KR101993807B1

KR101993807B1 - 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터

Info

Publication number: KR101993807B1
Application number: KR1020170111019A
Authority: KR
Inventors: 조제현; 신양수; 강정윤
Original assignee: 주식회사 하이솔루션
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-06-27
Also published as: KR20190024233A

Abstract

본 발명은 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광발전모듈 및 발전 설비에 설치되어 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환시키며, 동작시 발생하는 열을 외부로 신속하고 효과적으로 방출시킬 수 있는 마이크로 인버터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터에 의하면 소자의 집적 및 소형화로 인해 발생하는 많은 열을 본체에 형성된 접촉부를 통해 신속하고 효과적으로 전달 및 본체와 방열부를 통해 방출시킴으로써 인버터 자체의 기능을 장기간 지속적으로 유지 및 효율 및 수명을 높일 수 있다.

Description

성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터{Micro Inverter}

본 발명은 마이크로 인버터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광발전모듈 및 발전 설비에 설치되어 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환시키며, 동작시 발생하는 열을 외부로 신속하고 효과적으로 방출시킬 수 있는 마이크로 인버터에 관한 것이다.

태양광발전 시스템의 구성은 일반적으로 시스템의 이용처, 부하의 종류, 시스템의 크기 입지조건 등에 따라 다르지만 그 기본 구성은 크게 태양광모듈, 인버터(전력변환제어장치), 축전장치로 구성된다.

상기의 기본 구성 중 인버터는 태양광모듈에서 생성되는 직류전기를 교류전기로 변환하여 전력계통에 공급하는 역할을 한다. 또한, 태양광모듈에서 최대 출력을 얻고 직류, 교류 측의 전기적인 감시, 보호기능을 수행하여 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중 가장 큰 비중을 차지한다.

이와 같은 인버터 내부에는 고효율 및 고속의 전력 변환 시스템에 필수인 전력 반도체 절연 게이트 양극성 트랜지스터(이하, 'IGBT')가 포함된다.

상기의 IGBT는 작동 중 전력 손실이 발생하는데, 이 중 대부분이 열로 변환되어 온도가 상승한다. 이는 소자의 성능 저하 및 수명 단축의 원인이 되므로 온도를 허용치 이하로 유지하기 위한 방열시스템이 반드시 필요하다.

방열시스템의 일 예로서, 핀과 상판 또는 하판이 일체형인 압출형(extruded-type) 히트 싱크는 핀과 판이 일체형으로 형성되어 우수한 전열 특성을 가지므로 일반적으로 사용되는 히트 싱크이다.

그러나, 방열시스템의 규모가 커지면 히트 싱크의 크기도 커지게 되어 제작설비나 단가 등의 현실적인 제약으로 인해 핀과 상판 및 하판을 따로 제작하여 결합하는 압입형(swaged-type) 히트 싱크가 사용되기도 한다.

상기 압입형은 압출형과는 다르게 핀과 상하판을 결합하여 제작하므로 일체형인 압출형에 비해 열전도도가 상대적으로 낮아 전열 성능은 좋지 않지만 생산단가, 제작설비, 제품 크기 등의 측면에서 경쟁력을 가질 수 있다.

이와 같이 소자에서 방출되는 열은 소자의 기능저하, 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구 및 투자개발이 이루어지고 있다.

최근 태양광 발전 산업에서 가격 매입제도가 도입되면서 주목받고 있는 태양광 인버터는 대부분 개방형 통풍구조로 인해 기후변화에 유연하게 대응하지 못하고 있다.

설치환경 및 소자의 집적 및 소형화로 인하여 많은 열이 발생하고, 이로 인해 인버터의 기능 등의 이상동작이 빈번하게 발생하여 효율 및 수명이 감소하는 문제가 발생하고 있다.

실질적인 인버터의 전력회로의 구성형태 및 변압기 유무에 따라 저주파 변압기형, 고주파링크형, 무변압기형으로 구분할 수 있다.

인버터의 용량, 사용목적, 설치 장소 등에 따라 구성형태가 달라지고 변압기 채용여부도 달라진다. 이러한 이유로 인하여, 구조가 간단하고 절연이 가능하며 회로구성이 간단한 저주파 변압기형을 쓰고 있으나, 고효율화가 어렵고 중량이 무거우며 부피가 크다는 단점이 있다. 특히, 소용량의 인버터의 경우에는 변압기 자체의 손실 때문에 시스템 효율을 높이는데에 한계가 있다.

이러한 단점들을 극복하기 위해 냉각 팬에 의한 강제냉각, 자연냉각에 따른 고효율 인버터 기술 개발을 연구하고 있다.

그러나 종래의 강제냉각 방식은 소음의 문제가 있으며, 자연냉각 방식은 효율이 떨어진다는 단점들이 부각되고 있다.

또한, 인버터의 최대 단점은 수명 및 신뢰성이 태양광전지모듈에 비해 상대적으로 기간이 짧다는 것이다. 통상 인버터의 내구수명은 7~10년으로 보고 있으나, 태양전지의 수명이 20년인 것과 비교하여 유지 기간이 짧기에 이를 개선하기 위한 연구가 개발진행중에 있다.

통상적으로 내구수명기간은 노화로 인한 고장, 마모, 피로, 노화 등에 의한다. 이를 줄일 수 있는 설계 또는 내구성이 높은 부품 및 소재를 사용하면 수명연장과 고장 발생시기를 늦출 수 있으나, 원가에 영향을 미치기 때문에 인버터용 히트 싱크의 개발의 핵심 요인이라고 볼 수 있다.

KR

10-1579912

B1

KR

10-2014-0012265

A

KR

20-2000-0035298

A

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 마이크로 인버터를 소형화하되, 설치환경 및 소자의 집적 및 소형화로 인해 발생하는 많은 열을 신속하고 효과적으로 방출시킴으로써 인버터 자체의 기능을 장기간 지속적으로 유지 및 효율 및 수명을 높일 수 있는 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터는 태양광발전모듈에서 생성된 직류 전력을 변압하여 직류 전력으로 출력하는 제1 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부에 연결되어 상기 제1 전력 변환부에서 출력되는 직류 전력을 고주파 전압으로 변환시키는 고주파 변환부와, 상기 고주파 변환부에 연결되어 상기 고주파 변환부에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부와 상기 고주파 변환부와 상기 제2 전력 변환부의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 제1 전력 변환부와 상기 고주파 변환부와 상기 제2 전력 변환부 및 상기 제어부가 실장되는 기판부를 구비하는 회로모듈과; 상기 회로모듈을 내장하기 위한 공간부가 내부에 마련된 본체와, 상기 회로모듈의 작동시 발생하는 열을 방출하기 위해 상기 본체의 일 측에 형성된 방열부를 포함하는 케이스;를 구비하고, 상기 기판부의 일 면에는 상기 제1 전력 변환부와 상기 고주파 변환부와 상기 제2 전력 변환부에 각각 구비되어 작동시 발열하는 복수의 스위칭 소자가 일괄적으로 배치되며, 상기 스위칭 소자와 대향되는 상기 본체의 내주면에는 상기 스위칭 소자에 접촉되도록 상기 본체로부터 돌출된 접촉부가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭 소자와 상기 접촉부 사이에는 상기 스위칭 소자와 상기 케이스 상호간을 절연시키면서 상기 스위칭 소자에서 발생하는 열을 상기 접촉부로 전달하기 위한 열전도성 패드부가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 본체의 내주면과 상기 기판부 사이의 간격을 조절하기 위한 간격조절부를 더 구비하고, 상기 간격조절부는 상기 기판부를 관통하도록 상기 기판부에 나사 결합되고, 일 측 단부가 상기 본체에 대해 회전 가능하게 설치되어 회전 방향에 따라 상기 기판부를 상기 본체에 접근시키거나 이격시키도록 된 조절로드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터에 의하면 소자의 집적 및 소형화로 인해 발생하는 많은 열을 본체에 형성된 접촉부를 통해 신속하고 효과적으로 전달 및 본체와 방열부를 통해 방출시킴으로써 인버터 자체의 기능을 장기간 지속적으로 유지 및 효율 및 수명을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터의 분리 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터의 제1 전력 변환부, 고주파 변환부, 제2 전력 변환부를 나타낸 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터의 간격조절부를 나타낸 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4에는 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 인버터는 회로모듈(100)과, 케이스(200)를 구비한다.

상기 회로모듈(100)은 제1 전력 변환부(110)와, 고주파 변환부(120)와, 제2 전력 변환부(130)와, 제어부(미도시)와, 기판부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 전력 변환부(110)는 태양광발전모듈(PV)에서 생성된 직류 전력을 받아 변압하여 설정된 전압을 갖는 직류 전력으로 출력한다. 상기 제1 전력 변환부(110)는 도시된 바와 같이 2개의 스위칭 소자(111)를 갖는 벅 컨버터(buck converter)로 구성된다. 상기 제1 전력 변환부(110)의 스위칭 소자(111)로서 'Texas Instruments'사의 N-Channel MOSFET인 'CSD18540Q5BT'(모델명)를 적용할 수 있다.

상기 고주파 변환부(120)는 제1 전력 변환부(110)에 연결되어 제1 전력 변환부(110)에서 출력되는 직류 전력을 고주파 전압으로 변환하여 출력한다. 상기 고주파 변환부(120)는 도시된 바와 같이 4개의 스위칭 소자(121)를 갖는 풀 브릿지 컨버터(full bridge converter)로 구성된다. 상기 고주파 변환부(120)의 스위칭 소자(121)로서 'TOSHIBA'사의 N-channel MOSFET인 'TPWR8503NL'(모델명)를 적용할 수 있다.

상기 제2 전력 변환부(130)는 고주파 변환부(120)에 연결되어 고주파 변환부(120)에서 출력되는 고주파 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 상기 제2 전력 변환부(130)는 도시된 바와 같이 4개의 스위칭 소자(131)를 갖는 언폴딩 브릿지(unfolding bridge)로 구성된다. 상기 제2 전력 변환부(130)의 스위칭 소자(131)로서 'TOSHIBA'사의 N-channel MOSFET인 'TK31V60X'(모델명)를 적용할 수 있다.

상기 제어부는 제1 전력 변환부(110)와, 고주파 변환부(120)와, 제2 전력 변환부(130)의 동작을 각각 독립적으로 제어한다.

상기 기판부(150)는 제1 전력 변환부(110)와, 고주파 변환부(120)와, 제2 전력 변환부(130) 및 제어부를 이루는 스위칭 소자들(111, 121, 131), 인덕터, 캐패시터 등이 실장되며, 회로 패턴이 형성된다.

그리고, 기판부(150)의 일 면(후술하는 본체(210) 내측의 내주면을 향하도록 배치되는 면)에는 작동시 발열하는 제1 전력 변환부(110)와, 고주파 변환부(120)와, 제2 전력 변환부(130)에 포함된 스위칭 소자(111, 121, 131)들이 일괄적으로 배치된다.

또한, 상기 기판부(150)의 네 모퉁이 부분에는 일 단이 케이스(200)에 고정되고 타 단은 기판부(150)에 결합되어 케이스(200)에 대해 기판부(150)를 이격되게 지지하기 위한 지지부가 설치된다.

한편, 도면에 도시되어 있지 않지만 회로모듈(100)은 검출부 및 감시부를 더 포함할 수 있다.

상기 검출부는 상용전원계통과 연결되는 제2 전력 변환부(130)의 출력단에서 전압, 임피던스, 및 주파수를 검출한다. 그리고, 상기 감시부는 검출부의 전압, 임피던스, 및 주파수 등의 데이터를 이용하여 상용전원계통을 실시간으로 감시하며, 이에 따라 미리 정해진 기준에 따라 상용전원계통이 정상 상태에 있는지, 비정상 상태에 있는지 판단한다.

또한, 제어부는 제1 전력 변환부(110), 고주파 변환부(120), 제2 전력 변환부(130), 검출부, 감시부의 동작을 제어한다. 일 예로, 제어부는 감시부가 미리 정해진 기준에 따라 상용전원계통이 정상 상태에서 비정상 상태로 변경된 것으로 판단한 경우, 회로모듈(100)을 상용전원계통으로부터 분리시키도록 동작할 수 있다. 또 다른 예로, 제어부는 감시부가 미리 정해진 기준에 따라 상용전원계통이 비정상 상태에서 정상 상태로 변경된 것으로 판단한 경우, 회로모듈(100)을 상용전원계통과 연결시키도록 동작할 수 있다.

상기 케이스(200)는 본체(210)와, 방열부(230)와, 커버(250)를 포함하여 구성된다.

상기 본체(210)는 회로모듈(100)을 내장 및 수용하기 위한 공간부(211)가 내부에 마련되며, 전면 측에는 회로모듈(100)을 투입 및 삽입하기 위한 개구가 형성된다.

그리고, 본체(210)에는 태양광발전모듈(PV)에서 발전된 직류전원을 회로모듈(100)에 공급하기 위한 케이블을 본체(210) 내부로 인입시키기 위한 케이블진입구와, 회로모듈(100)을 통해 변환된 교류 전력을 출력하기 위한 케이블을 본체(210) 외부로 인출시키기 위한 케이블인출구가 각각 형성되고, 이 케이블진입구 및 케이블 인출구에는 케이블을 본체(210)에 고정시키기 위한 고정구가 설치된다. 또한, 본체(210)의 배면 측 외주면에는 본체(210)와 일체로 형성된 방열부(230)가 형성된다.

한편, 상기 본체(210)는 회로모듈(100)의 기판부(150)에 배치된 스위칭 소자들과 대향되는 내주면에 스위칭 소자들에 각각 접촉될 수 있도록 본체(210) 내주면으로부터 공간부(211)를 향해 돌출된 복수의 접촉부(215)가 구비된다. 상기 접촉부(215)는 본체(210)와 일체로 형성될 수도 있고, 본체(210)와 동일한 소재를 이용하여 본체(210)와 별도로 형성할 수도 있다.

또한, 본체(210)의 접촉부(215)와 스위칭 소자들(111, 121, 131) 사이에는 스위칭 소자들(111, 121, 131)과 본체(210) 및 케이스(200) 상호 간을 절연시키면서 스위칭 소자들(111, 121, 131)에서 발생하는 열을 접촉부(215)로 전달하기 위한 열전도성 패드부(217)가 더 구비된다.

상기의 열전도성 패드부(217)는 실리콘 계열의 소재 등과 같이 열전도 특성 및 절연 특성을 구비하는 재료를 사용하여 구성할 수 있다.

상기 방열부(230)는 회로모듈(100)의 작동시 발생하는 열을 신속하게 방출하기 위해 본체(210)의 배면측 외주면으로부터 외측으로 돌출되고 본체(210)의 일 측 방향으로 연장 및 서로 이격되는 복수의 방열핀으로 구성된다.

상기 커버(250)는 본체(210)의 전면 측 개구부를 폐쇄하도록 본체(210)와 결합된다. 상기 커버(250)는 본체(210)의 전면 측 개구부 외측으로 연장된 플랜지부에 밀착 및 고정볼트(B)에 의해 고정된다.

본 발명에 따른 마이크로 인버터의 케이스(200)의 본체(210) 및 방열부(230)는 방열 성능을 높일 수 있도록 그라파이트(Graphite)와, 그라핀 옥사이드(Graphene Oxide)와, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; CNT)와, 탄소섬유(Carbon Fiber)와, 탄화규소와, 질화붕소와, 질화탄소와, 바인더와, 알루미늄을 혼합 건조시킨 혼합분말을 볼 밀을 통해 분쇄하고, 분쇄된 혼합분말을 몰드에 넣고 고온 환경에서 고압으로 압축하여 성형할 수 있다.

본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터는 본체(210)의 내주면과 기판부(150) 사이의 간격을 조절하기 위한 간격조절부를 더 구비한다.

상기 간격조절부는 본체(210)에 대해 기판부(150)를 이격되게 지지하는 지지부(155)를 변형한 형태로서, 기판부(150)를 관통 및 기판부(150)에 나사 결합될 수 있게 외주면 일부에 나사부(158)가 형성되고, 일 측 단부 및 타 측 단부는 본체(210) 및 커버(250)에 형성된 끼움구멍에 각각 삽입되는 조절로드(159)를 포함하여 구성된다.

상기 조절로드(159)는 시계방향으로 회전시킬 때에는 기판부(150)를 본체(210)의 내주면 측으로 근접되게 하고, 시계 반시계방향으로 회전시킬 때에는 기판부(150)를 본체(210)의 내주면과 멀어지도록 이격시킬 수 있다.

상기와 같은 조절로드(159)는 회전 방향에 따라 기판부(150)를 본체(210)에 접근시키거나 이격시킬 수 있게 되어 있으므로 기판부(150)의 스위칭 소자들을 본체(210)의 접촉부(215)에 용이하게 밀착시킬 수 있을 뿐만 아니라, 스위칭 소자들과 접촉부(215) 사이에 각각 개재되는 열전도성 패드부(217)의 두께에 따른 간격 조절이 용이한 장점을 가진다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터는 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1 : 마이크로 인버터
100 : 회로모듈
110 : 제1 전력 변환부
111 : 스위칭 소자
120 : 고주파 변환부
121 : 스위칭 소자
130 : 제2 전력 변환부
131 : 스위칭 소자
200 : 케이스
210 : 본체
230 : 방열부
250 : 커버

Claims

태양광발전모듈에서 생성된 직류 전력을 변압하여 직류 전력으로 출력하는 제1 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부에 연결되어 상기 제1 전력 변환부에서 출력되는 직류 전력을 고주파 전압으로 변환시키는 고주파 변환부와, 상기 고주파 변환부에 연결되어 상기 고주파 변환부에서 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제2 전력 변환부와, 상기 제1 전력 변환부와 상기 고주파 변환부와 상기 제2 전력 변환부의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 제1 전력 변환부와 상기 고주파 변환부와 상기 제2 전력 변환부 및 상기 제어부가 실장되는 기판부를 구비하는 회로모듈과;
상기 회로모듈을 내장하기 위한 공간부가 내부에 마련된 본체와, 상기 회로모듈의 작동시 발생하는 열을 방출하기 위해 상기 본체의 일 측에 형성된 방열부를 포함하는 케이스와;
상기 본체의 내주면과 상기 기판부 사이의 간격을 조절하기 위한 간격조절부;를 구비하고,
상기 기판부의 일 면에는 상기 제1 전력 변환부와 상기 고주파 변환부와 상기 제2 전력 변환부에 각각 구비되어 작동시 발열하는 복수의 스위칭 소자가 일괄적으로 배치되며,
상기 스위칭 소자와 대향되는 상기 본체의 내주면에는 상기 스위칭 소자에 접촉되도록 상기 본체로부터 돌출된 접촉부가 구비되며,
상기 간격조절부는 상기 기판부를 관통하도록 상기 기판부에 나사 결합되고, 일 측 단부가 상기 본체에 대해 회전 가능하게 설치되어 회전 방향에 따라 상기 기판부를 상기 본체에 접근시키거나 이격시키도록 된 조절로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 소자와 상기 접촉부 사이에는 상기 스위칭 소자와 상기 케이스 상호간을 절연시키면서 상기 스위칭 소자에서 발생하는 열을 상기 접촉부로 전달하기 위한 열전도성 패드부가 구비된 것을 특징으로 하는 성능 향상 위한 개선된 방열구조를 갖는 마이크로 인버터.
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