KR101033892B1 - 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터에 관한 것으로서, 인버터 내 스위칭 전압의 과도한 상승을 막고 IGBT 파워모듈이 과전압에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 사용되는 스너버 캐패시터의 장착 구조 및 형상을 개선하여, 인버터 내에서 스너버 캐패시터의 냉각성능 및 내구수명을 향상시키고, 또한 인버터의 출력밀도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

인버터, 스너버 캐패시터, IGBT, 냉각성능, 내구수명, 출력밀도

Description

스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터{Invertor with improved cooling performance of snubber capacitor}

본 발명은 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터 내 스위칭 전압의 과도한 상승을 막고 IGBT 파워모듈이 과전압에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 사용되는 스너버 캐패시터의 장착 구조 및 형상을 개선하여, 인버터 내에서 스너버 캐패시터의 냉각성능 및 내구수명을 향상시키고, 또한 인버터의 출력밀도를 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.

통상의 전기자동차에는 구동력을 얻기 위해 연료전지나 슈퍼캡, 배터리 등의 전원, 인버터, 3상 모터, 모터 제어기(MCU)를 포함하는 인버터 전압 제어방식의 모터 제어 시스템이 구비된다.

여기서, 인버터는 전원으로부터 공급되는 DC 전원을 스위칭하여 3상 모터로 AC 전원을 인가하게 되고, 모터 제어기에서는 인버터의 스위칭 동작을 제어하게 된다.

그리고, 인버터는 DC 전원을 AC 전원으로 변환시키기 위해 6개의 스위칭 소자들을 턴 온(On) 및 턴 오프(Off)시키게 되는데, 모터 제어기에서는 예를 들어 운전자의 요구토크가 발생하게 되면 3상 모터에 인가할 실제의 전류지령치를 계산한 뒤 이에 맞도록 인버터의 6개 스위칭 소자들에 대한 턴 온 및 턴 오프를 결정하게 된다.

첨부한 도 1은 산업용 인버터에서 적용되고 있는 일반적인 인버터 구조를 보여주는 도면으로, 도면부호 11은 IGBT 파워모듈을, 도면부호 14는 필름 캐패시터를, 도면부호 1은 구동모터를 각각 나타낸다.

도시된 바와 같이, 산업용이나 친환경차량인 하이브리드 차량 및 연료전지 차량, 기타 전기자동차에서 구동모터(1)를 제어하는 통상의 인버터(10)에는 고전압 스위칭에 의한 과도 전압 상승을 제한하기 위해 스너버 캐패시터(Snubber Capacitor)(13)가 구비된다.

친환경차량인 하이브리드 차량이나 수소 연료전지 차량에서 적용되고 있는 인버터와 마찬가지로, 산업용 인버터에서도 고전압 직류입력단(15)의 직류전압을 이용하여 고주파 스위칭을 함으로써 직류를 교류로 변환하게 되는데, 이때 전력용 반도체인 IGBT 스위치(12)의 온-오프 스위칭 순간에 발생하는 스위칭 전압의 과도한 상승을 막아 IGBT 파워모듈(11)이 보장하고 있는 전압정격 내로 만족하도록 하여 IGBT 파워모듈의 손상을 방지하기 위해 스너버 캐패시터(13)와 같은 완충 부품을 추가하여 이를 해결하고 있다.

첨부한 도 2는 인버터 내의 스너버 캐패시터의 특성시험 결과를 나타낸 도면 으로, 스너버 캐패시터의 효과를 보여주고 있다.

(a)에 나타낸 바와 같이, 인버터 내의 IGBT 파워모듈 양단에 스너버 캐패시터가 없는 경우에는 스위칭에 의한 전압상승이 약 90V까지 오버슈팅(overshooting)한 뒤 정상 직류전압으로 회복된다. 이러한 순간적인 과전압 상승을 방지하기 위해 스너버 캐패시터를 IGBT 파워모듈의 직류입력단 양측에 연결하면 (b), (c)와 같이 순간적으로 상승하는 전압을 감소시켜 과도한 전압 상승에 의해 IGBT 파워모듈이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

스너버 캐패시터의 특성시험 결과, 직류전압 300V를 인가한 뒤 출력전류를 약 200A로 흘리면서 IGBT 파워모듈의 스위칭에 의한 전압 상승 형태를 측정하였을 때, 스너버 캐패시터가 없는 경우에 비해서 스너버 캐패시터를 IGBT 파워모듈의 각 직류입력단에 연결할 경우 상승하는 오버슈팅 전압이 감소함을 알 수 있었다.

이 스너버 캐패시터의 용량을 키우면 그 전압 감소 효과가 더욱 커질 수 있으나 인버터 내부의 패키징이라든가 제조 가격 등등을 고려할 때 적정한 수준에서의 스너버 캐패시터 용량을 선정하여 적용할 수 있다.

또한 스너버 캐패시터는 높은 dv/dt(High dv/dt)가 요구되는 IGBT 파워모듈과 그 응용회로에 적용되며, 과도적인 응답특성에 대한 보호 및 방지를 위해 적용된다.

스너버 캐패시터의 특성을 최대한 활용하기 위해서는 IGBT 파워모듈의 입력단에 최대한 가깝게 장착하는 것이 유리하고, 낮은 ESR(Low ESR)과 높은 절연저항(High Insulation Resistance), 높은 최대/정격 전류용량(High Peak and RMS Current capability), 우수한 주파수 응답특성, 높은 전압용량(High Voltage Capabilities), 높은 작동온도범위(Higher Temperature range)의 특성이 요구된다.

첨부한 도 3은 기존 하이브리드 차량의 인버터 및 전력변환 시스템의 회로 구조를 나타낸 도면으로, 전력제어부품(PCU) 내의 인버터와 스너버 캐패시터에 대한 실제적인 적용 예를 보여주고 있다.

스너버 캐패시터(13)는 앞서 설명한 기능들을 수행하기 위해 불가피하게 적용되고 있으며, 이들의 냉각성능을 높이기 위해 전력제어부품(PCU) 내에 알루미늄 하우징에 최대한 밀착하여 체결하거나, 전력제어부품(PCU) 내의 전력용반도체 위측에 넓은 면적을 확보해서 적용하고 있다. 또는 자체적으로 설계, 개발한 전력용 스위칭 반도체의 구조와 특성을 향상시켜 인버터에서 스너버 캐패시터를 없애거나 그 용량을 현격히 줄여 사용하고 있다.

한편, 첨부한 도 4 ~ 도 7은 연료전지 차량에 적용되고 있는 인버터 내의 스너버 캐패시터의 위치와 적용 예를 보여주는 도면으로, 도 4는 종래 인버터 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 평면도, 도 6은 측면도이며, 도 7은 종래 스너버 캐패시터의 한 형태를 도시한 사시도이다.

도면부호 11은 IGBT 파워모듈을, 도면부호 11a는 IGBT 파워모듈 출력단을, 도면부호 13은 스너버 캐패시터를 각각 나타내며, 도면부호 23은 게이트 드라이브를, 도면부호 21은 하우징을, 도면부호 22는 냉각핀을 각각 나타낸다.

도 4의 적용 예에서 스너버 캐패시터(13)는 전력용 스위칭 반도체인 IGBT 파워모듈(11)의 직류입력단(11b)에 최대한 가까이 위치시켜 체결함으로써 순간적인 스위칭 전압의 상승을 억제하고 있으나, 이는 냉각성능을 다소 만족하지 못하는 구조로 되어 있다.

특히, 종래의 인버터 구조에서는 스너버 캐패시터(13)가 전력용 반도체인 IGBT 파워모듈(11)의 입력단(11b)에 최대한 가까운 곳에 위치하고 있으며, 또한 스너버 캐패시터(13)가 하우징(21) 내부에서 발열된 공기에 그대로 노출되어 있다.

이러한 구조로 인해 스너버 캐패시터(13)는 온도 사양을 높이거나 온도 환경에 잘 견디도록 설계할 필요가 있다. 또한 플라스틱 재질의 케이스를 활용해 내부에 에폭시 몰딩을 한 구조로 되어 있는데, 내부에서 발생한 열에너지가 인버터 내부에 그대로 정체되어 스너버 캐패시터 자체의 내구수명에 악영향을 미칠 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 스위칭 전압의 과도한 상승을 막고 IGBT 파워모듈이 과전압에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 사용되는 스너버 캐패시터의 장착 구조 및 형상을 개선하여, 스너버 캐패시터의 냉각성능 및 내구수명이 향상되고 자체 출력밀도가 향상될 수 있는 인버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 스너버 캐패시터를 구비하고 있는 모터 제어용 인버터에 있어서, 상기 스너버 캐패시터가 인버터 외부에 고정 장착되고 스너버 캐패시터의 접속단자가 인버터 내부로 삽입된 상태에서 IGBT 파워모듈의 입력단에 체결된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 스너버 캐패시터의 케이스에 체결단이 돌출 형성되고, 상기 스너버 캐패시터의 케이스가 인버터 하우징의 측벽 바깥쪽 면에 부착된 상태 및 상기 스너버 캐패시터의 접속단자가 인버터 하우징의 측벽에 형성된 삽입홀을 통해 삽입된 상태에서, 상기 체결단과 인버터 하우징이 볼트로 체결됨으로써 상기 스너버 캐패시터가 인버터 외부에 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 스너버 캐패시터의 케이스가 방열을 위해 금속재질로 제작된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 인버터에 의하면, 스위칭 전압의 과도한 상승을 막고 IGBT 파워모듈이 과전압에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 사용되는 스너버 캐패시터의 장착 구조 및 형상을 개선함으로써, 스너버 캐패시터의 냉각성능 및 내구수명을 향상시킬 수 있고, 인버터의 출력밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 스너버 캐패시터의 냉각성능 향상으로 부품의 신뢰성 확보가 가능해지고, 인버터의 출력밀도가 향상되면서 인버터의 패키징을 극소화할 수 있음(부피 축소)은 물론 중량 또한 저감이 가능해진다.

이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명은 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터에 관한 것으로서, 인버터 내 스위칭 전압의 과도한 상승을 막고 IGBT 파워모듈이 과전압에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 사용되는 스너버 캐패시터의 장착 구조 및 형상을 개선하 여, 인버터 내에서 스너버 캐패시터의 냉각성능 및 내구수명을 향상시키고, 또한 인버터의 출력밀도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

첨부한 도 8은 본 발명에 따른 인버터 구조를 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 인버터에서 스너버 캐패시터의 체결 방법을 보여주는 사시도이다.

또한 첨부한 도 10은 본 발명에 따른 인버터 구조의 평면도이고, 도 11은 측면도이며, 도 12는 본 발명에 따른 인버터에서 개선된 스너버 캐패시터를 도시한 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터는 스너버 캐패시터의 냉각성 및 내구성, 부품 신뢰성 향상을 위해 스너버 캐패시터(13)를 인버터 하우징(21)의 내부가 아닌 외부에 장착하고 스너버 캐패시터의 접속단자(13a)를 인버터 하우징(21)의 내부로 삽입하여 IGBT 파워모듈의 입력단(11b)에 체결한 것에 주된 특징이 있는 것이다.

즉, 인버터 하우징(21)의 측벽에 삽입홀(21a)을 관통 형성하고, 스너버 캐패시터(13)를 인버터 하우징(21)의 측벽 바깥쪽 면에 고정 부착한 뒤, 상기 삽입홀(21a)을 통해 인버터 하우징(21) 내부로 삽입된 캐패시터 접속단자(13a)를 하우징 내부에 위치된 IGBT 파워모듈(11)의 입력단(11b)에 연결하는 것이다.

이때, 스너버 캐패시터(13)의 케이스 전면 외곽에 체결단(13b)을 돌출 형성하고, 스너버 캐패시터(13)의 케이스 전면을 하우징(21)의 측벽 바깥쪽 면에 갖다 댄 뒤, 상기 체결단(13b)과 인버터 하우징(21)을 볼트(13c)로 체결하여, 스너버 캐패시터(13)를 인버터 하우징(21)의 측벽 바깥쪽 면에 고정하게 된다.

이와 같이 스너버 캐패시터(13)를 인버터 하우징(21) 외부에 장착하여 체결 하는 경우, 스너버 캐패시터(13)의 내부에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.

바람직하게는 스너버 캐패시터(13)의 케이스를 열방출에 유리한 금속재질로 제작하여 사용한다. 이렇게 스너버 캐패시터(13)의 케이스를 금속재질로 제작할 경우, 방열효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.

첨부한 도면을 참조하여 종래의 스너버 캐패시터와 본 발명의 스너버 캐패시터를 배교해보면, 본 발명의 스너버 캐패시터에는 인버터 하우징(21)의 외벽에 체결할 수 있는 체결단(13b)이 있는 차이가 있으며, 또한 스너버 캐패시터의 접속단자(13a)를 삽입홀(21a)을 통해 하우징(21) 내부로 삽입하여 IGBT 파워모듈의 입력단(11b)에 체결하는 차이가 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 인버터에서는 스너버 캐패시터를 인버터의 외부에서 체결함으로써, 스너버 캐패시터의 방열성능 및 내구수명을 향상시킬 수 있고, 차세대 차량용 부품으로서의 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 인버터의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.

또한 친환경차량의 핵심부품 중에 하나인 인버터의 패키징을 극소화할 수 있고, 중량 또한 줄일 수 있게 된다.

일 예로서, 도 5에 나타낸 종래의 인버터와 도 10에 나타낸 본 발명의 인버터 부피를 비교한다면, 도 5의 경우 부피가 1.1ℓ 정도이며, 도 10의 경우 부피가 0.9ℓ로서, 동등한 출력을 발휘할 수 있는 인버터라고 할 때, 약 18%의 출력밀도를 향상시킬 수 있다고 할 수 있다.

첨부한 도 13은 기존의 인버터와 본 발명의 스너버 캐패시터 구조가 적용된 인버터를 이용하여 스너버 캐패시터의 발열 특성시험을 한 결과를 나타낸 도면이다.

도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 기존 인버터와 본 발명의 인버터 구조에서 초기 냉각수 온도는 60℃를 기준으로 하고 있으며, 스너버 캐패시터 온도가 포화될 때까지의 온도 특성을 살펴보았다.

도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 스너버 캐패시터 구조가 기존 구조와 비교했을 때, 포화온도 시점의 차이가 약 15℃ 이상의 차이를 보이고 있으며, 스너버 캐패시터로서 사용되는 필름 캐패시터의 내부온도가 100℃ 미만으로 유지될 것으로 판단되기 때문에, 본 발명에 따른 스너버 캐패시터는 기존의 스너버 캐패시터보다 온도에 대한 내구품질을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 인버터 구조에서는 냉각성능 향상, 내구수명 향상, 부품 신뢰성 확보, 인버터 중량 절감, 인버터 부피 감소, 및 인버터 출력밀도 증대 등의 여러 이점이 있게 된다.

도 1은 산업용 인버터에서 적용되고 있는 일반적인 인버터 구조를 보여주는 도면,

도 2는 인버터 내의 스너버 캐패시터의 특성시험 결과를 나타낸 도면,

도 3은 기존 인버터 및 전력변환 시스템의 회로 구조를 나타낸 도면,

도 4 ~ 도 7은 종래의 인버터에서 스너버 캐패시터의 위치와 적용 예를 보여주는 도면으로, 도 4는 사시도이고, 도 5는 평면도, 도 6은 측면도이며, 도 7은 스너버 캐패시터의 한 형태를 도시한 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 인버터 구조를 도시한 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 인버터에서 스너버 캐패시터의 체결 방법을 보여주는 사시도,

도 10은 본 발명에 따른 인버터 구조의 평면도,

도 11은 본 발명에 따른 인버터 구조의 측면도,

도 12는 본 발명에 따른 인버터에서 개선된 스너버 캐패시터를 도시한 사시도,

도 13은 스너버 캐패시터의 포화온도 상승 시험 결과를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 인버터 11b : IGBT 파워모듈 입력단

13 : 스너버 13a : 접속단자

13b : 체결단 13c : 볼트

21 : 인버터 하우징 21a : 삽입홀

Claims (3)

1. 스너버 캐패시터를 구비하고 있는 모터 제어용 인버터에 있어서,

   상기 스너버 캐패시터가 인버터 하우징의 외부에 고정 장착되고 스너버 캐패시터의 접속단자가 인버터 하우징의 내부로 삽입된 상태에서 IGBT 파워모듈의 입력단에 체결된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 스너버 캐패시터의 케이스에 체결단이 돌출 형성되고,

   상기 스너버 캐패시터의 케이스가 인버터 하우징의 측벽 바깥쪽 면에 부착된 상태 및 상기 스너버 캐패시터의 접속단자가 인버터 하우징의 측벽에 형성된 삽입홀을 통해 삽입된 상태에서, 상기 체결단과 인버터 하우징이 볼트로 체결됨으로써 상기 스너버 캐패시터가 인버터 외부에 고정되는 것을 특징으로 하는 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 스너버 캐패시터의 케이스가 방열을 위해 금속재질로 제작된 것을 특징으로 하는 스너버 캐패시터의 냉각성능을 향상시킨 인버터.

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