トヨタプリウス (DAA-ZVW51)、PCU(Power Control Unit)制御基板ベンチマークレポート
2017/04/17
要約
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2015 年12 月に発売された第4 世代トヨタプリウスは、最大 熱効率40％を実現したエンジンの搭載をはじめ、モーター、 トランスアクスル、パワーコントロールユニット、駆動用バ ッテリーといったシステム全体で小型・軽量化を実現すると ともに、約20％の低損失化を図っている。解析対象の PCU(Power Control Unit)は、エンジン横に搭載されており、 全体の機能として、①双方向DC-DC コンバータ、②回生用イ ンバータ、③モータ駆動用インバータの３つがある。また従 来より採用されているIGBT を搭載した「パワーカード」の 放熱方式を改良し低損失化を実現する事により、ハイサイド とローサイドのIGBT を1 カード化する事により小型化(従来 比30%減)を実現している。本制御基板は、PCU の最上部に位 置しており、パワーカードと本制御基板回路によって、前記 機能を実現している。パワーカードと接続されるゲートドラ イバ部は、適切なスルーレートを実現するゲート駆動と、温 度と過電流検出の機能を有する。また、制御部は、絶縁電源 用発振回路、内部電源回路、電池電圧・昇圧電圧検出回路、 ２つのモータ・ジェネレータのベクトル制御の計算を行う２ つのMCU、電源用エラーアンプ＋CAN＋ADC＋リゾルバーイン タフェース等を1 チップに集積したカスタムASIC から構成 される。制御基板は6 層、貫通スルーホールである。 パワーカードと接続されるゲートドライバ部は、トランスと フォトカプラにより絶縁分離され、MCU 等の低電圧回路に影 響を与えないため、パターン上も領域を分けている。(各ゲ ートドライバ毎にパターンを分離) 耐圧の確保や電界の影響低減を考慮していると推測される。 |
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| Fig.1 製品外観 出典：トヨタ自動車 |
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| Fig.2 PCU 構造図 出典：トヨタ自動車 |
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| Fig.4 基板X 線写真(Side view) | Fig.3 基板外観(Bottom view) |
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Power Control Unit 基盤回路
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| Fig.5 エリア別回路機能 |
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| Table 1 回路機能 |
本基板回路は以下のブロックで構成されている。(Fig.5)
- Internal Power Supply
外部からの供給電圧により解析対象基板の内部電源を生 成している回路。電源用エラーアンプはデンソー製IC に 内蔵されている。 - Oscillator for Isolated Power Supply
絶縁分離エリアへ電源供給を行うトランス1 次側に交流 電圧を印加する回路。 - Gate Driver for Bidirectional DC-DC Converter/for
Regeneration Inverter/Motor Drive Inverter 双方向DC-DC コンバータのスイッチングトランジスタ、 回生用インバータ、モータ駆動用インバータを制御する 回路 - Voltage Detect
ニッケル水素バッテリの電圧と双方向DC-DC コンバータ による昇圧電圧を検出する回路 - High-speed CAN
制御基板外部とCAN 通信を行っていると回路。通信機能 はASIC に内蔵と推定。 - Resolver Interface
外部のレゾルバと接続し、モータの角度を検出している と推測される回路 - Current Sense
回生用インバータとモータ駆動用インバータ出力の電流 を検出していると推測される回路 - MCU and Peripheral, Communication
ルネサス製カスタムMCU 周辺と両IC を接続する回路
主要半導体は、大きく3 つが搭載されている。上記、カスタムASIC(n=1)、パワーカードをドライブするため のゲートドライバASIC(n=14)、ルネサス製カスタムMCU(n=1)。
カスタムASIC(n=1)はデンソー製でQFP-128 パッケージ、拡散プロセスは3 Metal/1 poly、高耐圧SOI プロセ スを採用している。(Fig.6)
ゲートドライバASCI(n=14)も同様にデンソー製で、QFP-36 パッケージ、拡散プロセスは4 Metal/1 poly、高 耐圧BiCMOS プロセスを採用している。(Fig.7)
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| Fig.6-1 ASIC チップ写真 | Fig.7-1 ゲートドライバASIC |
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| Fig.6-2 チップマーキング（ASIC） | Fig.7-2 チップマーキング（ゲートドライバ） |
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| Fig.8 制御基盤を除いたダイキャスト |
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| Fig.9 用途別のスロット（拡大） |
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| Fig.10 パワーカードX 線写真 |
パワーカードの装着は、制御基板にコネクタが実装されており、 はんだ付けすることなくパワーカードが脱着可能となっている。
(Fig.5 のエリア3,4,5) 運転時の振動に対しても高信頼性を実 現するための方式である。制御基板を取り外すと、ダイキャスト と下部からの制御ピンが露出している。(Fig.8)
合計７つのパワーカードが挿入可能となっており、それぞれ運転 用、発電用、昇圧用のとなっており、(Fig.9) パワーカードに 内蔵されているIGBT はそれぞれの用途に応じて、異なるメーカ のIGBT が使用されている。
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- 制御基板回路解析レポート
- 搭載カスタムASIC 機能解析レポート
- 搭載ゲートドライバーASIC 機能解析レポート
- パワーカード構造解析レポート
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