製 品 技 術 紹 介

RAV4 PHV向け昇圧コンバータの開発

Boost Converter Development for RAV4 PHV＊1

古野間 高顕Takaaki Konoma

＊1

鰐部 真治
Shinji Wanibe

須網 勝

＊1

Masaru Suami＊1 エレクトロニクス事業部 技術部

要旨

RAV4 PHV向け昇圧コンバータの開発課題は、高放熱化、小型化、高信頼性確保であった。その解決手段として、高放熱鍛造ピンフィン、摩擦攪拌接合、ゲル封止という新要素技術を確立し、小型・高品質の昇圧コンバータを実現。PHV車両の商品性向上に大きく寄与することができた。
キーワード：昇圧コンバータ、鍛造ピンフィン、摩擦攪拌接合、ゲル封止
The development issues for the boost converter for RAV4 PHV were high heat dissipation,
miniaturization, and high reliability. As a solution, we have established new elemental technologies
such as high heat dissipation forged pin fins, friction stir welding, and gel sealing to realize a compact,
high-quality boost converter. We were able to make a significant contribution to improving the productappeal of PHV vehicles.

製品技術紹介Abstract

Keywords: Boost Converter, Forging Pin Fin, Friction Stir Welding（FSW）, Gel Sealing
PCU

1 はじめに
近年の環境規制強化により、自動車メーカー各社は電動化へのシフトを加速、市場も急拡大を続けている。
トヨタ自動車は、走る楽しさの追求と地球環境へ配慮の両側面が重要である、との考えの下、動力性能追求とともにクルマの環境負荷ゼロを目指して、RAV4 PHVを開発した（図1）。
このコンセプトを達成する車両システムとし単電源
Li電池

C1昇圧
コンバータ
（48kW）

走行用インバータ

MG1
MG2C2昇圧コンバータ（62kW）
図2 ダブル昇圧システム
Fig.2 Double Boost Systemて、低燃費実現のバッテリ容量増加（＝EV走行距離向上）とともに、高性能化のEV出力増加（＝EV

また、TNGA（Toyota New Global Architec-走行性能向上）を実現するため、従来搭載の昇圧コture）のコンセプトの下、多数の部品を共有化し、ンバータに加えて、もう一つ昇圧コンバータを並HV車両と同じ位置へPCUが搭載可能であること列接続したダブル昇圧システム（図2）を採用するも開発の要求であったため、HV PCUの構成内のことになった。

DC-DCコンバータのスペースへ追加の昇圧コンバータを置き換え、搭載されることになった。
本稿では、上述した追加の昇圧コンバータの開発に取り組んだので報告する。

2 昇圧コンバータの開発課題
昇圧コンバータの開発課題は大きく3点ある。
昇圧コンバータは、PCU内の既存DC-DCコンバータとの置き換え搭載を行う。出力の小さい
図1 RAV4 PHV
Fig.1 RAV4 PHVDC-DCコンバータを搭載していた狭い空間に大電力製品を搭載するため、出力密度が増大することになる。よって、昇圧コンバータは高放熱を実現することが1つ目の課題となる。置き換え搭載が前提であるため、昇圧コンバータ搭載のために周辺部品の形状を修正することは一切できない。製品の徹底的な小型化が2つ目の課題である。PHV
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RAV4 PHV向け昇圧コンバータの開発

車の商品性向上目的のため、昇圧コンバータの要抗の関係を解析にて求めた。この関係から、熱抵8）。以上より、目標28W/m2Kに対し、それを上回

求寿命が通常のHV車両の2倍となっており、高信抗0.2℃ /W以 下 を 実 現 す る た め に 必 要 な α はる29W/m2Kで設計成立する形状が得られた。

頼性確保が3つ目の課題である。

28kW/m2K以上となる（図4）。
熱伝達率は、放熱面から冷却水への熱交換の度

3 高放熱化の取り組み

冷却性能が高い。

3.1 昇圧コンバータの構成

パッケージ

ASSY（図3）で、客先にてアルミケースに搭載さアルミ

熱抵抗 RthてASSYを水冷する。

冷却水

アルミ下面に熱伝達率αの条件を与える

0.2400.220d 配置角度［deg］

0.2000.1800.160

20253035

フィンの表面積を大きくするため、ピンフィン構造とした。ピンフィン製造工法は、コスト面から鍛造を選択した。
鍛造の成形性の観点から、円柱状のピンが林立

図3 昇圧コンバータ構成
Fig.3 Boost Converter Structure

した形状とした（図5）。

行うと、締結部およびシール部材を設けることが

図6 ピンフィン設計パラメータ
Fig.6 Design parameters for Pin Fin

困難であった（図9）。
そこで我々は、従来どおり「部品をボルトで締結する」のではなく、「ボルトを使用せず、部品を接合熱伝達率、圧力損失ともに要求を満たす領域フィン先端隙する」方法を検討することとした。
検討した接合方法を表1に示す。

1.00我々は、固層接合の一種である摩擦攪拌接合に0.80着目し、昇圧コンバータへ適用するための詳細検討を行った。

0.60

ガスケット

0.20

昇圧コンバータの発熱は、電圧変換を担うスイッチング素子の発熱が主である。スイッチング

5.00

6.00

7.00

図7 応答曲面グラフ
Fig.7 Response surface graphパッケージングされた部品である。

9.00 ピン高さ

8.00「パッケージ→グリース→アルミ→冷却水」という

図5 ピンフィン
Fig.5 Pin Fin

伝熱経路をたどる。
ここで冷却に必要な熱抵抗Rth（℃ /W）は式（1）単純に、ピンを密集させ本数を増やすほど放熱面積は増加するが、隙間が少なくなることで冷却で計算できる。

熱伝達率［ｋW/m2℃］

ベースプレート上にシリコーングリースを塗布しパッケージを設置する。よって、素子の冷却は、水の圧力損失も増加する。冷却水を循環させる
昇圧コンバータに割り当てられる圧力損失上限もTc：冷却水温度規定される。
よって、ピンフィンの設計では、「熱伝達率（W/Q：素子損失m K）」と「圧力損失（kPa）」の二つの特性値の同時2上式で算出した結果、昇圧コンバータの冷却に必要なRthは0.2℃ /W以下となる。

最適化を行う必要があるため、応答曲面法を適用し、圧力損失の目標13kPa以下を満たしつつ熱伝パッケージを設置する部位の材質は、熱抵抗を 小 さ く す る た め に、ベ ー ス プ レ ー ト の 材 質
ADC12よりも高熱伝導な純アルミA1100を採達率が最大となるよう、最適化を行った。ピンフィンの設計パラメータを図6に示す。
応答曲面法にて、二つの特性値が要求を満たす領域を調査した（図7）。

用する。
そして、放熱面の熱伝達率α[kW/m K]と熱抵2No.71

最適解を設計値とし、設計性能を確認した（図圧力損失［ｋPa］

Tmax：素子最大温度35

良い30

Typ：29ｋW/m2℃

25 目標 28ｋW/m2℃

min：27ｋW/m2℃200369121514.012.0

良い10.0

目標 13ｋPa

max：12.5ｋPa
Typ：8.7ｋPa

8.06.04.0

表1 接合方法の比較
Table1 Comparison of Joining methods
低背化 シール

変形コスト
△

溶融接合

アーク溶接

△○××

固相−液相接合

ロウ付け

△

○

○

○

×

固相接合

超音波接合
摩擦攪拌接合（FSW）

△○

△

○

△

○

○

○

○

△

4.2 摩擦攪拌接合

摩擦攪拌接合（Friction Stir Weldingの頭文字

2.00.0締結必要幅

強度1510ベースプレート

図9 フィンの固定
Fig.9 Fixing the Fin

流量［L/min］

ウォーターポンプは他の機器とも共有するため、

Rth＝（Tmax-Tc）/Q………（1）ピンフィン

締結必要高さ0.00
4.00

素子は放熱用の銅板上に実装され、全体を樹脂で豊田自動織機技報要がある。しかし、与えられた空間内に部品配置を0.40

3.2 熱抵抗と熱伝達率68

スプレートとピンフィンを隙間なくシールする必
e40

熱伝達率α［kW/m2K］路の蓋」でもあるため、ガスケット等を用いてベーce フィン先端隙［mm］

3.3 目標熱伝達率の達成手段（ピンフィンの設計）

ピンフィン

スが必要となった。また、ピンフィンはいわば「水c ピン高さ［mm］

目標28kW/m2K

図4 目標熱伝達率
Fig.4 Target of Heat Transfer Coefficient

ベースプレートは逆行しピンフィンを締結固定するためのスペー

b フィン間［mm］

製品技術紹介れ、PCUとして完成する。ベースプレートを介しグリース

熱抵抗Rth［℃/W］

素子

設計成立の目処がたったが、これにより、小型化とda ピン径［mm］

スプレート」上に基板等の電子部品を搭載した

放熱性能は、別体の鍛造ピンフィン採用によりbパラメータ

昇圧コンバータは、アルミダイカスト製の「ベー4.1 ピンフィンの固定とシールa合いを示す数値であるため、この数値が高いほど4 小型化の取り組み

03691215

流量［L/min］※破線はフィン先端隙ばらつき±0.25mm

図8 ピンフィン設計性能
Fig.8 Design performance for Pin Finをとり、FSWと呼ぶ）は、回転するツール（一般的に雄ねじ形状）を接合界面に押し込み、摩擦熱により材料を軟化させ、接合界面に沿ってツールを動かすことで接合する接合技術である。
FSWの接合ステップを図10に示す。
回転するツールが接合界面に沿って動く際に、ツールの前方から後方へアルミが攪拌され送り込
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RAV4 PHV向け昇圧コンバータの開発い）。接合品質に対して、ツールと部品の位置関係が非常にセンシティブになり、条件出しも困難でツール

材料A

ツール進行方向接合部

図10 FSW
Fig.10 FSW

いても評価を行った。評価は、各ポイントでの断面ベースプレートの壁高さに対し、ピンフィンの厚みが上回る寸法設定とする（図13）。ベースプ

これらの、「難しさ」へのアプローチとして以下材料がツール後方に送られる材料Bある。

（3）材料の段差を行った。

ンのアルミが供給され不足分を補い、材料不足に（1）重ね接合＋突合せ接合よる欠損を抑制する狙いである。の接合だけでなく、ピンフィンがベースプレートこの重ね面の接合を主とする。重ね面は、ツールるため、アーク溶接のように著しい変形や、熱影響による押し込み力で常にベースプレートに押し付による強度低下は起こりにくい。

けられ隙間は無くなる。また、重ね面の接合にはツール位置（突合せ面とツール軸との位置関係）の影響もないため、安定した接合が可能となる。

種金属間の接合も可能である。

FSW条件（設備パラメータ）

材料段差
ピンフィン

での採用例は今回が初となる。
FSWは、アーク溶接とは異なり、溶接棒による突合せ面

従来方法
突合せ接合
突合せ面

攪拌部ピンフィン

断面図

ピンフィン

重ね面

ベースプレート攪拌部

ベースプレート
点線部を接合重ね面
点線部を接合図11 接合箇所Fig.11 Joint

材料供給をしない。そのため、接合前の部品間に隙間があると、材料不足による「欠損」の原因となる。

図13 材料段差
Fig.13 Material step（2）ツール位置のオフセット

欠損は接合部表面が谷状にえぐれたり、内部にボ流動し難いADC12の攪拌を極力抑える狙いかイドのように発生し、接合強度不足をまねく。まら、ツール中心位置を、突合せ面からピンフィン側た、接合条件が不適切であると、材料が狙い通りにに意図的にオフセットさせた（図12）。流動しやすツール後方に送り込まれず、これも欠損の原因といA1100が主に攪拌され、逆にベースプレート側なる。

であるADC12はわずかに表面が攪拌されるのみ定義する。図14は、FSWで接合した試験片を用いた引張試験の結果である。接合幅が1.9mmを超えると、必ず引張強さの小さいA1100側で母材破断する。

また、昇圧コンバータではベースプレートのADC12とピンフィンのA1100という「異種アルピンフィンミ」を接合する点でも難しさがある。
アルミ合金は添加物によって機械的性質が変化し、塑性流動時のアルミの「流動性」も異なる。攪
拌した時の流動量が違うため、
A1100は正しく流

70

ベースプレート
図12 ツール位置のオフセット
Fig.12 Offset of Tool position［mm］

ベースプレート

［mm］

ツール位置

［mm］

強度OK（A1100母材破断）強度NG（接合部破断）

0.5
①0.3

② 想定ばらつき範囲

0.1－0.1－0.2

00.2

0.40.6

断面図
（①条件）

断面図
（②条件）

挿入量
［mm］

図15 プロセスウィンドウ結果
Fig.15 Result of Process Window

不足を突合せ面で補っているためである。

挿入が浅く、かつ突合せ面へのツールの当たり具以上より、接合幅を1.9mm確保できる条件で接合を行えば、接合強度が満足できるといえる。

合も弱くなるため、接合幅不足により強度が出なかったと考えられる。バラつき範囲内では強度不足な点はなく、この範囲の中央をねらい値とすれ接合部140120ピンフィン
ベースプレート 接合幅ば安定して接合できることが分かった。

接合幅1.9mm未満＋突合せ面の攪拌有り

100

母材破断

接合幅50倍で測定

80604001.5も保証できている。

接合部破断

1.61.7

FSWでピンフィンを接合したベースプレート
は、リーク検査でNGとなることはなく、シール性

接合幅1.9mm以上

以上により、鍛造ピンフィンをFSW接合した
1.8

1.92.0接合幅mm

2.12.22.3

2.44.5 プロセスウィンドウ評価
突合せ面挿入量

ピンフィン得られない結果が見られた。この点は、ツールの

図14 接合幅と引張強さ
Fig.14 Joint width and Tensile strength

間は必ず生じ、寸法ばらつきの影響も受ける。

［mm］の攪拌もされている場合であり、重ね面の接合幅オフセット

ピンフィンを落とし込み、周囲を接合するため、隙ツール位置バラつき範囲外の左上の調査点で、接合強度が20ンバータでは、ベースプレートに設けた開口部に［mm/min］なる場合がある。これは、重ね面に加えて突合せ面板材の1辺を直線的に接合する突合せ接合の場寸法バラつきの影響も排除できる。しかし、昇圧コ送り速度

接合幅1.9mmを下回ってもA1100母材破壊ととなる。
合、板材同士を隙間なく配置するのは容易であり、［rpm］

接合幅1.9mm未満領域

4.4 FSWの良品条件

引張強さn/mm2

接合

トヨタ自動車では、ボデー製造の分野でのFSW採用事例はあるが、シール性を要求される水路部

ベースプレート挿入量

回転数

クリアランス
部品（部品バラツキ） 段差

材料の重ね面が攪拌された幅を「接合幅」として開発品
重ね接合＋突合せ接合単位

項目

製品技術紹介FSWは融点以下で塑性流動を利用して接合す

4.3 昇圧コンバータへの適用

表2 FSWのパラメータ
Table2 Parameters of FSW

ピンフィン側面とベースプレートとの突合せ面する（図11）。

れてきた技術であるが、原理的には非アルミや異示す。

レートとピンフィン間の隙間に対して、ピンフィ上に重ね置かれる設置面（重ね面）も攪拌し、接合アルミ合金同士の接合技術として研究・開発さ観察と引張試験を行った。その調査結果を図15にツール位置［mm］まれることで接合される。

ベースプレートを実現したことで、小型化に大きく貢献した。

5 高信頼性確保の取り組み
熱抵抗低減のため、スイッチング素子のパッ安定してFSW接合の「良品」を得るための接合ケージを設置する面にはシリコーングリースを塗条件を定めるため、また、バラつきに対しての許容布している。スイッチング素子のON、OFF動作の量を把握するためプロセスウィンドウ評価を行っ切り替わりによって発熱量も増減を繰り返すが、た。

これはつまりパッケージとしても熱膨張・収縮をパラメータを表2に示す。ツール位置と挿入深繰り返すということである。この動作により、塗布さは、その値が接合幅と密接に関係し、かつ部品寸していたグリースが押し出される。この現象は「ポ法バラつきや治具精度の影響も受ける重要なパランプアウト」と呼ばれる。

動できても、ADC12が流動不十分という結果にメータである。それぞれのパラメータの上下限範ポンプアウトによりグリースが抜けてしまうとなり、欠損が発生する（ADC12は特に流動性が悪囲（想定バラつき範囲）と、さらに外側の範囲につ熱抵抗は増大する。これは、初期状態では問題無く

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ても使用するうちに経年劣化するということである。その結果、素子の冷却が不十分となり、出力低下する。
これは車両の動力性能低下に直結する。通常の要求寿命範囲であれば、問題となるレベルまとなる。

200100メカニズムを正確に把握するため、視える化試0験を実施した。
これにより、熱膨張によりパッケー通電時ジがグリースを物理的に押し出すことに加え、反ったパッケージ端面から空気が巻き込まれることもわかった（図16a）。

目標200
100

良いでの劣化はしないが、RAV4 PHVでは対策が必要

パワーサイクル寿命（ゲル封止効果）【％】
300300

従来品

開発品

通電後

図17 パワーサイクル評価結果
Fig.17 Result of Power cycle evaluation

6 まとめ

このグリース押し出しと空気巻き込み２点へ

高放熱鍛造ピンフィン、FSW、ゲル封止の新要の対策として、パッケージ周囲を熱硬化型のシリ素技術を確立した。これにより小型・高品質の昇圧コーンゲルで封止する方法を採用した。その構造コンバータを実現し、RAV4 PHVの商品性向上にを図16bに示す。

大きく貢献することができた。

ゲルは、硬化後はグリースを押しとどめるのに今後は、確立した各要素技術を他製品の開発に十分な硬さを有し、また、パッケージの反りが発生横展開し、製品の商品性、競争力の向上を図っていしてもゲルの液面の方が高い位置に存在するた

きたい。

め、空気を巻き込むことはない。

本開発にあたり多大なご協力をいただいた日本

また、ゲルを溜めるためのバスタブ構造として、樹脂枠をベースプレートに接着する方法を採用し軽金属（株）、日軽松尾（株）の皆様、および社内外関係部署の皆様に深く感謝いたします。

た。この樹脂枠があることでゲルの充填量を必要最小限にでき、端子台としての機能も包含させることで、製品の小型化にも寄与している。

■著者紹介■

パワーサイクル試験結果の比較を図17に示す。
昇圧コンバータはゲル封止構造採用により、ポンプアウト抑制が可能となり従来の2倍の寿命目標に対し3倍を達成することができた。
通電時
パッケージ
※1

※1

空隙
空隙

内側から外側に向かってグリースに歪が発生

鰐部 真治

須網 勝

通電後
※2

空気巻込み

ひずみの分布ベースプレート

古野間 高顕繰り返し※2

グリース排出空隙

移動したグリース

グリース歪は完全には復元しない
内部に空隙発生（a）
ポンプアウトメカニズム

①

パッケージ
グリース

ベースプレート②

ゲル樹脂枠① 空気の巻込みを抑制② パケージ外周からの排出を抑制（b）
ゲル封止構造図16 ポンプアウトメカニズムとゲル封止
Fig.16 Pump-out mechanism and Gel sealing

開発の経緯と開発者の思い
低燃費、EV走行の高出力化の実現を目指すRAV4 PHVの開発の一翼を担うことは、大きな使命感、責任感を感じるとともに、失敗できないというプレッシャーがありました。限られたスペースに搭載する昇圧コンバータの高放熱化、小型化、高信頼性確保のために、社内外の関係者と議論、検討、評価を重ね、困難と思われる様々な課題を解決し、ついに新要素技術を確立させることができました。今後もお客様に喜ばれる車両の実現のため、課題を乗り越え、開発に取り組んでいきたいと思います。

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