KR100994172B1 - 커패시터 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차의 인버터에 구비되는 DC 링크용 커패시터로 사용되는 커패시터 모듈에 관한 것으로, 본 발명의 커패시터 모듈은 다수개의 제1내부전극부(20)가 각각 배열되어 형성되는 다수개의 제1세라믹 시트(10)와, 다수개의 제1세라믹 시트(10) 사이에 각각 적층되며 다수개의 제2내부전극부(40)가 각각 배열되어 형성되는 다수개의 제2세라믹 시트(30)와, 다수개의 제1내부전극부(20)에 각각 연결되는 다수개의 외부전극부(50)와, 다수개의 외부전극부(50)에 각각 연결되어 전기신호를 입출력하는 다수개의 클램프 리드전극부(60)와, 다수개의 클램프 리드전극부(60)의 일단이 각각 노출되도록 다수개의 제1세라믹 시트(20)와 다수개의 제2세라믹 시트(30)와 다수개의 외부전극부(50)를 실링하는 EMC(epoxy molding compound) 몰딩부재로 구성됨을 특징으로 한다.
인버터, DC 링크, 커패시터, 모듈, 내부전극, 클램프, 외부전극

Description

커패시터 모듈{Capacitor module}
본 발명은 커패시터 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 자동차의 인버터에 구비되는 DC 링크용 커패시터로 사용되는 커패시터 모듈에 관한 것이다.
하이브리드(hybrid) 자동차는 엔진과 배터리의 전원으로 구동되는 것으로, 이러한 하이브리드 차량의 동력 분배장치는 연료전지, 모터, 인버터, MCU(Motor Control Unit) 및 DC/DC 컨버터(converter)로 구성된다.
연료전지는 전기를 발생시키며, 모터는 연료전지에서 발생된 전기의 힘으로 구동된다. MCU는 인버터를 PWM(pulse width modulation)으로 제어하며, DC/DC 컨버터는 연료전지에 발생된 전원을 변환시켜 자동차의 각종 전장부하의 전원으로 공급한다. 인버터는 연료전지에서 출력되는 DC 전압을 MCU의 제어에 의해 스위칭하여 3상 교류전원으로 변환하여 모터의 구동 전원으로 공급한다.
모터로 구동전원을 공급하는 인버터에 DC 링크 커패시터가 적용되며, 종래의 DC 링크 커패시터로 커패시터 모듈이 적용된다. 이러한 종래의 커패시터 모듈은 다수개의 알루미늄 전해 커패시터가 적용된다.
종래의 커패시터 모듈로 다수개의 알루미늄 전해 커패시터가 적용되는 경우에 전해액이 사용됨으로 인해 고유저항이 높아 ESR(equivalent series resistance: 등가직렬저항) 및 IR(insulation resistance: 절연저항) 특성이 현저히 떨어지며, IR 특성이 떨어짐으로 인해 임피던스(impedance) 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유전상수가 높은 세라믹을 유전체로 사용함으로써 소형화에도 불구하고 고용량화 할 수 있고, 저 ESR 및 저 IR 특성을 얻을 수 있으며, 방열특성을 개선시킬 수 있는 커패시터 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 커패시터 모듈을 세로방향의 길이에 비해 가로방향의 길이를 크게 함으로써 ESL(equivalent series inductance: 등가직렬인덕턴스) 특성을 개선시킬 수 있는 커패시터 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 커패시터 모듈은 다수개의 제1내부전극부가 각각 배열되어 형성되는 다수개의 제1세라믹 시트와, 상기 다수개의 제1세라믹 시트 사이에 각각 적층되며 다수개의 제2내부전극부가 각각 배열되어 형성되는 다수개의 제2세라믹 시트와, 상기 다수개의 제1내부전극부에 각각 연결되는 다수개의 외부전극부와, 상기 다수개의 외부전극부에 각각 연결되어 전기신호를 입출력하는 다수개의 클램프 리드전극부와, 상기 다수개의 클램프 리드전극부의 일단이 각각 노출되도록 상기 다수개의 제1세라믹 시트와 다수개의 제2세라믹 시트와 상기 다수개의 외부전극부를 실링하는 EMC(epoxy molding compound) 몰딩부재로 구성되며,
상기 다수개의 제1내부전극부는 각각 가로방향×세로방향으로 n×m개가 되도록 배열되는 단형 내부전극으로 이루어지고, 상기 다수개의 제2내부전극부는 각각 세로방향으로 1개 이상이 되도록 배열되는 장형 내부전극으로 이루어지며, 상기 장형 내부전극은 다수개의 단형 내부전극이 세로방향으로 m개가 배열되면 세로방향으로 m-1=p개가 배열되며, 상기 다수개의 외부전극부는 각각 세로방향으로 첫 번째 배열되는 n개의 단형 내부전극에 각각 연결되는 n개의 제1외부전극과 세로방향으로 m번째 배열되는 n개의 단형 내부전극에 각각 연결되는 n개의 제2외부전극으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 커패시터 모듈은 유전상수가 높은 세라믹을 유전체로 사용함으로써 소형화에도 불구하고 고용량화 할 수 있으며, 전극의 재질은 금속을 사용함으로써 저 ESR 및 저 IR 특성을 얻을 수 있으며, 표면적이 증가되어 방열특성을 개선시킬 수 있는 이점을 제공한다.
또한, 본 발명의 커패시터 모듈은 폭에 비해 길이를 크게 함으로써 ESL(equivalent series inductance: 등가직렬인덕턴스) 특성을 개선할 수 있으며, 내부전극의 에지(edge)를 감소시킴으로써 전계분포가 균일하고 전계인가 면적을 높일 수 있는 이점을 제공한다.
본 발명의 커패시터 모듈의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 커패시터 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 커패시터 모듈의 측단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 커패시터 모듈의 분리 조립 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 세라믹시트 적층체의 분리 조립 사시도이다.
도 1 내지 도 4에서와 같이 본 발명의 커패시터 모듈은 다수개의 제1세라믹 시트(10), 다수개의 제2세라믹 시트(30), 다수개의 외부전극부(50), 다수개의 클램프 리드전극부(60) 및 EMC(epoxy molding compound) 몰딩부재(70)로 구성된다.
다수개의 제1세라믹 시트(10)는 다수개의 제1내부전극부(20)가 각각 배열되어 형성되며, 다수개의 제1내부전극부(20)는 각각 가로방향(X축 방향: 도 5a에 도시됨)×세로방향(Y축 방향: 도 5a에 도시됨)으로 n×m개가 되도록 배열되는 단형 내부전극(21)으로 이루어진다. 이러한 다수개의 제1내부전극부(20)는 각각 가로방향×세로방향으로 적어도 4×2개 이상이 되도록 배열되는 단형 내부전극(21)으로 이루어진다.
예를 들어, 도 4에서와 같이 단형 내부전극(21)은 하나의 제1내부전극부(20)에 가로방향×세로방향으로 4×2개 배열되거나 도 5a에서와 같이 하나의 제1내부전극부(20)에 가로방향×세로방향으로 4×3개 배열되도록 형성된다. 이러한 단형 내부전극(21)의 패턴은 사각패턴(pattern)(도 5a에 도시됨), 핑거(finger)패턴(도 5b에 도시됨)이나 에지(edge) 제거 돌출패턴(도 5c에 도시됨) 중 하나가 적용된다. 여기서 에지(edge) 제거 돌출패턴은 에지 제거 사각패턴(부호 미도시)에 연장패턴(부호 미도시)이 일체로 형성되도록 구성된다.
다수개의 제2세라믹 시트(30)는 다수개의 제1세라믹 시트(10) 사이에 각각 적층되며 다수개의 제2내부전극부(40)가 각각 배열되어 형성되며, 다수개의 제2내부전극부(40)는 각각 세로방향(Y축방향: 도 6a에 도시됨)으로 p개가 되도록 배열되는 장형 내부전극(41: 도 6a에 도시됨)으로 이루어진다. 이러한 다수개의 제2내부전극부(40)는 각각 세로방향으로 1개 이상이 되도록 배열되는 다수개의 장형 내부전극(41)으로 이루어진다.
장형 내부전극(41)은 다수개의 단형 내부전극(21)이 세로방향으로 m개가 배 열되면 세로방향으로 m-1=p개가 배열된다. 즉, 장형 내부전극(41)은 세로방향으로 단형 내부전극(21) 보다 하나가 적게 제2세라믹 시트(30)에 배열되어 형성된다. 이러한 장형 내부전극(41)은 사각패턴(도 6a에 도시됨), 에지 제거 사각패턴(도 6b에 도시됨)이나 타원패턴(도 6c에 도시됨) 중 하나가 적용된다.
이와 같이 제1내부전극부(20)와 제2내부전극부(40)를 배열 형성함으로써 다수개의 제1세라믹 시트(10)와 다수개의 제2세라믹 시트(30)가 교대로 적층되어 형성되는 세라믹 시트 적층체(100)는 세로방향의 길이에 비해 가로방향의 길이가 커지게 된다. 이와 같이 세라믹 시트 적층체(100)가 세로방향의 길이에 비해 가로방향의 길이가 커지는 경우에 ESL 특성을 개선할 수 있으며, 표면적을 증가시킴으로써 방열특성을 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 단형 내부전극(21)과 장형 내부전극(41) 사이에 제1세라믹 시트(10)나 제2세라믹 시트(30)가 위치됨으로써 유전체로 세라믹 재질이 적용되어 소형화에도 불구하고 고용량화 할 수 있고, 단형 내부전극(21)이나 장형 내부전극(41)의 패턴에서 에지가 제거된 패턴을 사용하는 경우에 전계분포를 균일하게 할 수 있으며, 장형 내부전극(41)을 하나의 긴 패턴으로 형성함으로써 전계인가 면적을 높일 수 있게 된다.
예를 들어, 장형 내부전극(41: 도 6a에 도시됨)은 도 4에서와 같이 단형 내부전극(21)이 가로방향×세로방향으로 4×2개 배열되는 경우에 하나의 장형 내부전극(41)으로 겹쳐지도록 구성하여 다수개의 커패시터를 형성함으로써 단형 내부전극(21)의 가로방향의 개수에 따라 분할하는 경우에 발생될 수 있는 에지로 인한 전 계의 불균일한 분포를 개선할 수 있으며, 표면적이 증가되어 전계인가 면적을 높일 수 있게 된다.
다수개의 외부전극부(50)는 다수개의 제1내부전극부(20)에 각각 연결된다. 이러한 다수개의 외부전극부(50)는 각각 n개의 제1외부전극(51)과 n개의 제2외부전극(52)으로 이루어진다.
제1외부전극(51)은 도 3에서와 같이 세로방향으로 첫 번째 배열되는 단형 내부전극(21)이 n개가 구비되는 경우에 각각의 단형 내부전극(21)에 연결되기 위해 제1외부전극(51)은 n개가 구비되며, 제2외부전극(52)은 세로방향으로 m번째 배열되는 단형 내부전극(21)이 n개가 배열되는 경우에 각각의 단형 내부전극(21)에 연결되기 위해 n개가 구비된다. 이러한 제1외부전극(51)과 제2외부전극(52)은 도 2에서와 같이 단형 내부전극(20)과의 사이에 접착력을 개선하기 위해 도전성 접착부재(81)가 더 구비된다. 여기서 도전성 접착부재(81)는 솔더 페이스트(solder paste)나 도전성 에폭시 등이 적용된다.
제1외부전극(51)과 제2외부전극(52)은 도 2에서와 같이 주석(Sn) 전극부재(50a), 니켈(Ni) 전극부재(50b), 실버 에폭시(Ag epoxy)부재(50c) 및 구리(Cu) 전극부재(50d)로 구성된다.
주석 전극부재(50a)는 단형 내부전극(21)에 형성되어 접착력을 니켈 전극부재(50b)가 단형 내부전극(21)에 용이하게 접착되도록 한다. 니켈 전극부재(50b)는 주석 전극부재(50a)의 상측에 형성되며, 실버 에폭시부재(50c)는 니켈 전극부재(50b)의 상측 형성되어 주석 전극부재(50a)와 같이 접착력을 제공한다. 구리 전 극부재(50d)는 실버 에폭시부재(50c)의 상측에 형성되어 실버 에폭시부재(50c)의 접착력에 의해 니켈 전극부재(50b)에 용이하게 형성되며, 이러한 구리 전극부재(50d)는 제1외부전극(51)과 제2외부전극(52)이 각각 외부 공기와 반응하여 산화되는 것을 방지한다.
다수개의 클램프 리드전극부(60)는 다수개의 외부전극부(50)에 각각 연결되어 전기신호를 입출력한다. 이러한 다수개의 클램프 리드전극부(60)는 각각 제1클램프 리드전극(61)과 제2클램프 리드전극(62)으로 이루어진다. 제1클램프 리드전극(61)은 n개의 제1외부전극(51)에 연결되며, 제2클램프 리드전극(62)은 n개의 제2외부전극(52)에 연결되어 전기신호를 입출력한다. 여기서, 전기신호는 하이브리드 자동차의 인버터 회로(도시 않음)내에서 입력되고 그 회로로 출력된다. 전기신호를 입출력하는 다수개의 클램프 리드전극부(60)는 금속재질이 적용되어 저 ESR 및 저 IR 특성을 얻을 수 있게 된다.
EMC(epoxy molding compound) 몰딩부재(70)는 다수개의 클램프 리드전극부(60)의 일단이 각각 노출되도록 다수개의 제1세라믹 시트(10)와 다수개의 제2세라믹 시트(30)와 다수개의 외부전극부(50)를 실링(sealing)한다.
EMC 몰딩부재(70)에 의해 일단이 노출되도록 실링되는 제1클램프 리드전극(61)과 제2클램프 리드전극(62)을 첨부된 도 2, 도 3, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6a 및 도 6b에서와 같이 제1클램프 리드전극(61)과 제2클램프 리드전극(62)은 각각 n개의 제1끼움부재(60a), n개의 제2끼움부재(60b), 연결끼움부 재(60c) 및 리드(lead)판부재(60d)로 구성된다.
n개의 제1끼움부재(60a)는 다수개의 제2세라믹 시트(30) 중 수직방향으로 상측에 위치되는 제2세라믹 시트(30)에 세로방향으로 첫 번째 배열되는 n개의 단형 내부전극(21)에 연결되는 제1클램프 리드전극(61)이나 세로방향으로 m번째 배열되는 n개의 단형 내부전극(21)에 각각 연결되도록 끼워진다.
n개의 제2끼움부재(60b)는 다수개의 제2세라믹 시트(30) 중 수직방향으로 하측에 위치되는 제2세라믹 시트(30)에 세로방향으로 첫 번째 배열되는 n개의 단형 내부전극(21)에 연결되는 제1클램프 리드전극(61)이나 세로방향으로 m번째 배열되는 n개의 단형 내부전극(21)에 각각 연결되도록 끼워진다. 이러한 제1끼움부재(60a)와 제2끼움부재(60b)는 각각 n개의 제1외부전극(51)이나 n개의 제2외부전극(51)의 일측이나 타측과 접착력을 개선하기 위해 도 2에서와 같이 도전성 접착부재(82)가 더 구비된다. 여기서 도전성 접착부재(82)는 솔더 페이스트나 도전성 에폭시 등이 적용된다.
연결끼움부재(60c)는 n개의 제1끼움부재(60a)와 n개의 제2끼움부재(60b)와 각각 연장되도록 형성됨과 아울러 다수개의 제2세라믹 시트(30) 중 상측과 하측에 위치한 제2세라믹 시트(30)를 제외한 나머지 제2세라믹 시트(30)에 세로방향으로 첫 번째 배열되는 n개의 단형 내부전극(21)에 연결되는 제1클램프 리드전극(61)이나 세로방향으로 m번째 배열되는 n개의 단형 내부전극(21)에 각각 연결되도록 끼워진다. 이러한 연결끼움부재(60c)의 다른 실시예로 도 7a에서와 같이 각각 n개의 제1끼움부재(60a)와 n개의 제2끼움재(60b)가 각각 n개의 제1외부전극(51)이나 n개의 제2외부전극(52)의 일측이나 타측에 탄성력에 의해 접촉되도록 절곡된다. 즉, 연결끼움부재(60c)의 중간 부분을 절곡시킴으로써 연결끼움부재(60c)는 제1끼움부재(60a)와 제2끼움부재(60b)에 각각 탄성력을 제공한다. 또한, 연결끼움부재(60c)는 도 3에서와 같이 다수개의 절곡홈(60e)이 배열되어 형성된다. 다수개의 절곡홈(60e)은 연결끼움부재(60c)가 금속 재질이 적용됨으로 인해 발생될 수 있는 굽힘 등의 왜곡을 방지할 수 있게 된다.
리드판부재(60d)는 n개의 제2끼움부재(60b)와 연장되도록 형성되어 전기신호를 입력받거나 출력할 수 있도록 하이브리드 자동차의 인터버(도시 않음)의 회로기판(도시 않음)에 솔더링(soldering)된다. 이러한 리드판부재(60d)의 다른 실시예로 도 7b에서와 같이 Z자형으로 형성된다. Z자형으로 형성된 리드판부재(60d)는 자동차의 충격이 발생되는 경우에 이를 완화시켜 본 발명의 커패시터 모듈이 적용되는 자동차의 인버터가 손상되는 것을 방지한다.
본 발명의 커패시터 모듈은 하이브리드 자동차에 적용되는 인버터나 고압, 고용량이 필요한 산업용 인버터 등의 분야에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 커패시터 모듈의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 커패시터 모듈의 측단면도,
도 3은 도 1에 도시된 커패시터 모듈의 분리 조립 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 세라믹시트 적층체의 분리 조립 사시도,
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 제1내부전극의 다른 실시예를 나타낸 평면도,
도 6a 내지 도 6c는 도 4에 도시된 제2내부전극의 다른 실시예를 나타낸 평면도,
도 7a 및 도 7b는 도 1에 클램프 리드전극부의 다른 실시예를 나타낸 커패시터 모듈의 측단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10: 제1세라믹 시트 20: 제1내부전극부
21: 단형 내부전극 30: 제2세라믹 시트
40: 제2내부전극부 41: 장형 내부전극
50: 외부전극부 51: 제1외부전극
52: 제2외부전극 60: 클램프 리드전극부
61: 제1클램프 리드전극 62: 제2클램프 리드전극
70: EMC 몰딩부재

Claims (15)

  1. 다수개의 제1내부전극부가 각각 배열되어 형성되는 다수개의 제1세라믹 시트와,
    상기 다수개의 제1세라믹 시트 사이에 각각 적층되며 다수개의 제2내부전극부가 각각 배열되어 형성되는 다수개의 제2세라믹 시트와,
    상기 다수개의 제1내부전극부에 각각 연결되는 다수개의 외부전극부와,
    상기 다수개의 외부전극부에 각각 연결되어 전기신호를 입출력하는 다수개의 클램프 리드전극부와,
    상기 다수개의 클램프 리드전극부의 일단이 각각 노출되도록 상기 다수개의 제1세라믹 시트와 다수개의 제2세라믹 시트와 상기 다수개의 외부전극부를 실링하는 EMC(epoxy molding compound) 몰딩부재로 구성되며,
    상기 다수개의 제1내부전극부는 각각 가로방향×세로방향으로 n×m개가 되도록 배열되는 단형 내부전극으로 이루어지고,
    상기 다수개의 제2내부전극부는 각각 세로방향으로 1개 이상이 되도록 배열되는 장형 내부전극으로 이루어지며, 상기 장형 내부전극은 다수개의 단형 내부전극이 세로방향으로 m개가 배열되면 세로방향으로 m-1=p개가 배열되며,
    상기 다수개의 외부전극부는 각각 세로방향으로 첫 번째 배열되는 n개의 단형 내부전극에 각각 연결되는 n개의 제1외부전극과 세로방향으로 m번째 배열되는 n개의 단형 내부전극에 각각 연결되는 n개의 제2외부전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 제1내부전극부는 각각 가로방향×세로방향으로 4×2개 이상이 되도록 배열되는 단형 내부전극으로 이루어짐을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 단형 내부전극은 사각패턴, 핑거패턴 및 에지 제거 돌출패턴 중 하나가 적용됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 장형 내부전극은 사각패턴, 에지 제거 사각패턴 및 타원패턴 중 하나가 적용됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 n개의 제1외부전극과 상기 n개의 제2외부전극은 각각 단형 내부전극과의 사이에 도전성 접착부재가 더 구비됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 n개의 제1외부전극과 상기 n개의 제2외부전극은 각각 단형 내부전극에 형성되는 주석 전극부재와,
    상기 주석 전극층의 상측에 형성되는 니켈 전극부재와,
    상기 니켈 전극층의 상측 형성되어 접착력을 제공하는 실버 에폭시부재와,
    상기 실버 에폭시층의 상측에 형성되는 구리 전극부재로 구성됨을 커패시터 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 클램프 리드전극부는 각각 n개의 제1외부전극에 연결되는 제1클램프 리드전극과 n개의 제2외부전극에 연결되는 제2클램프 리드전극으로 이루어지며,
    상기 다수개의 제1클램프 리드전극과 상기 다수개의 제2클램프 리드전극은 각각 상기 n개의 제1외부전극이나 n개의 제2외부전극의 일측과 각각 연결되도록 끼워지는 n개의 제1끼움부재와,
    상기 n개의 제1외부전극이나 n개의 제2외부전극의 타측과 각각 연결되도록 끼워지는 n개의 제2끼움부재와,
    상기 n개의 제1끼움부재와 상기 n개의 제2끼움부재 사이에 형성되는 연결끼움부재와,
    상기 n개의 제2끼움부재와 연장되도록 형성되는 리드판부재로 구성됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1끼움부재와 상기 제2끼움부재는 n개의 제1외부전극이나 n개의 제2외부전극의 일측이나 타측과 접착력을 개선하기 위해 도전성 접착부재가 더 구비됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  13. 제11항에 있어서, 상기 연결끼움부재는 n개의 제1끼움부재와 상기 n개의 제2끼움부재가 n개의 제1외부전극이나 n개의 제2외부전극의 일측이나 타측에 탄성력에 의해 접촉되도록 절곡됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  14. 제11항에 있어서, 상기 연결끼움부재는 다수개의 절곡홈이 배열되어 형성됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
  15. 제11항에 있어서, 상기 리드판부재는 Z자형으로 형성됨을 특징으로 하는 커패시터 모듈.
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