2021年1月17日日曜日

プリウスのハイブリッドインバータ分解 2代目 (NHW20)

電子機器の分解一覧

プリウスのインバータ(PCU)分解

2代目プリウス(NHW20)のインバータを分解してみました。

前半は分解中の画像を、

後半では各モジュールの使い方を少しだけ紹介します。

※この記事で得た内容についてはすべて自己責任でお願いします。この記事によって発生した損害や事故について、当方は責任を負いかねます。(責任を負いません)

・ブーストコンバータ用IGBTモジュール

3代目プリウスのIGBTモジュールは、ブーストコンバータIGBTと3相インバータIGBTが

一体となっていましたが、

2代目プリウスの場合は、ブーストコンバータIGBTと3相インバータIGBTが分かれています。

PM400DJA120

三菱製の特注品のようです。

データシートは見つかりませんでした。

400A,1200V品でしょうか？

このIGBTモジュールはさらに分解することができます。

ゲート駆動回路が入っています。

ゲートドライバICは三菱製です。

データシートは見つかりませんでした。

海外の方がこのIGBTモジュールの使い方を説明しているページがあったので、

参考にしてみます。

https://nicjam.es/projects/how-to-turn-on-the-gen2-prius-boost-converter-module/

どうやら12Vの電源とPWM信号を与えてあげれば駆動できるようです。

詳しくは上記リンクをたどってみてください。

(以降のモジュールのピンアサインも上記サイトのマニュアルを参考にしています。)

・コネクタ

右上から左上にかけて、1番～8番ピンで

右下から左下にかけて、9番～16番ピンです。

まだ仕様はよくわかっていませんが、表にしてみました。(間違っているかも)

ピン番号の部分の色がケーブルの色に対応しています。

8	7	6	5	4	3	2	1
IGCT	GND	CPWM	OVH	VL	CT	NC	NC
+12V	GND	Boost converter PWM switch signal	Motor inverter over voltage signal	Boost converter input voltage	Boost converter temperature sensor
電源	グランド	~PWM 入力 0~12V のPWM	昇圧後過電圧入力信号? (メインインバータ IGBTの OVH と接続) 5Vで通常? 0Vで過電圧? (未検証)	昇圧前の電池電圧出力信号?	IGBT モジュールの温度出力信号?

16	15	14	13	12	11	10	9
NC	CSDN	GCNV	FCV	OVL	NC	NC	(VB)
	shutdown signal	GND	fail signal	Boost converter over voltage signal			Boost converter input
	シャットダウン信号入力 L:ON H:OFF	グランド	エラー信号? 出力信号?	昇圧前過電圧出力信号?			昇圧前の電源に接続 (+201.6V)

独自のシリアル通信などを一切使っていないため、テスラコイルなどに容易に流用できそうです。

・使用例(Lチカ)

PWM入力のレベルは0~12Vの入力が必要なため、

マイコンなどで制御するには5->12Vへのレベルシフト回路が必要になります。

今回はファンクションジェネレータを用いて1HzのLチカをしてみました。

(駆動している様子がわかりやすいため)

7,14番ピンはグランドに、8番ピンは+12V電源に接続します。

5番ピン(OVH)には+5Vに接続して非「過電圧」信号を入力します。

6番ピン(CPWM)の

PWM入力は、ファンクションジェネレータを用いて0~12Vの矩形波を入力します。

(PWMは0-10Vではスイッチングできなかったので12Vまでかけています。)

回路図

2代目プリウス(NHW20)のインバータのブーストコンバータ用IGBTモジュール「PM400DJA120」の駆動テスト#プリウスインバータ #PM400DJA120 pic.twitter.com/kDU9v9gylc
— oy (@0x6f_0x79) January 16, 2021

・ブーストコンバータ用インダクタ

ブーストコンバータ用のインダクタです。

3代目プリウスのインバータのインダクタはシリコーンコーキングで筐体にガッチガチに固定されていましたが、2代目ではネジで別部品として固定されています。

インダクタの箱部分にもシリコーングリスが塗られており、相当発熱するようです。

約375μHあります。

相当電流を流せそうです。

・コンデンサ

低圧側(201.6V)・高圧側の平滑とスナバコンデンサが一体となっています。

低圧側はDC600V,282μF、

降圧側はDC600V,1130μF、

ブーストコンバータ用IGBTのスナバ(低圧側)はDC750V,0.1μF

となっています。

また、低圧側のコンデンサ端子間には放電用抵抗が並列に接続されています。

27KΩのチップ抵抗が5個並列で、それが12個直列になっており、

64.8KΩとしています。

・メインモータ・ジェネレータ用IGBTモジュール

EVモータとジェネレータのIGBTモジュールです。

これもブーストコンバータ用IGBTと同様、ゲートドライバと一体になっています。

型番はありません。

・コネクタ

右上から左上にかけて、1番～14番ピンで

右下から左下にかけて、15番～28番ピンです。

仕様はよくわかっていませんが、基板コネクタ部分のピンアサインを表にしてみました。(間違っているかも)

ピン番号の部分の色がケーブルの色に対応しています。

9(黄)

2(白)

IGCT

GIVB

GIVA

GIWB

GIWA

GWU

GVU

GUU

GIVT

GFIV

GSDN

MIVT

MFIV

MSDN

+12V

Generator
'V'
phase current

Generator
'W'
phase current

Generator
switch
'W'
signal

Generator
switch
'V'
signal

Generator
switch
'U'
signal

Generator
inverter
temperature
sensor

Generator
inverter
fail
signal

Generator
shutdown
signal

Motor
inverter
temperature
sensor

Motor
inverter
fail
signal

Motor
shutdown
signal

電源

ジェネレータ
V相電流
B
出力

ジェネレータ
V相電流
A
出力

ジェネレータ
W相電流
B
出力

ジェネレータ
W相電流
A
出力

ジェネレータ
W相
~PWM入力
L:約4V?
H:約14V?

ジェネレータ
V相
~PWM入力
L:約4V?
H:約14V?

ジェネレータ
U相
~PWM入力
L:約4V?
H:約14V?

ジェネレータ
IGBT
モジュール
の温度

出力信号

ジェネレータ部
IGBT
エラー
信号?

出力信号

ジェネレータ部
シャットダウン
信号

入力
12V:ON
0V:OFF

モータ
IGBT
モジュール
の温度

出力信号

モータ部IGBT
エラー
信号?

出力信号

モータ部
シャットダウン
信号

入力
12V:ON
0V:OFF

17(紫)

GIMV
(GINV)

MIWA

MIWB

MIVA

MIVB

MWU

MVU

MUU

OVH

GND1

GND

Motor
'W'
phase
current

Motor
'V'
phase
current

Motor
switch
'W'
signal

Motor
switch
'V'
signal

Motor
switch
'U'
signal

Inverter
condenser
voltage
monitor

Motor
inverter
over
voltage
signal

GND

グランド

モータ
W相電流
A
出力

モータ
W相電流
B
出力

モータ
V相電流
A
出力

モータ
V相電流
B
出力

モータ
W相
~PWM入力
L:約4V?
H:約14V?

モータ
V相
~PWM入力
L:約4V?
H:約14V?

モータ
U相
~PWM入力
L:約4V?
H:約14V?

昇圧後の
コンデンサ
電圧

出力信号?

昇圧後
過電圧

出力信号?
(ブースト
コンバータ
IGBTの
OVH
と接続)

グランド

ブーストコンバータ用IGBTと同様、

独自のシリアル通信などを一切使っていないため、vvvfインバータなど容易に組めそうです。

・使用例(3相かご型誘導電動機の駆動)

3相PWM入力のレベルは0~14V?の入力が必要なため、

マイコンなどで制御するには5->12Vへのレベルシフト回路が必要になります。

今回はジェネレータ部のIGBTで3相モータを回してみました。

15,28番ピンはグランドに、14番ピンは+12V電源に接続します。

4番ピン(GSDN)に+12Vに接続してジェネレータ部IGBTを有効にして、

1番ピン(MSDN)にGNDに接続してモータ部IGBTをシャットダウンしています。

7,8,9番ピン(GUU,GVU,GWU)の

3相PWM入力は、TD62003APGを用いて5->12Vへレベルシフトシフトしています。

18,19,20番ピン(GUU,GVU,GWU)は今回は使用しないため、GNDに落とします。

モジュール周りの回路図

2代目プリウス(NHW20)のインバータのIGBTモジュールの駆動テスト#プリウスインバータ pic.twitter.com/4rkyTTxZ5U
— oy (@0x6f_0x79) January 16, 2021

・エアコン用3相インバータ回路(背面)

背面の基板の半分がエアコンのコンプレッサのインバータ回路になっています。

マイコンで制御しているようです。

左側6つのIGBT(GT30J324,30A,600V)が3相インバータ用素子です。

右側4つのMOSFET(2SK1517,20A,450V)が車内電源コンバータ用素子です。

マイコンはルネサス(日立)のSH2(HD6437049L06F,マスクROM品)が使われています。

・コネクタ

右上から左上にかけて、1番～3番ピンで

右下から左下にかけて、4番～6番ピンです。

仕様はよくわかっていませんが、基板コネクタ部分のピンアサインを表にしてみました。(間違っているかも)

ピン番号の部分の色がケーブルの色に対応しています。

3	2	1
STB	IG (IGSW)	GND
A/C communication	+12V	GND
ストローブ信号? 入力? 0~12V	電源	グランド

6	5	4
TOECU (ITE)	TOINV (ETI)	CLK
A/C communication	A/C communication	A/C communication
シリアルデータ出力? 0~12V	シリアルデータ入力? 0~12V	クロック出力? 0~12V

信号は独自のシリアル通信のようです。

使うには解析が必要なようです。

google先生で「ETI ITE CLK」と検索すると、ヒントが得られるかも。

IGBTにGT30J324(600V,30A,最大動作周波数 50 kHz)が、

ゲートドライバにIR2113Sが使われています。

部品取りとして使えそうです。

・車内12V電源回路(背面)

背面の基板のもう半分が車内電源用のフルブリッジコンバータ回路になっています。

4つのMOSFET(2SK1517,20A,450V)で高周波トランスを駆動、

201.6Vから12Vに変圧します。

スイッチング用のICには、ATX電源などでよく使われていたμPC494G(TL494)が使われています。

GDTを介して4つのMOSFETを駆動しています。

整流ダイオード(TS906C2,20A,200V)は3つを並列にして使用しているようです。

・コネクタ

右上から左上にかけて、1番～5番ピンです。

仕様はよくわかっていませんが、基板コネクタ部分のピンアサインを表にしてみました。(間違っているかも)

ピン番号の部分の色がケーブルの色に対応しています。

5 (橙)	4 (青)	3 (茶)	2 (灰)	1 (黄)
IGCT	NODD	ID1 (IDH)	VLO	S
+12V	DC / DC movement monitor or stop request signal		Two-stage selector signal ?
電源	入出力? ON/OFF制御用?	不明出力?	何かの選択信号? 入力?	+12V フィードバック?

フルブリッジ高周波トランス

コアは直径約1.8cm、幅約4.5cm、高さ約2.8cm、断面積約25.4m㎡でした。

PQ4528コア相当でしょうか。

インダクタ

インダクタンスは2.7μHあります。

コアは直径約1.5cm、幅約4.05cm、高さ約2.8cm、断面積約17.7m㎡、ギャップ長約2.8mmでした。

PQ4028コア相当でしょうか。

以上で分解レポートは終わりです。

強い素子たちがたんまり入っていました。

特にブーストコンバータ用IGBTは400A,1200Vと強く、

設計が難しい大型IGBTモジュールの絶縁ゲートドライバももれなく付いてくるのは

とてもお得ですね。

3つそろえて3相モーターぶん回すのもよし、

ハーフブリッジを生かし、PFCやテスラコイルのお供としても良いでしょう。

(高速スイッチングしたい場合はゲート周りを自分で設計する必要があります)

そろそろテスラコイルでも作ってみようかな…

・関連記事

日産フーガ DAA-HY51 ハイブリッドインバータ(PCU)の分解

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TOYOTA

inverter

gate driver

disassembly

disassemble

2021年1月13日水曜日

WinCuplでのロジックの記述のしかた

WinCuplの使い方(ロジック設計)

・ピン設定

任意の物理ピンの番号を別の文字列にして扱えます。

Pin 1 = A; /*IOピン1番は"A"とする*/

Pin [5..8] = [A1..4]; /*IOピン5番は"A1"、6番は"A2"、7番は"A3"、8番は"A4"とする*/

Pinnode 1 = A; /*IOピン1番は"A"とする*/

「"A1"の"1"」や、「"A2"の"2"」の数字はインデックス番号と呼びます。

・数値

「'基数文字'数字」でN進数での数値表現ができます。

16進数の場合は基数文字はいりません。

ただし、ピン番号の指定の数値(Pin 11など)とインデックス番号の数値(A3など)は10進数として扱います。

A = 'h'0; /*Aは常にL(16進)*/

A = 'h'1; /*Aは常にH(16進)*/

・演算

論理演算

Y = A; /*Y = A*/

Y = !A; /*Y = (AのNOT)*/

Y = A & B; /*Y = (AとBのAND)*/

Y = A # B; /*Y = (AとBのOR)*/

Y = A $ B; /*Y = (AとBのXOR)*/

Y = !(A & B); /*Y = (AとBのNAND)*/

Y = !(A # B); /*Y = (AとBのNOR)*/

Y = !(A $ B); /*Y = (AとBのXNOR)*/

等価演算での記述

"[ ]"で囲ったものをリストと呼び、各要素をひとまとめのビット列として扱えます。

Y = [A,B,C]:&; /*「Y = A & B & C」と等価*/

Y = [A,B,C]:#; /*「Y = A # B # C」と等価*/

ビットフィールドを使うと複雑なロジックパターンも簡単に記述できます。

ビットフィールドはいわばビット配列みたいなものです。

まず、ビットフィールド宣言をします。

field hoge = [A2,A1,A0]; /*A2,A1,A0を"hoge"としてひとまとめにする。*/

(field hoge = [A2..0]; /*この表記の仕方は上と上記と同等です。*/)

ビットフィールドの要素は連続した数字の文字列でなくてもよいです。

次のように記述すると、特定のビットパターンのみHとなるロジックを表記できます。

field hoge_sel = hoge:0; /*A2,A1,A0が'B'000の時のみH、「hoge_sel = !(A2#A1#A0)」と等価*/

field hoge_sel = hoge:1; /*A2,A1,A0が'B'001の時のみH、「hoge_sel = !(A2#A1#(!A0))」と等価*/

field hoge_sel = hoge:[5..7]; /*A2,A1,A0が('B'101または'B'110または'B'111)の時のみH、「hoge_sel = (A2&(!A1)&A0)#(A2&A1&(!A0))#(A2&A1&A0)」と等価*/

真理値表によるロジック設計

真理値表が用意されたロジックを設計する場合は、直接真理値表を用いることが出来ます。

まず、入力と出力のビットフィールド宣言をします。

field in_hoge = [A2,A1,A0]; /*A2,A1,A0を"in_hoge"としてひとまとめにする。*/

field out_hoge = [Y1,Y0]; /*Y1,Y0を"out_hoge"としてひとまとめにする。*/

次にテーブルを作成します。

table in_hoge => out_hoge {

'B'000 => 0; 'B'001 => 1; 'B'010 => 1;

'B'011 => 2; 'B'100 => 1; 'B'101 => 2;

'B'110 => 2; 'B'111 => 3;

} /*「A2,A1,A0」のHビットの個数が「Y1,Y0」の値となる*/

・ステートマシーン

フリップフロップなどの遷移するロジックを記述したい場合にはSequencedを使います。

まず、遷移するビット列のフィールド宣言をします。

field count = [Q1,Q0]; /*Q1,Q0を"count"としてひとまとめにする。*/

field mode = [clr,dir]; /*clr,dirを"mode"としてひとまとめにする。*/

up = mode:0; /*clr=L,dir=Lの時up=H*/
down = mode:1; /*clr=L,dir=Hの時down=H*/

clear = mode:[2..3]; /*clr=Hの時clear=H*/

Sequenced count { /*2ビットアップダウンカウンタ*/

/*countの遷移状態が'b'00の時*/

present 'b'00 if up next 'b'01; /*up=1の場合countを'b'01に遷移*/

if down next 'b'11; /*down=1の場合countを'b'11に遷移*/

if clear next 'b'00; /*clear=1の場合countを'b'00に遷移*/

if down out carry; /*down=1の場合carry=H*/

/*countの遷移状態が'b'01の時*/

present 'b'01 if up next 'b'10; /*up=1の場合countを'b'10に遷移*/

if down next 'b'00; /*down=1の場合countを'b'00に遷移*/

if clear next 'b'00; /*clear=1の場合countを'b'00に遷移*/

/*countの遷移状態が'b'10の時*/

present 'b'10 if up next 'b'11; /*up=1の場合countを'b'11に遷移*/

if down next 'b'01; /*down=1の場合countを'b'01に遷移*/

if clear next 'b'00; /*clear=1の場合countを'b'00に遷移*/

/*countの遷移状態が'b'11の時*/

present 'b'11 if up next 'b'00; /*up=1の場合countを'b'00に遷移*/

if down next 'b'10; /*down=1の場合countを'b'10に遷移*/

if clear next 'b'00; /*clear=1の場合countを'b'00に遷移*/

if up out carry; /*up=1の場合carry=H*/

}

・関数

ロジック群をグループ化できます。

function Kansu_namae(A, B) {

Kansu_namae = A & B; /*AとBのANDを返す。*/

}

Y = Kansu_namae(A, B); /*Y = (AとBのAND)*/

・例

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

JKフリップフロップの例

gal16v8での同期JKフリップフロップの例です。

1番ピンはclk,11番ピンは~oeです。

Name Name;

Partno Partno ;

Date 11/11/11;

Revision 01;

Designer Designer;

Company Company;

Assembly None;

Location None;

Device g16v8;

/** Inputs **/

Pin 1 = clk; /* clock */

Pin 2 = j; /* J */

Pin 3 = k; /* K */

Pin 11 = !oe; /* output enable */

/** Outputs **/

Pin 14 = Q; /* outputs */

field ff = Q; /* declare counter bit field */

field mode = [j,k]; /* declare mode control field */

hold = mode:'b'00;

set = mode:'b'10;

reset = mode:'b'01;

inv = mode:'b'11;

/** Logic Equations **/

Sequenced ff {

present 'b'1 if hold next 'b'1;

if set next 'b'1;

if reset next 'b'0;

if inv next 'b'0;

present 'b'0 if hold next 'b'0;

if set next 'b'1;

if reset next 'b'0;

if inv next 'b'1;

}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

RSフリップフロップの例

gal16v8での非同期同期RSフリップフロップの例です。

Name Name;

Partno Partno ;

Date 11/11/11;

Revision 01;

Designer Designer;

Company Company;

Assembly None;

Location None;

Device g16v8;

/** Inputs **/

Pin 2 = r; /* R */

Pin 3 = s; /* S */

/** Outputs **/

Pin 14 = Q1; /* outputs */

Pin 15 = Q2; /* ~Q1 */

/** Logic **/

Q1=!(!r&Q2);

Q2=!(!s&Q1);

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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