日立汽车系统为保时捷Taycan开发的8

原定于5月举行的日本汽车工程师学会年春季大会取消，但日本汽车工程师学会公布了演讲稿。

日立汽车系统（以下简称：日立AMS）发表的主题是“车载逆变器的高电压及大功率密度技术”，主要讲述了适用于V电压系统的逆变器新技术。

日立AMS通过采用直接水冷型双面冷却功率模块实现了逆变器的小型化，并已为年3月上市的奥迪e-tron配套。新开发的逆变器适用于V系统，并针对保时捷Taycan进行了开发，似乎已于年2季度开始量产。

高压大输出功率逆变器的概况

电动车的系统电压一般在V左右，如果这一电压提升到V，相同容量电池所需的充电时间就能减半，更容易提高电机的转速和输出功率。然而，由于配套的组件耐电压前提不同，因此需要重新开发。

此次日立AMS开发的逆变器改良了整体的绝缘设计，并推出了适用V的功率模块。该模块匹配V系统，达到了94kVA/L的功率密度，是传统逆变器的2倍电压，及2.75倍的输出功率密度。此外，在产品化时，为了兼容两种输出功率参数，将功率模块、平滑电容器、电机控制器主板、电流传感器等主要零部件作为标准零部件开发，降低了成本。

电源电压均在V-V范围内，但“Inverter”搭载了3个新型功率模块，最大相电流2秒额定为A，连续为A，输出功率密度为62.3kVA/L。“Inverter”并联2个新型功率模块，共计搭载6个，最大相电流2秒额定为A，连续为A，均是前者的2倍，输出功率密度为94.3kVA/L。

零部件与封装的高电压匹配

系统电压要从V提高至V，需要提高各元件的耐电压水平，通过优化逆变器的封装设计及使用的绝缘结构零部件，避免了增加模块的尺寸。

绝缘方法方面，除了将绝缘体完全覆盖在施加高电压的电极上进行绝缘以外，还能通过设置绝缘距离进行绝缘，但需要同时确保空间距离（通过电极间空间的最短距离）与爬电距离（沿电极间绝缘物表面的最短距离）。

由于V系统的电压翻倍，因此在采用比较跟踪指数（表示对绝缘体表面反复微放电引起的介质击穿电阻的数值）的材料时需要2倍的爬电距离。因此，为了延长绝缘树脂件的爬电距离，增加筋和槽，在总线端部设置倒角形状，避免了零部件尺寸变大的同时，也保证了爬电距离。

下图为电池施加V直流电压时总线的树脂绝缘部分的截面图，条纹状的铜总线被绝缘树脂（灰色）隔开。此处可以看到，为了延长爬电距离（虚线），除了在垂直方向上增加树脂的高度之外，还通过在绝缘树脂与总线接触的地方开缺口来保证爬电距离。

在系统电压为V的情况下，如果存在无法改变某些V元件形状的限制，那么可以通过改用比较跟踪指数较高的材料来保证爬电距离。

这些绝缘性与单独的零部件一起保证了逆变器的组装状态。

双面冷却功率模块

如对比图所示，电动车逆变器的功率模块的冷却方式最初为间接单面冷却，即在工业等领域的功率模块的普通基板上涂抹散热油脂，并连接至散热片。但目前升级为不再使用散热油脂层，并降低热阻的直接单面冷却型，以及进一步扩大冷却面积的直接水冷型双面冷却功率模块。

直接水冷型双面冷却功率模块将功率器件产生的热量通过绝缘层直接从散热片底座散发，因此其热阻相对于间接水冷型单面冷却功率模块降低了50%。

日立AMS为奥迪e-tron供应的逆变器也搭载了直接水冷型双面冷却功率模块。但这次的新逆变器除了将内置于功率模块的IGBT芯片的耐压从V扩大至1,V以外，布局在功率模块开口处的AC/DC端子、信号端子以及直流端子，采用了2个正极、2个负极交互配置的结构，通过抵消由于反向瞬态电流引起的磁通，降低了寄生电感，将浪涌电压的电感降低了30%。

电路结构由两个功率元件串联而成，采用二合一封装，IGBT、FWD等功率半导体及引线框架等元件均采用了转印模具密封，并进一步封装在铝制模块壳体中，完全密封了冷却水。

导体积层型绝缘片

一般的功率模块中，通常使用氮化铝等陶瓷材料对施加高电压的导体部分与散热片进行绝缘，而日立AMS的功率模块则采用树脂片对焊接了功率器件的引线框架和散热片进行绝缘。

树脂片在起到绝缘作用的同时，还大量填充了负责向散热片导热的陶瓷填料，实现了薄膜化，保证了较高的散热性能。但由于绝缘片与引线框架和散热片粘合时产生的小空隙可能会导致介电强度下降，因此导体箔被层压在绝缘片的内部。

如对比图片所示，当系统电压翻倍至V时，可以通过将绝缘片的厚度增至1.5倍来防止局部放电，但会增加热阻，且必须降低输出功率。因此，这款直接水冷型双面冷却功率模块使用的绝缘片内部叠有导体箔，防止局部放电的同时，还确保了与传统功率模块相同的热阻。

当施加到空隙的空气层的电压高于空气的介电击穿电压时，就会发生局部放电，但可以通过用导体箔对施加到绝缘片的电压进行分压来减小空隙的电场。

下图上半部分是没有层压导体箔的传统绝缘片，下半部分图是绝缘片中存在导体箔时的电场分析结果，可见两者空隙部分的颜色不同。利用导体箔、引线框架与散热片之间的电位差分压至上下两层绝缘片，将导体箔的电位固定为中间电位，从而减小施加到空隙的电场。通过分压，施加到空隙的电场减小到传统结构的80％，改善了绝缘片的局部放电特性。

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