电动汽车辅助DC/DC变换器输出侧PCB的热设计

文 鹏，胡长生，贾晓宇，杜帅林，徐德鸿

（浙江大学电气工程学院电力电子研究所，杭州310027）

电动汽车的辅助DC/DC变换器需要输出低压大电流并具备高功率密度，但它的工作环境一般比较密闭，散热条件较差[1]。为了保证辅助DC/DC变换器的安全可靠工作，变换器的热设计十分关键。为了提高DC/DC变换器输出低压大电流的能力，前人提出了多层板、多PCB并联、铝基或陶瓷基 PCB、铜管散热等加强散热的方案[2～6]，如果这些方案仍不能满足温升要求，一般会采用强制风冷。而在电动汽车上，辅助DC/DC变换器一般采用水冷方案[7]。因此，针对电动汽车上的工作环境，开展热设计的相关研究是十分必要的。

本文以一个1.5 kW辅助DC/DC变换器样机为平台，通过实验分析了变换器输出侧PCB的温升特性，在此基础上探讨了降低温升的方法，最后进行了初步的实验验证。

1 变换器输出侧PCB的温升特性

1.1 变换器输出侧电路结构

变换器输出侧电路结构及主要电流波形如图1所示，变换器输出电压为13 V，额定功率为1.5 kW[8-9]。变换器输出侧元器件的尺寸参数如表1所示。

图1 变换器输出侧电路结构及主要电流波形Fig.1 Output side circuit structure and main current curves of DC/DC converter

表1 变换器输出侧元器件的尺寸参数Tab.1 Dimension parameters of output side components in converter

1.2 PCB的温升特性

电动汽车辅助DC/DC变换器中，PCB通常采用的安装结构如图2所示，MOSFET安装在PCB的底层，由水冷散热器冷却，换热方式为热传导；PCB由螺丝固定在散热器上，主要由空气冷却，换热方式为自然对流，图2（b）中的箭头表示热流。图2中水冷散热器为示意结构，实际的水冷散热器面积比较大，辅助DC/DC变换器只利用水冷散热器的一部分。

图2 PCB的安装结构和散热方式Fig.2 Assembly structure and heat-dissipation method of PCB

变换器的PCB设计为双面板，敷铜厚度是2 oz（1 oz=35 μm）。PCB的走线模型及走线电阻如图3所示。PCB的走线损耗包括直流损耗和交流损耗，其损耗模型如图3所示，其中ic为纹波电流，值为99.4 A。各部分走线电阻的计算路径如图4。PCB走线、电解电容和MOSFET等的损耗计算结果如表2所示，其中PCB走线的交流损耗为3.40 W，直流损耗为14.10 W，总走线损耗为17.50 W；电解电容的损耗为0.47 W；MOSFET损耗为26.90 W。

图3 PCB的损耗模型Fif.3 PCB loss model

MOSFET由水冷散热器冷却，而且MOSFET与PCB敷铜的接触面积很小（主要是引脚接触），所以MOSFET产生的热量对PCB温升的影响很小。对流换热服从牛顿冷却定律，即

式中：ΔT 为 PCB 与空气的温差，K；P 为换热量[10]，W；h为与对流换热的形状、温差和空气的流速等有关的参数，空气自然对流换热情况下h的取值范围为 5～25；S为换热面积，m2；h为对流换热系数，W/（m2·K）。 PCB 与空气对流换热服从式（1），其对流换热的面积 S≈2×65×79=10 270 mm2， 换热量P≈Pc=17.5 W，由此可计算PCB的理论温升范围为68～340 K。

图4 PCB的走线电阻Fig.4 Routing resistance of PCB

表2 PCB走线电阻及元器件损耗Tab.2 PCB routing resistance and components power loss

图5 PCB的温升测试曲线Fig.5 Thermal characteristic of PCB

变换器额定工作条件下环境温度为19℃时，PCB的满载温升测试结果如图5所示。由图可见，PCB表面最高温度达到134℃，表面最高温升为115℃；输出电容表面的最高温度为145℃，表面最高温升为126℃。

玻璃化转变温度Tg是表征PCB基板材料保持刚性的最高温度，常见FR-4板材的Tg值为135～140℃。PCB的表面温度达到了134℃，那么其内部温度还会更高。另外，输出电容Co所采用的电解电容耐温是105℃，超过105℃运行会降低电容的使用寿命。所以，PCB和输出电容Co的温升均不满足安全要求。

综上所述，由于流过的电流太大，PCB上的走线产生了相当大的损耗，造成了PCB的过温。PCB温度过高，不仅会影响PCB板材的稳定性，还会引起PCB上元器件的过热，进而影响元器件的安全工作。

2 热设计的改进方案

2.1 增加PCB敷铜厚度

增加PCB的敷铜厚度，可以降低PCB的走线损耗，进而降低温升。为了确定PCB敷铜的厚度，本文将铜箔剪成与PCB敷铜形状一样的导电图形，焊接在PCB上，用以模拟PCB敷铜加厚的效果。将PCB的敷铜厚度增加到10 oz，在环境温度20℃情况下进行PCB满载温升测试实验，其测试曲线如图6所示。由图可见，PCB表面最高温度达到87℃，输出电容表面的最高温度为79℃。与图5对比可知，当PCB的敷铜厚度增加到10 oz时其温升比2 oz PCB降低了1/2。

PCB的敷铜厚度从2 oz增加到10 oz，虽然温升降低了接近1/2，但10 oz双面PCB的价格是2 oz双面PCB的10倍。此外，空气对流换热的热阻容易受空气本身温度的影响。当空气的温度发生大范围的变化时，PCB的散热效果也会变化。

图6 10 oz双面PCB的温升测试曲线Fig.6 Thermal characteristic curves of the two layer PCB with 10 oz copper polygon

图6 重新设计的PCBFig.6 Redesigned PCB

2.2 利用水冷散热器冷却PCB

为了利用水冷散热器冷却PCB，重新设计了PCB及其安装结构。重新设计的PCB如图7所示，该PCB的敷铜厚度仍然为2 oz，布局与之前相比有以下变化：①MOSFET封装由TO-220换成了TO-263；②在PCB的走线上设置了焊盘 Pa′和Pb′。其中， 底层的焊盘 P1′～P4′、Pa′、Pb′通过导热过孔分别与表层焊盘 P1～P4、Pa′、Pb′相连。

PCB的安装结构和散热方式如图8所示。MOSFET焊接在PCB表层焊盘P1～P4上，PCB底层焊盘 P1′～P4′、Pa′、Pb′上焊接对应大小的铜块， 用于提供PCB与散热器之间的热传导路径。

图8 PCB的安装结构和散热方式Fig.8 Assembly structure and heat-dissipation method of PCB

以图8（b）所示的一条热传导路径为例，PCB表层走线产生的热量经由焊盘Pb、导热过孔、Pb′、铜块和绝缘垫片向水冷散热器传递。此外，为了提高铜块、PCB、水冷散热器三者之间的接触率，还采用了导热硅脂和导热硅胶。本文中使用的铜块的材质为黄铜，厚度为4.5 mm。导热服从傅里叶定律[10]，即

式中：λ 为导热系数，W/（m·K）；Δx 为导热方向上的位移，m。黄铜的导热系数为108.9，导热硅胶的导热系数为0.8，矽胶片的导热系数为1.0。经过计算，若传递17.5 W的热量，黄铜和矽胶片本身所引起的总温升不超过20℃。在实际的安装过程中，即使有硅胶和硅脂的辅助作用，铜块和散热器之间的接触率也很难超过40%，因而造成铜块和散热器之间有额外的温差，这部分的温差难以进行估算，但不容忽视。

利用散热器进行冷却PCB方案的实验，散热器稳定温度为25℃时的满载温升测试曲线如图9所示。由图可见以水冷散热器的温度为基准，PCB板表面最高温度为77℃，输出电容的最高温升为71℃，PCB和电容的温升都在安全范围内。

图9 利用水冷散热器冷却PCB的温升测试曲线Fig.9 Thermal characteristic curves when PCB cooling with water-cooled heat sink

3 结语

为了解决变换器输出侧PCB的温升问题，本文采取了2种措施：第1种措施是将PCB的敷铜厚度增加到10 oz；第2种措施是利用水冷散热器冷却PCB，并在1.5 kW辅助DC/DC变换器样机平台上进行了初步的实验验证。在利用水冷散热器冷却PCB的方案中，PCB表面最高温升为52℃，输出电容最高温升为46℃，PCB和电容的温升都在安全范围内。

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