PCB 應用對於提升電動車 DC-DC 轉換器的性能和使用壽命至關重要。工程師開發了專用印刷電路板，以有效整合電源和控制電路。這種 PCB 應用使系統能夠在緊湊的空間內提供更高的功率密度，同時提高 EMC 性能。因此，純電動車可以更好地管理電源，減少能源浪費，並改善散熱性能。下表說明了嵌入式 PCB 應用技術如何提升電動車電力電子設備的功率、EMC 和可靠性。
方面 | 對高功率密度和可靠性的貢獻 |
|---|---|
微型化 | 在 PCB 應用中加入元件可以節省空間，使系統更小並能夠處理更大的功率。 |
散熱性 | 引線框架可有效分散熱量，而銅填充的微孔可降低熱阻，進而增強系統強度。 |
電氣性能 | PCB 應用中較低的鍵合線電阻和最小的寄生電感可實現更快的切換速度和更少的能量損失。 |
可靠性 | 嵌入式 PCB 應用技術提高了系統可靠性，功率循環測試顯示其耐用性超過 700,000 次循環。 |
系統整合 | 在單一 PCB 應用上結合電源和控制電路可簡化設計、縮小尺寸和成本，並提高 EMC 效能。 |
高電流能力 | PCB 應用中嵌入的分流器具有更好的熱管理性能，可以實現更精確的大電流測量。 |
降低成本 | 透過 PCB 應用減少對連接器、電纜、冷卻和較小零件尺寸的需求，從而降低整體系統成本。 |
適用性 | 此 PCB 應用適用於低壓大電流和高壓寬頻隙半導體實現。 |
關鍵要點
智慧型PCB設計有助於提升電動車DC-DC轉換器的性能。它使轉換器體積更小、重量更輕，同時性能也更強大。厚銅層能夠有效散熱，導熱過孔有助於保持轉換器低溫運行，從而提高其可靠性。良好的PCB佈局可以降低電噪聲，良好的接地也至關重要，這些都有助於確保系統的穩定性和安全性。將電源電路和控制電路整合在同一塊PCB上可以節省空間，降低成本並提升效能。先進的功能更進一步，例如雙向功率流動和同步整流，可以節省能源，並提高系統效率。
PCB在DC-DC轉換器中的應用
配電和訊號控制
印刷電路板在直流-直流轉換器中至關重要。它有助於在狹小的空間內傳輸電力和控制訊號。工程師在設計PCB應用時，會使其能夠同時處理強電流和敏感訊號。這有助於電動車更有效地利用電力並正常運作。
PCB板上的電源將電池的電能傳送到燈、螢幕和馬達等部件。精心設計確保電源部件獲得穩定的電壓和電流，從而降低能量損耗和電壓降。 PCB板上的訊號線在微控制器和電源轉換器之間傳輸控制訊息，使系統能夠快速回應並精確控制電源。
一些直流-直流轉換器，例如採用 MPQ2967-AEC1 和 MPQ86960-AEC1 的轉換器，展示了將電源電路和控制電路整合在同一塊PCB 板上的優勢。這些設計即使在嚴苛的汽車環境下也能提供穩定的電源和良好的訊號。它們還有助於高級駕駛輔助系統 (ADAS) 更好地工作。
提示：工程師使用多層PCB設計來分隔電源層和訊號層。這可以降低幹擾，並有助於提高電磁相容性（EMC）。
組件集成
將變壓器和功率級直接整合到PCB板上是一項重大進步。這使得轉換器體積更小、更易於製造。 PCB板的應用有助於設計出適合狹小空間且重量適中的轉換器，從而滿足電動車的需求。
下表顯示了不同的零件組裝方式如何改變功率密度、效率以及製造難易度：
轉換級/設計方法 | 主要整合功能 | 功率密度（W/in³） | 效率（％） | 製造和性能優勢 |
|---|---|---|---|---|
具有基於 PCB 的整合變壓器的單相 CLLC（1PCLLC） | 具有可控漏電感的整合式矩陣變壓器；降低磁芯損耗；縮小佔地面積；250 kHz 開關頻率的 SiC 裝置 | 250 | 98.4 | 減少磁性元件；緊湊的設計；提高功率密度和效率 |
1PCLLC採用繞組消除技術 | 繞組取消可將共模雜訊降低 17 dB；EMI 緩解 | 420 | 98.5 | 提高 EMI 效能；改善寄生管理；增強轉換器可靠性 |
三相CLLC（3PCLLC）諧振轉換器 | 整合多個電感器和變壓器的三相變壓器；對稱諧振迴路；軟開關；可變直流母線電壓 | 330 | 98.7 | 簡化的磁性元件；可擴展的設計；改善的熱性能和電氣性能 |
用於多相CLLC的可擴展矩陣整合變壓器 | 整合多個完美耦合變壓器 (PCT)，內建漏電感；標準化或客製化磁芯，實現更好的磁通量分佈和更低的磁芯損耗 | 500 | 98.8 | 高功率密度；峰值效率；可擴展至更高功率的應用；精簡製造 |
變壓器封裝 DC-DC 轉換器採用特殊封裝，將變壓器和連接件整合到內部。這意味著更少的元件和更小的尺寸。這種設計具有高品質因數和耦合因數。它工作性能更佳，峰值功率密度可達 50 mW/mm²。
實際汽車案例表明，該方案效果顯著。 Intelli-Phase 方案採用 MPQ86940 和 MPQ2977-AEC1 控制器，為汽車中的高科技電腦提供智慧且強勁的電源。 MPQ4326-AEC1 直流-直流轉換器也將電源管理 IC 整合在小型PCB 板上，即使在嚴苛的工況下也能保持低溫穩定運作。
注意：將功率半導體和變壓器整合到PCB板上可以提高功率密度。此外，它還能簡化製造流程、降低成本並提高系統可靠性。
在印刷電路板上增加更多元件會改變直流-直流轉換器對電動車的輔助作用。借助新的PCB應用方法，工程師們能夠製造出小型化、高效能且可靠的電源系統。這些系統有助於新型汽車技術更好地發揮作用。
PCB材料和結構
厚銅和高電流走線
工程師在電動車 DC-DC 轉換器的 PCB 結構中，選擇厚銅層。這些厚銅線的重量在每平方英尺 4 盎司到 14 盎司之間。它們有助於電路板承載高電流，有時甚至高達 200 安培。厚銅就像散熱器一樣，能夠有效散熱。這可以防止熱點形成，並使電路板溫度降低 20-30°C。這有助於系統在惡劣的車輛條件下保持可靠性。
製造商採用選擇性電鍍技術，僅在需要的地方添加更多銅。這既節省成本，又支援大電流路徑。寬走線和多個過孔有助於承載更多電流並散熱。例如，一條10盎司（約65克）的銅走線在0.25吋（約XNUMX公分）的寬度上可以承載約XNUMX安培的電流。這完全符合現代電力電子基板的需求。
提示：較厚的銅層電阻較低。這意味著更小的電壓降，從而為元件提供更多功率。這能延長PCB和功率電子基板的使用壽命，並提升其效能。
銅厚度（盎司/平方英尺） | 電流容量（A） | 主要優勢 |
|---|---|---|
4 | 60 | 適合中等負載 |
6 | 150 | 出色的散熱 |
10 | 200 | 最高的可靠性和功率 |
多層板和IMS板
多層PCB設計和絕緣金屬基板（IMS）板在電動車DC-DC轉換器中至關重要。多層板由多層堆疊而成，這種設計可以將電源電路和控制電路分隔開來，從而提高電路板的性能並降低電磁幹擾。 IMS板的金屬基底能夠快速散熱，因此非常適合高功率應用。
這些電路板採用無鹵、高 CTI 和高 RTI 材料。松下的 R-3566D 就是一個例子。這些材料能夠承受高熱和高電壓。它們支援 SiC 和 GaN 裝置等新型電力電子基板。 IMS 電路板可以使零件溫度比普通電路板低 20-30°C。這使得零件的使用壽命延長一倍，並提高系統可靠性。
頂部冷卻可降低熱阻高達 35%。
IMS 板不需要大的散熱器，因此它們更小、更輕。
更好的散熱和絕緣可防止因熱和震動而導致的故障。
在電動車動力系統中，使用合適的PCB 材料和製造方法可以實現高效率、強散熱性和持久可靠性。
佈局和EMI管理
走線佈線和接地
工程師深知，對於汽車中的直流-直流轉換器而言，佈局至關重要。他們採用多層PCB設計，並配備特殊的接地層和電源層。這有助於防止電磁相容性問題，並保持訊號清晰。將訊號層與接地層相鄰放置，可縮小迴路尺寸，降低輻射。接地層和電源層距離較近，有助於去耦，並增強電磁相容性。
佈線和接地的一些好方法是：
保持走線短而直，以阻止天線效應和電磁相容問題。
使用縫合過孔來連接接地層，這可以降低阻抗並有助於返迴路徑。
將去耦電容器放置在 IC 電源引腳附近，以保持電壓穩定並降低雜訊。
不要在走線中使用直角彎曲；45 度或弧形彎曲更有利於電磁相容。
良好的接地，例如星形接地，有助於消除接地迴路和噪音。將快速訊號遠離慢速訊號或類比訊號可以防止幹擾。這些措施有助於直流-直流轉換器滿足汽車嚴格的電磁相容性 (EMC) 標準。
良好的 PCB 佈局和接地不僅可以降低電磁相容 (EMC)，還可以使轉換器更可靠、運作得更好。
最小化寄生效應
寄生電感和電容會導致電磁相容問題，並降低DC-DC轉換器的效率。工程師選擇表面貼裝的電容器和電阻器，以保持連接短並減少寄生效應。他們使用薄膜電容器和陶瓷電容器，以便在多種頻率下獲得低阻抗，有助於提高電磁相容性能。
為了進一步減少寄生效應：
工程師製作堅固、寬闊的接地層，而不是細的走線。
它們不使用長電線連接到底盤，這會使環路變得更大並導致電磁相容問題。
電容器組中的阻尼電阻器可阻止可能損害電磁相容性的共振。
精心放置元件並合理佈線有助於降低傳導和輻射發射。例如，在訊號線下方放置接地層可以減少磁通量並降低電磁相容 (EMC)。將高雜訊開關元件遠離敏感電路也能降低電磁耦合。
使用這些佈局理念的汽車直流-直流轉換器表現出更好的電磁相容性，並符合 CISPR 25 等標準。這些方法確保在艱難的汽車工作中電源穩定、安全。
電動汽車轉換器的熱管理
散熱和過孔
工程師們採用巧妙的方法來幫助電動車的直流-直流電轉換器散熱。印刷電路板 (PCB) 中厚厚的銅層可以將熱量從發熱部件帶走，並將熱量分散到整個電路板上。在發熱部件下方設有稱為導熱孔的小型金屬填充孔。這些導熱孔可以將熱量在 PCB 層之間傳遞，從而消除熱點，並保持電路板溫度均勻。
散熱層連接到接地層或電源層。這些散熱層可以降低熱阻，幫助熱量更快散發。直接敷銅 (DBC) 基板採用厚銅箔黏合陶瓷基板。這種設計可以快速散熱，即使在汽車高功率下也能保持 PCB 的堅固。 DBC 技術能夠處理高電流，並幫助系統在高負載下保持強勁。
工程師選擇銅是因為其導熱性能良好。這可以確保高功率電動車系統中敏感部件的安全。
散熱器集成
在PCB設計中加入散熱片會改變電源模組的散熱方式。工程師在電路板上安裝散熱片後，可降低電動車DC-DC轉換器中最高溫的部分。如果沒有散熱片，元件可能會過熱而損壞。有了散熱片，系統就能維持更低的溫度，進而更安全。
這樣就無需額外的墊片、油脂或夾具。它還能讓機器自行組裝電路板，從而節省成本並減少錯誤。使用更輕的PCB材料代替較重的材料可以減輕汽車重量。功率半導體上的散熱器有助於散熱並保持零件冷卻。這使得電動車的電力電子設備更安全、更可靠。
良好的PCB熱管理方案有助於延長電動車的使用壽命。它可以防止過熱，支援大電流，並在惡劣條件下確保系統安全。
集成化和小型化
嵌入式組件
工程師利用微型化技術來提高電動車的運作效率。他們將電源和控制電路整合在一塊印刷電路板上。這使得系統體積更小，能夠安裝在狹小的空間裡。這樣做有很多好處：
將兩個電路放在一個 PCB 上使得轉換器更小、更輕。
由於開關速度更快，因此可以使用更小的部件，從而使設計更輕、更小。
尺寸較小、不需要的電容較少的電感器有助於提高速度，同時也能縮小尺寸和重量。
具有良好 PWM 的快速微控制器有助於新的電源設計和更快的切換。
所有這些都使得系統組裝起來更加容易，重量更輕，並且更加堅固和酷炫。
小型化也有利於純電動車的發展，因為它使電源模組更加堅固耐用，更容易冷卻。這對於車輛的長期使用至關重要。
緊湊的系統設計
電動車中的小型PCB設計採用了諸如SMT和HDI等新型電路板製造流程。這些工藝使工程師能夠設計出緊湊的佈局，從而節省空間並減輕重量。使用這些工藝，PCB的尺寸最多可縮小30%。更短的訊號路徑有助於提高電路板的工作效率並降低雜訊。
機器能非常精準地將微小零件放置在電路板上。這不僅節省了成本，還能讓電路板容納更多零件。
較小的板材使用較少的材料，從而節省成本並使汽車更輕。
聚醯亞胺和 LCP 等特殊材料有助於電路板處理熱量並保持訊號清晰。
柔性和剛撓結合印刷電路板可以彎曲或折疊，因此適合安裝在汽車的狹小空間內。
微型化PCB讓工程師能夠在小電路板上增加更多功能。這為其他系統（例如ADAS和電池管理）提供了更多空間。散熱良好的小型電路板有助於電池更好地工作並節省能源。這些PCB還能透過提高資料傳輸速度和可靠性來助力自動駕駛等技術的發展。正因如此，電動車變得更輕、更聰明、更便宜，續航里程和可靠性也更高。
DC-DC轉換器的進階功能
雙向功率流
如今電動車中的直流-直流轉換器可以實現雙向電力傳輸。工程師們利用特殊的PCB佈局來實現這項功能。這些設計採用全橋結構的CLLC諧振轉換器。轉換器可以將能量從電池輸送到電網，也可以將能量從電網輸送回電池。這有助於實現車網互動（V2G）和車樓互動（V2B）等應用。
諧振轉換器採用軟開關，因此產生的熱量較少，能量損失也較少。
碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬頻隙半導體開關速度更快，功耗更低。
即時微控制器和閘極驅動器控制電力的流向。
印刷電路板具有感測和反饋電路，以實現更好的控制。
測試表明，這些雙向DC-DC轉換器在實際車輛中運作良好。它們可以根據不同的電池電壓進行切換，並且在充電時損失更少的能量。軟開關還能減少電磁幹擾，進而提高系統可靠性。這些功能有助於電動車更快充電，並在需要時將電力回饋給電網。
直流-直流轉換器中的雙向功率流為電動車提供了更多選擇，並有助於新能源的使用。
同步整流
同步整流是新型DC-DC轉換器的另一個重要特性。工程師使用低電阻MOSFET取代二極體。這降低了壓降並節省了功耗。此PCB支援新型MOSFET封裝，可承載更大的電流並更好地散熱。
同步整流使用控制 IC 在正確的時間切換 MOSFET。
PCB設計使轉換器能夠在高頻下運行，使其體積更小、效率更高。
更好的熱管理可使系統保持涼爽並正常運作。
測試表明，同步整流技術可以提高轉換器的效率，並降低散熱。例如，智慧控制可以消除反向傳導，從而避免能量浪費。高頻工作也意味著DC-DC轉換器可以更小，從而節省電動車的空間。
透過智慧型 PCB 設計實現的同步整流可協助 DC-DC 轉換器以更少的浪費提供更多電力。
PCB 設計有助於電動車 DC-DC 轉換器更有效率地運作並延長使用壽命。它使系統更可靠，並提升其性能。高功率密度使汽車更輕便，反應更快。快速響應意味著系統可以快速切換電源。雙向功率流使能量雙向流動，有助於節能。下表顯示了這些特性如何幫助改善電磁相容性 (EMC) 並提升系統效能：
PCB設計方面/電源模組特性 | 對電動車 DC-DC 轉換器效率、可靠性和性能的影響 |
|---|---|
高功率密度模組 | 更小、更輕的車輛；改良的續航里程和包裝 |
快速瞬態響應 | 更好的系統可靠性；快速的功率變化 |
48V分區架構 | 提高電氣效率；減少損耗 |
雙向功率流 | 增強能量回收；改善電磁相容 |
模組化、可擴充的設計 | 成本更低；維修更簡單 |
高效調節 | 更少的功率損耗；更好的熱管理 |
選擇合適的材料、良好的佈局和智慧的冷卻都至關重要。以智慧的方式組裝零件也有助於電力電子設備發揮最佳性能。下表顯示了每個部件的作用：
方面 | 對電動車電力電子優化的貢獻 |
|---|---|
材料選擇 | 寬頻隙半導體和熱界面材料改善散熱和電壓處理 |
佈局 | 雙面冷卻和智慧走線佈線提升電磁相容性和可靠性 |
熱管理 | 先進的冷卻和散熱器減少熱點和故障點 |
整合 | 將熱能和電能特性結合在一個模組中，可以提高效率並縮短供應鏈 |
工程師可以使用這些技巧來提高電磁相容和可靠性：
使高頻走線短而寬。
將雜訊訊號和敏感訊號分開。
將去耦電容放置在靠近電源部件的位置。
使用屏蔽和過濾器來阻止電磁相容問題。
加入散熱器和熱通孔來冷卻物體。
技術經理應該使用能夠協同工作的設計工具。他們應該儘早使用電腦模型和真實硬體進行測試。這有助於在電磁相容問題發展成嚴重問題之前發現它們。透過運用這些理念，團隊可以建構強大且高效的電動車直流-直流轉換器。這些轉換器將滿足嚴格的電磁相容規範，並幫助電動車在未來更好地運作。
常見問題
在電動車 DC-DC 轉換器中使用多層 PCB 的主要好處是什麼？
多層PCB板使工程師能夠將電源電路和控制電路分開。這不僅能降低噪聲，還能幫助系統更好地運作。此外，它還能讓轉換器安裝在電動車中更小的空間。
工程師如何管理高功率 DC-DC 轉換器中的熱？
工程師使用厚銅、散熱孔和散熱器。這些設備有助於將熱量從高溫部件中散發出去。良好的熱控制可以確保系統安全並延長使用壽命。
為什麼 EMC 在 EV DC-DC 轉換器設計中很重要？
電磁相容 (EMC) 確保轉換器不會產生額外的電氣雜訊。這有助於汽車電子設備正常運作。遵守電磁相容 (EMC) 規則對於安全和良好性能至關重要。
PCB設計會影響電動車的重量嗎？
是的。小型PCB佈局和內建元件使電源模組更小更輕。更輕的系統有助於電動車行駛更遠，並降低能耗。
寬頻隙半導體在基於 PCB 的轉換器中扮演什麼角色？
碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙半導體開關速度更快，可處理更高的電壓。它們讓工程師能夠製造出更小、性能更佳、且發熱更低的轉換器。
