KR101865963B1 - 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 단부가 개구 형성되며, 개구된 단부에 복수의 스위칭소자가 삽입 배치되는 방열케이스; 상기 스위칭소자들이 배치되는 방향과 나란한 방향으로 냉각유로가 형성되되, 상기 냉각유로 상에 상기 방열케이스가 마련되도록 구성된 방열판;을 포함하여 구성되는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치가 소개된다.

Description

컨버터용 스위칭소자의 냉각장치{APPARATUS FOR COOLING SWITCHING ELEMENT FOR CONVERTER}
본 발명은 컨버터의 스위칭소자 냉각기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC-DC 컨버터의 스위칭 소자 냉각 방식을 개선하여 컨버터의 내구수명을 증대시키며, 더 큰 파워의 동작이 가능하도록 한 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디시디시 컨버터(DC-DC converter)는 입력 DC 전원을 스위칭소자 및 코어류, 캐패시터를 이용하여 다른 전압의 DC 전원으로 변환시켜주는 장치로서, 상기 스위칭소자는 PWM 스위칭을 하여 전원을 도통하게 하거나, 또는 끊어 주는 역할을 하며 이러한 동작으로 코어류에 에너지를 공급하는 역할을 한다.
그리고, 코어류는 트랜스포머가 1차측과 2차측 전원 사이에 위치하여 두 전원간 절연 역할 및 1차측 전압을 원하는 2차측 전압으로 강압 또는 승압할 수 있게 하며, 출력 인덕터는 PWM 스위칭에 의해 구형파로 전달되는 전압/전류를 평활하는 필터 역할을 하고, 캐패시터는 입력/출력 측에 위치하며 전압을 평활하게 하는 필터 역할을 한다.
아울러, 상기 방열판은 전력손실이 많은 파워부품을 냉각시키기 위한 수냉 또는 공냉 방식으로 구성되며, 통상 파워부품을 장착하기 위한 바닥면이 구성된다. 그리고, PCB 회로기판은 제어회로 부품 및 파워 부품을 서로 전기적으로 연결하는 역할을 한다.
한편, 도 1은 종래 기술에 의한 스위칭소자의 장착 구조를 간략하게 도시한 도면으로, 스위칭소자(2)가 방열판(1) 위에 장착됨으로써, 스위칭소자(2)의 바닥면 단면이 상기 방열판(1) 구조에 의해 냉각된다.
그러나, 상기한 종래의 스위칭소자 냉각방식은 상기 스위칭소자의 바닥면만이 냉각되는바, 냉각성능이 떨어지는 문제가 있고, 또한 스위칭 소자가 장착된 윗 부분의 PCB 회로 기판(3)에 다른 부품을 실장하기 어려운 단점이 있다.
한편, 종래 기술로서 한국 공개특허공보 공개번호 10-2002-0072029호의 "디씨/디씨 컨버터의 방열장치"가 소개된바 있다.
그러나, 상기한 종래 기술은 스위칭소자를 냉각하는 방식과 차이가 있음은 물로, 더 큰 파워의 동작을 위한 방열 및 냉각성능을 발휘하기에는 부족한 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2002-0072029 A
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, DC-DC 컨버터의 스위칭 소자 냉각 방식을 개선하여 컨버터의 내구수명을 증대시키며, 더 큰 파워의 동작이 가능하도록 한 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 단부가 개구 형성되며, 개구된 단부에 복수의 스위칭소자가 삽입 배치되는 방열케이스; 상기 스위칭소자들이 배치되는 방향과 나란한 방향으로 냉각유로가 형성되되, 상기 냉각유로 상에 상기 방열케이스가 마련되도록 구성된 방열판;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 방열케이스의 상단부에는 장공의 삽입홈이 냉각유로의 길이방향으로 형성되며; 상기 삽입홈의 내부에는 상기 복수의 스위칭소자가 직렬 형태를 이루어 삽입 배치될 수 있다.
상기 스위칭소자들이 클램프에 의해 체결되며; 상기 클램프에 의해 체결된 스위칭소자가 상기 삽입홈에 삽입될 수 있다.
상기 스위칭소자가 삽입된 삽입홈 내부에는 액상의 열전도체가 주입되어 몰딩될 수 있다.
상기 방열케이스의 상단부에는 냉각유로의 길이방향과 직교하는 방향으로 복수의 삽입홈이 병렬 형태를 이루어 형성되며; 상기 각각의 삽입홈의 내부에는 스위칭소자가 삽입될 수 있다.
상기 방열케이스는 열전도체일 수 있다.
상기 방열판의 상부에 기판이 설치되며; 상기 기판에 상기 스위칭소자의 단부가 상기 기판에 대해 수직을 이루며 장착될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 스위칭소자들이 열전도성이 높은 방열케이스에 밀착 삽입되며, 상기 방열케이스가 냉각유로 상에 설치됨으로써, 상기 스위칭소자에서 방열되는 면적이 증대되는바, 스위칭소자의 냉각성능이 향상되는 효과가 있고, 또한 상기 스위칭소자의 정션온도에 의한 내구 수명을 높이는 것은 물론, 더 큰 전류에 사용이 가능한 효과도 있다.
더욱이, 스위칭소자가 기판에 수직을 이루며 장착됨으로써, 스위칭소자가 차지하는 면적이 감소되어, 컨버터 전체 패키지 사이즈를 줄이는 효과도 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 스위칭소자의 장착 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의한 스위칭소자의 직렬 형태의 설치예시와, 장착 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 클램프를 이용한 스위칭소자의 설치예시를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 스위칭소자의 병렬 형태의 설치예시를 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 스위칭소자(30)의 직렬 형태의 설치예시와, 장착 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 컨버터용 스위칭소자(30)의 냉각장치는 크게, 방열케이스(20)와, 방열판(10)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 컨버터용 스위칭소자(30)의 냉각장치의 구성을 구체적으로 살펴보면, 단부가 개구 형성되며, 개구된 단부에 복수의 스위칭소자(30)가 삽입 배치되는 방열케이스(20); 상기 스위칭소자(30)들이 배치되는 방향과 나란한 방향으로 냉각유로가 형성되되, 상기 냉각유로 상에 상기 방열케이스(20)가 마련되도록 구성된 방열판(10);을 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 기술구성에 대해 부연하면, 먼저 상기 방열케이스(20)는 상단부가 개구되어 삽입홈(25)이 형성된 것으로, 상기 개구된 삽입홈(25) 내부에 복수의 스위칭소자(30)가 삽입 배치된다.
이러한, 상기 방열케이스(20)는 바디(22)와 플랜지(24)를 포함하여 구성되는 것으로, 상기 바디(22)의 내부에 삽입홈(25)이 형성되며, 상기 바디(22)의 상단부 테두리를 따라 플랜지(24)가 수평 방향으로 돌출 형성된다. 이에, 상기 플랜지(24)가 방열판(10)에 체결되며, 볼팅 등의 체결방식을 통해 결합될 수 있다.
여기서, 상기 방열케이스(20)는 알루미늄재 등과 같이 열전도성이 높은 열전도체로 제조 및 형성될 수 있다.
그리고, 상기 스위칭소자(30)는 스위칭을 통해 전원을 연결하거나 끊는 것으로, 바람직하게는 FET(Field Effect Transistor)소자이거나, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자일 수 있다.
상기 방열판(10)은, 상기 스위칭소자(30)들이 배치되는 방향과 나란한 방향으로 냉각유로가 형성되되, 상기 냉각유로 상에 상기 방열케이스(20)가 마련될 수 있다.
즉, 상기 방열판(10)에 마련된 냉각유로를 따라 수냉 또는 공랭 방식의 냉각수단이 흐르게 되며, 상기 냉각수단이 흐르는 냉각유로의 방향과 나란하게 상기 스위칭소자(30)들이 배치될 수 있게 된다.
이때, 상기 냉각수단으로 냉각수가 적용되는 경우에는 냉각수를 수밀하기 위한 실링구조가 마련될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 스위칭소자(30)들이 열전도체인 방열케이스(20)에 삽입 설치되며, 상기 방열케이스(20)가 냉각유로 상에 설치되는바, 상기 스위칭소자(30)의 냉각 면적이 증대되어 스위칭소자(30)의 냉각성능을 향상시키게 된다.
아울러, 도 2를 통해 상기한 스위칭소자(30)의 직렬 형태의 설치예시를 살펴보면, 상기 방열케이스(20)의 상단부에는 장공의 삽입홈(25)이 냉각유로의 길이방향으로 형성되며, 상기 삽입홈(25)의 내부에는 상기 복수의 스위칭소자(30)가 직렬 형태를 이루어 삽입 배치될 수 있다.
즉, 상기 삽입홈(25)이 길이방향으로 길게 형성되며, 상기 삽입홈(25) 내에 스위칭소자(30)들이 횡방향으로 복수개가 삽입 배치되고, 상기 스위칭소자(30)가 배치된 횡방향으로 수냉 및 공랭 방식의 냉각수단이 흐르게 된다. 이때, 상기 스위칭소자(30)들은 삽입홈(25) 내에 밀착 삽입되는바, 상기 스위칭소자(30)에서의 열이 방열케이스(20)에 열전도되면서 냉각된다.
그리고, 상기 스위칭소자(30)가 삽입된 삽입홈(25) 내부에는 액상의 열전도체가 주입되어 몰딩될 수 있다. 즉, 몰딩된 열전도체를 통해 상기 스위칭소자(30)의 전후면 뿐만 아니라, 양측면을 통해서도 열전도가 이루어지게 되는바, 방열되는 면적이 증대되어 스위칭소자(30)의 냉각성능이 증대된다.
도 3은 본 발명에 의한 클램프(35)를 이용한 스위칭소자(30)의 설치예시를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 스위칭소자(30)는 클램프(35)에 의해 체결되어 방열케이스(20)에 삽입될 수 있다. 즉, 상기 스위칭소자(30)들이 클램프(35)에 의해 체결되며, 상기 클램프(35)에 의해 체결된 스위칭소자(30)가 상기 삽입홈(25)에 삽입될 수 있다. 이때, 상기 클램프(35)는 상기 스위칭소자(30)들의 측면 테두리를 감싸는 구조로 마련되거나 혹은 각 스위칭소자(30)의 일면이 상기 클램프(35)와 결합되는 구조일 수 있다.
이에, 상기 클램프(35)가 상기 삽입홈(25) 내에 밀착 삽입될 수 있으며, 이로 인해 상기 스위칭소자(30)의 열전도율을 높여 스위칭소자(30)의 냉각성능을 향상시키게 된다.
도 4는 본 발명에 의한 스위칭소자(30)의 병렬 형태의 설치예시를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 방열케이스(20)의 상단부에는 냉각유로의 길이방향과 직교하는 방향으로 복수의 삽입홈(25)이 병렬 형태를 이루어 형성되며, 상기 각각의 삽입홈(25)의 내부에는 스위칭소자(30)가 삽입될 수 있다.
즉, 복수의 삽입홈(25)이 냉각유로의 길이방향과 직교하는 방향으로 형성됨으로써, 상기 삽입홈(25)이 종방향으로 병렬 상태로 배치되며, 상기 삽입홈(25)에 스위칭소자(30)가 삽입되고, 상기 수냉 및 공랭방식의 냉각수단이 각각의 삽입홈(25) 사이로 흐르게 된다. 이때, 상기 스위칭소자(30)들은 삽입홈(25) 내에 밀착 삽입되는바, 상기 스위칭소자(30)에서의 열이 방열케이스(20)에 열전도되면서 냉각된다.
한편, 도 2와 같이, 상기 방열판(10) 상부에는 기판(40)이 설치될 수 있으며, 이때 상기 기판(40)은 PCB일 수 있다. 그리고, 상기 기판(40)에 상기 스위칭소자(30)의 단부가 수직을 이루며 장착될 수 있다.
즉, 상기 스위칭소자(30)의 하단부가 상기 방열케이스(20)에 삽입되는바, 상기 스위칭소자(30)의 상단부가 상기 기판(40)에 수직으로 장착될 수 있다. 따라서, 상기한 스위칭소자(30)의 장착구조를 통해 스위칭소자(30)가 차지하는 면적이 감소되어, 컨버터 전체 패키지 사이즈를 줄일 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 스위칭소자(30)들이 열전도성이 높은 방열케이스(20)에 밀착 삽입되며, 상기 방열케이스(20)가 냉각유로 상에 설치됨으로써, 상기 스위칭소자(30)에서 방열되는 면적이 증대되는바, 스위칭소자(30)의 냉각성능이 향상된다. 따라서, 상기 스위칭소자(30)의 정션온도에 의한 내구 수명을 높이는 것은 물론, 더 큰 전류에 사용이 가능하며, 이에 대해서도 스위칭소자(30)의 내구 수명을 향상시키게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 방열판 20 : 방열케이스
25 : 삽입홈 30 : 스위칭소자
35 : 클램프 40 : 기판

Claims (7)

  1. 단부가 개구 형성되며, 개구된 단부에 복수의 스위칭소자(30)가 삽입 배치되는 방열케이스(20);
    상기 스위칭소자(30)들이 배치되는 방향과 나란한 방향으로 냉각유로가 형성되되, 상기 냉각유로 상에 상기 방열케이스(20)가 마련되도록 구성된 방열판(10);을 포함하고,
    상기 방열케이스(20)의 상단부에 삽입홈(25)이 형성되고;
    상기 삽입홈(25)의 내부에 상기 스위칭소자(30)가 삽입되며;
    상기 스위칭소자(30)가 삽입된 삽입홈(25)의 내부에는 액상의 열전도체가 주입되어 몰딩된 것을 특징으로 하는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열케이스(20)의 상단부에는 장공의 삽입홈(25)이 냉각유로의 길이방향으로 형성되며;
    상기 삽입홈(25)의 내부에는 상기 복수의 스위칭소자(30)가 직렬 형태를 이루어 삽입 배치되는 것을 특징으로 하는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스위칭소자(30)들이 클램프(35)에 의해 체결되며;
    상기 클램프(35)에 의해 체결된 스위칭소자(30)가 상기 삽입홈(25)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열케이스(20)의 상단부에는 냉각유로의 길이방향과 직교하는 방향으로 복수의 삽입홈(25)이 병렬 형태를 이루어 형성되며;
    상기 각각의 삽입홈(25)의 내부에는 스위칭소자(30)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열케이스(20)는 열전도체인 것을 특징으로 하는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열판(10)의 상부에 기판(40)이 설치되며;
    상기 기판(40)에 상기 스위칭소자(30)의 단부가 상기 기판(40)에 대해 수직을 이루며 장착되는 것을 특징으로 하는 컨버터용 스위칭소자의 냉각장치.
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