KR101276679B1 - 전력용 반도체 소자 어셈블리 - Google Patents

전력용 반도체 소자 어셈블리 Download PDF

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KR101276679B1
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Abstract

본 발명의 복수개의 히트싱크들 사이에 사이리스터(thyristor)가 적층되어 결합되는 반도체 전력용 반도체 소자 어셈블리의 일 실시예는, 양측에 각각 구비되어 상기 히트싱크와 사이리스터들을 사이에 수용하는 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트; 및 상기 제2엔드플레이트와 인접한 히트싱크 사이에 구비되는 압력검출수단;을 포함하고, 상기 압력검출수단은 상기 사이리스터의 결합 압력을 전기적인 신호로 실시간으로 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전력용 반도체 소자 어셈블리{ASSEMBLY OF THYRISTOR}
본 발명은 전력전자에 사용되는 사이리스터(thyristor, 전력용 반도체 소자)간의 결합시 적절한 결합 압력으로 결합하고 이를 실시간으로 측정하기 위한 구조를 가지는 전력용 반도체 소자 어셈블리에 관한 것이다.
전력 계통을 연계하는 방식에는 기존의 교류 전력 계통을 그대로 연계하는 방식과, 전력 변환기를 통해 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 계통을 연계하는 방식이 있다. 근래에는 교류 전력 계통을 그대로 연계하는 방식보다 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 전력 계통을 연계하는 방식에 대한 관심이 증대되고 있다. 국내에서도 전력 변환기를 이용한 고압 직류 송전(High Voltage Direct Current; HVDC) 시스템을 제주와 해남 사이에 설치하여 제주와 해남의 전력 계통을 연계하고 있다.
고압 직류 송전(HVDC) 방식이라 함은, 전기 송전 방식의 하나로서, 발전소에서 발전한 고압의 교류 전력을 직류 전력으로 변환시켜 송전한 후, 원하는 수전 지역에서 다시 교류 전력으로 재변환하는 공급 방식을 말한다. 직류 송전 방식의 장점은 여러 가지가 꼽힌다.
우선 직류 전압은 교류 전압의 최대 값에 비해 크기가 약 70%에 불과해 기기의 절연이 용이하고, 전압이 낮기 때문에 각 기기에 설치돼 있는 절연체의 수량 및 철탑의 높이를 줄일 수 있다. 동일한 전력을 보내는 경우 교류 방식에 비해 직류 방식이 송전 손실이 적기 때문에 송전 효율이 높아질 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 직류가 교류에 비해 2배 이상의 전류를 운송할 수 있다.
물론 전선 사용량을 줄일 수 있고 송전선로의 면적을 줄일 수 있어 효과적이며 전압이나 주파수가 다른 두 교류 계통 사이에 연결해 계통의 안정도를 향상시킬 수도 있다. 송전 거리에 대한 제약이 없고 450Km가 넘는 육지 전력 전송이나 40Km가 넘는 해저를 통한 전력 전송에 있어서도 직류 송전 방식이 건설비가 저렴하다. 최근에는 중국, 인도 등의 경우 발전소와 전기 사용자 사이의 거리가 1000Km 이상되기 때문에 고압 직류 송전 시스템의 보급이 급속하게 확장되고 있는 상황이다.
도 1은 이러한 고압 직류 송전 방식을 개략적으로 보여준다. 도 1을 참고하면, 발전소 등에서 생산된 교류 전력은 교류전력선(4)을 통해 송전측 스테이션(5)으로 전송된다. 송전측 스테이션(5)에는 입력 교류 전력을 송전용 교류 전력으로 변환하는 변압기(10)와, 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환기(20)가 구비된다. 상기 전력 변환기(20)는 상기 변압기(10)에 연결되며 송전용 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 직류 전력을 송전용 교류 전력으로 변환하는 기능을 한다.
상기 전력변환기(20)를 통해 직류로 전환된 전력은 직류전력선(30)을 통해 수전측 스테이션(55)으로 송전된다. 수전측 스테이션(55)은 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력 변환기(40)와, 변압기(50)를 구비한다. 그에 따라 직류 전력을 교류전력으로 변환하여 교류전력선(54)을 통해 전송하게 된다.
상기 전력 변환기(20,40)는 복수의 스위칭 소자들로 구성된다. 여기서, 스위칭 소자들은 전력용 반도체로서, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 모스펫(MOSFET) 등의 트랜지스터일 수 있으나, 전류 제어가 가능한 사이리스터(Thyristor)를 주로 사용한다. 전력 변환기는 송전측에서 직류 전력으로 변환하는 정류기(Rectifier)와, 수전 측에 구비되어 직류 케이블을 통해 수전한 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(Inverter)를 포함한다. 정류기와 인버터는 각각 복수의 사이리스터로 구성된 사이리스터 밸브를 포함하여 구성된다.
도 2는 이러한 복수개의 사이리스터로 이루어지는 전력용 반도체 소자 어셈블리(60)를 보여준다. 도 2를 참고하면, 빔(61)에 의해 고정되고 지지되는 양측 엔드플레이트(62,63)의 사이에 사이리스터(64)와 히트싱크(65)가 겹쳐져서 복수개가 직렬로 배열되어 있다.
도 2에서 우측 엔드플레이트(63)와 우측 히트싱크(65) 사이에는 스프링 또는 쇼크옵서버(shock absorber) 등의 완충부재(66)가 구비된다. 좌측 엔드플레이트(62)에는 푸쉬 가이드(67)가 관통하여 구비되고, 푸쉬가이드의 단부(68)가 좌측 히트싱크(65)에 접촉되어 있다. 푸쉬가이드(67)는 좌측엔드플레이트에 대해 관통정도를 조절할 수 있다. 그에 따라 푸쉬가이드(67)는 히트싱크 및 사이리스터들에 결합압력을 조절하게 된다.
여기서, 전력용 반도체 소자인 사이리스터는 직렬 연결할 때 소자간 압력이 일정 범위를 유지하여야 한다. 도 2와 같은 종래의 전력용 반도체 소자 어셈블리(60)에서는, 스프링을 완충부재로 사용하는 경우 푸쉬가이드의 관통정도를 조절하며 스프링의 변위량을 시각적으로 체크하여 소자간 결합압력을 조절하였다. 또한, 쇼크옵서버를 완충부재로 사용하는 경우 토크렌치를 사용하여 체결토크를 시각적으로 확인하며 소자간 결합압력을 조절하였다.
상기와 같은 종래의 전력용 반도체 소자 어셈블리(60)에서 쇼크옵서버를 사용하는 경우 쇼크옵서버의 특성에 따라 실제 사이리스터에 걸리는 압력의 변화가 심하고, 이를 조절하기 위해서는 작업자가 게이지를 시각적으로 확인하여야 하는 문제점이 있었다. 또한, 스프링을 사용하는 경우 스프링의 제작 특성에 따라 동일한 성능을 발현하기 어렵고 스프링 변위량을 정확히 시각적으로 체크하는 것이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일정압력을 가해 복수개의 사이리스터를 연결하여 다수개의 전력용 반도체 소자 어셈블리를 조립할 때 동일한 압력을 가할 수 있는 구조를 가지는 전력용 반도체 소자 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 반도체 소자에 가해지는 압력이 전기적 신호로 실시간 체크될 수 있도록 하여 압력 조절이 용이한 구조를 가지는 전력용 반도체 소자 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.
본 발명의 복수개의 히트싱크들 사이에 사이리스터(thyristor)가 적층되어 결합되는 반도체 전력용 반도체 소자 어셈블리의 일 실시예는, 양측에 각각 구비되어 상기 히트싱크와 사이리스터들을 사이에 수용하는 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트; 및 상기 제2엔드플레이트와 인접한 히트싱크 사이에 구비되는 압력검출수단;을 포함하고, 상기 압력검출수단은 상기 사이리스터의 결합 압력을 전기적인 신호로 실시간으로 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 측면은 반도체 소자에 가해지는 압력이 전기적 신호로 실시간 체크될 수 있도록 하여 압력 조절이 용이한 구조를 제공하게 된다.
보다 상세하게 상기 압력검출수단은 서로 마주하는 제1플레이트와 제2플레이트, 상기 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 구비되는 연결플레이트, 상기 연결플레이트에 안착되는 압전소자를 포함하여 구성되고, 상기 사이리스터의 결합압력이 상기 제1플레이트와 제2플레이트로 작용하면 상기 연결플레이트가 휘어지며 상기 압전소자에서 전기적인 신호가 발생 또는 변동되도록 구성된다.
상기 연결플레이트는 상기 압전소자가 안착되는 지점에 주변에 비해 두께가 상대적으로 얇은 힌지부를 구비하고, 상기 제1플레이트와 제2플레이트로 작용하는 상기 사이리스터의 결합압력에 의해 상기 힌지부를 중심으로 상기 연결플레이트가 휘어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 측면은 반도체 소자에 가해지는 압력이 압전소자에 의해 전기적 신호로 실시간 체크될 수 있도록 하여 사이리스터의 결합압력 조절이 용이한 구조를 제공하게 된다.
한편, 상기 전력용 반도체 소자 어셈블리는 상기 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트 사이에 구비되고, 상기 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트를 고정하고 지지하는 빔;을 더 포함한다.
또한, 상기 제1엔드플레이트를 관통하여 인접한 히트싱크를 가압하는 푸쉬가이드;를 더 포함한다.
상기 푸쉬가이드는 상기 제1엔드플레이트를 관통하는 정도가 조절되어 상기 사이리스터의 결합 압력을 조절할 수 있다.
상기 구성의 측면은 복수개의 사이리스터를 연결하여 다수개의 전력용 반도체 소자 어셈블리를 조립할 때 동일한 압력을 가할 수 있는 구조를 제공하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명은 일정압력을 가해 복수개의 사이리스터를 연결하여 다수개의 전력용 반도체 소자 어셈블리를 조립할 때 소자에 가해지는 결합압력을 동일한 압력으로 용이하게 조절할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
또한, 반도체 소자에 가해지는 압력이 전기적 신호로 실시간 체크될 수 있도록 하여 소자에 가해지는 결합압력 조절이 용이하도록 하는 효과를 가진다.
도 1은 고압 직류 송전(HVDC) 방식의 개략도.
도 2는 종래의 전력용 반도체 소자 어셈블리의 개략도.
도 3은 본 발명의 전력용 반도체 소자 어셈블리의 개략도.
도 4는 본 발명의 압력검출수단을 보여주는 개략도.
도 5는 도 4의 연결플레이트를 상세히 보여주는 정면도.
도 6은 도 4의 압력검출수단의 동작을 보여주는 개략도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 통해 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 전력용 반도체 소자 어셈블리의 일 실시예를 보여주는 개략도이다. 본 발명의 전력용 반도체 소자 어셈블리는 복수개의 히트싱크들 사이에 사이리스터(thyristor)가 적층되어 결합되는 구조를 가진다.
도 3을 참고하면, 상기 전력용 반도체 소자 어셈블리는 양측에 각각 구비되어 상기 히트싱크(150)와 사이리스터(140)들을 사이에 수용하는 제1엔드플레이트(120)와 제2엔드플레이트(130), 상기 제2엔드플레이트(130)와 인접한 히트싱크(150) 사이에 구비되는 압력검출수단(160)을 포함하여 구성된다.
상기 제1엔드플레이트(120)와 제2엔드플레이트(130)은 상호 평행한 플레이트로, 그 사이에 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트를 고정하고 지지하는 빔(110)을 구비하고 있다. 상기 빔(110)은 지지구조물로 반도체 소자의 결합 압력을 지지하도록 엔드플레이트들을 고정한다.
여기서 상기 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트에서 순서는 엔드플레이트를 구별하기 위해 사용된 것으로, 기술적인 의미를 가지거나 발명의 구성을 한정하지는 않는다. 다만, 도 3에 도시된 실시예에서는 상기 제1엔드플레이트는 좌측 단부에 위치하고, 제2엔드플레이트는 우측 단부에 위치한다.
상기 제1엔드플레이트(120)와 제2엔드플레이트(130) 사이에는 사이리스터(140)와 히트싱크(150)가 겹쳐져서 복수개가 구비되어 있다. 즉, 복수개의 히트싱크(150)들 사이에 사이리스터(140)가 위치하도록 도 3과 같이 직렬로 결합되어 있다.
상기 제1엔드플레이트(120)에는 상기 히트싱크 및 사이리스터들의 결합을 유지시키는 결합압력을 형성하는 푸쉬가이드(170)가 구비된다. 상기 푸쉬가이드(170)는 상기 제1엔드플레이트(120)를 관통하여 인접한 히트싱크(150)와 접촉하여 결합압력을 형성한다. 즉, 푸쉬가이드의 단부(175)가 히트싱크(150)와 접촉되고, 상기 푸쉬가이드는 상기 제1엔드플레이트를 관통하는 정도가 조절될 수 있어서, 푸쉬가이드의 관통정도를 조절하여 상기 사이리스터의 결합 압력을 조절하게 된다.
상기 푸쉬가이드가 상기 제1엔드플레이트를 관통하는 정도를 조절하는 방법은 여러가지가 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 푸쉬가이드와 제1엔드플레이트에 나사산이 형성되어, 상기 푸쉬가이드를 토크렌치 등으로 돌려서 관통정도를 조절할 수도 있다. 상기 구성의 측면은 복수개의 사이리스터를 연결하여 다수개의 전력용 반도체 소자 어셈블리를 조립할 때 동일한 압력을 가할 수 있는 구조를 제공하게 된다.
상기 제2엔드플레이트(130)와 인접한 히트싱크(150) 사이에는 압력검출수단(160)이 구비된다. 상기 압력검출수단(160)은 전술한 푸쉬가이드에 의해 가해지는 결합압력을 완충하기도 하고, 특히 상기 사이리스터의 결합 압력을 전기적인 신호로 실시간으로 검출할 수 있도록 한다.
도 4에는 이러한 압력검출수단의 일실시예가 도시되어 있다. 도 4를 참고하면, 상기 압력검출수단(160)은 서로 마주하는 제1플레이트(161)와 제2플레이트(162), 상기 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 구비되는 연결플레이트(163), 상기 연결플레이트에 안착되는 압전소자(164)를 포함하여 구성된다.
상기 제1플레이트(161)는 도 3에서 가장 우측의 히트싱크(150)와 접촉된다. 상기 제2플레이트(162)는 제2엔드플레이트와 접촉된다. 따라서, 전술한 푸쉬가이드에 의해 가해지는 결합압력은 상기 제1플레이트와 제2플레이트 사이에서 마주보는 방향으로 작용하게 된다.
상기 연결플레이트(163)은 상기 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 구비되고, 일측단부(163a)가 제1플레이트(161)와 연결되고 타측단부(163b)가 제2플레이트(162)에 연결된다.
상기 압전소자(164)는 상기 연결플레이트의 상부면에 안착되도록 결합된다. 상기 압전소자는 외부로부터 기계적 변형이 가해지면 전기분극이 나타나 전압이 발생하는 소자를 말하며, 기계적 신호를 전기적 신호로 바꾸는 기능을 한다.
도 5는 상기 연결플레이트를 보다 상세하게 보여준다. 도 5를 참고하면, 상기 연결플레이트(163)는 상기 압전소자가 안착되는 지점에 주변에 비해 두께가 상대적으로 얇은 힌지부(163c)를 구비한다.
즉, 도 5에서 제1플레이트에 연결되는 일측단부(163a)와 제2플레이트에 연결되는 타측단부(163b)의 사이에, 일측단부(163a)와 타측단부(163b)의 두께(d1)보다 상대적으로 얇은 두께(d2)의 힌지부(163c)가 형성되어 있다. 또한, 상기 힌지부(163c)의 상부에 압전소자(164)가 안착되어 있다.
도 6에서는 상기 압력검출수단(160)의 작동을 보여준다. 도 6을 참고하면, 상기 사이리스터의 결합압력이 상기 제1플레이트(161)와 제2플레이트(162)로 작용하면 상기 연결플레이트가 휘어진다. 이는 제2플레이트(162)가 엔드플레이트에 고정되어 있기 때문에, 외력이 직접 작용되는 제2플레이트가 상대적으로 제1플레이트 측으로 이동하려고 하고, 상기 제1플레이트에 연결된 일측단부(163a)가 상기 힌지부(163c)를 중심으로 회전되어 연결플레이트(163)가 휘어지기 때문이다.
상기 연결플레이트(163)에서 상기 힌지부(163c)가 주변에 비해 두께가 얇게 형성된 것은 상기 힌지부가 회전의 중심이 될 수 있도록 한다. 즉, 연결플레이트의 기계적 변형이 발생되는 지점을 형성하는 것이다. 따라서, 상기 힌지부의 상부에 결합되는 압전소자는 기계적 변형을 온전히 전달받을 수 있게 되어, 보다 정밀한 검출이 가능하게 된다.
상기 구성의 측면은 반도체 소자에 가해지는 압력이 압전소자에 의해 전기적 신호를 발생 또는 변동할 수 있도록 한다. 또한, 사이리스터의 결합압력을 나타내는 기계적 변형이 정밀하게 압전소자에 의해 전기적 신호로 변환될 수 있도록 한다. 그에 따라 반도체 소자에 가해지는 결합압력이 전기적 신호를 통해 실시간 체크될 수 있도록 하여 압력 조절이 용이한 구조를 제공하게 된다.
이상 첨부도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 그러한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되고 후술하는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 결정된다. 그리고 특허청구범위에 기재되어 있는 발명의 당업자에게 자명한 개량, 변경, 수정 등도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.
100 : 전력용 반도체 소자 어셈블리 110 : 빔
120 : 제1엔드플레이트 130 : 제2엔드플레이트
140 : 사이리스터 150 : 히트싱크
160 : 압력검출수단 164 : 압전소자
170 : 푸쉬가이드

Claims (6)

  1. 복수개의 히트싱크들 사이에 사이리스터(thyristor)가 적층되어 결합되는 반도체 전력용 반도체 소자 어셈블리에 있어서,
    양측에 각각 구비되어 상기 히트싱크와 사이리스터들을 사이에 수용하는 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트;
    상기 제2엔드플레이트와 인접한 히트싱크 사이에 구비되는 압력검출수단;을 포함하고,
    상기 압력검출수단은 서로 마주하는 제1플레이트와 제2플레이트, 상기 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 구비되는 연결플레이트, 상기 연결플레이트에 안착되는 압전소자를 포함하며,
    사이리스터의 결합압력이 상기 제1플레이트와 제2플레이트로 작용하면 상기 연결플레이트가 휘어지며 상기 압전소자에서 전기적인 신호가 발생 또는 변동되고,
    상기 압력검출수단은 상기 전기적인 신호를 실시간으로 검출하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체 소자 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결플레이트는 상기 압전소자가 안착되는 지점에 주변에 비해 두께가 상대적으로 얇은 힌지부를 구비하고,
    상기 제1플레이트와 제2플레이트로 작용하는 상기 사이리스터의 결합압력에 의해 상기 힌지부를 중심으로 상기 연결플레이트가 휘어지는 것을 특징으로 하는,
    전력용 반도체 소자 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트 사이에 구비되고, 상기 제1엔드플레이트와 제2엔드플레이트를 고정하고 지지하는 빔;을 더 포함하는,
    전력용 반도체 소자 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1엔드플레이트를 관통하여 인접한 히트싱크를 가압하는 푸쉬가이드;를 더 포함하는,
    전력용 반도체 소자 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 푸쉬가이드는 상기 제1엔드플레이트를 관통하는 정도가 조절되어 상기 사이리스터의 결합 압력을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    전력용 반도체 소자 어셈블리.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001196535A (ja) * 2000-01-11 2001-07-19 Toshiba Corp 平型半導体素子用スタック
JP2003060161A (ja) * 2001-08-09 2003-02-28 Toshiba Corp 平型半導体素子用スタック

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