KR102063726B1 - 모터 일체형 인버터 패키지 및 이에 적용되는 일체형 인버터 - Google Patents

모터 일체형 인버터 패키지 및 이에 적용되는 일체형 인버터 Download PDF

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KR102063726B1
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Abstract

본 발명은 위의 일체형 인버터를 이용하여 모터, 냉각 장치 및 인버터의 일체형 패키지의 방열/패키지 구조에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 수냉식 냉각장치 및 모터 일체형 방열구조를 통해서 방열성능이 크게 개선될 수 있다.

Description

모터 일체형 인버터 패키지 및 이에 적용되는 일체형 인버터{Motor integrated inverter package and All-in-one inverter applied to the same}
본 발명은 인버터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모터, 냉각 장치 및 인버터의 일체형 패키지의 방열/패키지 구조에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 하이브리드 또는 전기 자동차의 인버터 시스템의 모터 구동을 위한 일체형 인버터에 대한 것이다.
일반적으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈은 열때문에 대전력화, 고방열 구현을 위해서 큰 반도체 칩, 큰 파워모듈 패키지 제작이 불가피하였다. 그래서, 방열성능 개선을 위해 전기적 파워손실이 작은 반도체 칩을 적용하고 열전달이 잘되도록 하기 위해서 열전달이 우수한 재료를 사용하고 큰 사이즈의 방열판을 적용하였다.
따라서, 기존사양과 동등한 출력과 소형화된 인버터 패키지 개발을 통해 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용 HPCU(Hybrid Power Control Unit) 시스템 출력성능 개선을 위해서 소형화/고방열 IGBT 파워 모듈 패키지 개발이 요구된다.
이러한 IGBT 파워 모듈 패키지의 구조를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면 IGBT 파워 모듈(100)은 베이스 플레이트(Base Plate)(180) 위에 순차적으로 DBC(Direct Bonded Cooper)(160), 반도체 칩(IGBT)(150), 리드 프레임(130) 등이 조립 구성된다.
또한, 이들 구성간에 결합되는 순서는, 베이스 플레이트(180) 준비 -> 솔더링(120) -> DBC(160) 부착 -> 솔더링(120) -> 반도체 칩(IGBT)(150) 마운팅 -> 와이어(140) 본딩 -> 실리콘 겔(110) 도포/경화 -> PBT(Poly Butylene Terephthalate) 케이스(170) 부착 등의 공정으로 이루어진다.
따라서 일반적인 IGBT 파워 모듈 패키지는 단방향 방열 및/또는 수직구조의 형태를 띠게 된다.
그러므로, 방열성능을 위해서 방열재료 및 방열 사이즈의 증가로 전체 패키지 사이즈의 증가가 불가피하다.
또한, 단방향/수직구조의 방열구조를 갖는 IGBT 파워 모듈 패키지는 재료 및 패키지 사이즈의 제한을 받게 된다.
따라서, 일반적으로 동등한 출력과 소형화된 인버터 패키지 개발 및 HEV용 HPCU 시스템 출력성능 개선을 위해서는 새로운 개념의 소형화/고방열 IGBT 모듈 패키지 개발이 요구된다.
특히, 하이브리드 자동차의 인버터 시스템은 모터 구동력을 발생시키기 위해 고전압 배터리 직류전력을 3상 교류전력으로 변환하여 구동모터에 제공하여 구동모터의 토크를 제어하는 장치이다. 이러한 전력변환을 위해서 고전압/대전류 제어가 가능한 반도체 소자(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용하여 스위칭 회로를 구성한다.
이러한 HPCU용 IGBT 모듈이 고전압/대전류/소형화 패키지 구현을 위해서는 적은 파워손실의 IGBT선정과, 방열문제(열전달, 열방출 능력)가 개선된 패키지 설계가 매우 중요하다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0045596호 2. 한국공개특허번호 제10-2012-0072928호 3. 한국공개특허번호 제10-2009-0132031호
본 발명의 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, IGBT 모듈의 모터 일체형 패키지를 적용한 IGBT 모듈의 소형화 및 발열개선을 통한 대전력 IGBT 모듈 구현이 가능한 일체형 인버터 패키지를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 IGBT 모듈의 모터 하우징 일체형 패키지 구조를 통해서, HEV용 대전력 IGBT 모듈구현을 위한 고방열/소형 패키지의 일체형 인버터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, IGBT 모듈의 모터 일체형 패키지를 적용한 IGBT 모듈의 소형화 및 발열개선을 통한 대전력 IGBT 모듈 구현이 가능한 모터 일체형 인버터 패키지를 제공한다.
상기 모터 일체형 인버터 패키지는,
상단에 DBC(Direct Bonded Cooper)가 형성되고, 상기 DBC의 하단에 냉각 유로가 형성되는 모터 하우징을 갖는 인버터;
상기 인버터와 일체로 조립 연결되는 모터; 및
상기 인버터의 모터 하우징 및 모터의 상단 사이에 조립 연결되어 상기 인버터 및 모터의 열원을 직접 냉각 방식으로 동시에 냉각하도록 공용화되는 유로부; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 유로부와 모터 하우징은 핀 방식을 이용하여 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 인버터는 상기 DBC에 조립되는 파워 모듈을 포함하며, 상기 파워 모듈의 열원은 상기 핀과 직접 연결되는 냉각 유로에 의해 냉각되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직접 냉각 방식은 절연유 냉매제를 이용하는 유냉(oil cooling) 방식인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 절연유 냉매제는 상기 모터의 코일을 포함하는 내부 부품에 직접 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 핀은 중공형 관인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모터 하우징은, 하우징 기판; 상기 하우징 기판의 표면에 위치하며, 상기 냉각 유로가 형성되는 냉각층; 및 상기 냉각층의 표면에 위치하며 상기 DBC를 위한 DBC 홈이 형성되는 마운팅 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DBC는 상기 DBC홈에 설치되며, 상기 DBC홈의 바닥은 써멀 구리스(thermal grease) 및 실리콘 루버(silicone rubber)가 순서대로 적층되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 DBC와 상기 파워 모듈의 조립은 솔더 접합 방식, 와이어 본딩 방식 및 버스바 조립 방식 중 어느 하나를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 버스바 조립 방식은 스크류 볼트 체결 방식인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 파워 모듈의 표면은 실리콘 코팅되며, 상기 파워 모듈은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈이고, 상기 파워 모듈은 다수 개의 분리 가능한 분리형 또는 단일의 일체형 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 실시예는 위에서 기술된 모터 일체형 인버터 패키지에 적용되는 일체형 인버터를 제공한다. 상기 일체형 인버터는, DBC(Direct Bonded Cooper)가 상단에 형성되며 상기 DBC으로 전달되는 발열원의 직접 냉각을 위한 냉각 유로가 형성되는 모터 하우징; 상기 DBC에 조립되는 파워 모듈; 상기 파워 모듈의 게이트가 되는 PCB 보드; 및 상기 모터 하우징과 조립되는 커버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모터 하우징에는 상기 냉각층에 절연유 냉매제를 이용하는 유냉 방식을 통하여 상기 절연유 냉매제를 공급하는 핀 연결 수단이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수냉식 냉각장치 및 모터 일체형 방열구조를 통해서 방열성능이 크게 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 파워모듈의 단순화를 통하여 공정의 단순화가 가능하고, 소형화 패키지 구현을 통한 소형/경량화 및 시스템 조립 편의성이 향상되며, 단순화/소형화를 통한 원가절감이 가능하다는 점을 들 수 있다.
부연하면, 본 발명은 하이브리드 또는 전기자동차의 인버터 시스템의 모터 구동을 위한 전력용 반도체(IGBT 모듈)의 방열/패키지 구조에 있다. 일반적인 IGBT 모듈의 경우 단방향 방열구조/케이스 패키지/트랜스퍼 몰딩 패키지를 적용하여 방열 및 패키지 사이즈 제한에 한계가 있었다.
그러나, 본 발명에 따르면, 모터 하우징 일체형/수냉식 또는 유냉식 구조 적용을 통하여 고방열 및 패키지 소형화의 구현이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 일반적인 패키지 구조는 전력 반도체 소자(발열원)의 집중으로 위치별로 방열특성에 편차가 발생되는 단점이 있었으나, 본 발명에 따른 모터 일체형 패키지 구조는 발열원(DBC모듈)의 분리를 통해서 발열원의 집중을 분산화시킬 수 있는 장점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 파워모듈 패키지를 보여주는 사시도 및 일부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 일체형 인버터 패키지(200)의 구조를 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 모터 하우징(231) 내부에 장착되는 파워 모듈(233)의 구조를 보여주는 개념도이다.
도 4는 도 2에서 A-A'축으로 부분 절개한 모터 하우징(231)의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 인버터 및 이를 이용한 모터 일체형 인버터 패키지를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 일체형 인버터 패키지(200)의 구조를 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 모터 일체형 인버터 패키지(200)는, 일체형 인버터(230); 모터 냉각장치 통합부(210); 및 이들 일체형 인버터(230)와 모터 냉각장치 통합부(210)를 조립 연결하는 조립 연결부(220) 등으로 구성된다.
부연하면, 일체형 인버터(230); 상기 일체형 인버터(230)와 일체로 조립 연결되는 모터(211); 및 상기 일체형 인버터(230)의 모터 하우징(231) 및 모터(211)의 상단 사이에 조립 연결되어 상기 일체형 인버터(230) 및 모터(211)의 열원을 직접 냉각 방식으로 동시에 냉각하도록 공용화되는 유로부(221) 등을 포함하여 구성된다.
부연하면, 하나의 유로부(221)를 가지고 모터(211)와 일체형 인버터(230)를 동시에 통합적으로 냉각하는 것이 가능하게 된다. 부연하면, 모터(211)를 냉각하는 냉각원으로 일체형 인버터(230)도 냉각할 수 있다.
상기 유로부(221)와 모터 하우징(231)의 연결은 핀 방식을 이용하게 되는데, 이를 위해 모터 하우징(231)의 하단에 다수의 숫 핀(223)이 형성되고, 유로부(221)의 상단에는 다수의 암 핀(223)이 형성된다. 물론, 이는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로서, 나사 체결 방식 등과 같은 다른 방식도 가능하다.
또한, 이러한 숫 핀(221) 및 암 핀(223)은 유로부(213)에서 생성된 냉수 및/또는 냉각 공기를 모터 하우징(231)쪽으로 이동시키기 위해 내부에 중공이 있는 중공형 관 등이 사용된다. 여기서 냉각 방식은 냉수 및/또는 냉각 공기를 사용할 수 있으나, 절연유 냉매제를 이용하는 유냉(oil cooling) 방식이 사용될 수 있다.
따라서, 이러한 절연유 냉매제는 모터(211)의 내부에 있는 부품인 코일 등에 직접 공급될 수도 있다. 또한, 모터(211)와 일체형 인버터(230)의 냉각을 위해 서로 다른 냉매제를 사용할 필요없이 하나의 냉매제만을 사용하는 것도 가능하다.
계속 도 2를 참조하면, 일체형 인버터(230)는, DBC(Direct Bonded Cooper)가 상단에 형성되며 상기 DBC에서 발생되는 발열원의 냉각을 위한 냉각 유로가 형성되는 모터 하우징(231); 상기 DBC에 조립되는 파워 모듈(233); 상기 파워 모듈(233)의 게이트가 되는 PCB 보드(239); 및 상기 모터 하우징(231)과 조립되는 커버(237); 등을 포함하여 구성된다.
그러면 위에서 기술한 모터 하우징(231)의 구조를 더 상세하게 설명하기로 한다. 도 4는 도 2에서 A-A'축으로 부분 절개한 모터 하우징(231)의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 모터 하우징(231)은, 하우징 기판(460); 상기 하우징 기판(460)의 표면에 위치하며, 냉각 유로(미도시)가 형성되는 냉각층(450); 및 상기 냉각층(450)의 표면에 위치하며 DBC(410)를 위한 DBC 홈(400)이 형성되는 마운팅 프레임(430) 등이 순서대로 적층되어 형성된다.
또한, 상기 DBC(410)는 상기 DBC 홈(400)에 설치되며, 상기 DBC 홈(400)의 바닥은 1차적으로 써멀 구리스(thermal grease)층(440)이 적층되고, 이후 몰딩부(420)에 의해 충진된다.
몰딩부(420)의 재료로는 몰딩용 실리콘인 실리콘 루버(silicone rubber) 등이 사용될 수 있다. 따라서, 모터 하우징(231)의 재질인 알루미늄(Al) 프레임 위에 DBC(410)가 접합되어 고정된다.
또한, 상기 DBC(410)와 상기 파워 모듈(도 2의 233)의 조립은 솔더 접합 방식, 와이어 본딩 방식 및 버스바 조립 방식 등을 이용하여 이루어질 수 있다.
부연하면, DBC(410)위에 파워 모듈(233)의 전력용 반도체(IGBT, DIODE) 칩이 솔더 접합/와이어 본딩 또는 버스바(도 2의 235-1,235-2)를 통한 전기적 결선이 이루어진다.
또한, 파워 모듈(233)의 칩 보호를 위해서 파워 모듈(233)은 실리콘 코팅이 되는 패키지 구조로 이루어져 있다.
또한, 인버터 게이트인 PCB(Printed Circuit Board) 보드(239)와의 연결은 DBC(410) 위에 솔더 접합된 시그널 핀(411)으로 솔더 접합된다. 그리고, 대전류가 흐르는 P(power), N(ground), U, V, W단(3상 출력단)(도 4의 411)은 제 1 및 제 2 버스바(235-1,235-2)를 통하여 스크류 볼트(Screw Bolt) 체결 구조의 모터 하우징 일체형 패키지를 이루고 있다. 따라서, 유냉/수냉식 방열구조를 이용하여 DBC(410)에서 발생되는 발열원을 빠른 냉각이 가능하다. 또한, 케이스와 같은 패키지의 삭제도 단순하고 저가형의 모터 일체형 소형화 패키지를 구현하는 것이 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 모터 하우징(231) 내부에 장착되는 파워 모듈(233)의 구조를 보여주는 개념도이다. 부연하면, 도 3은 모터 하우징(231)에 장착되는 파워 모듈(233)을 평면도에 본 도면으로서, 모터(211) 상에 파워 모듈(233)이 배치된 상태이다. 도 3을 참조하면, 파워 모듈(233)을 배치하는 형태는 여러 가지가 가능하다. 예를 들면, 다수 개의 파워 모듈(233)을 분리 가능하게 배치하는 분리형(a), 하나의 플레이트상에 일체로 배치하는 일체형(b) 또는 이들 분리형(a) 및 일체형(b)을 조합하는 조합형(c) 등을 들 수 있다.
100: 파워모듈 110: 실리콘
120: 솔더 130: 리드 프레임
140: 와이어 150: 전력 반도체
160: DBC(Direct Bonded Cooper)
170: PBT(Poly Butylene Terephthalate)
180: 베이스 플레이트(Base Plate)
200: 모터 일체형 인버터 패키지
210: 모터 냉각장치 통합부
220: 조립 연결부 230: 일체형 인버터
211: 모터 213: 유로부
221: 암 핀 223: 숫 핀
231: 모터 하우징 233: 파워 모듈
235-1: 제 1 버스바 235-2: 제 2 버스바
237: 커버
239: PCB(Printed Circuit Board)
400: DBC 홈 410: DBC
420: 몰딩부 430: 마운팅 프레임
450: 냉각층 460: 하우징 기판

Claims (15)

  1. 상단에 DBC(Direct Bonded Cooper)가 형성되고, 상기 DBC의 하단에 냉각 유로가 형성되는 모터 하우징을 갖는 인버터;
    상기 인버터와 일체로 조립 연결되는 모터; 및
    상기 인버터의 모터 하우징 및 모터의 상단 사이에 조립 연결되어 상기 인버터 및 모터의 열원을 직접 냉각 방식으로 동시에 냉각하도록 공용화되는 유로부;
    를 포함하며,
    상기 유로부와 모터 하우징은 핀 방식을 이용하여 연결되며,
    상기 인버터는 상기 DBC에 조립되는 파워 모듈을 포함하며, 상기 파워 모듈의 열원은 상기 핀과 직접 연결되는 냉각 유로에 의해 냉각되며,
    상기 핀은 중공형 관이고,
    상기 모터 하우징은, 하우징 기판; 상기 하우징 기판의 표면에 위치하며, 상기 냉각 유로가 형성되는 냉각층; 및 상기 냉각층의 표면에 위치하며 상기 DBC를 위한 DBC 홈이 형성되는 마운팅 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 인버터 패키지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 직접 냉각 방식은 절연유 냉매제를 이용하는 유냉 방식인 것을 특징으로 하는 모터 일체형 인버터 패키지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연유 냉매제는 상기 모터의 코일을 포함하는 내부 부품에 직접 공급되는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 인버터 패키지.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 DBC는 상기 DBC홈에 설치되며, 상기 DBC홈의 바닥은 써멀 구리스(thermal grease) 및 실리콘 루버(silicone rubber)가 순서대로 적층되며,
    상기 DBC와 상기 파워 모듈의 조립은 솔더 접합 방식, 와이어 본딩 방식 및 버스바 조립 방식 중 어느 하나를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 일체형 인버터 패키지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 버스바 조립 방식은 스크류 볼트 체결 방식인 것을 특징으로 하는 모터 일체형 인버터 패키지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 파워 모듈의 표면은 실리콘 코팅되며, 상기 파워 모듈은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈이고, 상기 파워 모듈은 다수 개의 분리 가능한 분리형 또는 단일의 일체형 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 모터 일체형 인버터 패키지.
  10. DBC(Direct Bonded Cooper)가 상단에 형성되며 상기 DBC으로 전달되는 발열원의 직접 냉각을 위한 냉각 유로가 형성되는 모터 하우징;
    상기 DBC에 조립되는 파워 모듈;
    상기 파워 모듈의 게이트가 되는 PCB 보드; 및
    상기 모터 하우징과 조립되는 커버;
    를 포함하며,
    상기 모터 하우징은,
    하우징 기판;
    상기 하우징 기판의 표면에 위치하며, 상기 냉각 유로가 형성되는 냉각층; 및
    상기 냉각층의 표면에 위치하며 상기 DBC를 위한 DBC 홈이 형성되는 마운팅 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 인버터.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 DBC는 상기 DBC홈에 설치되며, 상기 DBC홈의 바닥은 써멀 구리스(thermal grease) 및 실리콘 루버(silicone rubber)가 순서대로 적층되며,
    상기 DBC와 상기 파워 모듈의 조립은 솔더 접합 방식, 와이어 본딩 방식 및 버스바 조립 방식 중 어느 하나를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 인버터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 버스바 조립 방식은 스크류 볼트 체결 방식인 것을 특징으로 하는 일체형 인버터.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 파워 모듈의 표면은 실리콘 코팅되며, 상기 파워 모듈은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈이고, 상기 파워 모듈은 다수 개의 분리 가능한 분리형 또는 단일의 일체형 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 일체형 인버터.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 모터 하우징에는 상기 냉각층에 절연유 냉매제를 이용하는 유냉 방식을 통하여 상기 절연유 냉매제를 공급하는 핀 연결 수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 일체형 인버터.
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