技術紹介 ハイブリッド車向けパワーコントロールユニット ハイブリッド車向けパワーコントロールユニット※ Power Control Unit for Hybrid Vehicles 松 本 栄 伸＊１ 峯 沢 隆太郎＊１ Eishin MATSUMOTO Ryutaro MINESAWA 岡 田 喜久雄＊１ Kikuo OKADA 八 木 卓 也＊１ Takuya YAGI 鷺 谷 吉 則＊１ Yoshinori SAGIYA 泉 善 信＊２ Yoshinobu IZUMI 根 来 佑 樹＊１ Yuki NEGORO 工 藤 大 樹＊１ Daiki KUDO In recent years, in response to energy and environmental issues, the automobile industry has been focusing on the development of environment-friendly vehicles such as hybrid vehicles. The Power Control Unit (PCU) which runs the motor plays an important role in the hybrid system. This paper describes the technology that was used in developing our first PCU. １．はじめに されている． Fig. 1 に本開発機の取り付け構造を示す． 自 動 車 業 界 で は 省 エ ネ ル ギ ー ，地 球 温 暖 本開発機は，ミッションに直載する構造に 化防止の観点から，車両販売台数に対するハ より，車載レイアウトに対する省スペース化 イブリッド車の割合は年々大幅に増加して に貢献しているが，ミッションから直接伝わ いる．ハイブリッド車には，モータ駆動用の る振動への対応が必要となる． PCU（Power Control Unit）が必要不可欠であ また，PCU は大電力を高周波でスイッチン り，P C U に求められる機能，性能も年々高い グするため，PCU から発生する高周波騒音を ものが求められる．例えば居住性の観点から 抑制し商品性を低下させない取り組みが必要 小型化，燃費の観点から軽量，高効率化が求め となる． られる． 本報では，上記の要求変化に対応した PCU 開発の取り組み全般について紹介する．なお， PCU -MOT/GEN PDU -VCU -ECU 機能安全（１）および GD（Gate Drive）基板の小 型化のための絶縁対応（２），およびギ酸還元は んだ接合（３）の取り組みについては，各参考文 献を参照願いたい． Transmission -Clutch -Motor/Generator ２．PCU の概要 今回開発した P C U は２モータハイブリッ Fig. 1 Installation position of PCU (Published with permission from Honda R&D Co., Ltd.; Further use or distribution of this material is not permitted without permission from Honda R&D Co., Ltd.:) ドシステムに搭載され車両駆動用のモータと 発電用のジェネレータおよび電圧を制御する ための V C U をコントロールする機能が内蔵 ※2016 年 8 月 1 日受付 ＊１ 開発本部 第七開発部 ＊２ 生産本部 生産技術六部 － 32 － ケーヒン技報 Vol.5 (2016) F i g . 2 に開発機の部品構成を示す．本開発 従来の正弦波振動では各部品の物性値で 機は，外部からの通信により P C U を制御す ある疲労限度で見極めが可能であったが，ラ る ECU （Electronic Control Unit），モータ ンダム振動では応力および印加回数の正規分 と V C U の電流を測定する電流センサ，モー 布に従った定義が困難であるため，各部品に タと V C U を駆動する大電力デバイスの I P M 対し累積損傷度の考え方を採用し耐振設計を 行った． （Intelligent Power Module），VCU をコント ロールするために使用するコンデンサ・リアク また，高周波領域に対する耐振設計につい トル，PCU に残された電圧を放電し感電の危 ては応力が低くなる周波数を境に設計思想を 険性を防止するための ADC（Active Dischage 変えた． F i g . 4 のように，高周波領域に対しては周 Control）基板が搭載されている． 波数が高くなると変位が小さくなり，部品に IPM はリアクトルと一体構造のミドルケー 加わる応力も低くなる． スに取り付けられる．I P M の W / J（ W a t e r Jacket）に PCU 外部から供給される冷却水を 低周波領域では振動が大きい周波数帯に製 ミドルケースを介し流す．また W/J は放熱グ 品共振が生じないよう剛性を調整することで リース（Themal Compound）を塗布したミドル ランダム振動への対応が可能となった． ケースに接合することで，高放熱かつ小型な Conventional Model (Installed on Frame) 構造を実現している． Installation Image PCU Component C Component A Component B Newly Developed Model (Installed on Transmission Case) PCU PCU CASE FRAM ENG ECU Vibration Type IPM -Power module -Gate driver -W/J Fig. 3 Middle case (Reactor is installed in middle case) Component C Component A Component B PCU CASE FRAM MOT ENG MOT The motor vibration is not transmitted to the PCU. The motor vibration is transmitted to the PCU. Sine Vibration Random Vibration Transmission of vibration depending upon position of installation Condenser Component Stress [MPa] Fig. 2 Low-frequency PCU assembly diagram ３．ミッション直載化への取り組み High-frequency Vibration Frequency [Hz] 本開発機はミッションに直載する構造のた Fig. 4 め Fig. 3 のように，ミッションおよびモータ Component stress vs vibration frequency からの振動が直接入力される． ４．高周波騒音対策への取り組み また，従来は正弦波振動に対する耐振設計 を行っていたが，実車環境を再現できるラン ダム振動の耐振設計やモータからの振動も伝 P C U は大電力を高周波でコントロールす わるため高周波領域での耐振設計も求められ， るため，リアクトルの磁歪による振動などの 共振を考慮して設計する必要がある． 高周波騒音が，実車聴感に影響する．Fig. 5 に － 33 － ハイブリッド車向けパワーコントロールユニット P C U の音圧とリアクトル振動の関係性を示 ワイヤ接続に対し，リードフレーム接合へ変 す．グラフよりリアクトルの振動が PCU の音 更したことにより PM のサイズを 20% 削減可 圧と相関性があることがわかる．この相関性 能とした（Fig. 8）． を取得することによって実車聴感の成立性を， また，リードフレームの接合はリフロー法 リアクトル騒音特性から予測することが可能 によるはんだ接合としパワーチップと D C B となった． 間の接合も同時工程とすることで，従来のワ イヤ部には数十本のワイヤボンディング工程 PCU Sound Pressure [dB] を必要としていたがこの工程を削減すること ができた． GD substrate Reactor Vibration [G] Fig. 5 PM PCU sound pressure vs reactor vibration ５．IPM への取り組み Fig. 6 （１）IPM の構成 Exterior view of IPM Conventional Construction Power chip Fig. 6 に IPM の外観を示す． Solder Insulation substrate [ceramics] Solder IPM は大きく PM （Power Module）と GD 基 Thinner Base plate Heat sink [Al] 板で構成される． Fig. 7 P M は大電力を駆動するパワーチップ （I G B T，D i o d e）とこれを冷却する W / J，大 Newly Developed Construction One side direct Cooling structure Aluminum direct water-cooler structure Conventional Construction 電力経路用のバスバーを内蔵したケース，パ AL wire ワーチップと W / J を絶縁する D C B（D i r e c t Copper Bond），金属カバー，絶縁紙から構成 Power module case Power chip されている． Ceramics （２）冷却構造 Heat sink 本開発機と従来構造の直接水冷型 IPM の断 Newly Developed Construction 面構造を Fig. 7 に示す．W/J のべースプレー Lead frame トの厚さを薄くすることにより，冷媒を最大 限に活用できる冷却構造とした．これにより， 20% reduction 従来構造と比較して，熱抵抗 29% 低減化およ び W/J の 66% 軽量化を実現し，小型化，高性 Reduction in bus bar space 能化を可能とした． （３）リードフレーム Fig. 8 パワーチップとバスバーの接合を，従来の － 34 － Comparison with conventional power chip connection ケーヒン技報 Vol.5 (2016) 参考文献 （４）パワーチップ I P M の性能は，パワーチップの性能でほぼ 決まる．本開発機ではチップ性能を極限まで （１）植野修吾ほか：２モータハイブリッドシ 追及した IGBT を開発した． ステム用 ECU の機能安全対応，自動車技 第 一 に ，低 損 失 を 実 現 す る た め に フ ロ ー 術会学術講演会講演予稿集，No.173-16A, ティング部を設け，キャリアの蓄積を向上さ 20166363 せた． （２）田 井 慎 太 郎 ほ か：プ リ ン ト 基 板 の イ オ 第二に，安全動作領域を広げるため，高濃 ン マ イ グ レ ー シ ョ ン 解 析 ，自 動 車 技 術 度で深いベース領域を形成した．これにより， 会学術講演会講演予稿集，N o .173-16A , ラッチアップが抑制され，広い安全動作領域 20166364 が確保できた． （３）泉善信ほか：パワーモジュール ギ酸還元 また，パワーチップの製造工程において，従 はんだ接合，ケーヒン技報 Vol.5 (2016) 来モジュール形態でしか実施できなかった大 著 者 電流測定をプローブコンタクトを工夫するこ とでチップ形態で測定することができるよう になった．これによりチップ段階で大電流ス クリーニングを実施し，不良チップはここで 全てリジェクトできるため，モジュール形態 で発生するチップ起因での不良はほぼゼロに なった． 松本栄伸 これにより実装工程での歩留まりアップに 貢献し，高品質の IPM 量産が可能となった． 本開発において，多岐にわたる開発をする ことで，上市することができました． ６．今後の展望 これから，更なる小型軽量化と高信頼性の 製品開発を行い社会へ貢献します． 最後に本プロジェクトに関わった皆さんに これまでに紹介した技術を元に，本製品は 感謝の気持ちを伝えたいと思います． 2016 年から量産を開始した． 「本開発は大変多くの方のご協力で量産化に また，この技術は３モータや１モータシス つなげることができました．ありがとうござ テムにも応用展開している． いました．」 （松本） 今後さらに拡大する車両電動化に，さらな る高性能，高信頼性部品を創造し提供するこ とで維持可能なエネルギー循環型社会に貢献 していく． 謝辞 本開発を遂行するにあたり，（株）本田技術 研究所の皆様のご尽力を賜るとともに，本技 術紹介の執筆にも多大なるご指導ご鞭撻を頂 きました．ここに付記し，感謝申し上げます． － 35 －
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