丰田紧凑型HV动力控制单元介绍(下)

◆文/江苏 高惠民

(接上期)

5.电容器

电容器模块由平滑电容器和滤波电容器组成，如图15所示。这些电容器的每个功能是平滑电机的输出电压和电池的输入电压。此外，为了减小功率半导体的尺寸，需要串联低等效电感(ESL-Equivalent series inductance)。在第四代电容器模块中，通过减少组成部件和功能集成来实现小型化和低ESL。首先，3相母线与平滑电容器集成在一起，如图16和图17所示。接下来，平滑电容器和滤波电容器分成单独的模块，如图18所示。滤波电容器模块也与信号线连接器集成在一起，使线束显着减少。由于半导体开关控制的改进，实现了电容的减小。此外，采用新开发的更薄的聚丙烯薄膜，为电容器进一步缩小尺寸。总的来说，电容器模块的改进不仅减少了质量和体积，还减少了34%的电容和ESL减少了58%，如图19所示。

图15 电容器模块电路组成

图16 第四代PCU电容器的功能集成

图17 电容器结构比较

图18 平滑电容器和滤波电容器独立结构图

图19 新旧型电容器性能比较

图20 电流传感器的检测点

图21 电流传感器的集成结构

6.电流传感器

在第四代PCU中，增加了电流传感器的功能，以加速升压转换器的控制。PCU可以检测升压转换器的输入电流和电动机/发电机逆变器的输出电流，如图20所示。

这使PCU能够减少系统高压的变化。随着高压变化率的减小，逆变器电容器的电容也随之减小。第4代电流传感器能够逐个单元检测电动机，发电机，升压转换器的电流。这种改进导致体积和质量的减少。这些改进是通过以下方式实现。

(1)电流传感器和输出端子的合成在一起，减少了部件安装空间，如图21所示；

(2)对于霍尔效应传感器，集成了霍尔元件和IC检测电路，因此，可以减少电子设备和电路板的尺寸。

7.DC/DC转换器

在混合动力系统中，用直流转换器(DC/DC转换器)代替汽油发动机车辆的交流发电机作为辅助电源装置。下面描述新DC/DC转换器的改进。为了使PCU直接安装在T/A上，PCU的每个部件都必须减小尺寸和质量。如果我们采用传统的母线的电路连接方法，尺寸和重量将变得太大。因此，拆除了母线连接，采用新开发了厚铜箔电路板。将DC/DC转换器电子器件直接安装到电路板上，以达到尺寸和质量要求。如图22所示。采用冲压工艺代替蚀刻工艺，在厚铜箔上实现精确的电路图形。

四、降低元件电子损耗的新技术

在本段中，我们介绍能够降低PCU中电损耗的新技术。图23所示为PCU的电子损耗的比较。

第四代PCU电子损耗减少了22%。有助于减少电子损耗的主要项目如下。IGBT，FWD和低电感结构。

图22 厚铜箔电路板外观图

图23 新旧型PCU电子损耗的比较

图24 SBL低损耗IGBT结构

在第四代PCU设计中，开发了新的IGBT技术来驱动电动机和发电机。第四代PCU的IGBT基于第三代IGBT，但新开发的低损耗结构，称为超体层(SBL-Super Body Layer)。采用沟槽栅极和薄板技术研制了SBL。如图24所示，与第三代PCU的IGBT相比，通过改善电导率调制效应来减小导通电阻(稳态损耗)，因为，在P型半导体中引入N型势垒层(SBL)，从P集电极层注入的载流子很难穿过发射极侧，因而聚集在P基区层下，结果，发射极侧空穴密度增加。将稳态损耗降低的性能提升了16%，而没有开关损耗的恶化，如图25所示。

图25 IGBT损耗改善数据

五、结论

• 第四代HV是第一款采用TNGA的车型，拥有新开发的PCU。PCU减少了它的尺寸和重量。

• 将PCU安装在T/A上，减少电缆和支架尺寸。

• 采用模块化2合1P/C结构，具有双面冷却和堆叠能力。

• 引入轻量化技术并缩小控制电路板，电抗器，电容器模块，电流传感器和DC/DC转换器的尺寸。

• 改进的传感器和微型计算机更快的处理，能够改善高压的可控性(允许电容器缩小尺寸)。

• 功能集成组件以减少线束。

• PCU通过引入新的低损耗IGBT，实现了电能损耗的改善。综上所述，与前几代PCU相比，第四代PCU的尺寸，重量和电子能量损耗都有所减少。改善PCU的努力有助于丰田第四代HV高燃油效率，同时改善令人愉悦的驾驶体验。

译者注，本文根据SAE论文Developmentof Power Control Unitfor Compact-Class Vehicle,”SAEInt.J.Alt.Power.5(2):2016,doi:10.4271/2016-01-1227.翻译。