KR101800048B1 - 인버터용 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

인버터용 냉각 장치는 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분할하는 지지 프레임을 포함하는 케이스; 상기 상부 공간에 배치되며 지지 프레임 상에 배치되는 회로 기판; 상기 회로 기판에 연결된 제1 전력 소자에 결합 되며 상기 하부 공간에 배치된 제1 히트 싱크; 상기 회로 기판에 연결된 제2 전력 소자에 결합 되고 상기 회로 기판과 상기 지지 프레임을 관통하는 개구를 통해 상기 하부 공간에 배치되며 상기 제1 히트 싱크와 일부가 중첩된 제2 히트 싱크; 상기 하부 공간에 배치되며 외부 공기를 상기 제1 및 제2 히트 싱크들로 제공하는 냉각팬; 및 상기 개구를 밀봉하는 밀봉 부재를 포함한다.

Description

인버터용 냉각 장치{COOLING DEVICE FOR INVERTOR}

본 발명은 인버터용 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로 인버터(invertor)는 직류 전원을 교류 전원으로 변경시키는 장치이며, 구체적으로 인버터는 상용 교류 전원을 전력용 반도체를 이용하여 직류 전원으로 변환시킨 후 직류 전원을 요구되는 주파수 및 전압을 갖는 교류 전원으로 변환시킨다.

이와 같은 인버터는 모터 구동, 다양한 가전 제품, 산업용 기기 등에 널리 사용되고 있다.

인버터는 상용 교류 전원을 요구되는 교류 전원으로 인버팅 하기 위해서 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT;Insulated gate bipolar transistor) 및 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET;Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함한다.

인버터에 포함된 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)을 이용하여 상용 교류 전원을 요구되는 교류 전원으로 인버팅 할 때 다량의 열이 발생 된다.

IGBT 및 MOSFET에서 발생 된 열을 신속하게 방열하지 않을 경우, IGBT 및 MOSFET의 성능 저하 또는 파손이 발생 되며 이로 인해 인버터의 성능 역시 크게 저하되기 때문에 IGBT 및 MOSFET에는 각각 방열을 위한 히트 싱크가 배치된다.

한편, 종래 인버터의 IGBT 및 MOSFET은 회로 기판에 실장 되는데, IGBT 및 MOSET은 회로 기판의 서로 다른 면에 배치되며 IGBT에 결합 된 히트 싱크는 냉각팬에서 제공된 공기에 의하여 강제적으로 냉각된다.

이와 같이 IGBT에 결합된 히트 싱크를 강제 냉각시킴으로써 MOSFET에 결합 된 히트 싱크의 냉각 성능은 상대적으로 크게 감소 된다.

또한, MOSFET에 결합 된 히트 싱크 및 IGBT에 결합 된 히트 싱크는 회로 기판의 양쪽면에 각각 배치되기 때문에 히트 싱크들이 차지하는 면적이 커져 인버터를 콤팩트하게 제작하기 어려운 문제점을 갖는다.

본 발명은 인버터의 스위칭 소자들을 효율적으로 냉각시켜 스위칭 소자 및 인버터의 성능 저하를 방지하며, 스위칭 소자들에 결합 된 히트 싱크들의 결합을 개선하여 히트 싱크들이 차지하는 전체 면적을 감소시켜 인버터의 전체 사이즈를 감소시킨 인버터용 냉각 장치를 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일실시예로서, 인버터용 냉각 장치는 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분할하는 지지 프레임을 포함하는 케이스; 상기 상부 공간에 배치되며 지지 프레임 상에 배치되는 회로 기판; 상기 회로 기판에 연결된 제1 전력 소자에 결합 되며 상기 하부 공간에 배치된 제1 히트 싱크; 상기 회로 기판에 연결된 제2 전력 소자에 결합 되고 상기 회로 기판과 상기 지지 프레임을 관통하는 개구를 통해 상기 하부 공간에 배치되며 상기 제1 히트 싱크와 일부가 중첩된 제2 히트 싱크; 상기 하부 공간에 배치되며 외부 공기를 상기 제1 및 제2 히트 싱크들로 제공하는 냉각팬; 및 상기 개구를 밀봉하는 밀봉 부재를 포함한다.

인버터용 냉각 장치의 상기 제1 히트 싱크는 제1 사이즈로 형성되고, 상기 제2 히트 싱크는 상기 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈로 형성된다.

인버터용 냉각 장치의 상기 제1 및 제2 히트 싱크들은 접착제 및 체결 부재 중 어느 하나에 의하여 상호 결합 된다.

인버터용 냉각 장치의 상기 제1 히트 싱크에는 홈이 형성되며, 상기 홈에는 상기 제2 히트 싱크의 일부가 삽입된다.

인버터용 냉각 장치의 상기 제1 전력 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT;Insulated gate bipolar transistor)를 포함하고, 상기 제2 전력 소자는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET;Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함하는 인버터용 냉각 장치.

본 발명에 따른 인버터용 냉각장치에 의하면, 인버터의 스위칭 소자들을 효율적으로 냉각시켜 스위칭 소자 및 인버터의 성능 저하를 방지하며, 스위칭 소자들에 결합 된 히트 싱크들의 결합을 개선하여 히트 싱크들이 차지하는 전체 면적을 감소시켜 인버터의 전체 사이즈를 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터용 냉각 장치가 적용된 인버터를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 'A' 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인버터용 냉각 장치가 적용된 인버터를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 'B' 부분 확대도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터용 냉각 장치가 적용된 인버터를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 'A' 부분 확대도이다.

인버터(800)는 회로 기판(100), 제1 전력 소자(200), 제2 전력 소자(300) 및 냉각 장치(400)를 포함한다. 이에 더하여 인버터(800)는 지지 프레임(500) 및 케이스(600)를 포함한다.

케이스(600)는, 예를 들어, 박스 형태로 형성되며, 케이스(600)는 방열이 우수하며 기계적 강도가 높은 재질로 형성될 수 있다.

지지 프레임(500)은 케이스(600)의 내부에 배치되며, 지지 프레임(500)은 케이스(600)의 내부를 가로질러 배치되어 케이스(600)의 내부를 이등분하며, 지지 프레임(500)은 다수개의 개구가 형성될 수 있다.

이하, 지지 프레임(500)에 의하여 이등분된 공간 중 지지 프레임의 상부에 배치된 공간을 상부 공간 및 지지 프레임의 하부에 배치된 공간을 하부 공간으로써 정의하기로 한다.

회로 기판(100)은, 예를 들어, 지지 프레임(500)의 상부 공간에 배치되며, 회로 기판(100)의 일부에는 회로 기판(100)을 관통하는 개구가 형성되며, 지지 프레임(500)에는 회로 기판(100)을 관통하는 개구에 대응하는 개구가 형성된다.

제1 전력 소자(200)는 지지 프레임(500)과 접촉된 회로 기판(100)의 하면에 실장 된다.

본 발명의 일실시예에서, 제1 전력 소자(200)는, 예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT;Insulated gate bipolar transistor, 이하, IGBT라 칭함)를 포함할 수 있다.

제2 전력 소자(300)는 제1 전력 소자(200)가 형성된 회로 기판(100)의 하면과 대향 하는 상면에 배치되며, 제2 전력 소자(300)는 전원선 등에 의하여 회로 기판(100)과 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 제2 전력 소자(300)는, 예를 들어, 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET;Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함할 수 있다.

회로 기판(100)에 배치된 제1 전력 소자(200) 및 제2 전력 소자(300)의 구동에 의하여 인버팅 동작을 수행할 때, IGBT를 포함하는 제1 전력 소자(200) 및 MOSFET을 포함하는 제2 전력 소자(300)로부터는 다량의 열이 발생 된다.

제1 및 제2 전력 소자(200,300)들로부터 발생 된 열을 신속하게 방열시키지 않을 경우, 제1 및 제2 전력 소자(200,300)들의 성능 저하가 발생 되며 이로 인해 인버터의 전체적인 성능 역시 감소 된다.

냉각 장치(400)는 제1 및 제2 전력 소자(200,300)들로부터 발생 된 열을 신속하게 방열시켜 제1 및 제2 전력 소자(200,300)들 및 인버터(800)의 성능 저하를 방지하며, 인버터(800)의 전체적인 사이즈 역시 감소시킨다.

냉각 장치(400)는 제1 히트 싱크(410), 제2 히트 싱크(420) 및 냉각팬(430)을 포함한다.

제1 히트 싱크(410)는 지지 프레임(500)에 의하여 구분된 하부 공간에 배치된다.

제1 히트 싱크(410)는 제1 전력 소자(200)에 결합 되어 제1 전력 소자(200)로부터 발생 된 열을 방열시키며, 제1 히트 싱크(410)는 철에 비하여 열 전도율이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등으로 제조될 수 있으며, 제1 히트 싱크(410)는 제1 사이즈로 형성된다.

제2 히트 싱크(420)는 제2 전력 소자(300)에 결합 되어 제2 전력 소자(300)로부터 발생 된 열을 방열시킨다.

제2 히트 싱크(420)는 지지 프레임(500)에 의하여 구분된 하부 공간에 배치된다.

제2 히트 싱크(420)는 철에 비하여 열 전도율이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등으로 제조될 수 있으며, 제2 히트 싱크(420)는 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈로 형성된다.

제2 히트 싱크(420)는 상기 하부 공간에 제1 히트 싱크(410)와 함께 배치되며, 제2 히트 싱크(420)는 회로 기판(100) 및 지지 프레임(500)에 형성된 개구를 통해 제2 전력 소자(300)에 결합 되어 제2 전력 소자(300)로부터 발생 된 열을 방열한다.

제2 히트 싱크(420)가 통과하는 회로 기판(100) 및 지지 프레임(500)의 개구를 통해 먼지와 같은 이물질이 케이스(600)의 상기 상부 공간으로 유입되는 것을 방지하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 개구 및 제2 히트 싱크(420)에는 밀봉 부재(440)가 배치된다.

한편, 제2 히트 싱크(420)의 일부는 제1 히트 싱크(410)에 접촉되며, 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들은 접착제 또는 체결 부재에 의하여 상호 체결된다.

제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들이 상호 접촉됨에 따라 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들 사이에서도 열전달이 이루어진다.

냉각팬(430)은 외부 공기를 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들로 제공하여 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들은 동시에 강제 냉각시킨다.

냉각팬(430)은 지지 프레임(500)에 의하여 구분된 상기 하부 공간에 배치된다.

본 발명의 일실시예에서, 냉각팬(430)이 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들에 외부 공기를 제공하여 직접적으로 방열을 수행함으로써 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들의 방열 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에서, 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들이 모두 회로 기판(100)의 하부에 배치되기 때문에 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들이 차지하는 면적을 감소시켜 냉각 장치(400)가 차지하는 면적을 감소 및 인버터(800)의 전체 부피를 감소시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인버터용 냉각 장치가 적용된 인버터를 도시한 단면도이다. 도 4는 도 3의 'B' 부분 확대도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 인버터용 냉각 장치는 제1 및 제2 히트 싱크를 제외하면 앞서 도 1 및 도 2에 도시 및 설명된 인버터용 냉각 장치와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조 부호를 부여하기로 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 케이스(600)의 지지 프레임(500)에 의하여 형성된 상기 하부 공간에 배치된 제1 히트 싱크(410) 중 제2 히트 싱크(420)와 마주하는 부분에는 홈 또는 절개된 부분이 형성되며, 제2 히트 싱크(420)는 제1 히트 싱크(410) 중 홈 또는 절개된 부분에 삽입되어 결합 된다.

이와 같이 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들을 상호 끼워 맞춤 결합할 경우, 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들이 차지하는 전체 부피를 감소시킬 수 있으며, 제1 및 제2 히트 싱크(410,420)들 사이에서 열 전달이 일어날 수 있도록 하여 방열 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 인버터의 스위칭 소자들을 효율적으로 냉각시켜 스위칭 소자 및 인버터의 성능 저하를 방지하며, 스위칭 소자들에 결합 된 히트 싱크들의 결합을 개선하여 히트 싱크들이 차지하는 전체 면적을 감소시켜 인버터의 전체 사이즈를 감소시킬 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100...회로 기판 200...제1 전력 소자
300...제2 전력 소자 400...냉각 장치
500...지지 프레임 600...케이스
800...인버터

Claims (4)

1. 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분할하며, 제1 개구 및 제2 개구를 포함하는 지지 프레임을 포함하는 케이스;
   상기 상부 공간에 배치되며 상기 지지 프레임의 상면에 배치되며, 상기 제2 개구와 연통되도록 형성되는 제3 개구를 포함하는 회로 기판;
   상기 회로 기판의 하면에 배치된 제1 전력 소자에 상기 제1 개구를 통해 직접 결합 되며 상기 하부 공간에 배치된 제1 히트 싱크;
   상기 회로 기판의 상면에 상기 제3 개구와 대응하는 위치에 배치된 제2 전력 소자에 상기 제2 및 상기 제3 개구를 통해 삽입되어 직접 결합된 제2 히트 싱크;
   상기 하부 공간에 배치되며 외부 공기를 상기 제1 및 제2 히트 싱크들로 제공하는 냉각팬; 및
   상기 회로기판의 하면에 일부가 결합 되고 나머지는 상기 제2 개구의 내측면과 상기 제2 히트 싱크의 외측면 사이에 각각 밀착 결합되어 상기 하부 공간에서 발생된 이물질이 상기 제2 개구 및 상기 제3 개구를 통해 상기 상부 공간으로 유입되는 것을 방지하는 밀봉 부재를 포함하며,
   상기 제1 히트 싱크는 제1 사이즈로 형성되고, 상기 제2 히트 싱크는 상기 제1 사이즈보다 작은 제2 사이즈로 형성되어, 상기 제1 히트 싱크과 상기 제2 히트 싱크는 서로 다른 방열 효율을 갖고,
   상기 제1 히트 싱크에는 홈이 형성되며, 상기 홈에는 상기 하부 공간에 배치되는 상기 제2 히트 싱크의 일부 구간이 삽입되고,
   상기 제2 히트 싱크의 상기 삽입된 구간의 표면과 상기 제1 히트 싱크의 홈의 내측 표면 사이의 표면 접촉에 따른 상호간의 열전도를 통해 상기 제2히트 싱크의 방열 효율을 향상시키는 인버터용 냉각 장치.
   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전력 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT;Insulated gate bipolar transistor)를 포함하고, 상기 제2 전력 소자는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET;Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 포함하는 인버터용 냉각 장치.

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