KR102190819B1 - 차량용 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 차량용 인버터는 방열판의 상부에 설치되고 상면에 적어도 하나의 스위치모듈이 탑재되는 인쇄회로기판, 스위치모듈의 상부에 배치되는 버스바 및 인쇄회로기판 상에 설치되어 버스바를 지지하고, 스위치 모듈의 입력단 또는 출력단을 버스바에 연결하는 터미널단자대를 포함하며, 본 실시예에 따르면, 차량용 인버터의 기판 구조를 단순화할 수 있고, 제품의 크기나 무게를 감소시킬 수 있으며, 동작의 신뢰성을 향상시키 수 있다.

Description

차량용 인버터{INVERTER FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 인버터의 기판 구조에 관한 것이다.

최근에 환경오염을 방지하고, 한정된 유체 에너지를 새로운 에너지원으로 대체하기 위한 목적으로 하이브리드 차량(HEV; Hybrid Electric Vehicle) 및 전기 차량(EV; Electric Vehicle)이 개발되고 있다.

이러한 전기 차량(EV)과 하이브리드 차량(HEV)에서는 배터리의 전력을 이용하여 차량의 주행이 이루어진다.

전기 차량(EV)의 경우, 운전자가 페달을 밟는 양에 따라 배터리의 직류 전원을 PWM(pulse width modulation) 제어함으로써 구동 모터에 전류가 공급되고, 구동 모터의 회전에 의해 발생하는 토크를 이용하여 차량의 주행이 이루어진다.

또한, 하이브리드 차량(HEV)의 경우, 휘발유 이외에 배터리의 전력을 이용하여 주행이 이루어지는 것으로, 배터리만으로 주행하다가 배터리가 방전되면 휘발유 엔진을 사용함으로써 같은 양의 휘발유로 일반 차량보다 최고 4배 이상의 거리를 주행할 수 있다.

전기 차량(EV)과 하이브리드 차량(HEV)에서 모터의 최적 구동을 위해서 인버터가 사용되며, 차량용 인버터는 차량 내 환경을 고려할 때 사이즈가 작고 무게가 가벼워야 하며, 진동과 열에 강인하여 높은 신뢰성을 확보할 수 있을 것이 요구된다.

차량용 인버터는 금속회로기판(metal PCB)에 MOSFET 등의 스위치모듈을 탑재하고, 금속회로기판 및 인쇄회로기판을 드레인 버스바, 소스 버스바 및 게이트 터미널에 솔더링하여 연결하고 있다.

하지만, 솔더링에 의해 연결이 이루어지므로, 진동 및 열 스트레스에 취약하고, 정밀한 제작이 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 금속회로기판과 인쇄회로기판을 연결하여야 하므로 전체적으로 구조가 복잡하고, 인서트 사출이나 솔더링 공정 등을 수행하여야 하기 때문에 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다.

본 발명은 제품의 크기와 무게 및 제조 비용을 감소시킬 수 있고, 진동 및 열 스트레스에 강인하여 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 단순한 기판 구조를 가지는 차량용 인버터를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 방열판의 상부에 설치되고 상면에 적어도 하나의 스위치모듈이 탑재되는 인쇄회로기판; 상기 스위치모듈의 상부에 배치되는 버스바; 및 상기 인쇄회로기판 상에 설치되어 상기 버스바를 지지하고, 상기 스위치 모듈의 입력단 또는 출력단을 상기 버스바에 연결하는 터미널단자대를 포함하는 차량용 인버터가 제공된다.

상기 버스바는 상기 터미널단자대를 통해 상기 스위치모듈의 입력단 및 출력단에 각각 연결되는 입력 버스바와 출력 버스바를 포함할 수 있다.

상기 입력 버스바 및 출력 버스바는 상기 인쇄회로기판으로부터 상이한 높이에 배치될 수 있다.

상기 인쇄회로기판의 상기 스위치모듈이 탑재되는 영역에 구리 비아 홀이 형성될 수 있다.

상기 방열판과 상기 인쇄회로기판 사이에 배치되는 방열패드를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 차량용 인버터에서 스위치모듈을 통상적인 인쇄회로기판에 탑재할 수 있기 때문에, 기판 구조를 단순화할 수 있고, 그에 따라 제품의 크기나 무게를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 금속회로기판과 인쇄회로기판을 솔더링으로 연결하지 않아도 되기 때문에, 진동 및 열 스트레스에 보다 강인해질 수 있어 차량용 인버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 냉각 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 구조를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 정면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 기판 구조를 도시한 측면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터는 커버(10) 내에 스위치모듈(50)이 탑재된 인쇄회로기판(100)과 방열판(130)이 수용되어 형성된다. 이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 인쇄회로기판(100)을 중심으로 차량용 인버터의 기판 구조를 설명한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터는 인쇄회로기판(100), 출력 버스바(110), 입력 버스바(120), 방열판(130) 및 터미널단자대(140)를 포함할 수 있다.

인쇄회로기판(100)은 방열판(130)의 상부에 설치되고, 인쇄회로기판(100)의 상면에는 적어도 하나의 스위치모듈(50)이 탑재된다. 이러한 인쇄회로기판(100)은 통상적으로 널리 채용되는 다양한 형태와 재질의 기판을 모두 포함할 수 있다.

이때, 스위치모듈(50)이 탑재되는 인쇄회로기판(100)에서 스위치모듈(50)이 탑재되는 영역에는 구리 비아 홀(copper via hall)이 형성되고, 인쇄회로기판(100)과 방열판(130) 사이에는 방열패드(thermal pad)가 배치되어 스위치모듈(50)에서 발생하는 열의 냉각 효과를 상승시킬 수 있다. 이러한 효과에 대한 시뮬레이션 결과가 도 6에 도시되어 있으며, 이에 대해서는 후술한다.

스위치모듈(50)은 제어모듈(미도시)로부터 입력되는 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행할 수 있는 다양한 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위치모듈(50)은 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), 절연 게이트형 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar mode Transistor, IGBT) 등의 소자를 포함할 수 있다.

스위치모듈(50)은 입력단과 출력단을 구비한다. 예를 들어, 스위치모듈(50)이 MOSFET인 경우 스위치모듈(50)의 입력단은 드레인(Drain)단이고, 출력단은 소스(Source)단이다.

스위치모듈(50)의 입력단과 출력단에는 통상적으로 매우 높은 전류가 흐르기 때문에, 본 실시예에서는 스위치모듈(50)의 입력단과 출력단이 터미널단자대(140)를 통해 입력 버스바(120) 및 출력 버스바(110)에 연결된다.

출력 버스바(110) 및 입력 버스바(120)는 인쇄회로기판(100)의 상부에 배치되며, 인쇄회로기판(100) 상에 설치되는 터미널단자대(140)에 의해 인쇄회로기판(100)으로부터 일정한 높이에 지지된다.

도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 출력 버스바(110) 및 입력 버스바(120)는 인쇄회로기판(100)으로부터 상이한 높이에 배치되어 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 하지만, 본 발명의 기술적 범위간 이러한 배치에 한정되는 것은 아니며, 출력 버스바(110) 및 입력 버스바(120)는 서로 경로가 중첩되지 않는 범위 내에서 다양한 방식으로 배치될 수 있다.

도 4와 도 5를 참조하면, 터미널단자대(140)는 인쇄회로기판(100) 상에서 스위치모듈(50)의 양측에 인접 설치되어 스위치모듈(50)의 입력단 및 출력단을 상부에 배치된 입력 버스바(120) 및 출력 버스바(110)에 각각 연결한다. 이처럼, 터미널단자대(140)가 스위치모듈(50)에 인접하여 설치되면, 인쇄회로기판(100)에 높은 전류가 흐르는 경로를 최소화할 수 있다. 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 터미널단자대(140)는 스위치모듈(50)의 입력단과 입력 버스바(120) 사이에 배치되어 스위치모듈(50)의 입력단과 입력 버스바(120)를 연결하게 형성될 수 있다. 그에 따라, 상기 터미널단자대(140)를 통해 인쇄회로기판(100)에 높은 전류가 흐르는 경로가 최소화될 수 있다. 또한, 터미널단자대(140)는 스위치모듈(50)의 출력단과 출력 버스바(120) 사이에 배치되어 스위치모듈(50)의 출력단과 출력 버스바(110)를 연결하게 형성될 수 있다. 그에 따라, 상기 터미널단자대(140)를 통해 인쇄회로기판(100)에 높은 전류가 흐르는 경로가 최소화될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터의 냉각 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 6의 (a)는 인쇄회로기판(100)에 구리 비아 홀이 형성되지 않은 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 6의 (b)는 인쇄회로기판(100)에 구리 비아 홀이 형성된 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

두 결과를 비교하면, 스위치모듈(50)이 탑재되는 인쇄회로기판(100)에서 스위치모듈(50)이 탑재되는 영역에 구리 비아 홀이 형성되는 경우, 인버터의 냉각 효과가 상승함을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 인버터에 의하면, 스위치모듈을 통상적인 인쇄회로기판에 탑재할 수 있기 때문에, 기판 구조를 단순화할 수 있고, 그에 따라 제품의 크기나 무게를 감소시킬 수 있다.

또한, 금속회로기판과 인쇄회로기판을 솔더링으로 연결하지 않아도 되기 때문에, 진동 및 열 스트레스에 보다 강인해질 수 있어 차량용 인버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

50 : 스위치모듈
100 : 인쇄회로기판
110 : 출력 버스바
120 : 입력 버스바
130 : 방열판
140 : 터미널단자대
150 : 방열패드

Claims (5)

1. 방열판;
   스위치모듈을 포함하며 상기 방열판의 상부에 설치되는 인쇄회로기판;
   상기 스위치모듈의 상부에 배치되는 버스바; 및
   상기 인쇄회로기판 상에 설치되어 상기 버스바를 지지하는 터미널단자대를 포함하고,
   상기 터미널단자대는 상기 스위치 모듈의 양측에 인접 설치되어 전류가 흐르도록 상기 스위치모듈의 입력단 또는 출력단을 상기 버스바에 연결하고,
   상기 버스바는 입력 버스바와 출력 버스바를 포함하고,
   상기 입력 버스바는 상기 터미널단자대를 통해 상기 스위치모듈의 입력단에 연결되어 전류가 흐르는 경로를 형성하고,
   상기 출력 버스바는 상기 터미널단자대를 통해 상기 스위치모듈의 출력단에 연결되어 전류가 흐르는 경로를 형성하는 차량용 인버터.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 입력 버스바 및 출력 버스바는 상기 인쇄회로기판으로부터 상이한 높이에 배치되는 차량용 인버터.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 인쇄회로기판은 상기 스위치모듈이 탑재되는 영역에 형성된 구리 비아 홀을 포함하는 차량용 인버터.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 방열판과 상기 인쇄회로기판 사이에 배치되는 방열패드를 더 포함하는 차량용 인버터.

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