【電動汽車拆解】PCU（一）：採用雙面冷卻構造實現小型化
【電動汽車拆解】PCU（一）：採用雙面冷卻構造實現小型化
2009/10/26 00:00
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圖1：混合動力車的系統構成（凌志LS600h）由充電電池（鎳氫）、PCU（功率控制單元）、驅動馬達及發電機等構成。PCU具有升降壓轉換器和變頻器功能。(點擊放大)
電裝已開始向豐田汽車的部分混合動力車型提供PCU（功率控制單元）。
圖2：PCU（功率控制單元）主體由控制底板電路、雙面散熱的功率半導體元件、層疊型冷卻器及電容器等構成。PCU內的功率半導體從兩面進行冷卻。過去採用的是單面冷卻。(點擊放大) 豐田汽車現在的混合動力系統全部為水冷式，而非氣冷式。混合動力車在前格柵的引擎室內配置了不同於引擎用散熱器的混合動力系統專用散熱器。混合動力系統採用冷卻水來冷卻PCU和驅動馬達。
過去，豐田汽車的“普銳斯”及“皇冠Hybrid”等車型一直利用水冷單面冷卻PCU內的功率半導體。
而“凌志LS600h”採用的最新PCU雖然同樣是水冷式，但採用的是雙面冷卻構造（圖1，2）。由於散熱面積增大，因此比單面冷卻更容易冷卻。單位體積的輸出功率比原來提高了60％。在相同的輸出功率情況下，體積則可比原來減小約30％，重量減輕約20％。
PCU具有變頻器和升降壓轉換器的作用。變頻器具有將充電電池的直流電壓轉換成馬達驅動用交流電壓的功能以機將馬達再生的交流電壓轉換成直流電壓的功能。升降壓轉換器用來升高和降低充電電池供應給馬達的電壓。
向凌志LS600h等高功率混合動力車提供PCU，需要提高變頻器和升降壓轉換器的輸出功率，也即需要增大電流。解決方法之一是增加PCU的功率半導體元件數量或使元件比原來流過更大電流。PCU存在問題是散熱。現在的車載用功率半導體最高可耐150℃高溫，因此需要採用始終將溫度保持在150℃以下的冷卻結構。凌志LS600h需要提高PCU的性能，同時減小PCU尺寸。由於不能增加元件數量，因此採用了支援更大電流的功率半導體。
這樣，單面冷卻就不足以解決大電流功率半導體的散熱問題，因此採用了雙面冷卻結構。過去，每個元件可流過200A的電流，而凌志LS600h採用了每個元件可流過300A以上電流的高性能功率元件（圖3、4）。由此變頻器和升降壓轉換器均減少了功率半導體的數量。新型功率半導體為富士電機元件科技製造的產品。（未完待續：特約撰稿人：金子高久，電裝EHV機器技術部組長）
圖3：過去的PCU構成（單面冷卻）每個功率半導體元件流過200A，元件散熱措施設想採用單面冷卻時。(點擊放大)
圖4：新型PCU的構成（雙面冷卻）通過採用高性能功率半導體，每個元件流過300A以上的電流。採用支援大電流的元件，減少元件數量以實現小型化。通過雙面冷卻進行散熱。(點擊放大)
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過去，豐田汽車的“普銳斯”及“皇冠Hybrid”等車型一直利用水冷單面冷卻PCU內的功率半導體。
而“凌志LS600h”採用的最新PCU雖然同樣是水冷式，但採用的是雙面冷卻構造（圖1，2）。由於散熱面積增大，因此比單面冷卻更容易冷卻。單位體積的輸出功率比原來提高了60％。在相同的輸出功率情況下，體積則可比原來減小約30％，重量減輕約20％。
PCU具有變頻器和升降壓轉換器的作用。變頻器具有將充電電池的直流電壓轉換成馬達驅動用交流電壓的功能以機將馬達再生的交流電壓轉換成直流電壓的功能。升降壓轉換器用來升高和降低充電電池供應給馬達的電壓。
向凌志LS600h等高功率混合動力車提供PCU，需要提高變頻器和升降壓轉換器的輸出功率，也即需要增大電流。解決方法之一是增加PCU的功率半導體元件數量或使元件比原來流過更大電流。PCU存在問題是散熱。現在的車載用功率半導體最高可耐150℃高溫，因此需要採用始終將溫度保持在150℃以下的冷卻結構。凌志LS600h需要提高PCU的性能，同時減小PCU尺寸。由於不能增加元件數量，因此採用了支援更大電流的功率半導體。
這樣，單面冷卻就不足以解決大電流功率半導體的散熱問題，因此採用了雙面冷卻結構。過去，每個元件可流過200A的電流，而凌志LS600h採用了每個元件可流過300A以上電流的高性能功率元件（圖3、4）。由此變頻器和升降壓轉換器均減少了功率半導體的數量。新型功率半導體為富士電機元件科技製造的產品。（未完待續：特約撰稿人：金子高久，電裝EHV機器技術部組長）
圖3：過去的PCU構成（單面冷卻）每個功率半導體元件流過200A，元件散熱措施設想採用單面冷卻時。(點擊放大)
圖4：新型PCU的構成（雙面冷卻）通過採用高性能功率半導體，每個元件流過300A以上的電流。採用支援大電流的元件，減少元件數量以實現小型化。通過雙面冷卻進行散熱。(點擊放大)
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