KR102598320B1 - 전력변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전력변환 장치는, 차량의 배터리로부터 직류전류를 공급받는 커패시터; 전류가 입출력되는 파워단 및 신호가 입출력되는 신호단을 포함하고, 상기 파워단은 상기 커패시터의 하면측을 향하며 상기 신호단은 상기 커패시터의 상면측을 향하여 상기 커패시터와 수직하게 배치되는 적어도 하나 이상의 전력변환 모듈; 상기 커패시터의 상방에 배치되며 상기 전력변환 모듈을 제어하는 제어유닛; 및 상기 커패시터, 전력변환 모듈 및 제어유닛이 조립되는 하우징;을 포함할 수 있다.

Description

전력변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 전력변환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 차폐판 없이 전력변환 모듈에서 발생하는 전자파가 제어유닛에 전달되는 것을 차단할 수 있는 전력변환 장치에 관한 것이다.
친환경 자동차의 전력변환장치는 고전압 배터리로부터 DC전류를 입력 받아 AC전류로 변환하여 모터로 공급하며, AC전류의 크기 및 상을 조정하여 모터의 토크와 회전속도를 제어한다.
일반적으로 전력변환 장치의 내부는 크게 DC전류가 AC전류로 변환되는 파워부와 전류의 크기 및 상을 제어하기 위한 제어부로 나눌 수 있다. 파워부는 전류가 흐르는 버스바와 전류가 변환되는 스위치 소자 및 파워모듈로 구성되며, 제어부는 게이트보드 및 제어보드와 센서로부터 신호를 주고받는 와이어들로 이루어진다.
한편, 파워부에서는 전류가 흐르거나 파워모듈을 구성하는 복수의 스위칭 소자들에서 스위칭이 일어날 때 전자파가 발생하는데, 이 전자파는 제어부에 영향을 주어 오작동이 발생하거나 동작을 멈추게 할 수 있다. 제어보드는 제어부를 구성하는 부품 중에서 전자파에 가장 취약한 부품으로, 종래의 전력변환 장치들에서는 전자파로부터 제어보드를 보호하기 위하여 금속 재질의 차폐판을 구비하였다.
하지만, 차폐판은 전자파가 제어보드에 영향을 주지 못하도록 경로를 차단하는 역할을 할 뿐, 제어보드를 전자파로부터 완전히 분리시키지 못한다는 한계가 있었다. 아울러, 차폐판의 설계가 잘못되어 전자파의 경로가 완전히 차단되지 못할 경우 제어보드가 오작동을 일으킬 위험이 있었다. 더 나아가, 차폐판으로 인한 전력변환 장치의 원가, 중량 및 부피가 증가하는 문제점도 있었다.
KR 10-2013-0065390
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 별도의 차폐판 없이 전력변환 모듈에서 발생하는 전자파가 제어유닛에 전달되는 것을 차단할 수 있는 전력변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력변환 장치는, 차량의 배터리로부터 직류전류를 공급받는 커패시터; 전류가 입출력되는 파워단 및 신호가 입출력되는 신호단을 포함하고, 상기 파워단은 상기 커패시터의 하면측을 향하며 상기 신호단은 상기 커패시터의 상면측을 향하여 상기 커패시터와 수직하게 배치되는 적어도 하나 이상의 전력변환 모듈; 상기 커패시터의 상방에 배치되며 상기 전력변환 모듈을 제어하는 제어유닛; 및 상기 커패시터, 전력변환 모듈 및 제어유닛이 조립되는 하우징;을 포함할 수 있다.
상기 커패시터의 하면에는 상기 전력변환 모듈에 직류전류를 공급하는 전류공급 단자 및 상기 전력변환 모듈로부터 출력되는 전류를 구동부에 전달하는 버스바가 구비될 수 있다.
상기 전력변환 모듈의 파워단은, 상기 커패시터의 전류공급 단자로부터 직류 전류를 공급받는 입력단자 및 상기 직류전류를 변환시킨 교류전류를 출력하며 상기 버스바와 연결된 출력단자를 포함할 수 있다.
상기 커패시터의 하면과 상기 버스바 사이에는 에폭시가 주입될 수 있다.
상기 제어유닛은 상기 전력변환 모듈의 신호단과 연결되며 상기 신호단을 통해 상기 전력변환 모듈에 제어신호를 인가하여 상기 전력변환 모듈을 제어할 수 있다.
상기 커패시터의 수평면적은 상기 제어유닛의 수평면적 이상일 수 있다.
상기 전력변환 모듈의 양면에 구비되며 상기 전력변환 모듈을 냉각시키는 적어도 하나 이상의 냉각기; 및
상기 냉각기를 커버하는 냉각기 커버;를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각기는 냉각수가 흐르는 복수의 냉각 튜브 및 상기 냉각수가 입출력되는 입출구부를 포함하며,
상기 전력변환 모듈은 상기 복수의 냉각 튜브 사이에 배치될 수 있다.
상기 냉각기는 상기 커패시터의 측면에 접촉되도록 구비되어 상기 커패시터를 냉각시킬 수 있다.
상기 하우징의 개방된 상면을 커버하는 하우징 커버;를 더 포함할 수 있다.
상기 제어유닛은 제어보드 및 게이트보드를 포함하며,
상기 제어보드 및 게이트보드는 와이어를 통해 연결될 수 있다.
상기 게이트보드는 상기 전력변환 모듈의 신호단과 연결되며, 상기 제어보드는 상기 게이트보드의 상방에 평행하게 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력변환 모듈은 파워단이 커패시터의 하면측을 향하고 신호단이 커패시터의 상면측을 향하도록 커패시터와 수직하게 배치하되, 제어유닛을 커패시터의 상방에 배치하여, 전자파가 발생하는 전력변환 모듈의 파워단과 제어유닛을 이격시킴으로써, 파워단에서 발생한 전자파가 제어유닛으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
아울러, 전력변환 모듈의 파워단과 제어유닛 사이에 커패시터, 냉각기 및 냉각기 커버 등이 배치되도록 함으로써, 커패시터, 냉각기 및 냉각기 커버가 차폐부의 역할을 하여 물리적인 차폐판의 설치없이 파워단에서 발생하는 전자파가 제어유닛에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치를 세부적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치에서, 전력변환 모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치에서, 커패시터의 하면에 전류공급 단자 및 버스바가 구비된 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치에서, 전력변환 모듈의 파워단 및 버스바에서 발생하는 전자파가 제어유닛에 전달되지 않고 차단되는 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어보드와 게이트보드가 통합된 상태의 제어유닛을 포함하는 전력변환 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 전력변환 장치에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치를 세부적으로 나타내는 분해 사시도이며, 도 3은 전력변환 모듈의 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 커패시터의 하면에 전류공급 단자 및 버스바가 구비된 모습을 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치에서 전력변환 모듈의 파워단 및 버스바에서 발생하는 전자파가 제어유닛에 전달되지 않고 차단되는 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어보드와 게이트보드가 통합된 상태의 제어유닛을 포함하는 전력변환 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환 장치는 커패시터(100), 전력변환 모듈(200), 제어유닛(300) 및 하우징(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
커패시터(100)는 차량의 배터리(미도시)로부터 직류전류를 공급받아 전력변환 모듈(200)에 해당 직류전류를 공급 할 수 있다. 구체적으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 커패시터(100)의 하면에는 전력변환 모듈(200)에 직류전류를 공급하는 전류공급 단자(500) 및 전력변환 모듈(200)로부터 출력되는 전류를 구동부에 전달하는 버스바(600)가 구비될 수 있다. 여기서, 구동부는 실시예에 따라 모터일 수 있다. 도면에 구체적으로 도시하지는 않았으나 전력변환 장치의 출력터미널은 구동부에 연결되고 버스바(600)는 출력터미널과 연결될 수 있다. 이에 따라, 커패시터(100)로부터 직류전류가 전력변환 모듈(200)로 공급되고, 전력변환 모듈(200)에서 변환된 교류전류는 버스바(600) 및 출력터미널을 통해 모터에 공급되어 모터를 구동시킬 수 있다.
한편, 커패시터(100)의 하면과 버스바(600) 사이에는 에폭시(900)가 주입될 수 있다.
전력변환 모듈(200)은 복수의 스위칭 소자를 포함하여 구성되며 커패시터(100)로부터 공급된 직류전류를 교류전류로 변환하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 전력변환 장치는 적어도 하나 이상의 전력변환 모듈(200)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 전력변환 모듈(200)은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등일 수 있다. 하지만, 이는 일실시예일 뿐 이외에도 다양한 반도체 소자가 본 발명에서의 전력변환 모듈로서 사용될 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면 전력변환 모듈(200)은 전류가 입출력되는 파워단(210) 및 신호가 입출력되는 신호단(220)을 포함할 수 있다.
여기서, 파워단(210)은 커패시터(100)의 하면에 구비된 전류공급 단자(500)와 전기적으로 연결되어 커패시터(100)로부터 직류전류를 공급받는 입력단자(212) 및 전력변환 모듈(200) 내의 복수의 스위칭 소자를 통해 직류전류를 변환시킨 교류전류를 출력하는 출력단자(214)를 포함할 수 있다. 이때, 출력단자(214)는 상술한 버스바(600)와 전기적으로 연결될 수 있다.
아울러, 신호단(220)은 추후 설명할 제어유닛(300)과 연결되며, 신호단(220)을 통해 제어유닛(330)으로부터 제어신호가 수신될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 전력변환 모듈(200)은 파워단(210)이 커패시터(100)의 하면측을 향하고, 신호단(220)이 커패시터(100)의 상면측을 향하도록 커패시터(100)와 수직하게 배치될 수 있다. 아울러, 전력변환 모듈(200)을 제어하는 제어유닛(300)은 커패시터(100)의 상방에 배치될 수 있다.
일반적으로 전력변환 모듈(200)에서 전류가 입출력되며 전류가 흐르는 파워단(210)에서는 전자파가 발생할 수 있다. 아울러, 이렇게 발생된 전자파는 제어유닛(300)에 영향을 주어 해당 제어유닛(300)이 오작동하거나 동작을 멈추게 할 수 있다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 전력변환 모듈의 파워단과 제어유닛 사이에 차폐판(미도시)을 구비하여 전력변환 모듈에서 발생한 전자파가 제어유닛에 전달되는 것을 차단하였다. 하지만, 차폐판은 전자파가 제어유닛에 영향을 주지 못하도록 경로를 차단하는 역할을 할 뿐, 제어유닛을 전자파로부터 완전히 분리시키지 못한다는 한계가 있었다. 아울러, 차폐판의 설계가 잘못되어 전자파의 경로가 완전히 차단되지 못할 경우 제어유닛이 오작동을 일으킬 위험이 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전력변환 모듈(200)은 파워단(210)이 커패시터(100)의 하면측을 향하고 신호단(220)이 커패시터(100)의 상면측을 향하도록 커패시터(100)와 수직하게 배치하되, 제어유닛(300)을 커패시터(100)의 상방에 배치하여, 전자파가 발생하는 전력변환 모듈(200)의 파워단(210)과 제어유닛(300)을 이격시킴으로써, 파워단(210)에서 발생한 전자파가 제어유닛(300)으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 아울러, 전력변환 모듈(200)의 파워단(210)과 제어유닛(300) 사이에 커패시터(100), 추후 설명할 냉각기(700) 및 냉각기 커버(740) 등이 배치되도록 함으로써, 커패시터(100), 냉각기(700) 및 냉각기 커버(740)가 차폐부의 역할을 하여 물리적인 차폐판의 설치없이 파워단(210)에서 발생하는 전자파가 제어유닛(300)에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
제어유닛(300)은 전력변환 모듈(200)을 제어하는 역할을 하며, 전력변환 모듈(200)의 파워단(210)과 물리적으로 이격되도록 커패시터(300)의 상방에 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 제어유닛(300)은 도 5에 도시된 바와 같이 제어보드(310) 및 게이트보드(320)를 포함할 수 있으며, 제어보드(310)와 게이트보드(320)는 와이어(322)를 통해 연결될 수 있다. 여기서, 제어보드(310)는 게이트보드(320)의 상방에 평행하게 위치할 수 있다. 또한, 게이트보드(320)는 도 5에 도시된 바와 같이 전력변환 모듈(200)의 신호단(220)과 연결될 수 있는데 실시예에 따라 게이트보드(320)는 신호단(220)과 솔더링 또는 프레스핏 등을 통해 연결될 수 있다.
아울러, 다른 실시예에 따라, 제어유닛(300)은 도 6에 도시된 바와 같이 제어보드(310) 및 게이트보드(320)가 통합된 형태로 구성될 수도 있다. 구체적으로, 제어유닛(300)은 도 6에 도시된 바와 같이 전력변환 모듈(200)의 신호단(220)과 연결되며 신호단(220)을 통해 전력변환 모듈(200)에 제어신호를 인가하여 전력변환 모듈(200)에서 변환되는 전류의 크기 등을 제어할 수 있다.
실시예에 따라, 전력변환 장치는 전류센서 및 온도센서 등의 센서를 포함할 수 있는데, 제어유닛(300)은 해당 센서들과 와이어 등을 통해 연결되어 센서들로부터 센싱된 센싱 정보를 수신할 수 있으며, 센싱된 정보에 기반하여 전력변환 모듈(200)을 제어할 수 있다. 아울러, 제어유닛(300)은 차량의 신호단 등과도 연결되어 차량으로부터 수신한 제어신호에 기반하여 전력변환 장치를 제어할 수도 있다.
한편, 상술한 커패시터(100)의 수평면적은 제어유닛(300)의 수평면적 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 커패시터(100)를 기준으로 전자파가 발생하는 전력변환 모듈(200)의 파워단(210)과 제어유닛(300)을 물리적으로 이격시켜 분리하고 있는데, 커패시터(100)의 수평면적을 제어유닛(300)의 수평면적 이상으로 함으로써, 커패시터(100) 하단 측에 위치한 전력변환 모듈(200)의 파워단(210)에서 발생한 전자파가 제어유닛(300)으로 전달되는 것을 보다 효율적으로 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 전력변환 장치는 전력변환 모듈(200)의 양면에 구비되며 전력변환 모듈(200)을 냉각시키는 적어도 하나 이상의 냉각기(700) 및 냉각기(700)를 커버하는 냉각기 커버(740)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 냉각기(700)는 냉각수가 흐르는 복수의 냉각 튜브(710) 및 냉각수가 입출력되는 입출구부(720,730)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 전력변환 모듈(200)은 복수의 냉각 튜브(710) 사이에 배치될 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 전력변환 장치에서는 전력변환 모듈(200)을 양면에서 냉각함으로써 냉각 성능을 향상시킬 수 있으며, 그에 따라 전력변환 장치의 전체적인 성능 또한 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각기(700)는 커패시터(100)의 복수의 측면에 접촉되도록 구비되어 커패시터(100)를 냉각시킬 수 있다.
하우징(400)에는 커패시터(100), 전력변환 모듈(200) 및 제어유닛(300)이 조립될 수 있으며, 하우징 커버(800)는 개방된 하우징(400)의 상면을 커버할 수 있다.
100: 커패시터 200: 전력변환 모듈
210: 파워단 212: 입력단자
214: 출력단자 220: 신호단
300: 제어유닛 310: 제어보드
320: 게이트보드 322: 와이어
400: 하우징
500: 전류공급 단자 600: 버스바
700: 냉각기 710: 냉각 튜브
720: 입구부 730: 출구부
740: 냉각기 커버
800: 하우징 커버 900: 에폭시

Claims (12)

  1. 차량의 배터리로부터 직류전류를 공급받는 커패시터;
    전류가 입출력되는 파워단 및 신호가 입출력되는 신호단을 포함하고, 상기 파워단은 상기 커패시터의 하면측을 향하며 상기 신호단은 상기 커패시터의 상면측을 향하여 상기 커패시터와 수직하게 배치되는 적어도 하나 이상의 전력변환 모듈;
    상기 커패시터의 상방에 배치되며 상기 전력변환 모듈을 제어하는 제어유닛; 및
    상기 커패시터, 전력변환 모듈 및 제어유닛이 조립되는 하우징;을 포함하는 전력변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터의 하면에는 상기 전력변환 모듈에 직류전류를 공급하는 전류공급 단자 및 상기 전력변환 모듈로부터 출력되는 전류를 구동부에 전달하는 버스바가 구비된 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전력변환 모듈의 파워단은, 상기 커패시터의 전류공급 단자로부터 직류 전류를 공급받는 입력단자 및 상기 직류전류를 변환시킨 교류전류를 출력하며 상기 버스바와 연결된 출력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 커패시터의 하면과 상기 버스바 사이에는 에폭시가 주입된 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 전력변환 모듈의 신호단과 연결되며 상기 신호단을 통해 상기 전력변환 모듈에 제어신호를 인가하여 상기 전력변환 모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터의 수평면적은 상기 제어유닛의 수평면적 이상인 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환 모듈의 양면에 구비되며 상기 전력변환 모듈을 냉각시키는 적어도 하나 이상의 냉각기; 및
    상기 냉각기를 커버하는 냉각기 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각기는 냉각수가 흐르는 복수의 냉각 튜브 및 상기 냉각수가 입출력되는 입출구부를 포함하며,
    상기 전력변환 모듈은 상기 복수의 냉각 튜브 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각기는 상기 커패시터의 측면에 접촉되도록 구비되어 상기 커패시터를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징의 개방된 상면을 커버하는 하우징 커버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은 제어보드 및 게이트보드를 포함하며,
    상기 제어보드 및 게이트보드는 와이어를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 게이트보드는 상기 전력변환 모듈의 신호단과 연결되며,
    상기 제어보드는 상기 게이트보드의 상방에 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 전력변환 장치.
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