PCB厂讲随着新能源汽车电控模块功率密度的提升，合理地处理电控模块热的产生、传递和耗散，成为电控模块成败的关键。印制电路板 （PCB） 作为电控模块各个元器件和电流的载体，是解决电控模块热分析问题的关键点。电控模块是一个复杂的系统，无法用常规的理论计算解决系统的散热问题。从理论计算、仿真、实测及参数迭代等多个角度对电控模块的热问题进行了分析研究，给出了解决新能源汽车电控模块热分析问题的设计方案。
2022年全球新能源汽车销量达1010万辆，同比增长59%。其中，中国新能源汽车市场持续突破，产销分别为705.5万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9%和93.4%，新能源汽车市场渗透率达到了25.6%。同时，新能源汽车电驱技术的发展也朝集成化、小型化和高压化稳步迈进。
新能源汽车日常行驶中，驱动模块将电池包的电能转化为电机转动的动能。在转化过程中，损失的能量以热能的形式表现。优越的电控模块热设计是新能源汽车安全、高效、稳定运行的保障。随着电驱系统小型化和集成化的发展［1］，电控模块的功率密度急剧增加，无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，电控模块的热设计越来越受重视。而印制电路板（printedcircuitboard，PCB）在整个系统中是诸多器件以及电流的载体，合理的PCB热设计成为了电控热设计的关键环节。新能源汽车电控模块PCB热分析主要对以下3个方面进行研究：热的产生、传递与耗散。在PCB领域，热的传递和耗散通常同时进行，本文从这几个方面进行展开，对电控模块PCB热设计进行详细分析。
01电控模块PCB热的产生
新能源汽车电控模块中PCB的热量主要有3个来源:①功率器件等发热器件的功耗;②PCB线路因载流而产生的热量;③其他部分(环境)辐射而来的热量?在这3个热源中,功率器件的热功耗最大,是PCB热功率的主要来源,但该类型的功率器件通常在产品设计之初就已确定,在PCB设计和加工阶段对该热源的控制点并不多?外部辐射而来的热量主要取决于电控系统的整体设计?本文主要研究PCB相关的热?
热功率P计算公式为
式中:I为流过PCB线路中电流的大小,A,其值由电控系统功能所确定;R为PCB线路的电阻,Ω?
通过式(1)可以得出,如需降低PCB线路的热功率,可从以下2个角度出发:①降低流经特定载流线路的电流;②降低载流线路的热阻?
电控模块中的电流大小,在产品设计初期根据系统功率就已经确定,PCB设计和加工阶段可控的更多为降低通过特定线路的电流大小?增加PCB层数是可以采用的方案?
当某一层PCB载流的线路确定时,假定该线路的电阻为R1,流经该线路的电流为I1,该线路产生的热功率P1=I12R1?
若增加PCB层数进而增加一条同样的载流线路,此时I2=12I1,每条载流电路的电阻R2=R1,该条件下线路产生的热功率P2=12P1?换言之,增加一条同样的载流电路,载流线路总的热功率为单条线路热功率的一半?增加载流线路数量的方法就是通过降低流经特定载流电路的电流,来降低载流线路的发热?
另一种降低PCB线路热功率的方法为:降低载流线路的热阻[2]?
热阻计算公式为
式中：λ 为导热系数，W/（m·K），铜的导热系数为 401 W/（m·K），见表 1；L 为导体的长度，m；S为导体的传热面积，m2 。
根据式（2）可以发现，增加导体的传热面积（载流截面积）可有效降低线路的热阻。通常增加PCB载流线路截面积的方法有：增加铜厚、加宽线路、PCB嵌入铜条等。增加铜厚，尤其是外层铜厚。外层铜箔可与空气进行热对流并对空气进行热辐射，因此，散热能力要大于内层铜箔。此外，外层铜箔还可与外部的散热器相贴合，将PCB线路产生的热量迅速传递至散热器，降低PCB表层的温度。PCB走线载流理论计算的结果见表2。
当额定电流为100A时，若铜厚为0.210mm，外层线路宽需要14.740mm；而当铜厚为0.420mm时，外层线宽可以降为7.372mm。考虑汽车电驱模块的载流通常需预留100%的余量，在实际应用中，该条件下，外层建议线宽14.740mm。
在大部分情况下，加宽载流线路比增加叠层和增加铜厚更容易实现，且成本更低。但电控系统小型化和集成化趋势明显，加宽线路的宽度会增大整个系统的体积，因此，大部分厂商宁愿增加成本采用增加铜厚方案也不愿加宽载流线路的宽度。
PCB埋入铜块用于载流，常规PCB铜厚通常为0.035mm，而铜条的厚度可达1.60~2.00mm，极大地提升了载流线路的截面积，进而降低热阻和PCB的热功率。
02电控模块PCB热的传递和耗散
新能源汽车电驱模块需优先考虑功率器件的热，此外，三极管、电源转换芯片等发热量较大的器件同样需重点处理。此类器件的散热，通常为在有限的板面空间内将发热器件区域的铜箔尽可能扩大，增加表面铜箔散热面积，将功率器件底部的热量传递至更大的铜箔散热面，降低发热器件区域PCB表面的温度。
利用夹心层散热［3］，因接地、信号完成回路等需要，经常需要在PCB内部铺设一整层的铜箔，充分利用夹心层进行散热。将PCB表贴功率器件的热量通过导热孔传递至夹心层，夹心层可以将热量迅速地沿水平方向进行传递并通过整个PCB进行热量的耗散。
功率器件下方埋铜块［4］，常规FR?4材料的导热率仅为 0.3~0.4 W/（m·K），而铜的导热率高达 401 W/（m·K），在功率器件下方埋入铜块可以极大地增大PCB板的散热效率。
据新能源汽车电池包线路板厂所了解到，在实际应用过程中，PCB 中埋入的铜块同时具有载流和散热双重功能。功率器件的底部会与铜块进行焊接，因而铜块会带有一定的电压，在安装过程中，需在铜块与外部散热器之间放置一 层绝缘导热材料 （见表 3），该导热材料的导热系数直接关系整个系统的散热效率。
由表3可知，整个系统传热路径的热阻为2.786 K/W， 其中绝缘导热材料的热阻达2.646 K/W。对整个系统而言，提高绝缘导热材料的导热系数对电控模块散热能力的提升收益最高。
仿真结果如图 3 所示，将绝缘导热材料的导热系数从 1.4 W/（m·K） 提升到2.0 W/（m·K） 后，PCB 表面的温度有明显的降低，最高温度下降了近5.5 K。
在新能源汽车电控模块的PCB中，常用埋铜块作为功率器件的散热方式，对常用尺寸的金属基、PCB以及绝缘导热材料［热界面材料（thermalinterfacematerial，TIM）］的理论散热能力［5］进行对比分析，结果见表4~表6。
由表4和表5可知，理论上铜块的导热能力为常规PCB板材的1000倍左右；理论上2mm厚50mm×50mm的PCB仅具备12.5W的散热能力，而同规格的金属基具备12500W的散热能力。在实际使用过程中，金属基与外部散热器间还有一层绝缘导热材料，同尺寸的绝缘导热材料的散热能力在625W左右，绝缘导热材料限制了系统的散热能力。
03电控模块PCB热分析步骤
目前新能源汽车主流的电控模块的功率器件主要有2种封装方式：一种为分立式封装，如TO247；另一种为模块式封装，如英飞凌的HPD（HybridPACKTMdrive）封装。这2种封装的功率器件通常会使用独立的风冷或水冷散热器，相关热量并不会传递到PCB表面。由此可见，系统中对PCB影响最大的发热器件为电源转换器件，该类型的器件通常贴装于PCB表面，其热功率已确定。该种情况下，需通过增加发热器件底部铜箔或夹心层导热的方式将PCB表面的温升控制在系统规定的范围内。
HPD封装的功率器件通常采用铜排承载大电流。如系统功率器件需PCB本身线路承载大电流，则将优先选择表底层的线路承载大电流，表底层的铜箔需以0.105mm为上限。据以往经验，如系统电流超过100A，PCB线路承载大电流的性价比会急剧下降，此时选用PCB内部埋入铜块的方案为最佳。PCB内部埋入的铜块，在承载大电流的同时也起到为PCB散热的作用。
04结语
新能源汽车电控模块PCB热分析，需从PCB热量的产生、传递和耗散多个维度进行分析；从降低流经特定载流线路的电流，以及降低载流线路的热阻2个方面去缓解PCB的发热情况。采用增加PCB载流层的层数、增加铜厚、加宽线路宽度以及埋入铜块等方案增强PCB热传导的能力，还可通过扩大散热区域铜箔、利用夹心层以及选择合适的导热材料等方法增强PCB的散热能力。新能源汽车电驱模块的PCB热设计，与整体模块的热设计息息相关，PCB设计人员具备一定的系统热设计经验将更有利于电驱模块整体热设计能力的提升。
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