豐田緊湊型HV動力控制單元介紹(下)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

5.電容器

電容器模塊由平滑電容器和濾波電容器組成，如圖15所示。這些電容器的每個功能是平滑電機的輸出電壓和電池的輸入電壓。此外，為了減小功率半導體的尺寸，需要串聯低等效電感(ESL-Equivalent series inductance)。在第四代電容器模塊中，通過減少組成部件和功能集成來實現小型化和低ESL。首先，3相母線與平滑電容器集成在一起，如圖16和圖17所示。接下來，平滑電容器和濾波電容器分成單獨的模塊，如圖18所示。濾波電容器模塊也與信號線連接器集成在一起，使線束顯著減少。由于半導體開關控制的改進，實現了電容的減小。此外，采用新開發的更薄的聚丙烯薄膜，為電容器進一步縮小尺寸。總的來說，電容器模塊的改進不僅減少了質量和體積，還減少了34%的電容和ESL減少了58%，如圖19所示。

圖15 電容器模塊電路組成

圖16 第四代PCU電容器的功能集成

圖17 電容器結構比較

圖18 平滑電容器和濾波電容器獨立結構圖

圖19 新舊型電容器性能比較

圖20 電流傳感器的檢測點

圖21 電流傳感器的集成結構

6.電流傳感器

在第四代PCU中，增加了電流傳感器的功能，以加速升壓轉換器的控制。PCU可以檢測升壓轉換器的輸入電流和電動機/發電機逆變器的輸出電流，如圖20所示。

這使PCU能夠減少系統高壓的變化。隨著高壓變化率的減小，逆變器電容器的電容也隨之減小。第4代電流傳感器能夠逐個單元檢測電動機，發電機，升壓轉換器的電流。這種改進導致體積和質量的減少。這些改進是通過以下方式實現。

(1)電流傳感器和輸出端子的合成在一起，減少了部件安裝空間，如圖21所示；

(2)對于霍爾效應傳感器，集成了霍爾元件和IC檢測電路，因此，可以減少電子設備和電路板的尺寸。

7.DC/DC轉換器

在混合動力系統中，用直流轉換器(DC/DC轉換器)代替汽油發動機車輛的交流發電機作為輔助電源裝置。下面描述新DC/DC轉換器的改進。為了使PCU直接安裝在T/A上，PCU的每個部件都必須減小尺寸和質量。如果我們采用傳統的母線的電路連接方法，尺寸和重量將變得太大。因此，拆除了母線連接，采用新開發了厚銅箔電路板。將DC/DC轉換器電子器件直接安裝到電路板上，以達到尺寸和質量要求。如圖22所示。采用沖壓工藝代替蝕刻工藝，在厚銅箔上實現精確的電路圖形。

四、降低元件電子損耗的新技術

在本段中，我們介紹能夠降低PCU中電損耗的新技術。圖23所示為PCU的電子損耗的比較。

第四代PCU電子損耗減少了22%。有助于減少電子損耗的主要項目如下。IGBT，FWD和低電感結構。

圖22 厚銅箔電路板外觀圖

圖23 新舊型PCU電子損耗的比較

圖24 SBL低損耗IGBT結構

在第四代PCU設計中，開發了新的IGBT技術來驅動電動機和發電機。第四代PCU的IGBT基于第三代IGBT，但新開發的低損耗結構，稱為超體層(SBL-Super Body Layer)。采用溝槽柵極和薄板技術研制了SBL。如圖24所示，與第三代PCU的IGBT相比，通過改善電導率調制效應來減小導通電阻(穩態損耗)，因為，在P型半導體中引入N型勢壘層(SBL)，從P集電極層注入的載流子很難穿過發射極側，因而聚集在P基區層下，結果，發射極側空穴密度增加。將穩態損耗降低的性能提升了16%，而沒有開關損耗的惡化，如圖25所示。

圖25 IGBT損耗改善數據

五、結論

? 第四代HV是第一款采用TNGA的車型，擁有新開發的PCU。PCU減少了它的尺寸和重量。

? 將PCU安裝在T/A上，減少電纜和支架尺寸。

? 采用模塊化2合1P/C結構，具有雙面冷卻和堆疊能力。

? 引入輕量化技術并縮小控制電路板，電抗器，電容器模塊，電流傳感器和DC/DC轉換器的尺寸。

? 改進的傳感器和微型計算機更快的處理，能夠改善高壓的可控性(允許電容器縮小尺寸)。

? 功能集成組件以減少線束。

? PCU通過引入新的低損耗IGBT，實現了電能損耗的改善。綜上所述，與前幾代PCU相比，第四代PCU的尺寸，重量和電子能量損耗都有所減少。改善PCU的努力有助于豐田第四代HV高燃油效率，同時改善令人愉悅的駕駛體驗。

譯者注，本文根據SAE論文Developmentof Power Control Unitfor Compact-Class Vehicle,”SAEInt.J.Alt.Power.5(2):2016,doi:10.4271/2016-01-1227.翻譯。