电动汽车拆解1——PCU

2024年3月22日发(作者：凯迪拉克suv新车报价2020款)

PCU（一）：采用双面冷却构造实现小型化

图1： 混合动力车的系统构成（雷克萨斯LS600h）由充电电池（镍氢）、PCU（功

率控制单元）、驱动马达及发电机等构成。PCU具有升降压转换器和逆变器功 能。

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电装已开始向丰田汽车的部分混合动力车型提供PCU（功率控制单元）。

丰田汽车现在的混合动力系统全部为水冷式，

而非空冷式。混合动力车在前格栅的发动机室内配

置了不同于发动机用散热器的混合动力系统专用散

热器。混合动 力系统采用冷却水来冷却PCU和驱动

马达。

过去，丰田汽车的“普锐斯”及“皇冠Hybrid”

等车型一直利用水冷单面冷却PCU内的功率半导体。

而“雷克萨斯LS600h”采用的最新PCU虽然同

样是水冷式，但采用的是双面冷却构造（图1，2）。

由于散热面积增大，因此比单面冷却更容易冷却。

单位体积的输出功率比原来提高了60％。在相同的

输出功率情况下，体积则可比原来减小约30％，重

量减轻约20％。

图 2：PCU（功率控制单元）主体由控制底板

电路、双面散热的功率半导体元件、层叠型

PCU具有逆变器和升降压转换器的作用。逆变器

冷却器及电容器等构成。PCU内的功率半导体

具有将充电电池的直流电压转换成马达驱动用交流

从两面进行冷却。过去采用 的是单面冷却。

电压的功能以机将马达再生的交流电压转换成直流

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电压的功 能。升降压转换器用来升高和降低充电电池供应给马达的电压。

向雷克萨斯LS600h等高功率混合动力车提供PCU，需要提高逆变器和升降压转换器的

输出功率，也即需要增大电流。解决方法之一是增加PCU的功率 半导体元件数量或使元件

比原来流过更大电流。PCU存在问题是散热。现在的车载用功率半导体最高可耐150℃高温，

因此需要采用始终将温度保持在150℃ 以下的冷却结构。雷克萨斯LS600h需要提高PCU的

性能，同时减小PCU尺寸。由于不能增加元件数量，因此采用了支持更大电流的功率半导体。

这样，单面冷却就不足以解决大电流功率半导体的散热问题，因此采用了双面冷却结构。

过去，每个元件可流过200A的电流，而雷克萨斯LS600h采用 了每个元件可流过300A以上

电流的高性能功率元件（图3、4）。由此逆变器和升降压转换器均减少了功率半导体的数

量。新型功率半导体为富士电机元件科技 制造的产品。（未完待续：特约撰稿人：金子高

久，电装EHV机器技术部组长）

图3： 过去的PCU构成（单面冷却）每个功率半导体元件流过200A，元件散热措施

设想采用单面冷却时。(点击放大)

图4： 新型PCU的构成（双面冷却）通过采用高性能功率半导体，每个元件流过300A

以上的电流。采用支持大电流的元件，减少元件数量以实现小型化。通过双面冷 却

进行散热。

PCU（二）：实现了与铅蓄电池相当的尺寸

实现了与铅蓄电池相当的尺寸

雷克萨斯LS600h是在高级轿车“雷克萨斯LS460”基础上追加混合动力系统而

成。如果是混合动力专用车，PCU的尺寸或许会更大一些，而雷克萨斯 LS600h

最优先强调的就是要减小PCU的尺寸。LS460将置于车辆前部的铅蓄电池移至车

辆后部，PCU的尺寸只能与空出的铅蓄电池容积相当。

原来的功率半导体和冷却器的构造由上往下依次为功率半导体元件、绝缘板、

散热板（铜或铜合金）、冷却板（铝合金压铸而成）（图5）。重叠冷却板制成

的 是冷却器。使冷却水在冷却器中循环，通过散热板，冷却半导体元件。

图5： 单面冷却的构成在绝缘板上面配置功率半导体元件。热量通过绝缘板，传到

散热板，由冷却器散热。(点击放大)

而新开发的PCU由散热板、绝缘板和冷却板夹在功率半导体的两侧而成（图

6）。其中，功率半导体和散热板用树脂封装。功率半导体与信号输入端子之间

通 过引线键合相连。另外，为确保引线键合高度方向的空间，在功率半导体的

一侧配置了导电垫片。

图6: 新型双面冷却的构成冷却功率半导体的两侧。为提高热传导，在功率半导体

旁边依次配置散热板、绝缘板、冷却器。(点击放大)

为比单面冷却进一步提高热传导率，此次新采用了使功率半导体的热量比起

绝缘板，先行向散热板传导的构造。另外，冷却板跟原来一样，由铝材料制成，

不过 由压铸件更换成了热传导率高的冲压材料。

为实现双面冷却，制作了交叉重叠功率半导体和冷却板的层叠型（图7）构

造。层叠型的优点在于可以减小PCU的面积。过去的单面冷却构造在一个封装中

集 成有多个功率半导体。通过采用多个封装，提高PCU的性能，不过并不适合

细致调整功率半导体数量的设计方案。

图7： 冷却器为层叠型（a）双面冷却的PCU采用的是冷却器的冷却板与半导体交

叉层叠的层叠结构。（b）现在采用该结构的只有雷克萨斯LS600h和 RX450h，具有

灵活性，可根据车型需要的输出功率改变层叠枚数进行设计。将来还有望应用于普

及车型。(点击放大)

另外，要提高输出功率，需要将封装呈面状横向接合在一起，因此存在面积

增大、难以配备于汽车使用的问题。

此次的构造可根据混合动力车的输出功率选择功率半导体元件的数量。并且，

由于是与冷却板交叉重叠功率半导体的层叠型构造，即使功率半导体数量增加，

在 设计上也能够减小面积。

新型双面冷却构造的采用车型目前只有最高端车型雷克萨斯LS600h和2009

年春季上市的“雷克萨斯RX450h”，此外还能应用于输出功率较低的 混合动力

系统。

PCU（三）：使半导体与冷却板紧密贴合

使半导体与冷却板紧密贴合

双面冷却构造的功率半导体需要在制造方法和维持冷却性能方面下工夫。

新型冷却系统采用的交叉层叠功率半导体和冷却板的构造，因此半导体和冷

却板需要始终接触在一起。制造时首先重叠冷却板制成冷却器，然后重叠功率半

导 体，插入冷却器中（图8）。

图 8：PCU的制造工序在层叠型冷却器中插入功率半导体元件。通过向冷却器两侧

加压，使冷却板与半导体元件紧密贴合。最后，用板簧对冷却器加压，维持冷却性 能。

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为便于插入半导体，可增大冷却板与冷却板的间隔。但是，如果间隔过大，

冷却板与半导体之间就会留有缝隙，冷却半导体的性能就会降低。因此，最初先

扩大 冷却板的间隔，插入半导体后，通过对冷却器两侧加压，使冷却板与半导

体紧密贴合。

对冷却器加压时，为防止冷却器破损，采用了冷却板与冷却板之间产生形变

的结构（图9）。通过使冷却器在冷却水不漏的前提下变形，实现了层叠结构。

图9： 层叠型冷却器在生产时变形层叠型冷却器为使半导体元件与冷却板紧密结

合，生产时进行加压。采用了加压时、为使冷却板与冷却板之间的距离缩短而变形

的结 构。(点击放大)

作为表示双面冷却性能的数据，有热传导率模拟数据和热阻试验数据。通过

热传导模拟，比较了冷却构造中的最热部分（热阻最高的部分）。模拟结果表明，

双 面冷却构造比单面冷却构造的热阻可降低约48％。

通过热阻实验数据，比较了功率半导体每个位置的冷却性能（图10（a）。

该实验将功率半导体耐热性上限150℃下的热阻目标值定为0.3K/W左右。 实验

数据控制在上限以下（图10（b）。另一组热阻试验的数据测量了改变冷却水流

速时的热阻。将功率半导体每个位置（下降侧的1～12）的热阻做成了图 表。

数据显示热阻始终在0.3K/W以下，满足了散热条件（图10（c）。

图 10：采用双面冷却，冷却性能达到目标值以下（a）对PCU的功率半导体，在冷

却水入口按顺序贴上序号1～12。在冷却水入口侧（上升）和出口侧（下降） 比较

了功率半导体的冷却性能。（b）热阻值的比较。冷却水入口侧和出口侧均控制在功

率半导体目标值0.3K/W以下。（c）改变冷却水流量时的热阻控制在 目标值以下。

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功率半导体的耐热性是一大课题，不过将来该课题有可能得到彻底解决。比

如，现在使用的是Si（硅）晶圆，而用SiC（碳化硅）材料做的话，耐热性将大

幅提高，同时还能够通过更大的电流。

另外，现在设计的是水冷式PCU，今后随着气流改善等，或许还需要研究空

冷式PCU。今后的10年将是决定PCU未来走向的关键时期。