KR20010034247A - 파워 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핀(0) 등에 연결되는 냉각 블럭(14)에 직접 고정되는 적어도 하나의 IGBT 의 형태로 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(IGBT)를 구성되는 일련의 공급전압(Ucat)에 의해 구동되는 파워 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 절연부(13)는 냉각 블럭(14)과 핀(0) 사이에 제공되며, IGBT 모듈(10)이 고정되는 냉각 블럭(14)은 파워 컨버터 연속 공급의 정점부와 핀 포텐셜 사이이 중간 포텐셜에 연결된다.

Description

파워 컨버터{POWER CONVERTER}

인버터, 특히 전압 인버터는 DC 전압으로부터 AC 전압을 제공하기 위한 것이다.

특히 중요한 적용 분야는 동기식 또는 비동기식 장치의 변속 제어이다.

이 경우 각각의 동기식 또는 비동기식 모터 상태에 의해 제공되는 부하는 주파수 가변식 및 진폭 가변식의 평형잡힌 사인곡선의 3상 시스템에 가능한한 가까운 3상 전압 시스템을 가질 필요가 있다. 전압 인버터는 이러한 목적을 달성할 수 있게 하는 장치이며, 사이리스터 및 GTO 등과 같은 동력 부품 등을 사용하는 장치이다.

최근 들어, "IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)"라는 용어로 정의되는 새로운 형태의 정적 스위치가 나타나고 있다. 이러한 장치는 다음과 같은 점에서 즉, 제어 게이트에서 전압을 조정하므로써 스위치에 필요한 전류를 언제라도 규정할 수 있는 반면에, 예를 들어 GTO 등에 의해 제공된 구세대 스위치에 대해서는 점등의 순간과 소등의 순간만을 결정할 수 있을 뿐이라는 점에서 제어가능한 부품이다.

종래 기술에 따르면, 즉 인버터를 생산하기 위해 단지 GTO 형태의 반도체가 사용되는 경우, 이들은 그 단자를 횡단하는 과전압을 제어할 수 있게 하는 관련의 보호회로(완충 회로)없이 사용될 수 없다. 만일 그렇지 않은 경우라면, 이들은 와이어링 기생 인덕턴스에 의해 유도된 과전압으로 인해 첫번째 절환시에 파괴될 수도 있다.

한편, IGBT 반도체로 형성된 스위치의 경우, 보호 회로를 분배할 수도 있을 것이다. 실제로, 손실을 감소하기 위해 가능한한 신속히 전류를 절환하므로써 그리고 엄청난 과전압 생성을 피하므로써, 이러한 보호 회로를 부가할 필요가 없다.

그럼에도 불구하고, 이러한 한계에 도달하여 IGBT 부품을 최대한으로 사용할 수 있도록 하기 위해, 와이어링 인덕턴스가 매우 낮은 값으로 감소될 필요가 있으며, 이것은 GTO 형태의 반도체에 사용된 것과 같은 종래 하우징으로는 달성하기가 매우 어렵다.

IGBT 반도체는 통상적으로 모듈 형태로 배치된다. 실제로, IGBT 반도체와그 비평행 다이오드는 동일한 하우징에 위치된다. 하우징은 하우징내의 내부 기생 인덕턴스를 최소화하고 버스바아(busbar)에 의한 내부 연결을 허용하여 와이어링의 기생 인덕턴스를 최소화하도록 구성되어야 한다.

종래 기술에 따르면, 이러한 모듈은 히트 싱크상으로의 기계적 장착에 작용하는 베이스판을 갖는다. 상기 베이스판은 반도체와는 전기적으로 절연되어 있으므로, 동력과 제어 연결단자와도 절연되어 있다. 따라서, 모듈은 그 자체가 지구에 연결되는 히트 싱크에 고정될 수 있다.

모듈의 절연은 그 설계된 서플라이 네트웍의 전압에 대응하도록 설계되어야 한다. 특정의 실시예에 있어서, 3300 V 다이오드와 IGBT 모듈은 현재 1500 VDC 네트웍에 적응된 절연을 포함한다.

그럼에도 불구하고, 3000 VDC 의 공칭 동력 서플라이 전압을 사용하는 경우, 전압 비율과 마찬가지로 이러한 절연은 불충분하다. 전압 비율에 관한한, 이러한 문제를 해결하기 위해 반도체를 직렬로 위치시키자는 제안이 예상되고 있다.

그러나, 반도체를 직렬로 위치시키는 것은 단지 전압 비율 문제를 해결할 뿐이며 IGBT 모듈의 절연에 대한 문제는 해결할 수 없다. 3000 VDC 네트웍에서 특별한 예방조치없이 사용할 수 있기 위해, 이러한 목적으로 제공된 절연(insulation)을 구비한 IGBT 모듈을 사용할 필요가 있다.

본 발명은 반도체 세트를 포함하는 정적 스위치로 제조된 컨버터 모듈이나 파워 컨버터와 같은 장치에 관한 것이다. 파워 컨버터의 실시예로는 쵸퍼와 인버터가 있다.

도 1 은 종래기술에 사용된 파워 컨버터 모듈의 예를 도시한 사시도.

도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 파워 컨버터 모듈과 IGBT 모듈의 개략적인 단면도.

도 3 은 본 발명에 따른 파워 컨버터 모듈의 실시예에 대한 사시도.

도 4 는 2×3 IGBT 를 포함하는 파워 컨버터 모듈의 제 2 실시예를 도시한 사시도.

도 5 는 절연딘 히트 파이프를 갖는 모듈에서의 작동원리와 응용원리를 도시한 도면.

도 6 은 절연 파손을 검출하기 위한 장치를 도시한 도면.

도 7 은 도 3 및 도 4 에 제공된 컨버터와 연관될 수 있는 피크 제한기 모듈의 사시도.

본 발명의 목적은 컨버터가 작동되는 실제 동력공급 전압보다 상당히 낮은 동력공급 전압에 대해 절연된 IGBT 모듈을 사용하는 경우 불충분한 절연이라는 문제를 해결하기 위한 것이다. 특히, 본 발명은 3000 VDC 의 공칭 동력공급 전압의 경우 1500 VDC 전압에 대해 절연된 IGBT 의 사용을 허용하는 컨버터를 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명의 다른 목적은 파워 컨버터의 절연된 히트 싱크 유니트(냉각 블럭)이나 IGBT 모듈에서 절연 결함이 발생되는 경우 컨버터에의 손상을 제한할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 파워 컨버터의 절연된 히트 싱크 유니트(냉각 블럭)이나 IGBT 모듈에서 절연 결함을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 직류 동력공급 전압(Ucat)이 공급되는 전압 컨버터와 같은 파워 컨버터에 관한 것으로서, 이러한 컨버터는 IGBT 형 정적 스위치로 구성되며 핀(0) 등에 연결되는 히트 싱크 유니트(14)에 직접 고정되는 적어도 하나의 IGBT 모듈(10) 형태를 취하는 파워 컨버터에 있어서, 상기 히트 싱크 유니트(14)와 핀(0) 사이에는 절연이 제공되며, IGBT 모듈이나 모듈(10)이 고정되는 히트 싱크 유니트(14)는 파워 컨버터의 동력 공급 전압(+Ucat)의 상부와 핀(0)의 포텐셜 사이의 포텐셜에 연결된다.

몇개의 IGBT 모듈을 핀과는 절연된 동일한 히트 싱크 유니트상에 배치할 수도 있다.

양호한 실시예에 따르면, 중간 포텐셜로의 세팅은 저항성 디바이더의 도움으로 실행된다.

양호한 실시예에 따르면, 예를 들어 과전압인 경우 전압을 제한할 수 있게 하는 전압 피크 제한기는 IGBT 모듈과 연관되어 있다.

또한, 본 발명은 IGBT 모듈이나 히트 싱크 유니트의 절연시 결함을 검출하는 방법에 있어서, 임피던스가 구비된 직렬연결된 전압원을 통해 중간 포텐셜이 얻어진 후 그 이론값과 비교측정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

쵸퍼와 인버터로 구성된 상술한 바와 같은 파워 컨버터는 정적 스위치를 사용하는 장치이다. 이러한 스위치들 자체는 사이리스터와, GTO 와, IGBT 등과 같은 반도체 세트로 제조된다.

일반적으로, 이러한 파워 컨버터는 작동시 컨버터에 의해 발생된 열을 제거하기 위해 히트 싱크 유니트의 사용을 필요로 한다. 상기 히트 싱크 유니트는 종래 방식에 따라 절연 튜브에 의해 핀(fin)이나 이와 동일한 기능을 갖는 기타 다른 시스템에 연결된다. 이러한 히트 싱크 유니트의 실시예가 도 4 및 도 5 에 서술되어 있다.

도 1 에 도시된 종래기술에 따르면, 컨버터는 절연된 히트 파이프에 의해 냉각되는 GTO 형태의 종래 스위치(52)에 의해 제조된다. 상기 절연된 히트 파이프는 튜브(51)에 의해 핀 유니트(0)에 각각 연결되는 히트 싱트 유니트로 작용되는 증발기 유니트(54)로 구성된다.

히트 파이프가 연속적으로 형성된 증발기 유니트(54)와 여러 스위치의 스택(stack) 도시될 것이다. 이러한 스택은 적절한 장치(53)(클램프)에 의해 압력하게 유지된다.

절연된 히트 파이프(51)의 다른쪽 단부는 핀 유니트(0)에 연결된다.

본 발명은 IGBT 모듈의 절연이 의도된 전압보다 상당히 높은 동력공급 전압에 대한 절연 정격이라는 문제를 해결할 수 있게 하면서 IGBT 모듈을 사용하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 현재, IGBT 부품은 1500 VDC 네트웍에 적용되는 절연을 포함하고 있지만, 일부 경우에서는 3000 VDC 의 동력공급 네트웍 전압(Ucat)가 사용되기도 한다.

도 2a 는 기본적인 IGBT 모듈의 다이아그램을 도시하고 있다. IGBT 모듈은 통상적으로 베이스판(11)상에 배열된 다수의 반도체(21)를 포함한다. 일반적으로, 베이스판(11)의 제어 및 연결단자(4)와 여러 반도체(21)를 절연하기 위해 절연부(12)가 제공된다.

도 2b 에 따르면, 하나이상의 IGBT 모듈이나 하우징(10)을 포함하는 본 발명에 따른 컨버터는 작동시 IGBT 하우징에 의해 발생된 열을 제거하기 위해 핀(0)에 연결된 히트 싱크 유니트(14)에 고정되는 하나이상의 IGBT 모듈이나 하우징(10)을 포함한다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, IGBT 모듈(10)의 부가적인 절연부(13)는 핀(0)과 히트 싱크 유니트(14) 사이에 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, IGBT 모듈(10)이 고정되는 히트 싱크 유니트(14)는 일반적으로 어스된(0 V) 핀(0)의 포텐셜과 파워 컨버터(+Ucat)의 동력 공급 상부 포텐셜 사이의 중간 포텐셜에 연결된다.

이것은 그 자신의 절연이 과도하게 스트레스되지 않고 IGBT 모듈의 절연을 보상할 수 있게 한다.

또한, 이러한 부가적인 절연은 동력공급 네트웍의 전체 전압과 중간 포텐셜과 어스(0 V) 사이의 포텐셜 편차에 견디기 위해 칫수화될 필요가 없다.

도 3 은 2 ×2 IGBT 모듈을 포함하는 3레벨 인터버의 브랜치를 도시하고 있다.

이러한 실시예에 따르면, 한쪽 손의 IGBT 모듈(101, 102)과 다른쪽 손의 모듈(103, 104)의 두쌍의 모듈은 서로 대면하고 있으며, 또한 핀 세트와는 절연된 히트 파이프의 증발기 유니트(14)에 고정된다. 이러한 배치는 사용 공간을 가능한한 제한하여 쉽고 간단한 장착을 허용한다. 이러한 모듈은 3레벨 인버터의 브랜치를 형성한다.

도 4 는 2 ×3 IGBT 모듈을 포함하는 3레벨 인버터의 2 브랜치를 형성하는 모듈의 사시도를 도시하고 있다.

양호한 실시예에 따르면, 도 4 에 도시된 바와 같은 3모듈은 가감저항기의 차단 쵸퍼 모듈(도시않음)과 연결되어 있다. 가감저항기 차단 기능이 필요없는 경우, 차단 쵸퍼 모듈은 도 7 에 도시된 바와 같은 피크 제한기 모듈로 대체될 수도 있다.

도 5 는 도 3 에 도시된 바와 같이 히트 파이프가 절연된 컨버터 모듈에 대한 특별한 적용 케이스인 본 발명에 따른 장치의 작동원리를 도시하고 있다.

상기 히트 싱크는 히트 파이프 형태를 취하며, 일련의 핀(0)이 제공된 그 콘덴서는 IGBT 모듈이 증발기 유니트(14)에 고정될 동안 어스 포텐셜로 세팅된다. 본 발명에 따르면, 콘덴서(0)와 증발기(14) 사이에는 절연부(13)가 제공된다. 상기 증발기 유니트(14)의 전압은 저항성 디바이더에 의해 컨버터 입력 전압의 절반이 된다.

컨버터로부터의 출력 전압은 구성된 정적 스위치의 상태 함수로 변화되며, 컨버터의 바닥 포텐셜인 0 과 컨버터의 동력공급 전압인 U 현수선 사이에 놓인다. 이와 마찬가지로, 반도체 단자의 전압도 컨버터의 동력공급 전압인 Ucat 와 0 사이에 놓인다. 한편, IGBT 모듈의 절연부(13)에 인가된 전압은 [-Ucat/2] 와 [+Ucat/2] 사이에 놓일 것이며, 절대값으로는 0 과 Ucat/2 사이에 놓일 것이다.

도 6 은 절연의 파손에 대한 검출이 이루어지는 방법을 도시하고 있다. IGBT 모듈이나 히트 파이프의 절연이 파손되는 경우, 히트 파이프의 증발기 포텐셜은 저항성 디바이더(R1, R2)에 의해 단독으로 더 이상 고정되지 않는다. 절연이 파손되기 전에 저항성 디바이더에 의해 얻어진 포텐셜과는 상당히 상이할 것이다. 따라서, 증발기 포텐셜값을 측정하여 이를 그 이론값과 비교할 수 있으며, 상기 이론값은 도 5 를 참조로 서술한 바와 같이 특성은 동일하지만 히트 파이프의 증발기에는 연결되지 않는 예를 들어 저항성 디바이더(R3, R4)를 통해 얻을 수 있다. 이에 의해 절연 결함을 용이하게 검출할 수 있게 될 것이다.

도 7 은 입력 커패시터의 전압을 제한하기 위해 도 3 및 도 4 에 제공된 바와 같은 하나이상의 모듈과 연결가능한 피크 제한기를 도시하고 있다. 이러한 피크 제한기는 히트 싱크를 포함하고 있지 않음을 인식해야 한다. 상기 히트 싱크는 다양한 IGBT 모듈에 고정되는 직선판으로 대체될 수 있다. 이러한 판은 본 발명에 따른 포텐셜로 세팅하기 위한 장치에 양호하게 연결될 수 있다.

Claims (8)

1. 직류 공급전압(Ucat)이 공급되고 IGBT 형 정적 스위치로 구성되며 핀(0) 등에 연결되는 히트 싱크 유니트(14)에 직접 고정되는 적어도 하나의 IGBT 모듈(10) 형태를 취하는 파워 컨버터에 있어서,

   상기 히트 싱크 유니트(14)와 핀(0) 사이에는 절연이 제공되며, IGBT 모듈이나 모듈(10)이 고정되는 히트 싱크 유니트(14)는 파워 컨버터의 동력 공급 전압(+Ucat)의 상부와 핀(0)의 포텐셜 사이의 포텐셜에 연결되는 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
2. 제 1 항에 있어서, 히트 싱크 유니트를 중간 포텐셜로 세팅하는 것은 파워 컨버터의 공급 전압(+Ucat)의 상부 포인트와 핀(0)의 포텐셜의 평균값에서 실행되는 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 핀(0)은 어스되는 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
4. 상술한 항중 어느 한 항에 있어서, 히트 싱크 유니트(14)를 중간 포텐셜로 세팅하는 것은 저항성 디바이더(R1, R2)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
5. 상술한 항중 어느 한 항에 있어서, 컨버터의 정적 스위치를 구성하는 몇개의 IGBT 모듈(10)은 동일한 히트 싱크 유니트(14)상에 배치되는 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
6. 제 5 항에 있어서, 2 ×2 로 서로 대면하는 두쌍의 IGBT 모듈(101, 102, 103, 104)은 동일한 히트 싱크 유니트(14)에 배치되며, 상기 히트 싱크 유니트(14)는 히트 파이프 증발기 유니트인 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
7. 제 5 항에 있어서, 전압 피크 제한기(20)는 IGBT 모듈(10)과 연결된 것을 특징으로 하는 파워 컨버터.
8. 상술한 항중 어느 한 항에 따른 파워 컨버터의 절연 결함을 검출하는 방법에 있어서,

   저항성 디바이더(R1, R2)에 의해 엎은 중간 포텐셜은 다른 저항성 디바이더(R3, R4)에 의해 얻은 이론값과 측정비교되는 것을 특징으로 하는 파워 컨버터 절연 결함 검출 방법.