第四代HV動力控制單元(PCU-Power Control Unit)重新開發，如圖1所示。PCU與前一代相比，進一步減小了尺寸，減少了重量和電子能量損耗。本文闡述了第四代混合動力系統PCU的具體技術生成和改進。

圖1 第四代混合動力PCU外形

二、PCU規格和結構

1.高壓系統規格

新混合動力系統組成與配置如圖2所示。該基本配置與之前的型號相同。但是，一個主要的改變是將輔助電池的安裝位置移至了發動機室，這樣能夠改善行李箱面積和更低汽車的重心?；旌蟿恿ο到y電池安裝位置如圖3所示，HV系統規格如表1所示。

表1 HV系統規格

燃料通過以下項目提高效率約18.2%(JC08)：

· 提高汽油發動機的熱效率；

· 減少高壓系統組件的電子損耗；

· 通過提高驅動電機的運行速度減小電機工作電流。

圖2 第4代HV系統的組成框圖

2.PCU安裝

遵循TNGA概念，PCU安裝空間并非針對每種車型獨立開發，而是考慮到許多型號的應用。因此，PCU直接安裝在變速驅動橋(T/A-Transaxle)上，如圖4所示。

圖3 第四代HV蓄電池安裝位置

圖4 第四代PCU安裝

除了上述之外，這種安裝的優點如下：

(1)減少高壓電纜的長度(輕量)；

(2)簡化支架(縮小尺寸和輕量化)；

(3)堅固了前碰撞損壞導致的PCU絕緣劣化問題。

將PCU直接安裝在T/A上的主要技術問題是發動機振動傳遞到PCU，為解決此問題，采用以下結構：

(1)為減少傳遞的振動，在支架上添加橡膠襯套；

(2)為了承受振動，信號連接端子采用了耐振型吸收結構；

(3)采用高抗電振動的電子部件；

(4)為了最大限度地減少共振，電路板使用彈性墊圈以窄間距安裝，以減少高剛度外殼的應力。

3.PCU規格

盡管PCU尺寸減小導致總功率輸出降低，但最大輸出功率密度比上一代提高了大約50%，如圖5所示。

圖5 PCU功率密度比較

通過減少部件重量和體積來實現高功率密度輸出。根據PCU結構的優化，體積減少了33%，質量減少了12%，如表2所示。

表2 PCU規格

主要改進項目如下：

(1)采用雙面冷卻電源模塊；

(2)通過改進的升壓轉換器可控性降低電容器的電容；

(3)由于低電感結構降低了電壓浪涌，去除了緩沖電路。

4.PCU結構

PCU結構如圖6所示。PCU由發電機/電動機電源模塊，升壓轉換器和DC/DC轉換器組成。新的PCU結構改善了車型之間的適用性，并且比前幾代產品縮小了尺寸。

圖6 PCU結構

由于采用了新的電源模塊，PCU比以前的型號具有更好的適用性。電源模塊的雙面冷卻結構如圖7所示。

圖7 第4代PCU電源模塊冷卻結構

與上一代使用的單面冷卻結構不同。雙面結構改善了車輛平臺之間的冷卻結構的適用性。雙面結構堆疊量的可調節性以適應各種車輛尺寸。所以我們稱這個組件為Power Stack(P/S)。P/S由卡片式電源，冷卻器，導熱硅脂涂層，絕緣板，壓縮彈簧和墊片組成。卡片式電源(P/C-Power Card)是樹脂封裝，包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管)，FWD(Free Whee ling Diode續流二極管)，散熱片和端子。P/S有一個問題是，將功率器件集成到電源卡片中，單位面積的熱量通常會增加。然而，通過改善P/S的雙面冷卻結構的傳熱效率來減輕該問題。

新PCU與前幾代相比，通過功能集成以縮小部件尺寸。例如，線束(W/H-Wiring Harness)與每個部件集成在一起。緊固結構從螺栓緊固變為焊接，緊固結構的零件的數量減少了67%。需要螺栓固定，用的螺栓直徑尺寸也有所減小。并且，這些改變改善了可制造性使PCU的尺寸減小。通過上述改進，PCU的體積減少了33%，如圖8所示。

圖8 新舊型PCU的比較

三、組件輕量化和小型化的新技術

在本章中，我們將討論PCU結構和組件的輕量化及小型化的新技術。

1.電源模塊

如圖9所示是采用單面冷卻方法的第三代功率模塊的結構。模塊由IGBT、FWD、絕緣板和冷卻板組成。通過不中斷冷卻介質來改善冷卻性能。但是該模塊的開發并不適用于各種車型，而僅適用于緊湊型車輛。因為IGBT和FWD在單面冷卻方法中采用平面安裝。因此，如果我們采用這種方法用于高輸出車輛，則體積會變得太大。因此，在第四代，我們決定采用帶有雙面冷卻模塊的堆疊結構，使得功率半導體的小型化，實現了冷卻性能的提高和各種車型的應用。

圖9 第3代PCU電源模塊單面冷卻示意圖

2.第四代PCU2合1雙面冷卻模塊功率器件

第四代PCU2合1雙面冷卻模塊功率器件的連接如圖10所示，傳統的雙面冷卻結構是1in1結構，是帶有IGBT和FWD密封封裝。作為第四代結構，新開發了2in1結構，由上下臂的2對IGBT和FWD組成(譯者注：每個功率卡片包含兩個IGBT芯片和兩個續流二極管組成一個半橋。7個功率卡片式IGBT模組分別對應升壓轉換電路所需的一個半橋，以及電動機和發電機所需的共六個半橋)。并且模塊化設計允許安裝的P/C模塊的數量根據車輛應用而變化。對于低輸出車輛應用，可以安裝更少的P/C，從而減少電感并減少部件數量。對于高輸出車輛，我們可以增加P/C的數量，以允許高輸出電流。P/C的2in1結構模塊設計提供了將PCU應用于各種車型的靈活性。作為2in1結構在制造過程實現方法，我們考慮了如圖11所示橫截面所示的U結構和N結構。

圖10 功率器件的連接示意圖

圖11 實現2in1電源卡片的結構方法

U結構在物理尺寸，電感和部件數量方面具有優勢。因為上臂的發射極和下臂的集電極集成在一個共同的散熱器(O)上。然而，銅墊片上焊料熔化所累積公差的控制是一個問題。在U結構中，上臂和下臂的IGBT安裝方向相反。關注的是制造過程中IGBT周圍的焊料溢出質量很難控制。而N結構存在連接在上臂和下臂之間以及下臂和N端子之間的焊點可靠性的問題。然而，采用N結構是因為我們通過重復的熱應力試驗和控制高電流密度的電遷移限度以及其他因素充分證實了焊點的可靠性。圖12和圖13顯示了第四代2in1 P/C和P/S的結構。與輸出性能相同的1in1結構相比，我們通過消除上下臂之間的連線，實現減小物理尺寸22%和P和N端子之間電感減少55%。

圖12 第4代2in1電源卡外形和內部結構

3.控制電路板

控制電路由“MG-ECU”(電動機/發動機電控單元Motor/Generator Electronic ControlUnit和“智能功率模塊(IPMIntelligent Power Module)的控制電路”組成。MG-ECU使用傳感器信號和HV主ECU的請求計算IGBT的控制信號。IPM的控制電路包含IGBT驅動電路和IGBT保護電路，以防止短路或過熱。在第四代設計中，我們將控制電路整合到一塊電路板中。此外，采用混合工藝制造高密度電路板。通過控制電路板設計的改進，減少了電子器件和總電路板面積。另外微控制器和電抗器電流檢測也在控制電路中得到改善。一種新型的微型計算機可實現高速處理電機控制，從而減少能量損失。電抗器電流傳感器還提高了可控性并減小了電容器模塊的尺寸。

圖13 第4代PCU電源模塊總成結構

4.電抗器

在第四代設計中，電抗器所需的特性是在整個正常工作區域內電感的穩定性和質量的減少。以下項目有助于質量減少和縮小尺寸，如圖14所示。

圖14 電抗器的結構

(1)提高升壓變換器的控制速度，減少鐵心間隙量。

(2)為提高抗振動耐久性，電抗器支撐采用一體化的模鑄結構。此外，電抗器使用傳熱片代替硅樹脂封裝來限制過熱。

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。