用于赛车应用的低压大电流逆变器三层叠层 PCB 设计

《IEICE Communications Express》：Three-layer stacked PCB design of a low-voltage high-current inverter for motorsport applications

　　

摘要：

赛车应用需要高效、紧凑且可靠的电力转换系统，能够承受极端的动态条件。本研究重点在于为赛车电动摩托车定制逆变器的设计与评估，旨在特定任务约束下优化性能、热行为和组件可靠性。硬件设计过程包括选择合适的功率器件，优化印刷电路板 (PCB) 布局以最小化寄生参数，并集成紧凑型冷却解决方案。开发了一个详细的热模型，以预测典型赛车条件下的温度分布。此外，基于真实任务剖面进行了可靠性评估，并使用从模拟中提取的应力数据对金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 进行了寿命估算。结果表明，通过将逆变器设计与实际使用剖面相结合，可以显著减小整体系统尺寸和成本，同时保持所需的性能并确保组件寿命符合赛车需求。

1 应用需求

设计的逆变器旨在用于参加 MotoStudent 竞赛的赛车电动摩托车。MotoStudent 是一个高级教育项目，为交通出行部门相关领域的本科生和研究生做准备。它通过将真实的赛车项目作为挑战，专注于培养未来的创新领导者。提交的项目和原型将经过一系列不同的测试进行评审和评估，分为两个不同的阶段，称为 MS1 和 MS2。MS1 阶段主要评估团队的工程和管理技能，侧重于创造性地解决问题，而不是依赖现有资源。该阶段为学生提供了一个在专业环境中应用学术知识的机会。它展示了真实世界项目开发中涉及挑战和流程，从初始概念到完成。作为一项工程竞赛，MotoStudent 高度重视设计选择，MS1 阶段占总分数的一半。技术方案通过全面的技术文档进行评估，该文档描述了原型每个组件的设计。MotoStudent 竞赛为所有团队提供一套 MotoStudent 套件，包括轮胎、制动器、绝缘监测设备 (IMD) 和电动机（即 CIRCE MS2425）。原型的所有其他组件可以由团队成员设计和制造，或者从满足某些技术要求的第三方供应商处购买，例如电池组的最大电压为 126 V，以及标称和最大均方根 (RMS) 相电流，具体取决于电动机。值得注意的是，定制设计的组件使团队能够在 MS1 阶段获得更高的分数。MS2 阶段由一系列测试组成，旨在评估制造原型的动态行为和性能。MS2 阶段分为几个子部分：加速、障碍赛 (gymkhana)、制动以及标准的比赛周末，包括自由练习赛、排位赛以及比赛本身，比赛本身由阿拉贡赛车场 (Motorland of Aragon) 赛道的 6 圈组成，如图 1 所示。因此，必须开发不同的功率图并针对每个阶段进行定制，以便精确控制功率输出和再生制动。特别是在加速阶段，原型必须在尽可能短的时间内跑完 150 米；这需要最大的扭矩和功率，使电动机和逆变器都处于过载状态。逆变器的额定值已定义并汇总于表 1，基于表 2 中的电机运行限制。