【taycan春天】日立汽车系统为保时捷-泰凯恩开发的800V系统逆变器

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原定于5月举行的日本汽车工程师学会2020年春季大会被取消，但日本汽车工程师学会发表了演讲稿。

日立汽车系统(以下简称日立AMS)发布的主题是“车辆逆变器的高电压和高功率密度技术”，主要涉及适用于800V电压系统的逆变器新技术。

日立AMS使用直接水冷双面冷却电源模块实现了逆变器的小型化，并随2019年3月上市的奥迪e-tron提供。新开发的逆变器适用于800V系统，为保时捷Taycan开发，2019年第二季度似乎量产了。

高压大功率逆变器概述

电动车的系统电压一般在400V左右，如果这个电压上升到800V，同样容量的电池所需的充电时间可以减少一半，从而更容易提高电机的转速和输出功率。但是，附带的组件有不同的电压耐受前提，因此需要重新开发。

由日立AMS开发的逆变器改进了整体绝缘设计，并推出了800V用电源模块。该模块与800V系统相匹配，实现了94kVA/L的功率密度、传统逆变器的2倍电压和2.75倍的输出功率密度。此外，为了在生产产品时与两种输出功率参数兼容，可以将电源模块、软电容器、电机控制器板、电流传感器等主要部件开发为标准部件，从而降低成本。

电源电压均在450V-850V范围内，但“Inverter 300”配备了三个新的电源模块，最大相位电流2秒额定为335A，连续190A，输出功率密度为62.3kVA/L。“Inverter 600”并行2个新电源模块，共6个，最大相位电流2秒额定670安，连续380安是前者的两倍，输出功率密度为94.3kVA/L。

零件符合封装的高电压

为了将系统电压从400V提高到800V，需要提高各元件的耐压水平，并通过优化逆变器的封装设计和使用的绝缘结构部件来增加模块尺寸。

对于绝缘方法，除了在施加高电压的电极上完全覆盖绝缘体外，还可以设置绝缘距离进行绝缘，但必须同时确保空间距离(通过电极间空间的最短距离)和延电距离(沿电极间绝缘物表面的最短距离)。

由于800V系统的电压增加了一倍，因此使用比较跟踪指数的材料(该指数表示绝缘体表面反复的微放电所产生的介质破坏电阻)需要2倍的延电距离。因此，延长绝缘树脂零件的漏电距离，增加筋和槽，在母线末端设置倒角形状，防止元件尺寸增大，并确保爬网距离。

下图是将800V直流电压应用于电池时母线上树脂绝缘部分的剖面图，条纹铜母线用绝缘树脂(灰色)区分。从这里可以看到，为了延长延电距离(点线)，除了垂直增加树脂高度外，还可以在绝缘树脂与公交车接触的地方打开缝隙，以保证延电距离。

在系统电压为800V的情况下，如果存在无法改变某些400V元件外观的限制，则可以切换到比较跟踪指数较高的材料，以确保延电距离。

这种绝缘性和

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700V扩大至1,200V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800V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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