KR101463205B1 - 전력 반도체 소자용 방열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 반도체 소자용 방열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 챔버와 히트파이프를 이용하여 루프형태의 독립적인 냉각시스템을 구성시켜 냉각의 효율이 증대되도록 하여 수명 연장 및 내구성 향상 등을 갖으며 안전적 기능을 유지할 수 있도록 한 전력 반도체 소자용 방열장치에 관한 것인바, 본 발명은 전력 반도체 소자용 방열장치에 있어서, 내측에 공간을 구비하고 내측 바닥면에는 전력 반도체 소자를 고정하면서 고온의 열을 전달하도록 하는 홈이 구비되며 외측으로 고정공을 구비한 바디부재와; 상기 바디부재의 내측 바닥면 홈에 설치되는 전력 반도체 소자와; 상기 바디부재의 상부에 설치되어 열고 닫을 수 있도록 된 커버부재와; 내측 공간에 열매체가 충입되며 바디부재의 저면에 부착되는 챔버수단과; 챔버수단에서 증발된 기체를 외부로 이동시키는 증발순환파이프와; 상기 증발순환파이프에 의해 이송되어온 고온의 기체를 냉각시키는 냉각블럭과; 상기 냉각블럭과 챔버수단에 연결되며 냉각블럭에서 응축된 열매체를 챔버수단으로 이동시키는 응축회수파이프와; 상기 냉각블럭의 정면에 부착 설치된 냉각팬을 포함하며, 상기 증발순환파이프와 응축수 회수파이프의 지름 크기는 증발순환파이프에서 응축수 회수파이프 쪽으로 갈수록 지름이 작아지는 것을 특징이 있다.

Description

전력 반도체 소자용 방열장치{Heatsink for power semiconductor devices}

본 발명은 전력 반도체 소자용 방열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 챔버와 히트파이프를 이용하여 루프형태의 독립적인 냉각시스템을 구성시켜 냉각의 효율의 증대로 수명 연장 및 내구성 향상 등을 갖으며 안전적 기능을 유지할 수 있도록 한 전력 반도체 소자용 방열장치에 관한 것이다.

일반적으로, 비교적 큰 전력이 급전되는 제어장치는, 복수의 파워 반도체소자를 구비하고 있다. 일례로서 최근에 주목되고 있는 전기자동차를 보면, 차량의 구동원으로서의 전동모터 및 그 모터구동회로, 즉 복수의 파워 반도체소자를 구비한 장치가 금속제의 케이싱 내에 수납되어서, 모터 및 회로의 보호를 도모하면서 차량에 탑재되어 있다. 또, 이 케이싱은 알루미늄 등을 사용한 금속제의 원통 형상형(筒狀) 케이스 및 커버로 구성되고, 모터의 구성 성분을 케이스에 수납한 다음, 커버를 덮고, 케이스와 커버를 볼트 체결로 조립하고 있다.

모터구동회로는 모터와 코일로의 통전을 고속으로 전환제어하는 스위칭 소자인 파워 반도체소자를 주로 하여 만들어져 있다. 파워 반도체소자가 발열하여 정격온도까지 상승하면, 회로를 보호하기 위하여 모터의 출력을 제어 또는 정지해야만 한다. 이때, 이러한 상태를 회피하고 큰 출력을 얻기 위해서는, 파워 반도체소자에서 생기는 열을 모터 케이스 밖으로 방열하는 것이 필수적이다.

이 때문에 종래에는 파워 반도체소자에 마련되어 있는 방열용 금속부품이 방열작용을 담당하는 히트싱크(heat sink)에 설치되어 있다. 이 종래의 전기회로에 있어서, 예컨대, FET, SCR, IGBT 등을 예로 들면, 파워 반도체소자의 드레인 전극과 방열용 금속부품은 전기적으로 접속되어 있으며, 다른 회로부분에 사용하고 있는 파워 반도체소자를 동일한 히트싱크에 설치할 때에는 각 파워 반도체소자와 히트싱크와의 사이에 전기적 절연이 필요하다. 또, 이와 같이 하여 전기적 절연을 확보하게 되면, 전기적 절연체는 전기저항이 크면 동시에 열저항도 크므로, 파워 반도체소자의 방열성을 저하시킨다.

또, 파워 반도체소자를 회로기판에 납땜하여 회로 구성을 하는 경우, 일반적으로 해당 회로와, 전원, 모터 등의 외부회로에 접속하기 위한 단자와의 접속이 회로기판상에서 이루어지지만, 파워 반도체소자는 대체로 큰 전류를 취급하기 때문에, 회로기판상에 두께가 큰 동박(銅箔)으로 패턴을 형성하기도 하고, 회로기판을 다층구조로 형성하여 그 내층을 이용하기도 하고, 또는 회로기판상에 그로밋(grommet) 형상의 단자를 형성하는 등과 같은 구조 및 공정이 필요하였다. 따라서, 이 종래의 회로기판은, 구조가 복잡하게 되어서 소형화가 곤란하게 되며, 또한 많은 부품 개수와 공정 수가 필요하여, 비용이 비싸지는 문제가 있다.

상기한 문제점을 감안하여 첨부도면 도 8에 도시된 바와 같이 내측에 공간을 구비하고 내측 바닥면의 홈(11)에 전력 반도체 소자(50)가 설치되어 이루어진 바디부재(10)의 내측 공간에 열매체가 충입되며 바디부재(10)의 저면에 부착되는 히트파이프(40)가 탈거되는 것을 방지하는 고정플레이트(30)에 의해 고정 설치되어 있다.

상기와 같은 구조로 이루어진 종래 전력 반도체 소자용 방열장치에 있어서 열교환이 이루어지는 히트파이프(40)을 살펴보면 전력 반도체 소자(50)에 의해 고온의 열이 발생되어 전달되면 바디부재(10)의 저면에 부착되어 있는 히트파이프(40)에 충입되어 있는 열매체가 기화되어 온도가 저온이 되고 절곡 형성된 타측방향으로 이동하여 공냉 되어 응축된다.

이때 상기 히트파이프(40) 내부의 일정 부위에서는 기화된 온도가 높은 기체와 응축되어 저온이 된 열매체가 충돌하게 되므로 대류이동이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.

따라서 종래 전력 반도체 소자용 방열장치는 냉각 효율이 저하되어 높은 고열에 의해 수명이 짧고 내구성 저하 등의 문제가 있으며, 또한 높은 고온에 의해 안전적 기능을 유지할 수 없는 단점이 등이 있다.

본 발명은 종래 문제점을 감안하여 안출한 것으로서 이의 목적은 복수의 챔버수단을 한 개의 하우징 저면에 부착 설치하되 챔버와 히트파이프를 이용하여 루프형태의 독립적인 냉각시스템을 구성시켜 냉각 효율의 증대로 수명 연장 및 내구성 향상 등을 갖으며 안전적 기능을 유지할 수 있도록 한 전력 반도체 소자용 방열장치를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적은 전력 반도체 소자용 방열장치에 있어서, 내측에 공간을 구비하고 내측 바닥면에는 전력 반도체 소자를 고정하면서 고온의 열을 전달하도록 하는 홈이 구비되며 외측으로 고정공을 구비한 바디부재와; 상기 바디부재의 내측 바닥면 홈에 설치되는 전력 반도체 소자와; 상기 바디부재의 상부에 설치되어 열고 닫을 수 있도록 된 커버부재와; 내측 공간에 열매체가 충입되며 바디부재의 저면에 부착되는 챔버수단과; 챔버수단에서 증발된 기체를 외부로 이동시키는 증발순환파이프와; 상기 증발순환파이프에 의해 이송되어온 고온의 기체를 냉각시키는 냉각블럭과; 상기 냉각블럭과 챔버수단에 연결되며 냉각블럭에서 응축된 열매체를 챔버수단으로 이동시키는 응축회수파이프와; 상기 냉각블럭의 정면에 부착 설치된 냉각팬을 포함하며, 상기 증발순환파이프와 응축수 회수파이프의 지름 크기는 증발순환파이프에서 응축수 회수파이프 쪽으로 갈수록 지름이 작아지는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 소자용 방열장치에 의해 달성된다.

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이와 같이 본 발명의 전력 반도체 소자용 방열장치에 의하면, 복수의 챔버수단을 한 개의 하우징 저면에 부착 설치하되 챔버와 히트파이프를 이용하여 루프형태의 독립적인 냉각시스템을 구성시켜 냉각의 효율의 증대로 수명 연장 및 내구성 향상 등을 갖으며 안전적 기능을 유지할 수 있는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 전체 형상을 보여주는 사시도.
도 2a는 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 구조를 보여주는 단면도.
도 2b는 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 구조를 보여주는 측단면도.
도 3a는 본 발명의 기술요점인 냉각블럭과 챔버수단의 연결 구조를 보여주는 사시도.
도 3b는 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 구조를 보여주는 평면도.
도 4는 도 2의 "A"부 확대도.
도 5는 본 발명의 기술 요지인 냉각블럭과 챔버수단의 다른 설치 구조를 보여주는 사시도.
도 6은 본 발명인 전력 반도체 소자용 방열장치의 전격 전력을 체크하기 위해 센서의 설치부위를 보여주는 예시도.
도 7은 본 발명의 사용상태도.
도 8은 종래 전력 반도체 소자용 방열장치의 구조 및 전격 전력 대비 부위별 온도 체크 지점을 보여주는 일부 절결사시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1은 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 설치상태를 보여주는 사시도이고 도 2a는 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 구조를 보여주는 정단면도이고 도 2b는 본 발명의 기술이 적용된 전력 반도체 소자용 방열장치의 구조를 보여주는 측단면도로서 이에 따른 본 발명은 내측에 공간을 구비하고 내측 바닥플레이트(110)에는 전력 반도체 소자(300)를 고정하면서 고온의 열을 전달하도록 하는 홈(120)이 구비되며 외측으로 고정공(130)을 구비한 바디부재(100)의 내측 바닥면 홈(120)에 전력 반도체 소자(300)가 설치된다.

상기 홈(120)에 설치되는 전력 반도체 소자(300)의 고정은 접착 기능, 열전달 기능을 동시에 갖는 크림 형태의 접착수단을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 접착수단으로는 방열 구리스, 방열 실리콘 등을 사용하며, 상기 전력 반도체 소자(300)는 FET, SCR, IGBT 및 전력 다이어오드를 사용한다.

한편 상기 바디부재(100)의 상부에는 개방된 상부를 열고 닫을 수 있도록 하는 커버부재(200)가 설치되며, 상기 바디부재(100)의 저면에는 내측 공간에 열매체가 충입된 챔버수단(400)이 설치된다.

상기 챔버수단(400)에서는 액상의 열매체가 증발되어 기체로 상태변화가 일어난 후 기체를 외부로 이동시키는 증발순환파이프(600)와 상기 증발순환파이프(600)에 의해 이송되어온 고온의 기체를 응축시켜 액상으로 다시 상태변화시킨 후 냉각블럭(800)과 챔버수단(400)에 연결되며 상기 냉각블럭(800)에서 응축된 열매체를 챔버수단(400)으로 이동시키는 응축수 회수파이프(700)가 설치된다. 한편 상기 냉각블럭(800)의 정면에는 냉각팬(900)이 설치되어 이루어진 구조이다.

상기 냉각블럭(800)은 통상의 라디에이터를 사용하며, 첨부도면 도 2 및 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 챔버수단(400)의 내측 공간의 상부면에는 냉각핀(410)이 다수 형성되고 냉각핀(410)의 끝단이 열매체에 잠겨 있게 설치되어 있으며, 첨부도면 도 4에 도시된 바와 같이 상기 냉각블럭(800)과 챔버수단(400)을 일정한 간격으로 2개 이상 설치하여 사용할 수 있다.

한편 첨부도면 도 3b에 도시된 바와 같이 챔버수단(400)과 증발순환파이프(600)가 연결되는 ⓐ, 증발순환파이프(600)와 냉각블럭(800)이 연결되는 ⓑ, 냉각블럭(800)과 응축수 회수파이프(700)가 연결되는 ⓒ, 응축수 회수파이프(700)와 챔버수단(400)이 연결되는 ⓓ로 구분할 때 각 파이프의 지름 크기는 ⓐ > ⓑ > ⓒ > ⓓ 순으로 이루어져 있다.

따라서 상기 챔버수단(400)에서 증발순환파이프(600)를 경유하여 응축수 회수파이프(700)를 순환할 때 파이프 내부의 면적이 줄어들므로 압력이 발생되어 순환이 용이하게 이루어진다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 전력 반도체 소자용 방열장치(1)는 첨부도면 도 6에 도시된 바와 같이 전력 반도체 소자(300)의 사용으로 고열이 발생되면 전력 반도체 소자(300)는 고온의 온도를 갖게 되는데, 이때 전력 반도체 소자(300)는 홈(120)에 일부분이 넣어져 고정한다.

상기 바디부재(100)에 홈(120)을 형성시킨 이유는 바디부재(100)의 바닥면(110)에 고정할 수도 있지만 홈(120)을 형성시키면 바디부재(100)의 바닥면(110)의 두께가 얇아져 열 전달이 용이하게 이루어지기 때문이다.

또한 상기 홈(120)에 전력 반도체 소자(300)를 넣어 고정 설치하는 것이 작업 효율의 증대 및 간격유지를 용이하게 하기 위함이다.

한편 고온의 열은 두께가 얇은 홈(120)의 저면부를 통해 챔버수단(400)으로 전달되며, 챔버수단(400)으로 전달된 고온의 열은 첨부도면 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이 냉각핀(410)을 따라 열의 이동이 발생되어 전달된 고온의 열에 의해 열매체가 가열되게 된다.

상기 열매체는 고온의 열에 의해 기화되면서 기체가 되고 기화된 상태의 열매체는 챔버수단(400)에 연결된 증발순환파이프(600)를 통해 외부로 이동되게 된다.

상기 챔버수단(400)으로부터 이동되는 기체로 변환된 열매체는 압력을 갖게 된다.상기 압력은 액체에서 기체로 상태변화가 이루어지면서 발생 되고 또한 증발순환파이프(600)가 하부에서 상부 방향으로 절곡 형성되어 있기 때문에 상기 증발순환파이프(600) 내부에 압력이 형성된다.

상기 압력에 의해 기체가 이동 가능하게 이루어지는 이유이기도 하다. 한편 상기 증발순환파이프(600)의 끝단에는 이송되어온 고온의 기체를 냉각시키는 냉각블럭(800)이 연결 설치되어 있어 상기 냉각블럭(800)을 통과하면서 기화된 열매체는 응축되어 다시 액체로 상태변화가 이루어진다.

상기 냉각블럭(800)은 통상의 라디에이터로서 전면부에 냉각팬(900)이 설치되어 있어 외부의 공기를 이용하여 냉각시킴으로써 기화된 열매체를 저온으로 온도를 냉각시켜 액체로 응축시킨다.

상기 냉각블럭(800)에 의해 응축된 열매체는 냉각블럭(800)의 하단에 연결 설치되어 있는 응축회수파이프(700)에 의하여 챔버수단(400)으로 다시 들어가게 된다. 따라서 가열되어 있던 기존의 열매체와 응축되어 들어오는 열매체가 혼합되면서 냉각의 효과도 얻을 수 있다.

한편 첨부도면 도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 구조를 갖는 전력 반도체 소자용 방열장치와 첨부도면 도 8에 도시된 바와 같은 종래 전력 반도체 소자용 방열장치에 대하여 각 부위별 온도를 서로 비교하면 아래 표 1과 같다.

항목	측정온도 비교 (인가전력:200W)
본 발명	40	37.6	23.9	25
종 래	40	33.4	35.7	28

110 : 바닥플레이트 120 : 홈
130 : 고정공 200 : 커버부재
300 : 전력 반도체 소자 400 : 챔버수단
410 : 냉각핀 600 : 증발순환파이프
700 : 응축수 회수파이프 800 : 냉각블럭
900 : 냉각팬

Claims (5)

1. 전력 반도체 소자용 방열장치에 있어서,
   내측에 공간을 구비하고 내측 바닥면에는 전력 반도체 소자를 고정하면서 고온의 열을 전달하도록 하는 홈이 구비되며 외측으로 고정공을 구비한 바디부재와;
   상기 바디부재의 내측 바닥면 홈에 설치되는 전력 반도체 소자와;
   상기 바디부재의 상부에 설치되어 열고 닫을 수 있도록 된 커버부재와;
   내측 공간에 열매체가 충입되며 바디부재의 저면에 부착되는 챔버수단과;
   챔버수단에서 증발된 기체를 외부로 이동시키는 증발순환파이프와;
   상기 증발순환파이프에 의해 이송되어온 고온의 기체를 냉각시키는 냉각블럭과;
   상기 냉각블럭과 챔버수단에 연결되며 냉각블럭에서 응축된 열매체를 챔버수단으로 이동시키는 응축회수파이프와;
   상기 냉각블럭의 정면에 부착 설치된 냉각팬을 포함하며,
   상기 증발순환파이프와 응축수 회수파이프의 지름 크기는 증발순환파이프에서 응축수 회수파이프 쪽으로 갈수록 지름이 작아지는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 소자용 방열장치.
   
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