KR102413991B1 - Pcb 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PCB(Printed Circuit Board) 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직류 전원을 공급하는 에너지 저장장치, 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 1 및 2군의 스위치 모듈 및 상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2군의 스위치 모듈과 일체로 결합된 PCB를 포함하여, 스트레이 인덕턴스(Stray inductance)를 저감할 수 있는 구조의 전력변환 장치를 제공함에 있다.
Description
본 발명은, PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 WBG(Wide Band Gap) 반도체에서 스트레이 인덕턴스(Stray Inductance)를 저감할 수 있는 구조의 전력변환 장치에 관한 것이다.
고전압부에 사용되는 전력용 반도체 스위치 소자로 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transister), IGBT(Insulated gate bipolar transistor), WBG(Wide Band Gap) 전력 반도체 등이 사용되고 있다. 특히, WBG 반도체는 기존 실리콘을 재료로 하는 MOSFET에 비해 더 빠르고, 더 작으며, 더 효율적으로 동작할 수 있어 WBG 반도체가 활발하게 연구되고 있다.
WBG 반도체란, 전자 상태가 존재하지 않는 고체의 에너지 범위인 밴드 갭이 넓은(Wide Band Gap) 재료로 이루어진 반도체이다. 이러한 WBG 반도체 재료로써 SiC, GaN 등이 있다. 밴드 갭이란, 가전자대와 전도대 사이의 전자가 존재할 수 없는 에너지 간격을 의미하며, 전자가 가전자대에서 전도대로 뛰어오를 수 있을 정도의 에너지를 밴드 갭 에너지라고 한다. 한편, 이러한 밴드 갭 에너지는 온도가 상승함에 따라서 감소하는 경향이 있어, 밴드 갭이 넓을수록 고온에서 안정적으로 동작하는 경향이 있다. 마찬가지로, 밴드 갭이 좁을수록 반도체는 고온에서 더 불안정하다. 그 이유는, 밴드 갭이 넓으면 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하기 위해 더 많은 에너지를 요구하기 때문에 고온에서 원하지 않게 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하여 발생하는 비이상적인 전류 흐름이 발생하지 않아 더 안정적인 것이다. 따라서 1.2 eV의 밴드 갭 에너지를 가진 실리콘 반도체와 달리, WBG 반도체는 실리콘 반도체에 비해 밴드 갭이 더 넓어(WBG 반도체 재료중 하나인 GaN은 3.4 eV의 밴드갭 에너지를 가진다) 고온에서 동작하는 애플리케이션에서는 WBG 반도체 재료가 종래의 실리콘 반도체보다 더 안정적이다.
더욱이 WBG 반도체는 종래의 실리콘 반도체보다 더 큰 열전도성을 가지고 있어, 채널 온도가 섭씨 140도 이상에서 작동이 어려운 실리콘 반도체에 비해 WBG 반도체는 채널 온도가 섭씨 300도까지도 이를 수 있다. 이러한 고온 동작 특성으로 인해 전력변환 모듈에서 냉각시스템을 줄일 수 있다.
또한, GaN이나 SiC로 제작된 WBG 반도체 소자를 이용할 경우, 기존의 실리콘 반도체보다 온-저항(On-Resistance)을 크게 낮출 수 있다. 또한, 높은 스위칭 주파수 특성으로 인해 인덕터 또는 커패시터의 크기를 감소시킬 수 있어 전력변환 모듈의 부피를 줄일 수 있다.
상기한 바와 같이 WBG 반도체는 기존의 실리콘 반도체와 비교하여 열 특성 뿐 아니라 스위칭 속도 강화, 고전압 및 고전류 가능 및 스위칭 손실 최소화 등의 여러 장점을 가져 차세대 반도체 소자로 활발히 연구되고 있다.
그러나, WBG 반도체는 Turn-On 및 Turn-Off 시 dv/dt 및 di/dt가 매우 높기 때문에, 전력변환 모듈의 전원부 설계 시 스트레이 인덕턴스(Stray Inductance)에 의한 영향을 크게 받는 문제가 있었다. 스트레이 인덕턴스란, 전류가 흐르는 회로에서 의도치 않게 생기는 인덕턴스로써, 소자를 연결하는 와이어(Wire) 등에 존재한다. 이러한 스트레이 인덕턴스는 반도체 내의 과전압(Overvoltage)과 스위칭 손실이 발생하는 주된 원인이다. 스트레이 인덕턴스 값이 클수록 전압의 피크 값이 증가하는데, 이때 소자들의 고유 내전압보다 더 높은 전압의 피크 값이 발생하는 경우 과전압 상태가 되어 소자들이 손상을 입어 안정성에 문제가 있었다. 또한, 스트레이 인덕턴스 값이 클수록 스위치 오프 시 에너지 손실도 크게 상승하는 큰 문제점이 있었다.
따라서, 전력변환 모듈 설계시 스트레이 인덕턴스를 최소화하도록 설계해야 한다. 이를 위해, 종래에 전원의 양극과 음극이 연결된 두 전선을 가까이 하는 방법 등이 알려져 있다. 또한 인버터와 같이 Bridge 구조인 경우에는, 자속(Magnetic Flux)을 상쇄하도록 설계하거나, 반도체 스위치 및 커패시터를 가깝게 배치하고, DC링크단인 P-N단에 근접하게 배치하는 방법 등이 알려져 있다.
그러나 P-N단에 커패시터가 너무 가까운 경우 스위치의 발열이 커패시터에 전달되어 문제가 될 수 있다. 커패시터는 열에 취약하기에, 고열에 노출될수록 수명이 낮아지며 성능 또한 저하된다. 더욱이 실리콘을 이용한 전력 반도체에 비해 훨씬 높은 온도에서 동작하는 WBG 전력 반도체를 채용하는 경우, 스위치와 인접한 커패시터에 열이 전달되어 커패시터의 수명 및 성능 문제가 더 심각할 수 있다.
요약하자면, WBG 반도체를 이용한 전력변환 모듈 설계에 있어서 과전압과 스위칭 손실을 저감하기 위해 회로 내부에서 발생하는 스트레이 인덕턴스를 최소화 하는 구조를 설계함과 동시에 WBG 반도체에 채용된 커패시터의 고온에서 수명 및 성능 저하 문제에 대한 대책이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, WBG 반도체를 이용한 전력변환 모듈 설계에 있어서 과전압과 스위칭 손실을 저감하기 위해 회로 내부에서 발생하는 스트레이 인덕턴스를 최소화 하는 구조를 설계함과 동시에 WBG 반도체에 채용된 커패시터의 고온에서 수명 및 성능 저하 문제를 해결하기 위해 커패시터의 방열 수단을 제공한다.
상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명은 직류 전원을 공급하는 에너지 저장장치, 상기 에너지 저장장치의 양극단과 일단이 전기적으로 연결된 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 1 스위치 모듈, 일단이 상기 제 1 군의 스위치 모듈의 타단과 연결되고, 타단이 상기 에너지 저장장치의 음극단과 전기적으로 연결된 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 2 스위치 모듈 및 상기 제 1 및 2 스위치 모듈과 상기 에너지 저장장치를 전기적으로 연결하는 도전 소재이며, 평판형 구조를 갖는 연결 모듈을 포함하되, 상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 상대적인 위치가 고정되도록 상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2군의 스위치 모듈과 일체로 결합된 PCB(Printed Circuit Board)를 포함하는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 제 1, 2 스위치 모듈이 PCB 일면 및 타면의 표면에 각각 실장되는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 제 1 스위치 모듈의 반도체 스위치와 제 2 스위치 모듈의 반도체 스위치가 PCB를 사이에 두고 대향하여 실장되는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제 1 스위치 모듈의 반도체 스위치와 제 2 스위치 모듈의 반도체 스위치가 PCB를 사이에 두고 엇갈려서 실장되는 것일 수 있다.
한편, 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 반도체 스위치 중 적어도 일부는 WBG(Wide Band Gap) 전력 반도체 소자이며, 상기 PCB의 일측이 상기 에너지 저장장치의 양극단 및 음극단과 연결되고, 상기 제 1 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 드레인 단자가 상기 에너지 저장장치의 양극단 방향에 배치되고,
상기 제 2 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 소스 단자가 상기 에너지 저장장치의 음극단 방향에 배치된 것일 수 있다.
또한, 상기 연결 모듈은 상기 에너지 저장장치의 양극단과 상기 제 1 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 드레인 단자를 연결하는 양극 연결 모듈, 및 상기 에너지 저장장치의 음극단과 상기 제 2 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 소스 단자를 연결하는 음극 연결 모듈을 포함하고, 상기 양극 연결 모듈 및 상기 음극 연결 모듈은 각각 상기 PCB의 일면 및 타면에 위치하고, 상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 반도체 스위치간의 최단 직선 경로를 포함하는 ‘ㄱ’자 형태 또는 삼각형 형태로 형성된 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치는 상기 PCB 상에 형성되며, 상기 연결 모듈과 열 교환을 이루는 방열 수단을 더 포함하는 것일 수 있다.
또한 상기 방열 수단은, 상기 양극 연결 모듈에서 연장되어 형성된 제 1 방열 수단, 및 상기 음극 연결 모듈에서 연장되어 형성된 제 2 방열 수단을 포함하는 것일 수 있다.
또한 상기 제 1 및 2 방열수단 중 적어도 하나의 표면의 일부는 코팅되지 않고 공기 중에 노출된 것일 수 있다.
또한 상기 방열 수단은, 상기 제 1 또는 2 방열 수단 중 적어도 하나에 구비되는 방열 핀을 포함하는 것일 수 있다.
또한 상기 방열 핀은, 복수개의 핀이 물결무늬 형상으로 배치되는 것일 수 있다.
또한 상기 방열 수단은, 납으로 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 방열 수단에 돌기 형상으로 이루어진 적어도 하나의 납 돌기를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치는 스트레이 인덕턴스를 저감하는 동시에 고온에서 커패시터의 수명 및 성능 저하 문제를 해결하고자 한다.
구체적으로, 본 발명에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 Top면의 Out1의 전류 방향과 Bottom면의 Out2의 전류 방향이 서로 반대이므로 각 전류에 의한 자속이 상쇄되어 PCB 패턴에 대한 스트레이 인덕턴스가 감소되는 큰 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 커패시터와 각 스위치의 물리적인 거리 또한 가깝게 배치할 수 있어 커패시터와 Bridge 스위치 사이의 스트레이 인덕턴스를 저감할 수 있는 큰 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 전력변환 장치는 방열 수단을 통하여 반도체 스위치와 가까운 커패시터에 전달되는 열을 효과적으로 방출하여 커패시터의 수명 및 성능 저하 문제를 개선하는 큰 효과가 있다. 본 발명에 따르면, 양극 연결 모듈 밑 음극 연결 모듈을 각각 확장하여 공기와 PCB 패턴이 맞닿는 면적을 증가시킴으로써 커패시터로 전도되는 열에너지를 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 패턴의 확장에 의한 무게 증가로 열용량이 증가하여 급격한 온도변화에 대응할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 제 1 및 2 방열 수단의 PCB의 코팅의 일부를 제거하여 제 1 및 2 방열 수단으로 전달된 열을 효과적으로 열을 방출함으로써 커패시터로 전도되는 열에너지를 줄일 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 PCB의 패턴에 방열 핀을 구비하여제 1 및 2 방열 수단으로 전달된 열을 방출시켜 커패시터로 전도되는 열에너지를 줄일 수 있다. 또한, 복수개의 방열 핀을 물결무늬로 배열함으로써, 방열 핀(550)이 다양한 각도에서 유입되는 공기의 흐름과 접촉하여 효과적으로 열을 방출할 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 PCB의 패턴에 납 돌기를 증축하여 제 1 및 2 방열 수단으로 전달된 열을 방출시켜 커패시터로 전도되는 열에너지를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 전력변환 장치의 회로도이다.
도 2a는 본 발명의 전력변환 장치의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 전력변환 장치의 저면도이다.
도 3a는 본 발명의 전력변환 장치의 우측면도이다.
도 3b는 본 발명의 전력변환 장치의 좌측면도이다.
도 4a는 본 발명의 전력변환 장치의 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 전력변환 장치의 저면도이다.
도 5a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 1 실시예에 따른 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 1 실시예에 따른 저면도이다.
도 6a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 2 실시예에 따른 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 2 실시예에 따른 저면도이다.
도 7a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 3 실시예에 따른 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 3 실시예에 따른 저면도이다.
도 7a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 4 실시예에 따른 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 4 실시예에 따른 저면도이다.
도 7a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 5 실시예에 따른 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 5 실시예에 따른 저면도이다.
도 2a는 본 발명의 전력변환 장치의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 전력변환 장치의 저면도이다.
도 3a는 본 발명의 전력변환 장치의 우측면도이다.
도 3b는 본 발명의 전력변환 장치의 좌측면도이다.
도 4a는 본 발명의 전력변환 장치의 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 전력변환 장치의 저면도이다.
도 5a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 1 실시예에 따른 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 1 실시예에 따른 저면도이다.
도 6a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 2 실시예에 따른 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 2 실시예에 따른 저면도이다.
도 7a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 3 실시예에 따른 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 3 실시예에 따른 저면도이다.
도 7a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 4 실시예에 따른 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 4 실시예에 따른 저면도이다.
도 7a는 본 발명의 전력변환 장치의 제 5 실시예에 따른 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 전력변환 장치의 제 5 실시예에 따른 저면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 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.
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.
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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 전력변환 장치의 회로도이다. 또한, 도 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a, 8a 및 9a는 본 발명의 전력변환 장치의 실시예에 따른 평면도이다. 또한, 도 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b 및 9b는 본 발명의 전력변환 장치의 실시예에 따른 저면도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
이제부터 본 발명에 따른 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치의 기본 구조에 대해서 설명하겠다. 먼저, 직류 전원을 공급하는 에너지 저장장치(100), 상기 에너지 저장장치(100)의 양극단과 일단이 전기적으로 연결된 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 1 스위치 모듈(200), 일단이 상기 제 1 군의 스위치 모듈(200)의 타단과 연결되고, 타단이 상기 에너지 저장장치(100)의 음극단과 전기적으로 연결된 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 2 스위치 모듈(300) 및 상기 제 1 및 2 스위치 모듈과 상기 에너지 저장장치(100)를 전기적으로 연결하는 도전 소재이며, 평판형 구조를 갖는 연결 모듈을 포함하되, 상기 에너지 저장장치(100)와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 상대적인 위치가 고정되도록 상기 에너지 저장장치(100)와 상기 제 1 및 2군의 스위치 모듈과 일체로 결합된 PCB(400)를 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 에너지 저장장치(100)는 커패시터일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 제 1 및 2 스위치 모듈이 PCB(400) 일측 및 타측의 표면에 각각 실장되는 것일 수 있다.
또한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 제 1 스위치 모듈(200)의 반도체 스위치와 제 2 스위치 모듈의 반도체 스위치가 PCB(400)를 사이에 두고 대향하여 실장되는 것일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 스위치 모듈은 제 1-1 내지 1-2 반도체 스위치(U1, U2)를 포함하며, 상기 제 2 스위치 모듈은 제 2-1 내지 2-2 반도체 스위치(D1, D2)를 포함하되, 제 1-1 과 제 2-1 반도체 스위치(U1, D1)가 직렬로 연결되고, 제 1-2와 제 2-2 반도체 스위치(U2, D2)가 직렬로 연결되어 풀 브릿지 구조를 가진다. 또한 본 발명은 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1-1과 2-1 반도체 스위치가 연결된 노드(A)에서 전류가 흘러 나가는 제 1 출력 모듈(260)과, 도 2b에 도시된 바와 같이 제 1-2와 2-2 반도체 스위치가 연결된 노드(B)에서 전류가 유입되는 제 2 출력 모듈(360)을 포함한다. 통상적으로, 풀 브릿지에서 하나의 출력에서 전류가 나가면 다른 하나의 출력에서 풀 브릿지로 전류가 유입되는 것이 잘 알려져 있다. 도 1에는 제 1 출력모듈(A) 및 제 2 출력모듈(B)이 교류단자(60)에 연결된 것이 도시되었다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 스위치 모듈(200)의 일단은 에너지 저장장치(100)의 양극단 및 직류 단자(50)에 연결되고, 제 2 스위치 모듈(300)의 타단은 저장장치(100)의 음극단 및 직류 단자(50)에 연결된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 전력변환 장치는 제 1-1과 2-1 반도체 스위치(U1, D1)가 PCB(400)를 사이에 두고 대향하여 실장되고, 제 1-2와 2-2 반도체 스위치(U2, D2)가 PCB(400)를 사이에 두고 대향하여 실장된다. 더욱 바람직하게는, PCB의 일면에 제 1-1 반도체 스위치(U1)가 실장되고, PCB의 타면에 제 2-1 반도체(D1)가 PCB(400)를 사이에 두고 대향하여 실장된다. 마찬가지로, PCB의 일면에 제 1-2 반도체 스위치(U2)가 실장되고, PCB의 타면에 제 2-2 반도체(D2)가 PCB(400)를 사이에 두고 대향하여 실장된다.
이러한 구성으로 인하여, 커패시터와 각 반도체 스위치의 물리적인 거리 또한 가깝게 배치할 수 있어 커패시터와 Bridge 스위치 사이의 스트레이 인덕턴스를 저감할 수 있을 뿐 아니라, 더욱이, 도 1에 도시된 바와 같이 Top면의 제 1 출력모듈(A)의 전류 방향과 Bottom면의 제 2 출력모듈(B)의 전류 방향이 서로 반대이므로, 각 전류에 의해 발생하는 자속이 상쇄되어 출력노드에서 발생하는 스트레이 인덕턴스까지 저감할 수 있는 큰 효과가 있다.
또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제 1 스위치 모듈(200)의 반도체 스위치와 제 2 스위치 모듈(300)의 반도체 스위치가 PCB(400)를 사이에 두고 엇갈려서 실장되는 것일 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, WBG 반도체에서 발생하는 열이 커패시터로 전달되는 것을 더욱 저감할 수 있다.
한편, 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 반도체 스위치 중 적어도 일부는 WBG(Wide Band Gap) 전력 반도체 소자이며, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 PCB의 일측이 상기 에너지 저장장치의 양극단 및 음극단과 연결되고, 상기 제 1 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 드레인 단자가 상기 에너지 저장장치(100)의 양극단 방향에 배치되고, 상기 제 2 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 소스 단자가 상기 에너지 저장장치의 음극단 방향에 배치된 것일 수 있다.
구체적으로 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 , 제 1-1 및 1-2 반도체 스위치(U1, U2)의 드레인 단자가 상기 에너지 저장장치(100)의 양극단 방향에 배치되고, 제 2-1 및 2-2 반도체 스위치(D1, D2)의 소스 단자가 상기 에너지 저장장치(100)의 음극단 방향에 배치된 것일 수 있다.
또한, 상기 연결 모듈은 상기 에너지 저장장치(100)의 양극단과 상기 제 1 스위치 모듈(200)의 복수의 반도체 스위치의 드레인 단자를 연결하는 양극 연결 모듈(250) 및 상기 에너지 저장장치(100)의 음극단과 상기 제 2 스위치 모듈(300)의 복수의 반도체 스위치의 소스 단자를 연결하는 음극 연결 모듈(350)을 포함하고, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 양극 연결 모듈(250) 및 상기 음극 연결 모듈(350)은 각각 상기 PCB(400)의 일면 및 타면에 위치하고, 상기 에너지 저장장치(100)와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 반도체 스위치간의 최단 직선 경로를 포함하는 ‘ㄱ’자 형태 또는 삼각형 형태로 형성된 것일 수 있다. 도 3a 및 도 3b에는 ‘ㄱ’자 형태로 형성된 양극 연결 모듈(250) 및 음극 연결 모듈(350)이 도시되어있다. 350-1은 PCB(400)의 일면에 형성된 음극 연결 모듈일 수 있으며, 350-2는 PCB(400)의 타면에 형성된 음극 연결 모듈일 수 있다. 상기 PCB(400)의 일면에 형성된 음극 연결 모듈(350-1)과 PCB(400)의 타면에 형성된 음극 연결 모듈(350-2)은 PCB의 내부에 형성된 적어도 하나의 음극 연결 홀(351)로 연결될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 커패시터는 고온에서 수명 및 성능이 저하된다. 따라서 고온에서 동작하는 WBG 반도체에 채용된 커패시터의 수명 및 성능 저하 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 전력변환 장치는 커패시터와 열 교환을 이루는 방열 수단을 포함한다. 다음으로는, 커패시터와 열 교환을 이루는 방열 수단(500)에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 PCB(400) 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치는 상기 PCB(400) 상에 형성되며, 상기 연결 모듈과 열 교환을 이루는 방열 수단(500)을 더 포함하는 것일 수 있다. 이러한 방열 수단(500)이 포함된 본 발명의 제 1 실시예가 도 5a 및 5b에 잘 도시되어 있다.
상기 방열 수단(500)은, 상기 양극 연결 모듈(250)에서 연장되어 형성된 제 1 방열 수단(520), 및 상기 음극 연결 모듈(350)에서 연장되어 형성된 제 2 방열 수단(530)을 포함하는 것일 수 있다. 도 5a 및 5b를 참고하면, 상기 제 1 방열수단(520) 및 상기 제 2 방열수단(530)은 상기 양극 연결 모듈(250) 및 음극 연결 모듈(350)에서 연장되어 형성된 패턴일 수 있다.
이러한 구성으로 인해, 상기 양기 연결 모듈(250) 및 상기 음극 연결 모듈(350)을 각각 확장하여 공기와 PCB 패턴이 맞닿는 면적을 증가시킴으로써 커패시터로 전도되는 열에너지를 감소할 수 있는 효과가 있다. 또한, 패턴의 확장에 의한 무게 증가로 열용량이 증가하여 급격한 온도변화에 대응할 수 있다.
또한 상기 제 1 및 2 방열수단 중 적어도 하나의 표면의 일부는 코팅되지 않고 공기 중에 노출된 것일 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 상기 제 1 및 제 2 방열수단으로 전달된 열을 효과적으로 방출하여 커패시터에 전달되는 열을 감소할 수 있다.
또한 상기 방열 수단(500)은, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 상기 제 1 또는 2 방열 수단 중 적어도 하나에 구비되는 방열 핀(550)을 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 방열 핀(550)은 제 1 방열 핀(550)의 핀의 높이에 의하여, 제 1 방열수단에 구비되는 것일 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 상기 제 1 또는 제 2 방열수단으로 전달된 열을 방열 핀(550)을 통해 효과적으로 방출하여 커패시터에 전달되는 열을 감소할 수 있다.
또한 상기 방열 핀(550)은, 복수개의 핀이 물결무늬 형상으로 배치되는 것일 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 방열 핀(550)이 다양한 각도에서 유입되는 공기의 흐름과 접촉하여, 효과적으로 열을 방출할 수 있다.
또한 상기 방열 수단은, 납으로 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 방열 수단에 돌기 형상으로 이루어진 적어도 하나의 납 돌기(미도시)를 포함하는 것일 수 있다.
이러한 구성으로 인하여, 상기 제 1 또는 제 2 방열수단으로 전달된 열을 납 돌기(560)를 통해 효과적으로 방출하여 커패시터에 전달되는 열을 감소할 수 있다.
이러한 방열 수단으로 인하여, 고온에서 동작하는 WBG 반도체에 채용된 커패시터에 전달되는 열을 효과적으로 방출하여, 커패시터의 수명 및 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 큰 효과가 있다.
도 6a는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 전력변환 장치의 평면도이다. 본 발명의 제 2 실시예는 상기 에너지 저장장치(100)가 복수의 SMD(Surface Mount Device) 타입 커패시터인 경우이다. 또한, 도 6b에 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 전력변환 장치의 저면도가 도시되어있다.
도 7a는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 전력변환 장치의 평면도이다. 본 발명의 제 3 실시 예는 상기 에너지 저장장치(100)가 복수의 SMD(Surface Mount Device) 타입 커패시터이고, 제 2 실시 예와 다른 배치관계를 가진 경우이다. 또한, 도 7b에 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 전력변환 장치의 저면도가 도시되어있다.
도 8a는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 전력변환 장치의 평면도이다. 본 발명의 제 4 실시 예는 상기 에너지 저장장치(100)가 복수의 스루 홀(Through Hole) 타입 커패시터인 경우이다. 또한, 도 8b에 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 전력변환 장치의 저면도가 도시되어있다.
도 9a는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 전력변환 장치의 평면도이다. 본 발명의 제 3 실시 예는 3상 인버터인 경우이다. 또한, 도 9b에 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 전력변환 장치의 저면도가 도시되어있다. 제 3 실시 예에서는 제 1-3 및 제 2-3 스위치가 연결된 노드(C)에서 전류가 유입되거나 방출되는 제 3 출력 모듈(270)을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 전력변환 장치
50 : DC 단자
60 : AC 단자
100 : 에너지 저장장치
200 : 제 1 스위치 모듈
250 : 양극 연결 모듈
260 : 제 1 출력 모듈
300 : 제 2 스위치 모듈
350 : 음극 연결 모듈
360 : 제 2 출력 모듈
400 : PCB
500 : 방열 수단
520 : 제 1 방열 수단
530 : 제 2 방열 수단
550 : 방열 핀
50 : DC 단자
60 : AC 단자
100 : 에너지 저장장치
200 : 제 1 스위치 모듈
250 : 양극 연결 모듈
260 : 제 1 출력 모듈
300 : 제 2 스위치 모듈
350 : 음극 연결 모듈
360 : 제 2 출력 모듈
400 : PCB
500 : 방열 수단
520 : 제 1 방열 수단
530 : 제 2 방열 수단
550 : 방열 핀
Claims (12)
- 직류 전원을 공급하는 에너지 저장장치;
상기 에너지 저장장치의 양극단과 일단이 전기적으로 연결된 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 1 스위치 모듈;
일단이 상기 제 1 스위치 모듈의 타단과 연결되고, 타단이 상기 에너지 저장장치의 음극단과 전기적으로 연결된 복수의 반도체 스위치를 포함하는 제 2 스위치 모듈; 및
상기 제 1 및 2 스위치 모듈과 상기 에너지 저장장치를 전기적으로 연결하는 도전 소재이며, 평판형 구조를 갖는 연결 모듈을 포함하되, 상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 상대적인 위치가 고정되도록 상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈과 일체로 결합된 PCB(Printed Circuit Board);를 포함하고,
상기 연결 모듈은,
상기 에너지 저장장치의 양극단과 상기 제 1 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 드레인 단자를 연결하는 양극 연결 모듈; 및
상기 에너지 저장장치의 음극단과 상기 제 2 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 소스 단자를 연결하는 음극 연결 모듈;을 포함하고,
상기 양극 연결 모듈 및 상기 음극 연결 모듈은 각각 상기 PCB의 일면 및 타면에 위치하고,
상기 에너지 저장장치와 상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 반도체 스위치간의 최단 직선 경로를 포함하는 ‘ㄱ’자 형태 또는 삼각형 형태로 형성된 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 1 항에 있어서,
제 1 및 2 스위치 모듈이 PCB 일면 및 타면의 표면에 각각 실장되는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 2 항에 있어서,
제 1 스위치 모듈의 반도체 스위치와 제 2 스위치 모듈의 반도체 스위치가 PCB를 사이에 두고 대향하여 실장되는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 2 항에 있어서,
제 1 스위치 모듈의 반도체 스위치와 제 2 스위치 모듈의 반도체 스위치가 PCB를 사이에 두고 엇갈려서 실장되는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 2 스위치 모듈의 반도체 스위치 중 적어도 일부는 WBG(Wide Band Gap) 전력 반도체 소자이며,
상기 PCB의 일측이 상기 에너지 저장장치의 양극단 및 음극단과 연결되고,
상기 제 1 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 드레인 단자가 상기 에너지 저장장치의 양극단 방향에 배치되고,
상기 제 2 스위치 모듈의 복수의 반도체 스위치의 소스 단자가 상기 에너지 저장장치의 음극단 방향에 배치된 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 PCB 상에 형성되며, 상기 연결 모듈과 열 교환을 이루는 방열 수단;을 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 방열 수단은,
상기 양극 연결 모듈에서 연장되어 형성된 제 1 방열 수단; 및
상기 음극 연결 모듈에서 연장되어 형성된 제 2 방열 수단;을 포함하는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 및 2 방열 수단 중 적어도 하나의 표면의 일부는 코팅되지 않고 공기 중에 노출된 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 방열 수단은,
상기 제 1 또는 2 방열 수단 중 적어도 하나에 구비되는 방열 핀;을 포함하는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 10 항에 있어서,
상기 방열 핀은, 복수개의 핀이 물결무늬 형상으로 배치되는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 방열 수단은,
납으로 이루어지며, 상기 제 1 및 2 방열 수단에 돌기 형상으로 이루어진 적어도 하나의 납 돌기;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 PCB 일체형 고속 스위칭 전력변환 장치.
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- 2020-08-18 KR KR1020200102995A patent/KR102413991B1/ko active IP Right Grant
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