลงหลายตัว ถังเรโซแนนซ์แบบสมมาตร การสลับแบบนุ่มนวล แรงดันไฟฟ้า DC-link แบบแปรผัน	330	98.7	ส่วนประกอบแม่เหล็กที่เรียบง่าย การออกแบบที่ปรับขนาดได้ ประสิทธิภาพความร้อนและไฟฟ้าที่ดีขึ้น
หม้อแปลงรวมเมทริกซ์แบบปรับขนาดได้สำหรับ CLLC หลายเฟส	การผสานรวมหม้อแปลงที่เชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์แบบหลายตัว (PCT) ที่มีตัวเหนี่ยวนำรั่วไหลในตัว แกนมาตรฐานหรือที่กำหนดเองเพื่อการกระจายฟลักซ์ที่ดีขึ้นและการสูญเสียแกนที่ต่ำลง	500	98.8	ความหนาแน่นของพลังงานสูง ประสิทธิภาพสูงสุด ปรับขนาดได้สำหรับการใช้งานพลังงานที่สูงขึ้น การผลิตที่คล่องตัว

ตัวแปลง DC-DC แบบหม้อแปลงในแพ็คเกจใช้บรรจุภัณฑ์พิเศษเพื่อบรรจุหม้อแปลงและขั้วต่อต่างๆ ไว้ภายใน ซึ่งหมายความว่ามีชิ้นส่วนน้อยลงและมีขนาดเล็กลง การออกแบบนี้ได้รับปัจจัยด้านคุณภาพและปัจจัยการเชื่อมต่อสูง ทำงานได้ดีขึ้นและสามารถเข้าถึงความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ 50 mW/mm²

ตัวอย่างจากรถยนต์จริงแสดงให้เห็นว่าระบบนี้ทำงานได้ดี โซลูชันของ Intelli-Phase ใช้ชิป MPQ86940 และตัวควบคุม MPQ2977-AEC1 ซึ่งให้พลังงานที่ชาญฉลาดและทรงพลังแก่คอมพิวเตอร์ไฮเทคในรถยนต์ ตัวแปลง DC-DC MPQ4326-AEC1 ยังรวมไอซีจัดการพลังงานไว้บนแผงวงจรพิมพ์ ขนาดเล็ก ซึ่งช่วยให้เครื่องเย็นและทำงานได้ดีแม้ในสภาวะที่ยากลำบาก

หมายเหตุ:การวางเซมิคอนดักเตอร์กำลังและหม้อแปลงไฟฟ้าไว้บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)จะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า นอกจากนี้ยังทำให้การประกอบง่ายขึ้น ต้นทุนต่ำลง และทำให้ระบบมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น

การเพิ่มชิ้นส่วนต่างๆ ลงในแผงวงจรพิมพ์จะเปลี่ยนวิธีการทำงานของตัวแปลง DC-DC ที่ช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าทำงานได้ดีขึ้น ด้วย วิธี การประยุกต์ใช้แผงวงจรพิมพ์ แบบใหม่ วิศวกรสามารถสร้างระบบจ่ายไฟขนาดเล็ก แข็งแรง และเชื่อถือได้ ระบบเหล่านี้ช่วยให้เทคโนโลยีรถยนต์รุ่นใหม่ทำงานได้ดียิ่งขึ้น

วัสดุและการก่อสร้าง PCB

ทองแดงหนาและรอยกระแสสูง

วิศวกรเลือกใช้ชั้นทองแดงหนาสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC) ของรถยนต์ไฟฟ้า ทองแดงหนาเหล่านี้มีน้ำหนักระหว่าง 4 ถึง 14 ออนซ์ต่อตารางฟุต ช่วยให้แผงวงจรรับกระแสไฟฟ้าได้สูง บางครั้งอาจสูงถึง 200 แอมป์ ทองแดงหนาทำหน้าที่เป็นฮีตซิงก์และกระจายความร้อนได้ดี ช่วยป้องกันจุดร้อนและทำให้แผงวงจรเย็นลง 20-30°C ช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างเสถียรแม้ในสภาพการใช้งานที่ยากลำบากในรถยนต์

ผู้ผลิตใช้การชุบแบบเลือกเฉพาะเพื่อเพิ่มทองแดงเฉพาะจุดที่จำเป็น ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและรองรับเส้นทางกระแสไฟฟ้าสูง แถบเส้นที่กว้างและ vias จำนวนมากช่วยให้ส่งกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นและกระจายความร้อน ตัวอย่างเช่น แถบเส้นทองแดงขนาด 10 ออนซ์สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ประมาณ 65 แอมป์ บนความกว้าง 0.25 นิ้ว ซึ่งตรงกับความต้องการของแผ่นรองรับอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าสมัยใหม่

เคล็ดลับ:ชั้นทองแดงที่หนาจะมีค่าความต้านทานต่ำกว่า ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าจะตกน้อยลง และชิ้นส่วนต่างๆ จะได้รับพลังงานมากขึ้น ทำให้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) และวัสดุรองรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นและทำงานได้ดีขึ้น

ความหนาของทองแดง (ออนซ์/ฟุต²)	ความจุกระแสไฟฟ้า (เอ)	ผลประโยชน์ที่สำคัญ
4	60	เหมาะสำหรับการรับน้ำหนักปานกลาง
6	150	การกระจายความร้อนที่ดีเยี่ยม
10	200	ความน่าเชื่อถือและพลังสูงสุด

บอร์ดหลายชั้นและ IMS

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้นและแผงวงจรโลหะฉนวน (IMS) มีความสำคัญในตัวแปลง DC-DC สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า แผงวงจรแบบหลายชั้นประกอบด้วยชั้นต่างๆ ซ้อนกันหลายชั้น ทำให้วงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมแยกออกจากกัน ช่วยให้แผงวงจรทำงานได้ดีขึ้นและลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าแผงวงจร IMSมีฐานเป็นโลหะที่ระบายความร้อนได้เร็ว ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่กำลังสูง

บอร์ดเหล่านี้ใช้วัสดุปลอดฮาโลเจน ค่า CTI สูง และค่า RTI สูง ยกตัวอย่างเช่น R-3566D ของพานาโซนิค วัสดุเหล่านี้สามารถทนความร้อนและแรงดันไฟฟ้าสูงได้ รองรับวัสดุอิเล็กทรอนิกส์กำลังชนิดใหม่ เช่น อุปกรณ์ SiC และ GaN บอร์ด IMS สามารถทำให้ชิ้นส่วนเย็นลงได้ 20-30°C เมื่อเทียบกับบอร์ดทั่วไป ทำให้ชิ้นส่วนมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นสองเท่า และทำให้ระบบมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น

• การระบายความร้อนด้านบนสามารถลดความต้านทานความร้อนได้ถึง 35%

• บอร์ด IMS ไม่จำเป็นต้องมีแผงระบายความร้อนขนาดใหญ่ จึงมีขนาดเล็กและเบากว่า

• การกระจายความร้อนและฉนวนที่ดีขึ้นช่วยหยุดความเสียหายจากความร้อนและการสั่นสะเทือน

การเลือกใช้ วัสดุ PCBที่เหมาะสมและวิธีการผลิตที่ถูกต้อง จะช่วยให้ระบบจ่ายไฟของรถยนต์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูง ระบายความร้อนได้ดี และมีความน่าเชื่อถือยาวนาน

การจัดการเค้าโครงและ EMI

การติดตามเส้นทางและการต่อสายดิน

วิศวกรทราบดีว่าการจัดวางเลย์เอาต์มีความสำคัญมากสำหรับตัวแปลง DC-DC ในรถยนต์ พวกเขาใช้การออกแบบ PCB แบบหลายชั้นที่มีชั้นกราวด์และชั้นจ่ายไฟแบบพิเศษ ซึ่งช่วยป้องกันปัญหา EMC และทำให้สัญญาณชัดเจน การวางชั้นสัญญาณไว้ติดกับชั้นกราวด์จะทำให้ลูปมีขนาดเล็ลงและลดการแผ่รังสี เมื่อชั้นกราวด์และชั้นจ่ายไฟอยู่ใกล้กัน จะช่วยในการแยกสัญญาณและเพิ่ม EMC

วิธีที่ดีบางประการในการกำหนดเส้นทางร่องรอยและพื้นดิน ได้แก่:

• รักษาร่องรอยให้สั้นและตรงเพื่อป้องกันผลกระทบจากเสาอากาศและปัญหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• ใช้การเย็บผ่านเพื่อเชื่อมโยงชั้นพื้นดิน ซึ่งจะช่วยลดค่าอิมพีแดนซ์และช่วยให้เส้นทางกลับคืน

• ใส่ตัวเก็บประจุแบบแยกสัญญาณใกล้กับพินไฟ IC เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่และลดสัญญาณรบกวน

• ห้ามใช้การโค้งงอเป็นมุมฉากในการลากเส้น การโค้งงอ 45 องศาหรือโค้งจะดีกว่าสำหรับ EMC

การต่อสายดินที่ดี เช่น การต่อสายดินแบบดาว ช่วยป้องกันวงจรลูปกราวด์และสัญญาณรบกวน การแยกสัญญาณความเร็วสูงออกจากสัญญาณความเร็วต่ำหรือสัญญาณอนาล็อกจะช่วยป้องกันการรบกวน ขั้นตอนเหล่านี้ช่วยให้ตัวแปลง DC-DC ผ่านเกณฑ์มาตรฐาน EMC ที่เข้มงวดสำหรับรถยนต์ได้

การจัดวาง PCB ที่ดีและการต่อลงดินไม่เพียงแต่จะลด EMC เท่านั้น แต่ยังทำให้ตัวแปลงมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและทำงานได้ดีขึ้นอีกด้วย

การลดปรสิตให้น้อยที่สุด

ความเหนี่ยวนำและความจุแบบปรสิตอาจทำให้เกิดปัญหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และประสิทธิภาพที่ลดลงในตัวแปลง DC-DC วิศวกรเลือกใช้อุปกรณ์แบบติดตั้งบนพื้นผิวสำหรับตัวเก็บประจุและตัวต้านทานเพื่อให้การเชื่อมต่อสั้นลงและลดผลกระทบจากปรสิต พวกเขาใช้ทั้งตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและเซรามิกเพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์ต่ำที่ความถี่ต่างๆ ซึ่งช่วยในเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เพื่อลดปรสิตให้เหลือน้อยลงอีก:

• วิศวกรสร้างชั้นพื้นดินที่หนาและกว้างแทนที่จะเป็นชั้นพื้นดินที่บาง

• พวกเขาไม่ใช้สายยาวกับแชสซี ซึ่งอาจทำให้ลูปใหญ่ขึ้นและทำให้เกิดปัญหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• ตัวต้านทานแบบลดแรงสั่นสะเทือนในกลุ่มตัวเก็บประจุจะหยุดการสั่นพ้องที่อาจส่งผลเสียต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การวางชิ้นส่วนอย่างระมัดระวังและการจัดวางตำแหน่งที่ดีช่วยลดการปล่อยสัญญาณทั้งแบบนำไฟฟ้าและแบบแผ่รังสี ตัวอย่างเช่น การวางชั้นกราวด์ไว้ใต้เส้นสัญญาณจะช่วยลดฟลักซ์แม่เหล็กและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การเก็บชิ้นส่วนสวิตช์ที่มีสัญญาณรบกวนให้ห่างจากวงจรที่ไวต่อสัญญาณรบกวนยังช่วยลดการควบแน่นของแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย

ตัวแปลง DC-DC ของรถยนต์ที่ใช้แนวคิดเค้าโครงเหล่านี้จะแสดงค่า EMC ที่ดีกว่าและเป็นไปตามมาตรฐาน เช่น CISPR 25 วิธีการเหล่านี้ทำให้แน่ใจได้ว่าไฟฟ้าจะคงที่และปลอดภัยในงานหนักของรถยนต์

การจัดการความร้อนในตัวแปลงยานพาหนะไฟฟ้า

การกระจายความร้อนและเวียส

วิศวกรใช้เทคนิคอัจฉริยะเพื่อช่วยระบายความร้อนออกจากตัวแปลง DC-DC ของรถยนต์ไฟฟ้าชั้นทองแดงหนาในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ช่วยระบายความร้อนออกจากชิ้นส่วนที่ร้อน ทองแดงจะกระจายความร้อนไปทั่วแผงวงจร รูเล็กๆ ที่บรรจุโลหะเรียกว่า vias ระบายความร้อน จะอยู่ใต้ชิ้นส่วนที่ร้อนจัด vias เหล่านี้จะช่วยถ่ายเทความร้อนระหว่างชั้นของ PCB ซึ่งจะช่วยป้องกันจุดร้อนและรักษาอุณหภูมิของแผงวงจรให้สม่ำเสมอ

ระนาบกระจายความร้อนเชื่อมต่อกับชั้นกราวด์หรือชั้นจ่ายไฟ ระนาบเหล่านี้ช่วยลดความต้านทานความร้อนและช่วยให้ความร้อนระบายออกได้เร็วขึ้น แผ่นรองรับทองแดงแบบ Direct Bonded Copper (DBC) ใช้ทองแดงหนาที่ยึดติดกับเซรามิก การติดตั้งแบบนี้กระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็วและรักษาแผงวงจรให้แข็งแรง แม้ในขณะที่รถยนต์ใช้พลังงานมาก เทคโนโลยี DBC รองรับกระแสไฟฟ้าสูงและช่วยให้ระบบยังคงแข็งแกร่งภายใต้สภาวะกดดัน

วิศวกรเลือกใช้ทองแดงเพราะสามารถระบายความร้อนได้ดี ซึ่งช่วยให้ชิ้นส่วนที่บอบบางปลอดภัยในระบบรถยนต์พลังงานสูง

การรวมตัวของแผ่นระบายความร้อน

การเพิ่มแผ่นระบายความร้อนลงในแผงวงจรพิมพ์ (PCB)จะเปลี่ยนวิธีการจัดการความร้อนของโมดูลพลังงาน เมื่อวิศวกรติดตั้งแผ่นระบายความร้อนบนแผงวงจร พวกเขาจะลดอุณหภูมิสูงสุดในตัวแปลง DC-DC ของรถยนต์ไฟฟ้าลง หากไม่มีแผ่นระบายความร้อน ชิ้นส่วนต่างๆ อาจร้อนเกินไปและเสียหายได้ แต่เมื่อมีแผ่นระบายความร้อน ระบบจะเย็นลงและปลอดภัยยิ่งขึ้น

วิธีนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นรอง จาระบี หรือแคลมป์เพิ่มเติม นอกจากนี้ยังช่วยให้เครื่องจักรสามารถสร้างแผงวงจรได้ ซึ่งช่วยประหยัดเงินและลดความผิดพลาด การใช้วัสดุ PCB ที่เบากว่าแทนวัสดุที่หนักกว่าทำให้รถมีน้ำหนักเบาลง ฮีตซิงก์บนสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าช่วยระบายความร้อนและทำให้ชิ้นส่วนเย็นลง ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับพลังงานไฟฟ้าในรถยนต์มีความปลอดภัยและเชื่อถือได้มากขึ้น

แผนการจัดการความร้อนที่ดีในการออกแบบ PCB ช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้ามีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ป้องกันความร้อนสูงเกินไป รองรับกระแสไฟฟ้าสูง และช่วยให้ระบบปลอดภัยแม้ในสภาวะที่ยากลำบาก

บูรณาการและการย่อขนาด

ส่วนประกอบแบบฝัง

วิศวกรใช้การย่อส่วนเพื่อช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าทำงานได้ดีขึ้น พวกเขานำวงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมมารวมกันบนแผงวงจรเดียว ซึ่งทำให้ระบบมีขนาดเล็กลง จึงสามารถใช้งานในพื้นที่แคบได้ ข้อดีของสิ่งนี้มีหลายประการ:

• การใส่วงจรทั้งสองบน PCB เดียวจะทำให้ตัวแปลงมีขนาดเล็กลงและเบากว่า

• ความเร็วในการสลับที่สูงขึ้นสามารถทำได้ จึงสามารถใช้ชิ้นส่วนขนาดเล็กลงได้ ซึ่งทำให้การออกแบบมีน้ำหนักเบาและเล็กลง

• โช้กขนาดเล็กลงพร้อมความจุที่ไม่ต้องการน้อยลง ช่วยให้ทำงานที่ความเร็วสูงได้ นอกจากนี้ยังช่วยลดขนาดและน้ำหนักอีกด้วย

• ไมโครคอนโทรลเลอร์ความเร็วสูงพร้อม PWM ที่ดีช่วยให้การออกแบบพลังงานใหม่และการสลับรวดเร็วยิ่งขึ้น

• สิ่งเหล่านี้ทำให้การประกอบระบบเป็นเรื่องง่ายขึ้น น้ำหนักเบาลง แข็งแรงขึ้น และเย็นขึ้น

การย่อส่วนยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้า โดยทำให้โมดูลพลังงานมีความทนทานและระบายความร้อนได้ง่ายขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานที่ยาวนาน

การออกแบบระบบแบบกะทัดรัด

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ขนาดเล็กในรถยนต์ไฟฟ้าใช้วิธีการสร้างแผงวงจรแบบใหม่ เช่น SMT และ HDI วิธีการเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบเลย์เอาต์ที่กระชับ ประหยัดพื้นที่และน้ำหนัก การใช้วิธีเหล่านี้ทำให้แผงวงจรพิมพ์มีขนาดเล็ลงได้ถึง 30% เส้นทางสัญญาณที่สั้นลงช่วยให้แผงวงจรทำงานได้ดีขึ้นและลดสัญญาณรบกวน

• เครื่องจักรวางชิ้นส่วนเล็กๆ ลงบนบอร์ดได้อย่างแม่นยำมาก วิธีนี้ช่วยประหยัดเงินและทำให้สามารถวางชิ้นส่วนต่างๆ บนบอร์ดได้มากขึ้น

• บอร์ดขนาดเล็กใช้ปริมาณวัสดุน้อยกว่าซึ่งช่วยประหยัดเงินและทำให้รถมีน้ำหนักเบาลง

• วัสดุพิเศษ เช่น โพลีอิไมด์และ LCP ช่วยให้บอร์ดสามารถรับมือกับความร้อนและรักษาสัญญาณให้ชัดเจน

• PCB แบบยืดหยุ่นและแบบแข็งสามารถโค้งงอหรือพับได้ จึงเหมาะกับพื้นที่เล็กๆ ในรถยนต์

แผงวงจรพิมพ์ขนาดเล็กช่วยให้วิศวกรสามารถเพิ่มคุณสมบัติต่างๆ ให้กับแผงวงจรขนาดเล็กได้ ซึ่งทำให้มีพื้นที่มากขึ้นสำหรับระบบอื่นๆ เช่น ADAS และการจัดการแบตเตอรี่ แผงวงจรขนาดเล็กที่กระจายความร้อนได้ดีช่วยให้แบตเตอรี่ทำงานได้ดีขึ้นและประหยัดพลังงาน แผงวงจรพิมพ์เหล่านี้ยังช่วยในเรื่องต่างๆ เช่น การขับขี่อัตโนมัติ โดยทำให้ข้อมูลเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้นและเชื่อถือได้มากขึ้น ด้วยเหตุนี้ รถยนต์ไฟฟ้าจึงเบากว่า ฉลาดกว่า ถูกกว่า และมีระยะทางวิ่งและเชื่อถือได้มากขึ้น

คุณสมบัติขั้นสูงในตัวแปลง DC-DC

การไหลของพลังงานแบบสองทิศทาง

ตัวแปลง DC-DC ในรถยนต์ไฟฟ้า ในปัจจุบันสามารถส่งผ่านพลังงานได้ทั้งสองทิศทาง วิศวกรใช้รูปแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) พิเศษเพื่อให้การทำงานนี้เป็นไปได้ การออกแบบเหล่านี้ใช้ตัวแปลงเรโซแนนซ์ CLLC ที่มีโครงสร้างแบบบริดจ์เต็มรูปแบบ ตัวแปลงจะส่งพลังงานจากแบตเตอรี่ไปยังโครงข่ายไฟฟ้าหรือกลับมาอีกครั้ง ซึ่งช่วยในเรื่องต่างๆ เช่น การส่งพลังงานจากรถยนต์ไปยังโครงข่ายไฟฟ้า (V2G) และการส่งพลังงานจากรถยนต์ไปยังอาคาร (V2B)

• ตัวแปลงเรโซแนนซ์ใช้การสลับแบบซอฟต์ จึงทำให้เกิดความร้อนน้อยลงและสูญเสียพลังงานน้อยลง

• เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก๊ปกว้าง เช่น SiC และ GaN สลับได้เร็วกว่าและสูญเสียพลังงานน้อยกว่า

• ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบเรียลไทม์และไดรเวอร์เกตทำหน้าที่ควบคุมว่าพลังงานจะไปทางใด

• PCB มีวงจรตรวจจับและป้อนกลับเพื่อการควบคุมที่ดีขึ้น

การทดสอบแสดงให้เห็นว่าตัวแปลง DC-DC แบบสองทิศทางเหล่านี้ทำงานได้ดีในรถยนต์จริง ตัวแปลงเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแรงดันแบตเตอรี่ให้แตกต่างกันได้ และสูญเสียพลังงานน้อยลงเมื่อชาร์จ การสลับแบบนุ่มนวลยังช่วยลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้ระบบมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าชาร์จได้เร็วขึ้นและส่งพลังงานกลับเข้าสู่ระบบกริดเมื่อจำเป็น

การไหลของพลังงานแบบสองทิศทางในตัวแปลง DC-DC ช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้ามีทางเลือกมากขึ้นและช่วยในการใช้พลังงานรูปแบบใหม่

การแก้ไขแบบซิงโครนัส

การเรียงกระแสแบบซิงโครนัสเป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติสำคัญในตัวแปลง DC-DC รุ่นใหม่ วิศวกรใช้ MOSFET ที่มีความต้านทานต่ำแทนไดโอด ซึ่งช่วยลดแรงดันตกคร่อมและประหยัดพลังงาน แผงวงจรพิมพ์รองรับแพ็คเกจ MOSFET รุ่นใหม่ที่ส่งกระแสได้มากขึ้นและกระจายความร้อนได้ดีขึ้น

• การแก้ไขแบบซิงโครนัสใช้ไอซีควบคุมเพื่อสลับ MOSFET ในเวลาที่เหมาะสม

• การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ช่วยให้ตัวแปลงทำงานที่ความถี่สูงทำให้มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

• การจัดการความร้อนที่ดีขึ้นช่วยให้ระบบเย็นและทำงานได้ดี

การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการเรียงกระแสแบบซิงโครนัสทำให้ตัวแปลงมีประสิทธิภาพและเย็นลงมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ระบบควบคุมอัจฉริยะช่วยหยุดการนำไฟฟ้าย้อนกลับ ซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองพลังงาน การทำงานที่ความถี่สูงยังหมายความว่าตัวแปลง DC-DC มีขนาดเล็กลง ช่วยประหยัดพื้นที่ในรถยนต์ไฟฟ้า

การแก้ไขแบบซิงโครนัสที่เป็นไปได้ด้วยการออกแบบ PCB อัจฉริยะ ช่วยให้ตัวแปลง DC-DC ให้พลังงานได้มากขึ้นโดยมีของเสียลดลง

การออกแบบ PCB ช่วยให้ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC) ของรถยนต์ EV ทำงานได้ดีขึ้นและมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ทำให้ระบบมีความน่าเชื่อถือและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ความหนาแน่นพลังงานสูงช่วยให้รถยนต์มีน้ำหนักเบาลงและตอบสนองได้รวดเร็วขึ้น การตอบสนองที่รวดเร็วหมายความว่าระบบสามารถเปลี่ยนพลังงานได้อย่างรวดเร็ว การไหลของพลังงานแบบสองทิศทางช่วยให้พลังงานเคลื่อนที่ได้สองทาง ซึ่งช่วยประหยัดพลังงาน ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเรื่อง EMC และทำให้ระบบทำงานได้ดีขึ้นอย่างไร:

ลักษณะการออกแบบ PCB / คุณสมบัติของโมดูลพลังงาน	ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพของตัวแปลง EV DC-DC
โมดูลความหนาแน่นพลังงานสูง	ยานพาหนะขนาดเล็กและเบากว่า ระยะทางและบรรจุภัณฑ์ที่ได้รับการปรับปรุง
การตอบสนองชั่วคราวอย่างรวดเร็ว	ความน่าเชื่อถือของระบบที่ดีขึ้น การเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างรวดเร็ว
สถาปัตยกรรมโซน 48V	ประสิทธิภาพไฟฟ้าที่สูงขึ้น การสูญเสียที่ลดลง
กระแสไฟแบบสองทิศทาง	การกู้คืนพลังงานที่เพิ่มขึ้น; EMC ที่ได้รับการปรับปรุง
การออกแบบแบบโมดูลาร์และปรับขนาดได้	ต้นทุนต่ำกว่า บำรุงรักษาง่ายกว่า
การควบคุมประสิทธิภาพสูง	การสูญเสียพลังงานน้อยลง การจัดการความร้อนดีขึ้น

การเลือกวัสดุที่เหมาะสม การจัดวางที่ดี และระบบระบายความร้อนที่ชาญฉลาด ล้วนเป็นสิ่งสำคัญ การประกอบชิ้นส่วนเข้าด้วยกันอย่างชาญฉลาดยังช่วยให้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังทำงานได้ดีที่สุดอีกด้วย ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าแต่ละชิ้นส่วนช่วยได้อย่างไร:

แง่มุม	การมีส่วนสนับสนุนในการเพิ่มประสิทธิภาพอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้า EV
การเลือกใช้วัสดุ	เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างและวัสดุอินเทอร์เฟซความร้อนช่วยปรับปรุงการกระจายความร้อนและการจัดการแรงดันไฟฟ้า
แบบ	การระบายความร้อนสองด้านและการกำหนดเส้นทางการติดตามอัจฉริยะช่วยเพิ่ม EMC และความน่าเชื่อถือ
การจัดการความร้อน	ระบบระบายความร้อนและฮีตซิงก์ขั้นสูงช่วยลดจุดร้อนและจุดล้มเหลว
บูรณาการ	การรวมคุณสมบัติทางความร้อนและไฟฟ้าไว้ในโมดูลเดียวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดห่วงโซ่อุปทาน

วิศวกรสามารถใช้เคล็ดลับเหล่านี้เพื่อปรับปรุง EMC และความน่าเชื่อถือให้ดียิ่งขึ้น:

• ทำให้เส้นความถี่สูงสั้นและกว้าง

• เว้นระยะห่างระหว่างสัญญาณรบกวนและสัญญาณที่ละเอียดอ่อน

• วางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนไว้ใกล้กับส่วนที่จ่ายไฟ

• ใช้การป้องกันและตัวกรองเพื่อป้องกันปัญหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

• เพิ่มแผงระบายความร้อนและช่องระบายความร้อนเพื่อทำให้เครื่องเย็นลง

ผู้จัดการฝ่ายเทคนิคควรใช้เครื่องมือออกแบบที่ทำงานร่วมกันได้ พวกเขาควรทดสอบตั้งแต่เนิ่นๆ ด้วยแบบจำลองคอมพิวเตอร์และฮาร์ดแวร์จริง วิธีนี้ช่วยค้นหาปัญหา EMC ก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาใหญ่ ด้วยแนวคิดเหล่านี้ ทีมงานสามารถสร้างตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC) สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าที่แข็งแกร่งและมีประสิทธิภาพ ตัวแปลงเหล่านี้จะเป็นไปตามกฎ EMC ที่เข้มงวด และช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าทำงานได้ดีขึ้นในอนาคต

คำถามที่พบบ่อย

ประโยชน์หลักของการใช้ PCB หลายชั้นในตัวแปลง EV DC-DC คืออะไร

แผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้นช่วยให้วิศวกรสามารถแยกวงจรไฟฟ้าและวงจรควบคุมออกจากกันได้ ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวนและช่วยให้ระบบทำงานได้ดีขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยให้ตัวแปลงไฟสามารถติดตั้งในพื้นที่ขนาดเล็กในรถยนต์ไฟฟ้าได้อีกด้วย

วิศวกรจัดการความร้อนในตัวแปลง DC-DC กำลังไฟสูงได้อย่างไร

วิศวกรใช้ทองแดงหนา รูระบายความร้อน และแผงระบายความร้อน สิ่งเหล่านี้ช่วยระบายความร้อนออกจากชิ้นส่วนที่ร้อน การควบคุมความร้อนที่ดีจะช่วยให้ระบบปลอดภัยและใช้งานได้ยาวนานขึ้น

เหตุใด EMC จึงมีความสำคัญในการออกแบบตัวแปลง EV DC-DC?

ระบบ EMC ช่วยให้มั่นใจว่าตัวแปลงสัญญาณจะไม่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าเพิ่มเติม ซึ่งช่วยให้ระบบอิเล็กทรอนิกส์ของรถยนต์ทำงานได้โดยไม่มีปัญหา การปฏิบัติตามกฎ EMC มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพการทำงานที่ดี

การออกแบบ PCB ส่งผลต่อน้ำหนักของรถยนต์ไฟฟ้าได้หรือไม่?

ใช่ โครงร่าง PCB ขนาดเล็กและชิ้นส่วนในตัวทำให้โมดูลพลังงานมีขนาดเล็กลงและเบาลง ระบบที่เบาขึ้นช่วยให้รถยนต์ไฟฟ้าวิ่งได้ไกลขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง

เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างมีบทบาทอย่างไรในตัวแปลงที่ใช้ PCB?

เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างอย่าง SiC และ GaN สามารถสลับวงจรได้เร็วกว่าและรองรับแรงดันไฟฟ้าได้มากกว่า ซึ่งช่วยให้วิศวกรสามารถผลิตตัวแปลงสัญญาณขนาดเล็กลงและดีขึ้น โดยไม่ร้อนเท่าเดิม