自動車電子システムにおけるプリント基板の要件 (1) 電力・エネルギーシステム

メタディスクリプション: バッテリーパック、BMS、車載充電器、DC-DCコンバーター、トラクションインバーターなど、EVの電力・エネルギーシステムにおける主要なPCB設計と製造要件を発見してください。高電圧PCB設計、熱管理、厚銅基板、絶縁規格について学びましょう。

Iはじめに

電力・エネルギーシステムは、電気自動車（EV）の中核を担い、車両の動作を駆動する電気エネルギーの貯蔵、変換、分配を可能にします。バッテリーパック、バッテリー管理システム（BMS）、車載充電器（OBC）、DC-DCコンバーター、トラクションインバーター、高電圧ジャンクションボックスなどの重要なコンポーネントは、効率的かつ安全なエネルギーフローを確保するために連携して機能します。これらのシステムは、400Vから800V（先進モデルでは最大1200V）の高電圧と、数百アンペアに達する大電流を扱う過酷な条件下で動作します。その結果、これらのシステムのプリント基板（PCB）の設計と製造は、車両の信頼性、安全性、および全体的な性能を確保するために不可欠です。この記事では、EVの電力・エネルギーシステムにおける特定のPCB要件、技術的な課題、および新たなトレンドについて掘り下げていきます。

EV電力・エネルギーシステムの概要

EVの電力・エネルギーシステムは、いくつかの相互接続されたモジュールで構成されており、それぞれが異なる機能を持ちながら、信頼性、安全性、および熱効率に対する共通の要求を共有しています。

• バッテリーパックとBMS: バッテリーパックは電気エネルギーを蓄え、BMSはセルの電圧、温度、充電状態を監視し、セルをバランスさせて性能と寿命を最大化します。

• 車載充電器（OBC）: グリッドからの交流（AC）を直流（DC）に変換してバッテリーパックを充電し、その効率が充電速度に直接影響します。

• DC-DCコンバーター: バッテリーからの高電圧電力（通常400V）を、ライト、インフォテインメント、センサーなどの補助システムに電力を供給するための低電圧（12Vまたは48V）に降圧します。

• トラクションインバーターとモーターコントローラー: バッテリーからのDCを交流（AC）に変換して電気モーターを駆動し、車両の加速と効率に不可欠なプロセスです。

• 高電圧ジャンクションボックス: 車両全体に高電圧電力を安全に分配し、過負荷や短絡を防ぐ保護メカニズムを組み込んでいます。

• 回生ブレーキ制御: ブレーキング中に運動エネルギーを捕捉し、それを電気エネルギーに変換してバッテリーに蓄え、エネルギー効率を高めます。

電力・エネルギーシステムのPCB設計要件

高電圧、大電流動作の要求を満たすために、EV電力システムのPCBは厳格な設計基準に準拠する必要があります。

1. 高電圧および大電流の取り扱い

過熱や電圧降下なしに大電流を管理する能力は基本です。これには以下が必要です。

• 厚銅層: PCBの銅厚は2ozから6oz（1ozは35μmに相当）で、トラクションインバーターなどのコンポーネントには、電流容量を向上させるために金属コア基板がよく使用されます。

• 幅広のトレースと統合されたバスバー: トレース幅の拡大と埋め込み銅バスバーは、抵抗を最小限に抑え、電力損失を削減します。これは、大電流経路にとって重要です。

2. 絶縁と安全規格

高電圧動作には、アーク放電や電気的危険を防止するための堅牢な絶縁が必要です。

• 沿面距離と空間距離: 高電圧ラインの場合、これらの距離は通常≥4mm～8mmで、絶縁破壊を回避します。

• グローバル規格への準拠: PCBは、IEC 60664（沿面距離/空間距離）、UL 796（高電圧認証）、IPC-2221（一般的な間隔ルール）に準拠する必要があります。詳細は表2を参照してください。

3. 熱管理

過度の熱は性能を低下させ、コンポーネントの寿命を縮める可能性があります。熱管理戦略には以下が含まれます。

• サーマルビア、埋め込み銅、金属基板: これらの機能は、高電力コンポーネントからの放熱を強化します。

• 高Tgおよび低CTEラミネート: ガラス転移温度（Tg）が≥170°Cで、熱膨張係数（CTE）が低いラミネートは、温度変動下での反りを抑制します。

4. 多層およびハイブリッド材料

複雑な電力システムには、高度なPCB構造が必要です。

• 6～12層スタックアップ: 電力、グランド、および信号層を分離し、干渉を減らすために、電力モジュールで一般的です。

• ハイブリッド材料: FR-4と高周波またはセラミック基板（例：SiC/GaNインバーターデバイス用）の組み合わせは、特定のコンポーネントの性能を最適化します。

表1：電圧と電流レベル vs. PCB銅厚

製造上の課題

EV電力システムのPCBを製造するには、いくつかの技術的なハードルがあります。

• 厚銅処理: 銅層≥4ozのエッチングはアンダーカットを起こしやすく、トレース精度を維持するには精密な制御が必要です。

• 高電圧絶縁: コンパクトなモジュール設計と必要な沿面距離/空間距離のバランスを取ることは困難です。小型化は、多くの場合、絶縁の必要性と矛盾します。

• ハイブリッド材料のラミネート: FR-4とセラミックまたはPTFEなどの材料を組み合わせるには、剥離を避けるためにラミネート圧力と温度を厳密に制御する必要があります。

• 信頼性試験: PCBは、過酷な自動車環境での耐久性を確保するために、厳格な温度サイクル、湿度エージング、振動、および高電圧絶縁試験を受ける必要があります。

表2：PCBの安全性と絶縁規格

EV電力PCB設計の将来のトレンド

EV技術が進歩するにつれて、PCB設計は新たな要求に応えるために進化しています。

• ワイドバンドギャップ半導体: 高効率と高周波で知られる炭化ケイ素（SiC）および窒化ガリウム（GaN）デバイスは、性能を最大化するために、低インダクタンス、低損失のPCB構造を必要とします。

• 組み込みパワーエレクトロニクス: 埋め込み銅バスバーを備えたPCBは、抵抗を減らし、モジュールサイズを小さくし、エネルギー効率を向上させます。

• 高度な熱ソリューション: 次世代半導体からのより高い熱負荷に対応するために、インバーターには液冷PCB基板が採用されています。

• 統合と小型化: 単一のPCBモジュールへの機能の統合が進むことで、システムの複雑さと重量が軽減され、車両の効率が向上します。

表3：EV電力システム用PCB材料比較

結論

EVの電力・エネルギーシステムは、厚銅層や高電圧絶縁から、高度な熱管理やハイブリッド材料の統合まで、PCB設計と製造に厳しい要求を課しています。安全で効率的なエネルギー供給のバックボーンとして、これらのPCBは、最新のEVの性能に不可欠です。電気モビリティの採用が加速するにつれて、高性能で、安全性認証済みで、熱的に堅牢なPCBの必要性は高まる一方です。これらの技術を習得したメーカーは、電気モビリティ革命を推進する上で重要な役割を果たすでしょう。