KR20050012892A - 통합된 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈 - Google Patents

통합된 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈

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KR20050012892A
KR20050012892A KR10-2005-7000176A KR20057000176A KR20050012892A KR 20050012892 A KR20050012892 A KR 20050012892A KR 20057000176 A KR20057000176 A KR 20057000176A KR 20050012892 A KR20050012892 A KR 20050012892A
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KR
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alternator
power
starter
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power module
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KR10-2005-7000176A
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쟝-마리 삐에레
쟝 쥴리앙 피페르
파브리스 또브롱
Original Assignee
발레오 에끼쁘망 엘렉뜨리끄 모뙤르
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Abstract

본 발명은 교류발전기-스타터(3), 전기 네트워크(Ua) 및 자동차의 접지선(GND) 사이에 연결되는 자동차용 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈(100)에 관한 것으로:
- 복수의 브랜치들(B1 내지 B3)를 가진 트랜지스터 브리지,
- 상기 교류발전기-스타터의 페이즈 전압()을 참조 전압(Ua, GND)과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터들을 제어하는 제어 유닛을 포함하며,
상기 제어 유닛은:
- 상기 브랜치의 트랜지스터 근처에서 연결되는, 상기 트랜지스터 브리지의 각 브랜치를 위한 드라이버(10,20,30),
- 상기 드라이버들을 제어하기 위한 제어 회로(2)를 포함한다.

Description

통합된 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈{CONTROL AND POWER MODULE FOR INTEGRATED ALTERNATOR-STARTER}
자동차에 있어서, 교류발전기는 자동차의 히트엔진에 의해 연동되는 회전유도자의 회전운동을 스타터의 코일부 내에서 유도전류로 전환시키게끔 해준다. 교류발전기는 가역성의 특성을 나타낼 수도 있으며, 회전자 축을 거쳐 자동차의 히트엔진을 회전 연동시키게끔 해주는 전기모터 혹은 회전 전기 기기를 구성할 수도 있다. 이러한 가역성 교류발전기는 교류발전-스타터 혹은 교류발전기-스타터라고 불리며, 기계적 에너지를 전기에너지로 전환시키거나 혹은 그 반대의 전환을 일으키게끔 해준다. 이와 같이, 교류발전기-스타터는 자동차의 히트엔진을 시동할 수도있으며, 또한 자동차를 연동하기 위한 모터 모드로 기능할 수도 있다. 일반적으로, 고정자(stator)는 세 개의 코일부를 포함하고 있다. 그래서 교류발전기가 3상교류 유형에 속하는 것이다. 변이형으로, 교류발전기가 6상교류 유형일 수도 있으며, 핀을 형성하는 전도체 막대와 함께 코일로 감길 수도 있다. 교류발전기-스타터는 스타터 모드 혹은 모터 모드로 기능할 경우 히트엔진에 상당히 높은 수준의 토크를 전달해야 한다.
이와 같은 가역성의 다상교류 유형에 속하는 기계는 특히 자동차 배터리를 충전시키기 위해서는 교류발전기로, 그리고 자동차의 시동을 걸기 위해 자동차의 내연기관(히트엔진이라고도 불리기도 함)을 작동시키기 위해서는 스타터로 기능한다.
이를 위해, 교류발전기 전기자의 페이즈(phase) 상에 커넥트되어 있는 파워 유닛은 모터 모드에서는 상기 페이즈의 제어 브리지로 사용되며, 또한 교류발전기 모드에서는 정류브리지의 역할을 수행한다.
도 20은 국제특허 WO 01/69762에 기술되어 있는 종래기술에 따른 교류발전기-스타터를 구성하고 있는 회전 전기 기기를 나타내고 있다.
상기 도면 상에서, 우측 파트는 기계의 전방부에 상응하고, 좌측 파트는 기계의 후방부에 상응한다. 교류발전기를 구성하고 있는 이 회전식 기계는
- 전통적 방식대로, 여기전류를 끌어오는 두 개의 정류자 브러시 및 두 개의 슬립링(706,707)에 결합된 채 유도자를 구성하고 있는 코일이 감긴 회전자(743) 및
- 전기자(507)를 구성하는 다수의 코일부 혹은 자기유도코일을 포함하고 있는 다상교류 고정자(503)를 포함하고 있다. 상기 다수의 코일부 혹은 자기유도코일은 3상교류 구조에서 가장 빈번하게 나타나는 형상인 별 모양 혹은 삼각형 모양으로 커넥트된 채, 교류발전기 모드에서 변환된 전기파워를 정류브리지 쪽으로 보내주는 역할을 수행한다.
브리지는 전기자의 다양한 페이즈에 연결되어 있으며, 배터리의 전기공급 단자와 접지부 사이에 장착되어 있다. 브리지는, 예를 들어, MOSFET 유형의 트랜지스터에 결합되어 있는 다이오드를 나타낸다.
상기와 같은 교류발전기의 모터 모드로의 기능은, 예를 들어, 유도자 내로 직류전류가 흐르면서, 그리고 동기식으로 고정자의 페이즈 상에 120˚로 위상이 달라진 신호들, 즉 이상적으로는 정현곡선을 나타내지만 경우에 따라서는 사다리꼴 혹은 사각형의 형상을 나타내는 신호들을 보내면서 실행된다.
교류발전기 모드에서의 상기 정류브리지, 그리고 모터 모드에서의 제어브리지는 제어 유닛을 통해 조종된다. 파워 유닛은 정류 및 제어브리지로 구성되어 있으며, 제어 유닛은 회전 전기 기기의 외부에 놓여져 있는 제어 및 파워 모듈을 구성하고 있다. 제어 유닛은 고정자 페이즈의 아웃풋(output) 단자와의 전기적 연결 수단을 통해 회전 전기 기기에 연결되어 있다.
게다가, 전기 모터 모드에서 고정자의 관련 코일부로 정확한 순간에 전류를 공급하기 위해 회전자의 앵글 포지션(angle position) 검사를 위한 장치들이 예견되어져 있다.
매그네틱 유형으로 실현되는 것이 좋은 이 장치들은 제어 유닛에 정보를 보내는 역할을 수행한다. 이러한 장치는 프랑스특허 FR 2 807 231 및 FR 2 806 223에 기술되어 있다.
상기 장치는 회전자 상에서 회전하는 고정식 타켓(750) 혹은 기계의 풀리(pulley)를 포함하고 있으며, 또한 Hall 효과 혹은 상기 타켓의 이동을 감지하는 매그네틱-저항 효과를 나타내는 유형의 센서(752)를 최소한 하나 이상 포함하고 있으며, 상기 센서의 유형은 매그네틱 유형인 것이 좋다.
최소한 세 개의 센서(752)가 예견되는 것이 좋으며, 이 센서들은 고정자를 고정 지지하고 회전자를 회전 지지하기 위하여 회전 전기 기기가 포함하고 있는 전방 지지대(713) 혹은 후방 지지대(504)에 의해 지탱되어진다.
여기서는 플라스틱 재질로 되어 있는 센서-지지대(753)는 축 방향의 파트(755)를 가지고 있다. 이 축방향 파트(755)는 여기서는 구멍부(754)를 위하여 지지대(504)를 관통한다. 센서(752)는 상기 축방향 파트와 연계되어 있으며, 상기 타켓(750)에 아주 근접하기 위하여 타켓(75)과 블레이드(blade)(505) 사이에 방사상으로 놓여져 있다. 센서 지지대는 고정용 볼트(757) 상에 장착된다.
센서(752)의 전기 연결은 타켓(750) 및 회전자(743)의 반대쪽에 있는 후방 지지대(504)의 바닥부 상에서 두 개의 러그(lug)(756)의 도움으로 센서-지지대(753) 내에 놓여진다.
브러쉬 통(716)은 도시되지 않은 볼트 및 러그의 도움으로 후방 지지대(504)의 바닥부와 동일한 면 상에 고정된다.
브러쉬 통(716)은 기존에 알려진대로 브러쉬 유도를 위한 두 개의 케이지(cage)를 포함하고 있으며, 각각의 케이지는 축(502)의 후방 단부 상에 덧붙여진 슬립링(706,707)과 함께 작동한다. 브러쉬는 케이지 내에 놓여져 있는 스프링의 작동에 종속되어 있다.
특정 경우에 있어서, 교류발전기-스타터의 시동 능력의 배양이 요구되어진다. 그 결과, 더 높은 시동 토크를 획득하기 위하여 회전자가 과도하게 자극될 수 있다.
이러한 과도한 자극은 필드코일의 단자에 과전압을 보내거나 및/또는 종래식의 교류발전기에 비해 필드코일 내에 과도한 전기량을 보냄으로서 실현될 수 있다.
이는 단지 스타터 모드에서만 회전자의 코일을 과자극시키는 전자 승압기의 도움으로 실현될 수 있다.
이러한 기계는 전통적 방식의 고류발전기 구조를 나타내는데, 예를 들어, 유럽특허 EP-A-0 515 259에 기술되어진 유형이 그러하다. 더욱 상세한 기술을 위하여 이 문헌을 참조할 것이다.
자극 휠(741,742)에는 축(502)의 힘을 이용하는 통행을 위하여 구멍이 나 있다. 좀더 구체적으로, 축(502)은 부드러운 파트를 통해 자극 휠을 고정시키기 위하여 자극 휠(741,742)보다 더욱 단단한 특성을 나타낸다.
상기 축(502)은 회전자(743)의 양쪽으로 펼쳐지며, 회전자와 함께 서브-유닛을 형성한다.
자극 휠은 자신의 플랜지를 매개로 하여 여기서는 전기용접으로 고정되어 있는 환풍기(515)와 블레이드(505)를 지탱하고 있다.
그러므로 이 기계는 내부 환풍식(공냉식)이며, 그 회전자는 최소한 자신의 한쪽 축 단부 상에서 환풍기(515)를 지탱하고 있다. 변이형으로, 기계가 수냉식일 수도 있다.
좀더 구체적으로, 회전자는 자극 휠(741,742)과 함께하는 갈고리형 회전자(743)로서, 상기 자극 휠은 축방향으로 형성된 채 사다리꼴 형태를 나타내는 톱니를 자신의 외부 주변부에 가지고 있다. 한쪽 자극 휠의 톱니들은 다른 쪽 자극 휠의 톱니쪽으로 향하고 있으며, 전반적으로 사다리꼴 형태를 나타내는 상기 톱니들은 한쪽 자극 휠에서 다른 쪽 자극 휠에 대해 겹쳐진 형태로 분포되어 있다.
물론, 예를 들어 프랑스특허 FR-A-2 793 085에 기술되어 있듯이, 자장을 향상시키기 위하여 자극 휠의 톱니들 사이에 영구자석이 끼워넣어질 수 있다.
회전자는 자신의 자극 휠의 플랜지들 사이에서 필드코일을 가지고 있다. 이 코일은 나선형으로 말린 전도체 요소를 포함하고 있다. 이 코일은 자신이 활성화 되었을 때 톱니의 도움으로 자극을 생성하기 위하여 회전자에 자성을 부여하는 필드코일이다. 회전자 코일의 각각의 단부들은 슬립링에 연결되어 있으며, 각각의 슬립링 상부에는 브러시가 맞닿는다. 브러시는 볼베어링 회전장치를 중앙부에서 가지고 있는 기계의 후방 지지대에 연계되어 있는 브러시 통에 의해 지탱되어지며, 상기 볼베어링 회전장치는 회전자를 연계지탱하는 축의 후방 단부를 회전상태에서 지탱하는 역할을 수행한다.
축의 전방 단부는 기계의 전방 지지대(713)에 의해 지탱되는 볼베어링 회전장치(711)에 의해 회전상태에서 지탱되어진다. 축의 전방 단부는 기계의 외부에서하나의 풀리(701)를 가지고 있으며, 상기 풀리는 자신과 연계되는 벨트를 최소한 하나 이상 포함하고 있는 운동 전달장치에 속한다. 상기 운동 전달장치는 풀리와 다른 어떤 장치, 예를 들어 자동차 내연기관에 의해 회전 연동되는 또 다른 풀리 따위의 장치, 사이의 연결을 가능하게 해준다.
또한, 후방 덮개(511)는 특히 브러시 통을 보호하기 위하여 후방 지지대(504) 상에 장착되어지며, 그 결과 상기 검사장치들은 더 잘 보호될 수 있으며, 또한 장치하기가 더욱 쉬어진다.
기계, 여기서는 교류발전기-스타터,가 교류발전기 모드로 기능 시, 즉 전력발생기로 작동하는 경우, 풀리(701)는 상기에서 언급된 최소한 하나 이상의 벨트를 통해 자동차의 내연기관에 의해 회전 연동되어진다. 기계가 스타터 모드로 기능 시, 즉 전기 모터로 작동하는 경우, 풀리는 벨트를 통해 자동차의 엔진을 회전 연동시킨다.
기계의 내부 환풍을 위해 구멍이 나 있는 전방 및 후방 지지대는, 예를 들어, 이음매(527)의 도움으로 상호간에 연결되며, 이들은 자동차의 고정부 상에 고정되어야 하는 기계의 지지체에 속한다. 이 지지체는 자신의 외부 주변부에서, 고정자 코일의 장착 혹은 더욱 일반적으로는 그 아웃풋이 상기에서 언급되었던 정류 및 제어브리지에 연결되어 있는 고정자의 자기유도코일의 장착을 위하여 통상적으로 홈들이 파져 있는 철판 더미로 구성되어 있는 고정자를 고정 지탱하고 있다.
고정자의 코일 혹은 자기유도코일은, 예를 들어 국제특허 WO92/06527에 기술되어 있듯이, 막대형태로 감겨져 있는 리드선 혹은 자기유도코일로 형성되어 있으며, 막대형태는 삼각형을 나타낼 수 있다.
고정자는 회전자를 둘러싸고 있으며, 그 브러시는 12V 배터리에 대해서 교류발전기의 전압을 추구되는 전압으로, 여기서는 예를 들어 14V로 유지하기 위하여 교류발전기 조절장치에 연결되어 있다.
여기서 제어 및 파워 모듈과 상기 조절장치는 회전 전기 기기의 외부에 놓여져 있는 전자 케이스 내에 장착되어진다. 상기 조절장치는 또한 외부에 놓여져 있는 제어 및 파워 모율의 제어 유닛 내에 통합되어질 수도 있다. 상기 케이스는 파워차단기 및 제어 유닛, 그리고 초과여자 회로를 가지고 있는 통신장치를 포함하고 있다. 초과여자 회로는 스타터 모드에서 활성화되는데, 이는 교류발전기-스타터의 시동 토크를 최대한도로 높이기 위해서 이기도 하며, 또한 추운 환경에서 시동을 거는 경우 혹은 적신호 신호등에 멈춘 후 가솔린 소비를 줄이기 위하여 혹은 그렇게 하므로서 "스톱 앤 고(Stop and Go)"라고 불리는 기능을 실현하기 위하여 일단 시동을 끈 후 다시 시동을 거는 경우 자동차의 히트엔진이라고 불리기도 하는 내연기관을 더욱 쉽게 시동걸기 위해서이다.
상기 초과여자 회로는 그 인풋(input)부위에서 배터리 및/혹은 교류발전기에서 부여되는 전기 네트워크 의 전압을 받아들이며, 필드코일의 단자들에는 상기 전기 네트워크 의 전압보다 더 높은 전압을 부여해준다.
상기 조절장치는, 배터리와 연결되지 않은 상태에서 전기 네트워크 상에서 교류발전기-스타터가 언로드되는 경우(당업자에 의해 일반적으로 사용되는 앵그로색슨 용어에 따르면 "로드 덤프(load dump)"의 경우), 교류발전기 특히 그 회전자의 급속한 배자현상을 실현하기 위하여 필드코일에 전력을 공급해주는 파워 전환기의 개방을 즉각적으로 명령하게끔 해주는 장치들을 포함할 수 있다.
오늘날 정류브리지가 차단브리지를 형성을 위해 커넥트되어져 있는 파워 트랜지스터들을 그 내부에 포함하고 있는 파워 유닛을 실현하는 것은 고전적이 되었다. 상기 차단브리지 내에서, 상기 트랜지스터들은 교류발전기의 유도 자기코일 내에 존재하는 전류와 동기식으로 제어되어진다(동기식 정류). 하지만 트랜지스터를 상당히 정교한 제어 유닛을 통해 조정하는 것이 필요하다. 제어 유닛으로는, 예를 들어, 마이크로제어기, 그리고 교류발전기의 전기자 코일 내에서 전류의 흐름을 감지하는 전류 센서, 이미지 브리지 등을 들 수 있다. 이와 같은 정류브리지들 중의 한가지가 프랑스 출원특허 FR-A-2 806 553에 기술되어 있으며, 이 정류브리지가 도 1에 도시되어 있다. 이 정류브리지는 최소한 두 개 이상의 트랜지스터를 각각 가지고 있는 세 개의 브랜치(branch)(B1,B2,B3)를 포함하고 있으며, 각각의 트랜지스터는 전기 네트워크 의 전력 공급부(Ua)인 교류발전기-스타터의 하나의 페이즈 (1,2,3)와 접지부(GND) 사이에 커넥트 되어있다. T1 내지 T6로 참조되는 각각의 트랜지스터는 U1 내지 U6로 참조되는 제어 유닛에 의해 조정된다. 상기 제어 유닛들(U1 내지 U6) 전체가 차단브리지에 의해 형성되는 파워 유닛의 제어 유닛을 형성한다. 상기 각각의 제어 유닛은 교류발전기 페이즈의 전압을 참조 전압과 비교하기 위하여, 그리고 그 비교 결과에 따라 정류브리지의 트랜지스터들 중의 하나를 제어하기 위하여 예견되어져 있다. 그리고 각각의 제어 유닛은 다른 유닛들의 장치들과 구분되는 장치들을 포함하고 있다. 이 장치들은 각각의 제어 유닛이 다른 유닛들과 구분이 될 수 있도록 자신의 참조 전압의 변화율의 비교 및 보상을 할 수 있도록 하기 위해 예견되어져 있는 장치들이기도 하다. 그래서 각각의 유닛은 페이즈 전압과 동일한 변화율을 가진 신호 및 자신의 참조 전압과 동일한 변화율을 가진 신호와는 다른 어떤 신호도 필요로 하지 않는다. 각각의 제어 유닛들(U1 내지 U6)은 파워 트랜지스터(T1 내지 T6)를 제어한다.
이러한 제어 유닛은, 현재 알려져 있는 대다수의 제어 유닛들과 마찬가지로, 상당한 수의 전자 구성요소을 필요로 한다. 왜냐하면 이러한 제어 유닛이 정류브리지의 트랜지스터 당 하나의 제어 유닛을 필요로 하기 때문이다.
그러므로 파워 유닛을 실현하기 위하여 사용되는 구성요소들은 첫 번째 전자 카드 상에 위치되고 커넥트되며, 파워 층을 형성한다.
제어 유닛을 실현하기 위하여 사용되는 구성요소들은 두 번째 전자 카드 상에 위치되고 커넥트된다.
제어 및 파워 모듈을 형성하는 상기 두 개의 전자 카드는 전자 선을 통해 함께 커넥트되어진다. 그런데, 상기 두 카드의 전자 결합은 두 개의 층 사이에서 많은 수의 연결을 필요로 한다. 그 결과, 제어 및 파워 모듈은 상당히 복잡해지며, 그래서 교류발전기-스타터의 전자-기계식 구성요소들을 내포하고 있는 케이스와는 구분되는 또 다른 케이스 내에 제어 및 파워 모듈을 위치시켜야 한다.
이처럼, 단 하나의 케이스 내에 전체가 내포되어 있는 전통적 방식의 교류발전기와는 반대로, 교류발전기-스타터는 두 개의 케이스를 필요로 한다. 즉, 교류발전기-스타터 자체를 포함하는 케이스 및 제어 및 파워 모듈을 포함하는 케이스 등두 개의 케이스를 필요로 한다. 그러므로, 교류발전기-스타터는 종래식 교류발전기에 비해 훨씬 더 복잡한 구조형태를 나타낸다. 또한, 교류발전기-스타터의 사용자 측면에서 보았을 때, 상기 사용자는 자동차 내부에 더 넓은 보충 공간을 확보해야 한다는 어려움에 빠지게 된다. 왜냐하면 두 개의 케이스를 함께 커넥팅해야 하는 임무를 부여받은 자가 바로 자동차 생산업자이기 때문이다.
본 발명은 한편으로는 자동차의 전기 네트워크에 전기를 공급하고 자동차 배터리를 충전시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 자동차 히트엔진을 시동할 수 있는 교류발전기-스타터와 같은 회전식 및 가역성 전기 기계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 상기와 같은 기계 장치를 제어할 수 있는 컨트롤 및 파워 모듈에 관한 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 제어 및 파워 모듈을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 제어 및 파워 모듈을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 제어 유닛의 드라이버의 다양한 연결을 도시한 도면,
도 4는 드라이버 및 드라이버가 조정하는 파워 유닛의 트랜지스터들 사이의전기적 연결을 나타내는 도면,
도 5는 교류발전기-스타터 케이스 뒤에 본 발명에 따른 제어 및 파워 모듈의 통합 모드를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 파워 모듈의 일 실시예의 입면도,
도 7은 도 6의 A-A 선에 따른 단면도,
도 8은 다른 실시예에 따른 파워 모듈 실시예의 단면도,
도 9 내지 도 11은 도 6 내지 8에 대응하는 실시예들의 접지 연결 모드를 나타내는 도면,
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명에 따른 파워 전자 모듈을 포함하는 후방 지지대의 단면도,
도 14는 도 13에서 사용되는 환풍기의 일 실시예를 나타내는 도면,
도 15, 16, 17 및 17a는 덮개 부위에 형성되는 전자 모듈의 아웃풋 케넥션 모드를 나타내는 도면,
도 18 및 도 19는 전기 장치 덮개의 후방 축에 따른 단면도,
도 20은 종래기술에 따른 교류발전기-스타터를 도시한 도면,
도 21 및 도 22는 도 7 및 도 12에 도시된 모듈 중 일 실시예를 도시한 도면,
도 23은 도 12의 단면도이다.
본 발명의 목적은 상기된 종래 기술들의 단점들을 보완하는데 있다. 이를 위해, 본 발명은 교류발전기-스타터의 케이스 내에 통합될 수 있는 소형화된 제어 및 파워 모듈을 제안한다. 이러한 모듈은 파워 유닛을 포함하고 있는데, 이 파워 유닛의 내부에서는 정류브리지의 동일 브랜치의 트랜지스터들이 트랜지스터 근처에 설치되는 드라이버에 의해 제어되고, 드라이버로부터 떨어져 위치될 수 있는 관리 회로에 의해 제어된다.
따라서, 본 발명은 드라이버와 파워 유닛 사이의 연결 길이를 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 상기 연결들 중 몇몇은 예를 들어 파워 유닛 내부에서 나타나는 전압 측정 따위의 측정을 위해 사용되기 때문에, 측정에 사용되는 상기 연결들의 길이를 줄임으로써 길이가 긴 연결에서 발생할 수 있는 장애 현상을 제거하여 상기 측정의 정확도를 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 제어 유닛의 드라이버는 동시에 다수의 트랜지스터들, 즉 정류브리지의 동일 브랜치의 트랜지스터들을 제어할 수 있다. 그러므로 이러한 드라이버는 다수의 기능을 포함하면서도 공간상의 문제점을 거의 야기시키지 않는다는 장점을 가진다. 상기 드라이버는 비교적 소형이기 때문에 그 제어하는 파워 유닛의 트랜지스터 근처에 위치하는 파워 층에 위치될 수 있다.
더 구체적으로, 본 발명은 교류발전기-스타터, 전기 네트워크 및 자동차의 접지선 사이에 연결되는 자동차용 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈에 관한 것으로:
- 복수의 브랜치들을 가진 트랜지스터 브리지를 포함하는 파워 유닛,
- 상기 교류발전기-스타터의 페이즈 전압을 참조 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터들을 제어하는 제어 유닛을 포함하며,
상기 제어 유닛은,
- 상기 파워 유닛의 브랜치의 트랜지스터 근처에서 연결되는, 상기 파워 유닛의 트랜지스터들 브리지의 각 브랜치를 위한 드라이버, 및
- 상기 드라이버들을 제어하기 위한 관리 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도면들에서 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 참조부호로 표시될 것이다. Ua로 표시되는 계기반 전압은 B+ 라고도 불릴 수 있다.
도 2는 교류발전기-스타터에 연결되는 본 발명의 제어 및 파워 모듈(100)을 나타낸다. 더 상세하게는, 도 2는 3상전류 교류발전기-스타터(3)를 도시한 것으로, 각 페이즈1,2,3은 파워 유닛(1)의 B1, B2, B3로 표시되는 브랜치들 중의 하나에 연결된다. 파워 유닛(1)을 구성하는 정류 및 제어 브리지의 상기 세 개의 브랜치들은 모두 동일하다. 따라서, 아래에서는 B1 브랜치 만이 상세하게 기술될 것이다.
정류브리지(1)의 브랜치(B1)는 본 발명에서 파워 트랜지스터인 두 개의 스위치(11,12)를 포함한다. 트랜지스터(11)는 브랜치 B1의 "상측" 트랜지스터이다. 이 트랜지스터는 교류발전기-스타터의 페이즈1과 자동차 전기 네트워크의 전압 Ua 사이에 연결된다. 트랜지스터(12)는 브랜치 B1의 "하측" 트랜지스터이다. 이 트랜지스터는 교류발전기-스타터의 페이즈1과 접지선(GND) 사이에 연결된다.
제어 및 파워 모듈은 제어 유닛(50)을 포함하며, 이 제어 유닛은 한편으로는 각각 동일 브랜치의 파워 트랜지스터를 조정하는 드라이버들(10,20,30)을, 다른 한편으로는 상기 드라이버들(10,20,30)의 관리 회로(2)를 포함한다. 상기 드라이버들은 트랜지스터(12)의 제어를 위해서 교류발전기-스타터의 페이즈1,2,3 의 포텐셜을 정류브리지의 접지 포텐셜과 비교하고, 트랜지스터(11)의 제어를 위해서는 정류브리지의 아웃풋(Ua) 포텐셜과 비교한다.
정류브리지의 브랜치들과 이들을 조정하는 드라이버들은 본 발명에 따른 모듈의 첫 번째 층(100b)을 형성한다. 관리 회로(2)는 두 번째 층(100a)을 형성한다.
드라이버(10)는 아웃풋에서 두 개의 트랜지스터(11,12)의 그리드(grid)에 연결된다. 이 드라이버(10)는 그 인풋에서 상기 관리 회로(2)에 연결된다.
각각의 드라이버(10,20,30)는 동일한 관리 회로(2)에 의해 제어된다. 이를 위해, 각 드라이버들은 관리 회로(2)에서 파생되는 다양한 신호들을 인풋에서 받아들인다. 이 신호들은 도 3에 도시되어 있다.
상기 신호들은 두 종류의 신호로 나뉜다:
- 드라이버 왼쪽에 표시되는 신호 : 이 신호들은 관리 회로에서 파생되는 신호들이다.
- 드라이버의 오른쪽에 표시되는 신호 : 이 신호들은 파워 유닛, 즉 드라이버가 제어하는 트랜지스터에서 수신되거나 전달되는 신호들이다.
관리 회로로부터 수신되는 신호들 중의 하나는 ALG라고 명명된 상승전압에 관한 것이다. 이 상승전압은 트랜지스터(11,12) 그리드의 보조 소스에 의해 공급되는 전압이다. 또한 드라이버는 관리 회로로부터 센서의 신호들 SC를 수신한다. 이 신호들은 전기 회전 기계의 회전자 위치를 표시해주기 위하여 교류발전기-스타터의 회전자 위치 센서에 의해 제공되는 정보들이다. 제어 회로는 또한 스타터 모드의 유효 정보 VD 및 교류발전기 모드의 유효 정보 VA를 드라이버에 제공한다. 마지막 두 가지 신호는 교류발전기-스타터가 어떤 정확한 순간에 교류발전기로 혹은 스타터로 작동해야 하는지를 드라이버에 알려준다.
도 3에는 파워 유닛, 즉 정류브리지의 트랜지스터들(11,12)에 송수신되는 신호들 또한 나타나 있다. 드라이버는 교류발전기-스타터의 전압(Ua) 포텐셜, 즉 전기 네트워크의 전압 포텐셜을 수신한다. 드라이버는 상기 선(Ua)의 포텐셜 측정의 인풋인 정보 MUa 또한 수령한다. 드라이버는 아웃풋에서 파워 트랜지스터(11) 그리드의 제어신호 GHS를 공급한다. 드라이버는 교류발전기-스타터에서 파생되는 페이즈의 인풋 PH 및 페이즈 인풋 포텐셜의 측정값 MPH 또한 수령한다. 드라이버는 아웃풋에서 파워 트랜지스터(12) 그리드의 제어신호 GLS 또한 공급한다. 마지막으로, 드라이버는 접지부(GND)의 포텐셜 및 접지부 포텐셜의 측정값 MGND 또한 수령한다.
도 4에는 본 발명에 따른 제어 및 파워 모듈(100)의 드라이버(10,20,30)가 다양한 구성요소 및 다양한 연결부들과 함께 나타나 있다. 도 4에서, 교류발전기-스타터(3)는 상기 하측 트랜지스터(12) 및 상측 트랜지스터(11)에, 그리고 드라이버의 인풋 PH에 페이즈1 신호를 공급한다. 교류발전기-스타터는 그 인풋 MPH에서 페이즈의 측정값 또한 드라이버(10)에 공급한다.
도 4에서, 측정 인풋 MPH, MGND, MUA는 단지 도면 단순화의 목적을 위하여 드라이버의 왼쪽에 도시되었다. 실제로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 세 인풋은 드라이버의 오른쪽 측면, 즉 파워 유닛 측면 상에 위치된다.
트랜지스터(12)는 접지부(GND) 및 드라이버의 인풋 MGND에 연결된다. 트랜지스터(11)는 전압(Ua)선과 드라이버의 인풋 MUa에 연결된다.
두 개의 비교측정기(C11,C12) 중 C11은 인풋 MUa와 MPH 사이에, C12는 드라이버의 인풋 MPH와 MGND 사이에 연결된다. 비교측정기(C11)의 아웃풋 신호는 페이즈 값 MPH과 참조 전압 값 MUa 간의 비교값을 제공해준다. 비교측정기(C12)의 아웃풋 신호는 페이즈 값 MPH와 접지값 MGND 간의 비교값을 제공해준다. 이어 상기 비교값들은 논리 회로(13)를 통해 수치처리된다. 이는 상기 비교값에 입각하여 트랜지스터(11)의 그리드 및/혹은 트랜지스터(12)의 그리드가 충전 및/혹은 방전되어져야 하는지를 알기 위한 것이다. 파워 트랜지스터(11,12)의 그리드(G11,G12)는 전류원(S11,S12)에 의해 충전되거나 방전된다. 전류원(S11)은 예컨대 두 개의 트랜지스터(SHC,SHD)에서 시작하여 실현되며, 전류원(S11)은 예컨대 두 개의 트랜지스터(SLC,SLD)에서 시작하여 실현된다. 따라서, 각 트랜지스터가 하나의 전류원을 구성한다.
인풋 ALG는 전류원(S11,S12)를 매개로 하여 올바르게 파워 트랜지스터(11,12)의 그리드를 충전시키기 위해 관리 회로(2)를 통해 전달되는 고양된 포텐셜이다. 이 포텐셜 ALG는, 예를 들어, ALG = Ua + 16 볼트일 수 있다.
도 4에 도시된 드라이버의 작용은 다음과 같다: 스타터 모드에서, 동기식 장치에서 작동하는 교류발전기-스타터의 회전자 상에 놓여진 위치 센서가 회전자의 위치를 찾아낸다. 센서 신호는, 신호를 처리하고 이를 드라이버들의 인풋 SC에 적용하는 관리 회로(2)로 전달된다. 트랜지스터(11,12)의 그리드(G11,G12)는 논리 회로(13) 및 전류원(S11,S12)를 매개로 인풋 SC 상에서 수신된 신호에 따라 제어된다.
교류발전기 모드에서, 파워 트랜지스터(11,12)는 동기식 정류기로 작용한다. 즉, 비교측정기(C11,C12)가 인풋 MGND 상에서의 접지 포텐셜과 인풋 MUa 상에서의아웃풋 포텐셜과 비교하여 인풋 MPH 상에서의 페이즈의 수준을 감지한다. 이러한 비교 결과는 논리 회로(13) 및 전류원(S11,S12)를 매개로 그리드(G11,G12)에 적용된다.
교류발전기 모드 혹은 스타터 모드는 관련 논리 인풋 VA,VD를 통해 드라이버 상에서 선택된다. 예를 들어, 교류발전기 모드가 선택되는 경우, 인풋 VA는 논리 신호 1을 수령하고, 인풋 VD는 신호 0을 수령한다. 스타터 모드가 선택되는 경우에는 상기와 반대이다. 논리 수준 1은, 예컨대 5 볼트 전압이고 논리 수준 0은 무전압이다.
페이즈 MPH, 포텐셜 MUa, 접지 MGND 측정 인풋으로 인해 연결 PH, Ua, GND 내에서 순환하는 전류에 의해 생성되는 장애현상을 피할 수 있다. 이러한 장애현상들은, 예를 들어, 구성요소들 간에 혹은 전자 카드의 기층 상에서의 연결들의 저항을 통해 야기될 수 있다.
각 드라이버들은 측정해야 할 PH, VA, GND 포텐셜의 근처에 위치하므로, MPH, MVA, MGND 측정 인풋들은 감소된 연결 길이를 사용한다. 그러므로 이러한 연결에 의해 나타날 수 있는 장애현상들에 비해 이러한 인풋들의 민감도는 상당히 떨어지게 된다. 바로 이러한 점을 통해 본 발명에 따라 제안되는 구조의 장점이 더욱 입증되는 바이다.
반면, 관리 회로(2)는 드라이버들로부터 멀어떨어져 있을 수 있다. 왜냐하면 관리 회로는 측정 인풋들(MPH, MVA, MGND)과는 반대로 거의 임계의 포텐셜들(전압 ALG, 논리 수준 VA, VD, SC) 만을 전달하기 때문이다.
트랜지스터(11,12)의 그리드들은 교류발전기-스타터 아웃풋의 포텐셜 Ua 보다 높은 포텐셜에 적용될 수 있어야 한다. 이를 위하여, 제어 회로는 단자 ALG 상에서 트랜지스터(11,12)의 그리드(G11,G12)에 전압를 공급하게 해주는 전압 Ua + 16 볼트, +/- 1 을 전달한다. 만일 단자 ALG에서의 전압이 충분하지 못하다면, 파워 트랜지스터(11,12)는 개방된다.
본 발명의 제어 및 파워 모듈(100)의 작용이 아래에서 기술될 것이다. 정지 모드, 즉 자동차가 정지 상태에 있거나 시동 키가 개방되어 있는(다시 말해, 점화 스위치가 락(lock) 내에서 돌려지지 않은) 경우, 트랜지스터(11)는 개방되는 반면, 트랜지스터(12)는 폐쇄된다. 이러한 상태는 논리 인풋 VD 및 VA가 둘 다 수준 0 에 놓여지는 경우 얻어진다. 자동차 엔진이 정지하고 컨택 키가 개방된 경우, 관리 회로(2)는 비활성화 상태에 놓이며, 드라이버의 인풋 ALG 상에서 전압 Ua + 16 볼트를 전달할 수 없게 된다. 그 결과, 트랜지스터(12)의 그리드(G12) 상에는 최소값 Ua - 1 볼트인 전압이 적용된다.
달리 말해, 키가 오픈되고 VD와 VA가 0인 경우, 트랜지스터(11) 그리드의 전압은 0.2 볼트 보다 낮거나 같고, 트랜지스터(12) 그리드의 전압은 Ua - 1 볼트보다 높은 값을 나타낸다. 달리 말하면, 트랜지스터(12)는 폐쇄되는 반면, 트랜지스터(11)는 개방된다는 것으로서, 이는 고정자의 포텐셜이 접지 포텐셜에 유지되도록 한다.
이러한 조건에서, 드라이버에 의해 소모되는 전류는 25℃에서 10 마이크로-암페어 보다 낮다.
자동차가 정지 상태에 있을 때, 그리고 운전자가 점화 스위치 락 내에서 시동 키를 돌릴 때(즉, 시동 키가 폐쇄되는 경우), 제어 회로(2)가 작동하기 시작한다. 이 때 이 관리 회로(2)는 활성화되며, 드라이버의 인풋 ALG 상에서 전압 Ua + 16 볼트를 전달할 수 있다. 이러한 상태에서, 트랜지스터(12)의 그리드(G11)의 포텐셜은 15 +/-1 볼트에 한정된다. 달리 말해, 키가 폐쇄되고 VD 및 VA가 0 에 놓이는 경우, 트랜지스터(11) 그리드의 전압은 0.2 볼트 보다 낮거나 같은 값으로 머물게 되며, 트랜지스터(12) 그리드의 전압은 15 +/- 1볼트와 같다.
스타터 모드에서, 유효 인풋 VD 및 VA는 모두 더 이상 0이 아니다. 스타터 모드는 또한 센서 신호 SC의 인풋을 사용한다. 따라서, 스타터 모드에서, 정류브리지는 인버터처럼 기능한다. 정류브리지의 각 브랜치들은 대응하는 드라이버에 적용되는 센서 신호 SC로 동기화된다. 인버터로 기능하는 모드는 VD가 1, 인풋 VA가 0 일때 얻어진다.
따라서, SC = 0, VA = 0, VD = 1 이라면, 트랜지스터(11) 그리드(G11)의 전압은 0.2 볼트보다 낮고, 트랜지스터(12) 그리드(G12)의 전압은 15 +/-1 볼트와 같다. 반대로, SC = 1, VA = 0, VD = 1 이라면, 트랜지스터(11) 그리드(G11)의 전압은 15 +/-1 볼트이고, 트랜지스터(12) 그리드(G12)의 전압은 0.2 볼트보다 낮다. 이 경우 제어 및 파워 회로(100)는 인버터로 기능하게 되며, 페이즈 Ph1, Ph2, Ph3은 관리 회로(2)에 의한 처리 후에 위치 센서를 통해 전달되는 신호 SC1, SC2, SC3에 따라 회전자의 위치에 관련된다.
교류발전기 모드에서, 정류브리지는 동기식 정류기로 기능한다. 이러한 기능은 유효 인풋 VA가 1인 반면, 인풋 VD가 0일때 활성화된다. 이 경우, 드라이버의 비교측정기(C11,C12)는, 한편으로는 페이즈 전압 PH를 전압 Ua와 비교하고, 다른 한편으로는 페이즈 전압 PH를 접지 포텐셜 GND와 비교한다. 이러한 비교 결과로 교류발전기-스타터의 유도코일 내에서 순환하는 전류를 가지고 동기화되는 트랜지스터(11,12)를 개방 및/또는 폐쇄할 수 있게 된다. 트랜지스터(11,12) 그리드에 미치는 효과는 다음과 같다:
- 만일 PH > Ua, VD = 0, VA = 1 이면, 트랜지스터(11) 그리드(G11)의 전압은 15 +/-1 볼트와 같고, 트랜지스터(12) 그리드(G12)의 전압은 0.2볼트 보다 낮다. 그 결과, 트랜지스터(11)는 폐쇄되며, 트랜지스터(12)는 개방된다.
- 만일 Ua > PH > GND, VD = 0, VA = 1 이면, 트랜지스터(11) 그리드(G11)의 전압은 0.2 볼트보다 낮고, 트랜지스터(12) 그리드(G12)의 전압 또한 0.2볼트보다 낮다. 그 결과, 트랜지스터(11) 및 트랜지스터(12)는 폐쇄된다.
- 만일 GND > PH, VD = 0, VA = 1 이면, 트랜지스터(11) 그리드(G11)의 전압은 0.2볼트보다 낮고, 트랜지스터(12) 그리드(G12)의 전압은 15 +/-1 볼트와 같다. 그 결과, 트랜지스터(12)는 폐쇄되며, 트랜지스터(11)는 개방된다.
종래기술에 따른 정류 모드에 있어서, 제어 회로(2)는 동기식 정류를 제거하기 위하여 정류브리지의 모든 파워 트랜지스터(11,12,21,22,31,32)의 개방을 명령할 수 있다. 이러한 작동 모드는 두 유효 인풋 VD 및 VA가 논리 수준 1에 놓여지는 경우 얻어진다. 이 경우, 정류는 MOS 트랜지스터 기술에 적합한 다이오드를 통해 실행된다.
이 경우, VD = 1 및 VA = 1 이면, 트랜지스터(11) 그리드(G11)의 전압과 트랜지스터(12) 그리드(G12)의 전압이 둘 다 0.2볼트 보다 낮다.
파워 트랜지스터(11,12) 그리드의 전압은, 도면의 단순화를 위해 도시되지 않았지만, 일정한 전류원에 의해 제어된다. 폐쇄 제어는 예컨대 100 밀리암페어의 그리드의 충전 전류를 통해 실현되며, 개방 제어는 예컨대 400 밀리암페어의 그리드의 방전 전류를 통해 실현된다.
도 5에는 교류발전기-스타터의 뒤쪽에 있는 본 발명에 따른 제어 및 파워 모듈의 통합에 관한 일 실시예가 도시되어 있다. 실상, 정류브리지의 동일 브랜치에 속하는 두 개의 트랜지스터를 제어하기 위해서 하나의 드라이버만을 사용함으로써 관리 회로(2) 쪽으로 연결 수를 감소시킬 수 있다.
특히, 드라이버는 한쪽에서는 파워 유닛 쪽으로 나있는 연결들만을 포함하고, 다른 쪽에서는 관리 회로(2) 쪽으로 나있는 연결들만을 포함할 수 있도록 실현되었다. 이러한 방법을 통하여 드라이버는 자신이 조정하는 파워 트랜지스터들 근처에서 쉽게 연결될 수 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 드라이버와 관리 회로(2) 사이에는 네 개의 연결만이 필요하며, 네 개 중 세 개의 연결은 모든 드라이버들에 공통되는 것들이다. 따라서 드라이버들로부터 관리 회로(2)를 분리하기가 쉬워진다. 그러므로 상기와 같은 분리에 적합한 관리 회로(2)의 크기는 상당히 축소될 수 있다. 따라서, 관리 회로(2)는 자동차의 다른 장비 내에 통합될 수 있다.
도 5의 실시예에서, 제어 및 파워 모듈(100)은 교류발전기-스타터의 뒤쪽에 통합된다. 도 5에는 교류발전기-스타터의 뒤쪽 면과 그 페이즈의 아웃풋들, 그리고그 회전자가 도시되어 있다. 도 5의 경우에 있어, 각 드라이버는 자신이 제어하는 파워 트랜지스터의 근처에 위치하며, 그 전체 유닛은 교류발전기-스타터 페이즈의 아웃풋들 중 하나의 아웃풋 근처에 위치한다. 예를 들어, 드라이버(10)는 트랜지스터(11,12) 및 정류브리지 브랜치 B1 바로 근처에서 연결되며, 트랜지스터 및 드라이버를 포함하는 전체 유닛은 교류발전기-스타터 페이즈1의 아웃풋 근처에 위치한다. 마찬가지로, 드라이버(20) 및 정류브리지 브랜치 B2의 트랜지스터(21,22)는 페이즈2의 아웃풋 근처에 위치하고, 드라이버(30) 및 브랜치 B3의 트랜지스터는 교류발전기-스타터 페이즈3의 아웃풋 근처에 위치한다.
도 5의 실시예에서, 정류브리지의 각 브랜치들은 다수의 상측 트랜지스터 및 다수의 하측 트랜지스터를 포함한다. 실상, 종래기술에서 그러하듯이, 다수의 트랜지스터들(2 내지 4)은 더욱 강력한 파워 트랜지스터를 형성하기 위하여 병렬 연결된다. 단 하나의 파워 트랜지스터만 있던 아니면 병렬로 연결된 다수의 트랜지스터가 있던, 그 작동은 상기된 것와 동일하다.
회전 전기 기계의 회전자를 지지하는 축(4)의 단부(도 5에서 원으로 도시됨)는 관리 회로(2)에 회전자의 위치에 관한 정보를 제공해주는 위치 센서(5)를 포함한다. 회전자의 위치 정보는 관리 회로(2)에 의해 처리되며, 이어서 드라이버(10,20,30)의 인풋 SC로 전달된다.
바람직하게는, 관리 유닛(2)과 다양한 드라이버들 사이의 연결은 회전자를 지지하는 축(4) 둘레에 위치되는 원호를 형성한다.
도 5의 경우, 제어 및 파워 모듈(100)은 교류발전기-스타터의 케이스 내에 통합된다. 이러한 유닛은 배터리 충전 관리 케이스 따위의 자동차의 다른 장비 내에 통합될 수도 있다.
드라이버(10,20,30)와 함께 파워 유닛만을 통합하고 관리 회로(2)를 교류발전기-스타터의 외부에 있는 케이스 내에 위치시킬 수도 있다. 예를 들어, 관리 회로(2)가 배터리 케이스 내에, 혹은 배터리의 관리 케이스 내에, 혹은 소비자의 관리 케이스(바디 컨트롤러)에 설치될 수 있다.
다른 실시예에서, 제어 및 파워 모듈(100)은 교류발전기-스타터의 외부에 설치되나 종래 기술에서 보다 소형인 독립형 케이스 내에 설치될 수 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 제어 및 파워 모듈(100)의 첫 번째 층(100b)의 일 실시예가 도시되어 있다. 위에서 기술되었듯이, 이 첫 번째 층은 각각 하나의 고정자 페이즈에 대응하는 각 정류 브랜치를 위하여, 측정 및 제어 드라이버(10)와 두 개의 파워 트랜지스터를 포함한다. 따라서, 정류브리지 또는 제어브리지의 첫 번째 브랜치를 고려해본다면, 드라이버(10)와 위에서 기술된 두 개의 파워 트랜지스터(11,12)를 볼 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 첫 번째 제어 및 파워 층은 독립된 케이스 내에 형성되는 것이 바람직하다. 브리지에 속하는 세 개의 브랜치들은 동일하므로, 각 브리지 브랜치를 위해 동일한 파워 케이스를 사용하는 것이 가능하다.
입면도 방식으로 제어 및 파워 모듈의 첫 번째 층을 나타내고 있는 도 6에 잘 도시되어 있듯이, 파워 전자적 구성요소들(11,12)은 금속 트레이스(trace)(104) 상에 위치된다.
바람직하게는, 사용되는 기술은 '다이 본드 칩(die bond chip)' 혹은 '베어 칩(bare chip)'이라고 불리는 기술이며, 이러한 칩에서는 보호 케이스 없이 구성요소가 하나의 지지체 상에 직접 고정된다. 사실, 자동차 엔진의 덮개 아래에 놓이는 전자 케이스는 강한 열 저항을 받게 되므로 상기 구성 요소를 플라스틱 재질의 케이스 내에서 사용하는 것을 피해야 한다. 따라서, 금속 케이스 내에 놓여지는 구성요소, 혹은 내부 금속 트레이스 상에 놓이는 '다이 본드 칩'이라 불리는 기술에 따라 장착되는 구성요소을 이용하는 것이 바람직하다. 금속 트레이스 유닛에 의해 얻어지는 배열은 일반적으로 '리드-프레임(lead-frame)'이라 불리는 것을 구성한다.
스타터 모드에서 전기 기계의 코일 페이즈를 제어하기 위해서는 상당히 높은 전류를 주입할 필요가 있다. 약 12 볼트 정도의 종래의 전기 네트워크의 전압 하에서 장치가 작동하는 경우, 상기 전류는 약 1000 암페어 정도 값에까지 도달할 수 있다. 그러므로, 하측 트랜지스터(11) 및 상측 트랜지스터(12)는 각각 적어도 두 개씩의 파워 트랜지스터(11a,11b 및 12a,12b)의 병렬 연결로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 파워 모듈(100b)은 TH1 및 TH2 연결을 통해 접근가능한 서미스터(온도 센서)를 포함한다.
드라이버(10)는 파워 트랜지스터 수준에서 나타나는 온도보다 현저히 낮은 온도에 노출된다. 전술한 기능들을 가지는 제어 혹은 측정 신호 ALG, SC, VD, GLS, GHS, TH 등을 구성하는 트레이스들의 경우에 있어서도 마찬가지이다.
교류발전기-스타터의 제어가 아주 높은 전류를 사용하므로, 차지하는 공간의크기를 줄이고 균등하게 전류 및 온도를 모듈 내부로 분산시킬 수 있는 제어장치를 실현하고자 하는 당업자에게는 아주 많은 구성상의 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 브리지의 하나의 브랜치에 상응하는 각 모듈은 각 페이즈에 연결되며, 다른 모듈에서 전달되는 전류가 흐르지 않도록 독립적인 방법으로 기능한다. 따라서, 아웃풋 Ua를 가지는 트레이스는 모든 모듈에서 파생되는 전류를 통합하는 파워 전도체와 단 하나의 위치에서만 연결된다. 즉, 각 모듈은 다른 모듈들과 관련된 전류가 흐르거나 혹은 그러한 전류에 의해 방해받지 않으면서 독립적으로 기능하게 된다. 한편, 파워 트랜지스터(11a,12a)는 페이즈1의 인풋에 대해서 금속 트레이스 상에서 완벽하게 대칭이 되도록 조립되는 것이 바람직하다. 이로써, 완벽하게 균형잡힌 전류 분포를 얻을 수 있다. 상측 파워 트랜지스터(12a,12b)의 경우에 있어서도 마찬가지로, 이들은 동일한 이유로 가능한한 대칭이 되도록 금속 트레이스 상에 장착된다. 이는 동일한 전류로 병렬로 작동해야 하는 파워 트랜지스터들 내에서 전류의 불균형을 방지하기 위하여 대단히 중요하다. 따라서, 본 발명에 따라 그리고 도 6에 도시되어 있듯이, 전류가 균등하게 분포되는 파워 모듈을 얻기 위하여, 하측 및 상측 파워 트랜지스터들이 서로에 대하여 거의 수직이 되도록 조립된다. 또한, 이러한 형상은 신호 혹은 여타 파워 트레이스 상부에 어떠한 보호장치도 장치하지 않으면서 와이어본딩(wire-bonding) 만을 통해 모든 연결을 실현할 수 있다는 장점을 가진다. 따라서, 모든 연결은 짧은 길이의 전도체들(101)을 가지고 실현된다. 바로 이 점이 특히 진동에 잘 견디는 믿을만한 모듈을 얻을 수 있다는 장점을 입증하는 사항이다. 사실, 자동차는 상당한 진동 환경에 처해지고 본딩(bonding) 연결 선들이 강한 진동을 받을 수 있어, 이 선들이 끊을 수 있고, 그 결과 교류발전기-스타터 시스템의 오작동을 야기할 수 있다. 그러므로 연결선의 길이를 최대한 줄이게 되면 선의 공명 진도수를 증가시킬 수 있고, 이렇게 하므로써 파워 모듈에 부여되는 진동에도 선들이 크게 영향을 받지 않을 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 목적은 시간이 경과하더라도 높은 작동 신뢰도를 보이면서도 높은 냉각 능력을 가진 콤팩트한 교류발전기-스타터용 제어장치를 실현하는 것이다. 약 1000 암페어 정도까지 올라갈 수 있는 전류를 순환할 수 있게 해주는 이러한 파워 모듈의 실현을 위해서는 종래기술에서 몇 가지 해결책을 찾아볼 수 있다.
파워 모듈은 종래기술에 따라 3개 층을 포함하는 DBC(Direct Bounded Copper) 유형의 기층에 실현될 수 있다. 첫 번째 층은 전기 회로의 연결부를 형성하는 엔그레이브된(engraved) 금속 트레이스로 구성되며, 두 번째 매개 층은 세라믹 따위의 절연물질, 예를 들어 알루미나 산화물로 된 플레이트이며, 세 번째 층은 동 혹은 니켈로 도금된 동으로 구성된 금속 플레이트이다. 그 결과, 동-알루미나-동의 샌드위치 구조를 나타낸다.
용접 혹은 접합된 파워 전자 구성요소 및 DBC 유형의 기층으로 구성된 유닛은 그 순서로서 기계적 지지체 및 열 분산장치를 형성하는 동 플레이트 상에 접합된다. 이러한 기술에 있어서, 동 트레이스들은 얇은 두께를 가지고 있어 높은 전류를 통과하도록 하기 위해서는 트레이스 표면적을 상당히 증가시켜야 하고, 이를 위해 파워 모듈의 크기 또한 상당히 증가되어야 한다. 또한, 이러한 기술는 얇은 두께의 동에 의해 제공되는 열 성능이 충분치 않기 때문에 높은 전류를 필요로 하는 경우에는 적용할 수 없을 것이다. 또한, 알루미나의 부서지기 쉬운 성질 때문에, 예를 들어 회전 전기 기계의 후방부 등에 적용하기 위해 특별히 맞추어지는 형태로 둥근 형태 등의 특별한 형태를 형성하기가 상당히 어려워진다. 또한, 알루미나는 진동에 거의 저항력을 갖지 못하는 단점을 가지므로 자동차 엔진 블록 내부에 설치되어야 한다.
상기 기층은 IMS(Insulated Metallic Substrate) 유형일 수도 있다. 이 경우, 세라믹 플레이트는 아주 가는 동으로 만들어진 금속 트레이스로 구성된 첫 번째 층을 지지할 수 있는 수지 플레이트로 대치된다. 이 경우, 열 분산을 위한 세 번째 층은 알루미늄 혹은 동으로 된 금속 플레이트로 구성된다.
사용되는 기층이 DBC 유형의 기층인 경우, 파워 모듈은 견고성을 가지며 또한 강한 파워를 견딜 수 있으나, 고비용을 필요로 한다. 반면, IMS 유형의 기층에 있어서는, 잘려진 금속 트레이스는 더 복잡해 지고 상당한 수의 파워 전자 구성요소가 이 기층위에 놓여질 수 있다. 하지만 이러한 모듈은 강한 파워 및 혹독한 주변 환경이 야기하는 스트레스에 잘 저항하지 못한다는 단점을 나타낸다. 하지만 최상의 열 배출을 실현하기 위해 가는 동으로 만들어진 금속 트레이스 및 칩 사이에 놓여지는 동으로 된 보충 인터페이스를 상기 IMS 기술에 첨가하는 것이 가능하다. 하지만 이러한 해결책은 실현하기가 복잡할 뿐 아니라, 경제적인 관점에서도 거의 만족스럽지 못한 해결책이다.
상기 두 가지 경우에 있어서, 파워 전자 구성요소 및 파워 모듈 외부의 냉각장치 사이에서 열이 전달되는 경로는 길어진다. 왜냐하면 그 경로가 상기 두 가지 기술이 포함하고 있는 다수의 기반 층을 통과해야하기 때문이다.
본 발명은 종래방식에 따른 파워 모듈들의 단점을 보완하여 그 제조 비용이 저렴하고 외부 냉각장치의 도움 및 통과할 열 인터페이스의 수가 적어 효율적인 냉각이 가능한 구조를 가진 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 파워 모듈은 예를 들어 전기 기계의 고정자 코일의 페이즈 아웃풋에 연결되는 파워 구성요소들(11a,11b)을 받아들일 수 있는 파워 금속 트레이스(104)를 포함한다. 동일한 금속 트레이스는 모듈의 온도를 인지하기 위하여 서미스터(102)를 포함할 수도 있다. 이러한 파워 모듈은 위에서 기술되었듯이 또 다른 파워 금속 트레이스(104)를 포함할 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서는 다른 하나의 파워 금속 트레이스가 아웃풋 +Ua 에 연결되는 파워 구성요소(12)을 가지고 있다.
상기 금속 트레이스들은 하나의 동일한 전도성 금속 플레이트에 의하여 형성되는 것이 바람직하며, 상기 전도성 금속 플레이트 내에서 금속 트레이스는 예를 들어 스탬핑을 통해 형성된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 콤팩트한 모듈을 얻기 위하여, 동 따위의 선호되는 금속 플레이트에 의하여 형성된 금속 트레이스들은 강한 전류의 통과를 위해 두꺼운 두께를 가진다. 상기 트레이스들의 두께는 0.6mm 내지 2mm 사이에서 변할 수 있다. 위에서 언급된 통상적인 기술들을 통해서는 기층 자체에서 상기와 같은 두께의 트레이스들을 얻을 수가 없다. 사실, 트레이스의 형성을 위해 통상적으로 사용되는 두께는 거의 400㎛의 두께를 초과하지 않는다. 이와 같은 명백한 이유로 인하여, 종래의 엔그레이브 작업을 통해 상기 두께를 가진 트레이스를 형성하는 것은 고려 대상이 되지 않는다.
트레이스들 상호간의 위치를 바르게 하기 위하여 스탬핑 작업을 할 때 금속성 브리지가 만들어진다. 물론 이 금속 브리지들은 작업의 마지막 부분에서 실행되는 단락 해체 작업시 제거된다.
상기 파워 모듈의 실시을 단순화하기 위하여, 예를 들어 제어 신호에 사용되는 약한 파워의 금속 트레이스들이 상기 두꺼운 두께의 금속 플레이트에 의하여 형성될 수도 있으며, 이러한 트레이스들의 배치는 금속성 브리지를 통하여 실현될 수도 있다. 상기 금속 트레이스들의 전체 유닛이 리드-프레임(lead-frame)을 구성한다.
우수한 기계적 결합성을 가지는 리드-프레임을 얻기 위해서는 지지체를 형성하는 장치와 함께 리드-프레임을 배열시키는 것이 필요하다. 또한, 상기 지지체는 강한 전류의 통과시 야기되는 열을 효율적으로 배출시킬 수 있어야 한다. 이를 위해 본 발명은 금속 트레이스들 사이에 남겨진 자유 공간에 수지(107)를 주입할 것을 제안한다. 이 작업은 주입을 위한 몰드를 구성하는 두 개의 플레이트 사이에 리드-프레임을 위치시키면서 쉽게 실현될 수 있다. 그 결과, 수지 주입 작업의 말미에는 모든 틈새가 수지로 채워진다. 단락 해체 작업은 이 작업이 끝난 후 행해질 수 있다.
상기 수지는 PPS(Polyphenylene sulfide) 혹은 PA 6.6 (Polyamide 6.6) 혹은PBT(Polybutylene Terephthalate) 따위의 열가소성 유형에 속하는 것이 바람직하다. 상기 PPS는 또한 불에 타지않는(UL94V0 규범) 장점을 가진다.
상기 리드-프레임과 수지를 통해 형성된 지지체의 기계적 결합성을 향상시키기 위하여, 몰드는 도 8에 도시된 바와 같이 수지가 약한 부분(140)에 금속 트레이스들을 국부적으로 덮을 수 있도록 홈을 가질 수 있다. 같은 원리로 금속 트레이스들의 가장자리는 수지의 최상의 고정을 보장하기 위하여 사면부(141) 따위의 특이한 형태를 가질 수 있다.
단락 해체 작업 이후에, 특히 파워 구성요소 따위의 구성요소들은 예를 들어 레이저 혹은 가마(대류형 혹은 적외선형)를 통한 가열 방법으로 녹이는 작업을 통해서 금속 트레이스 상에 연결될 수 있다. 이러한 녹임 작업을 통해 상기 구성요소과 금속 트레이스 간의 전기접촉 및 열접촉이 보장된다.
본 발명에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이 특히 파워 구성요소(117)을 가지는 금속 트레이스들이 상기 구성요소들을 가지는 면에 대립되는 면(114)에 의해 외부로부터 접근이 가능한 파워 전자 모듈을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 파워 모듈의 지지체는 적어도 파워 금속 트레이스들이 그 상부면 및 하부면 상에서 부분적으로 접근이 가능하도록 형성된다. 상부면은 파워 전자 구성요소을 받아들이며, 하부면(114)은 도 7에 도시된 분산장치(113) 따위의 냉각장치와 함께 작용하기 위한 것이다. 바람직하게는, 접근 가능한 금속 트레이스들의 하부면 부분은 상기 파워 구성요소들이 제대로 냉각될 수 있도록 맞은편 상부면에 놓여진 파워 구성요소들과 직각으로 놓여진다.
상기 면(114)과 분산장치(113)의 상부면(115) 간의 우수한 열접촉을 보장할 수 있도록, 바람직하게는 탄성의 열전도체이며 전기적으로는 비전도성을 가지는 요소(108)를 구비할 수 있다. 이는 한편으로는 열을 잘 방출시키며, 다른 한편으로는 상기 면들 사이에서 금속 트레이스를 전기적으로 절연시킨다. 상기 요소는 예를 들어 에폭시 혹은 폴리아미드(TVI) 수지가 주입된 유리섬유 혹은 상 변화성의 열전도체인 열가소성 수지로 실현될 수 있다. 양면 접착성을 가지는 열전도성 전기 절연체인 물질 혹은 보강재를 형성하는 유리 구슬을 포함하는 열전도성 접착제(108) 또한 적합할 수도 있다. 상 변화 수지는 열 활성화 시 유동성을 나타내는 장점을 가진다. 따라서 라디에이터 혹은 파워 모듈의 하부면이 평평하지 않은 경우, 상기 상 변화 수지가 이러한 불규칙성을 교정할 수 있다. 외부와 소통하기 위해 모듈로부터 외부로 나와 있는 트레이스는 상기 분산장치(113)의 상부면(115)으로부터 멀어질 수 있도록 모듈의 상부쪽으로 놓여진 L자형 이음새(118)를 가지는 것이 바람직하다.
각 브리지 브랜치에 대응하는 상기와 같은 모듈은 대량 생산될 수 있다. 이 경우, 상기 모듈은 열 방출 특성을 잘 보존하면서도 상당한 정도의 기계적 결합성를 나타내야 한다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 파워 모듈 아래에 접지 포텐셜에 베이스 플레이트를 형성하는 금속 플레이트(109)를 위치시킬 수 있다. 이 베이스 플레이트는 바람직하게는 몰드에 의하여 형성되는 절연 벨트(110) 내에서 유지된다. 기계적 저항성을 위하여 상기 벨트는 PPS로 형성되는 것이 바람직하다. 덮개가 상기 벨트에 고정될 수 있으며, 이는 상기와 동일한 이유로 PPS로 제조될수 있다.
상기 덮개는 예를 들어 벨트(110)를 관통하는 나사(119)에 의하여 고정된다.
다른 실시예에 있어서, 상기 덮개는 예를 들어 접착 혹은 초음파나 마찰 접합 따위의 접합 수단을 통해 고정될 수 있다.
파워 모듈 덮개(105) 아래의 파워 모듈의 내부에서, 전자 구성요소들 주변부와 예컨대 와이어본딩 유형의 유선 연결들 사이의 빈 공간을 채우기 위하여 충전재(120)가 주입될 수 있다. 이 충전재(120)는 그 방수 기능에 더하여 금속 트레이스 및 이들을 둘러싸는 수지에 의해 형성되는 지지체의 기계적 결합성을 강화시켜주는 장점을 나타낸다.
도 7에 도시된 실시예에서, 열전도성 전기 절연체는 금속 베이스 플레이트(109)와 금속 트레이스의 하부면(114) 사이에 위치된다. 상기 도 8과 관련된 사항에서 기술되었듯이, 상기 열전도성 전기 절연체(108)는 TVI 혹은 상 변화성 열전도체인 열가소성인 수지로 형성될 수 있다. 상기 절연체는 한편으로는 금속 트레이스 측면에, 다른 한편으로는 금속 플레이트(109) 측면에 그 두 면이 접착된다. 따라서, 상기 플레이트는 금속 트레이스에 대해 효율적인 보호가 가능하며, 그 결과 우수한 기계적 결합성과 손쉬운 조작성을 가닌 모듈을 얻을 수 있다.
상기 베이스 플레이트(109)는 열전도성 물질로 형성되며, 냉각해야 할 금속 트레이스들의 하부면(114)과 접촉되는 분산장치의 일부분이 된다.
도 7에 잘 도시되어 있듯이, 바람직하게는 보호 덮개(105) 물질로 형성되는 하나의 핑거(106)가 적어도 하나 이상의 금속 트레이스와 맞닿아 있다. 전자 구성요소 위에 충전재(120)가 도입되는 경우, 충전재는 상기 핑거 둘레에 자리잡는다.
상기 핑거는 한편으로는 단단한 모듈을 형성하게 함으로써 상기 파워 모듈 전체 유닛의 우수한 기계적 결합성을 보장해주며, 다른 한편으로는 예컨대 나사 고정을 통한 덮개의 고정시 금속 트레이스와 맞닿아 압박되는 상기 핑거는 파워 모듈 금속 플레이트의 하부면(122)에 약간 굽은 부위(121)를 형성한다.
본 발명에 따르면, 상기 파워 모듈의 하부면(122)의 굽은 부위는 또한 분산장치 쪽으로 열을 잘 배출할 수 있도록 하는데 기여하기도 한다. 사실, 파워 모듈이 분산장치(113)에 예컨대 나사구멍(111)을 통해 나사 고정되는 경우, 나사고정 압력하에서 상기 굽은 부위가 플레이트(109)와 분산장치(113) 사이의 우수한 전기 접촉을 보장할 수 있도록 분산장치(113)에 파워 모듈이 완벽하게 접착될 수 있도록 해준다. 일 실시예에 따르면 플레이트 내의 구멍(112)을 통과하는 나사구멍(111)은 또한 나사고정 효과에 저항할 수 있도록 PPS로 된 상부 파트용 몰딩에 의해 형성될 수 있다.
변형예로서, TVI 등의 열전도성 물질이 라디에어터 및 파워 모듈 사이에 놓여질 수 있다. 이 경우, 접지와의 연결은 플레이트(109)를 구멍(112) 수준에서 커넥터 덮개 쪽으로 연결시켜주는 단자 따위의 전기 연결 장치에 의해 이루어질 것이다. 상기 연결 장치는 예컨대 덮개의 구멍(606)을 관통한다. 물론, 상기 단자는 분산장치(113)로부터 전기적으로 절연될 것이다.
변형예로서, 상기 핑거(106)는 벨트(110)의 몰딩 작업시 트레이스 부위에서 칸막이 혹은 주조된 작은 칸막이 부분으로 대치될 수 있다. 물론, 상기 작은 칸막이의 높이는 플레이트(109)가 약간 굽은 부위를 가질 수 있도록 덮개(105)를 고정하는 작업이 상기 작은 칸막이 상에 충분한 압력을 부여할 수 있는 높이로 주어질 것이다.
파워 구성요소들(11a,11b)은 접지부와 고정자 코일의 페이즈 아웃풋 사이에 연결된다. 스타터 모드에서, 이것들은 상당히 높은 전류를 전달한다. 접지 연결은 가열현상을 제한하기 위하여 가능한 한 가장 짧은 길이를 가져야 한다. 한가지 해결책으로, 예를 들어 접지단자를 상기 벨트(110) 안에 넣고, 상기 연결을 상기 접지단자 쪽으로 만드는 것이 제안될 수 있다. 하지만, 이 경우 상기 선들의 길이는 다소 길 수 있다.
도 7에서 볼 수 있는 다른 하나의 해결책은 베이스 플레이트를 형성하는 금속 플레이트(109)로부터 직접 접지에 도달하도록 구성하는 것이다.
도 9와 도 10에 도시된 첫 번째 실시예에 따르면, 베니스 플레이트에 돌기(123)가 형성된다. 이 돌기는 파워 회로의 형성을 위해 연결 선(126)을 수용하기 위한 것이다. 이러한 연결들은 와이어-본딩 유형인 것이 바람직하다. 금속 트레이스 수준에서 수지의 몰딩 작업시, 단자 혹은 돌기(123)의 상부로 통행을 허용하기 위하여 수지가 없는 홈(124)이 형성되어야 한다. 마찬가지로, 상기의 TVI 등의 절연체(108)가 상기 단자(123) 둘레에 위치될 수 있도록 미리 컷팅되는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 연결 선들의 길이가 짧아지는 장점을 가진다.
도 11에 도시된 변형예에서는, 하나의 개방부가 접지부를 구성하는 금속 플레이트(109)에 직접 도달할 수 있도록 수지부(107)와 절연체(108) 안에 형성된다.이러한 방법을 통해 상기 돌기(123)를 제거할 수 있을 것이다.
도 12는 제어회로 브리지 및 교류발전기-스타터의 정류브리지가 가지고 있는 세 개의 브랜치의 모든 파워 전자 기술을 통합하는 교류발전기-스타타용 파워 모듈(250)의 일 실시예를 나타내고 있다. 이 도면에서 참조번호 200은 파워 서브-모듈을 나타낸다. 이 서브-모듈은 전기 기계 고정자의 코일부 페이즈의 하나의 아웃풋에 연관되는 하나의 브리지 브랜치의 파워 전자 기술에 대응한다. 각 서브-모듈의 리드-프레임은, 예컨대 도 6에서 기술된 리드-프레임에 대응한다.
이러한 실시예는, 한편으로는 냉각장치 상에 장착해야 할 부품의 수를 줄일 수 있다는 점, 다른 한편으로는 조립시 파생되는 폐기물을 줄일 수 있다는 점에서 경제적 장점을 가진다.
상기 각 서브-모듈은 격벽(201)을 통해 분리된다. 이 격벽(201) 및 주변 벨트(110)는 몰딩 작업시 함께 형성되는 것이 바람직하다. 격벽 및 벨트는 연결 단자(202,203)을 폐쇄시킨다. 도 7 내지 도 12에서 볼 수 있듯이, 모듈의 상부로 향하는 단자(203)는 접지부의 단자(203a), 전기 네트워크의 전압에 상응하는 B+ 혹은 Ua의 단자(203b), 그리고 약한 파워의 신호장치용 단자(203c)로 기울어진다. 단자(202)는 파워(104) 및 제어(130) 금속 트레이스 쪽으로 향하고 있으며, 이 단자(202)는 와이어-본딩 유형의 유선 연결을 통해 상기된 금속 트레이스에 연결된다. 파워 금속 트레이스를 대응하는 단자(202)에 연결하기 위하여 과도한 가열현상 없이 전류를 순환시키기 위한 다수의 병렬형 유선 연결이 마련된다.
파워 단자(205)는 고정자 코일 페이즈에서 나오는 선들에 직접 연결된다. 상기 단자(205)는 회전 전기 기계의 작동 시 강한 진동을 받는다. 상기 단자(205)를 대응 단자(202)에 연결하는 유선 연결(204)이 파워 모듈의 안정성을 향상시키는데 기여하는 파워 서브-모듈로 기계적 및 열적 단절을 구성한다.
상기 단자(202)는 단자(203) 수준에서 접근가능하도록 상부로 돌출된다. 상기 단자들(202,203)은 전자 모듈의 리드-프레임을 구성하는 금속 트레이스들로부터 직접 연결되는 것이 바람직하다. 상기 금속 트레이스들의 두께가 상당히 두꺼우므로, 상기 단자(203)는 예컨대 금속 트레이스들을 포함하는 덮개(511)에 의하여 외부 연결시 그 장착을 용이하게 해주는 견고성을 가지게 될 것이다.
이러한 모듈은 외부의 분산장치(13)에 직접 연결될 수 있다.
첫 번째 조립예에 따르면, 벨트(110) 및 격벽(201)을 외부 분산장치에 나사 등을 이용하여 고정시킨다. 각 서브-모듈(200)에 연관되는 세 구역에, 비전도성의 열적 인터페이스를 외부 분산장치에 놓는다. 상기 인터페이스(108)는 분산장치의 상부면과 파워 서브-모듈 사이의 두께가 항상 동일하도록 유지시켜주는 보강재의 역할을 수행하는 유리 구슬을 포함하는 접착제로 구성되는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 각 서브-모듈에 대응하는 열가소성 수지 및 리드-프레임으로 구성되는 지지체를 상기 접착제 위에 위치시킨다. 물론, TVI 혹은 이중면 접착 리본 따위의 모든 다른 종류의 전기 절연성 열적 인터페이스 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서는, 상기 지지체는 몰딩 벨트(110)를 포함하지 않는다는 사실만 제외하고서는 도 8에서 기술된 지지체에 상응하는 것이다. 이 실시예에서, 파워 금속 트레이스들(104)은 열적 인터페이스를 통해 냉각장치와 직접 접촉되며, 이는 통과해야 할 열적 인터페이스의 수가 적어 발생하는 열의 방출을 향상시킬 수 있다. 변형예로서, 도 7 또는 도 8에서 기술된 서브-유닛을 접착시키는 것도 가능하다.
바람직하게는, 각 서브-모듈들은 외부 냉각장치에 조립되기 전에 테스트된다.
상기 서브-모듈들이 외부 냉각장치에 고정될 때, 금속 트레이스들(104,130)과 상호연결 단자(202) 간에 유선 연결(204)이 형성된다.
이러한 파워-모듈 조립 단계에서, 각 서브-모듈은 습기 및 외부 오염물질에 대해 칩 및 연결부의 실링을 보장하기 위한 젤(120)로 덮힌다.
마지막으로, 하나의 덮개(105)가 벨트(110)의 상부에 맞대어 놓여진다. 단자들(203)의 높이에서, 상기 덮개는 다수의 개방부들을 포함하고 있는데, 이는 상기 단자들(203)이 파워 신호(페이즈 혹은 전기 네트워크의 아웃풋 +Ua)와 함께 혹은 관리 회로(2)의 컨트롤 신호와 함께 연결의 말미에서 덮개를 통과할 수 있도록 하기 위해서이다.
도 12에 상응하는 이와 같은 배치는 도 23에서 단면도 형태로 볼 수 있다.
도 12에 도시된 것과 같은 파워 모듈(250)은 사각형의 형태를 나타낸다. 물론, 이 모듈이 예를 들어 회전 전기 기계의 후방부에 적용될 수 있도록 하기 위해, 반원형 형태로 형성될 수도 있다. 또한 위에서 기술된 파워 리드-프레임의 제작 기술 덕분에 원형으로 형성될 수도 있다.
도 12에 잘 도시되어 있듯이, 파워 모듈(250)을 통해 벨트(110) 내에 위치하는 단자들(203a)을 통해 접근가능한 절연 접지부를 얻을 수 있다. 이와 같은 절연접지부의 장점은 특히 다른 전기 장치들의 접지부에 문제를 야기할 수 있는 높은 전류를 전달하는 경우에 입증될 수 있다. 각 브리지 브랜치가 하나 혹은 다수의 접지 단자(203a)를 가질 수 있다. 바람직하게는, B+의 단자(203b)에 대하여, 올바른 전류 균형을 위해 단 하나의 접지 단자(203a)만을 사용할 것이다. 이 경우, 두 개의 접지 단지(202a)는 트랜지스터들에 가장 가까운 위치에 연결을 형성할 수 있도록 몰딩 벨트 내에 연결될 것이며, 단 하나의 접지 단자(203a)만이 외부로 빠져나갈 것이다.
미리 테스트된 모듈(브리지의 브랜치)이 고정되는 이러한 바람직한 조립 모드는, 산업 폐기물 산출 관점에서 볼 때 브리지의 세 개의 브랜치 유닛을 형성하는 모든 칩들을 단 한번의 시도로 접합해야 하는 방법에 비해 상당히 경제적인 이점을 가진다.
분산장치가 후방 지지대로부터 절연되는 경우, 이 분산장치는 직접 혹은 자동차 샤시를 매개로 배터리의 접지부에 연결시키는 절연 접지부를 구성한다. 이러한 배열의 경우, 그리고 도 12에 도시되어 있듯이 단 하나의 파워 모듈 내에 전자 장치를 포함하는 형태를 나타내는 두 번째 실시예에서, 접지 단자들(202a,203a)은 생략되고, 도 9 내지 도 11에서 기술된 유사한 접지 연결로 대치되며, 이 경우 베이스 플레이트(109)는 분산장치(113)의 상부면으로 대치된다.
도 13은 본 발명에 따른 제어 및 정류 전자 장치의 배열을 포함하는 통합 전자 장치를 가진 교류발전기-스타터 후방면의 측단면도를 나타내는 도면이다. 기존의 모든 교류발전기-스타터와 마찬가지로, 도 13에 도시된 교류발전기-스타터는 회전자 축(502) 상에 고정되는 회전자(743)를 포함한다. 이 회전자(743)는 유도코일(507)이 갖춰진 하나의 고정자(503)로 둘러싸여 있다. 고정자(503)는 베어링(506)를 매개로 상기 회전자(502)의 축을 유지시켜주는 전방 지지대(도시되지 않음)와 후방 지지대(504)를 통해 지지된다.
위에서 설명되었듯이, 교류발전기-스타터는 파워 트랜지스터 MOS를 가지고 상기 파워 트랜지스터의 제어 유닛에 연계되는 정류브리지를 포함한다. 상기 정류브리지 및 상기 제어 유닛이 함께 교류발전기-스타터의 파워 전자 장치를 형성한다. 상기 파워 전자 장치는 위에서 기술된 하나 혹은 다수의 파워 모듈(100b) 내에서 열 분산 브리지(113)의 상부면상에 장착된다.
관리 유닛(2)을 포함하는 모듈(100a) 또한 우수한 냉각작용을 위하여 상기 분산장치의 상부면 상에 장착되는 것이 바람직하다. 상기 관리 유닛(2)은 한편으로는 스타터 작동시의 시동 모드 및 재시동 모드의 관리, 다른 한편으로는 교류발전기 작동시의 전압 조절의 관리를 가능하게 해주는 제어 유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 관리 유닛은 우수한 냉각작용을 요구하는 회전자 필드코일 층 또한 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나 혹은 다수의 모듈로 형성되는 파워 모듈(100b)을 효율적으로 냉각시키기 위하여, 상기 열 분산 브리지(113)의 전기 기계 후방 지지대 쪽으로 축방향으로 놓여진 면이 교류발전기-스타터 내에서 냉각제의 종단 혹은 방사상의 유출 통행로(517) 벽을 형성한다. 상기 통행로(517)의 또 다른 벽은 후방 지지대(504)의 상부면을 통해 형성된다. 분산장치(113)의 하부면은 환풍관(517)을형성하는 작은 날개(518)를 포함한다.
보호 덮개(511)는 바람직하게는 상기 유출 통행로(517)의 정면에 위치되는 방사상 개방부(519)를 포함한다. 이러한 방법을 통하여, 냉각제 특히 공기가 상기 개방부(519)를 통하여 교류발전기-스타터의 후방부 내로 유입되고, 분산 브리지(113) 아래에서 파워 전자 모듈(100b) 및 모듈(100a)을 냉각시키는 통행로(517) 내에서 순환된다. 회전축(502) 혹은 회전자(743) 상에 고정되는 블레이드(505) 지지 환풍기(515)가 상기 통행로(517) 내부로의 공기 유입을 보장해준다.
좀 더 효율적인 냉각을 위하여, 상기 환풍기(515)가 상호 겹쳐 놓여진 이중 환풍기로 구성될 수도 있다. 도 14에 도시되어 있듯이, 상기 이중 환풍기 중 첫 번째 환풍기의 적어도 하나 이상의 블레이드는 두 번째 환풍기의 적어도 두 개 이상의 블레이들 사이에 위치된다. 도 14에 도시되어 있듯이, 환풍기(515)는 본 발명에 따라 적어도 두 개의 환풍기(515a,515b)를 포함하며, 이하에서는 이들을 제 1 환풍기 및 제 2 환풍기라 한다. 제 2 환풍기(515b)는, 예를 들어 용접점 혹은 리벳접합 따위의 기존에 알려진 방식을 통해, 도 13에 도시된 회전자(743) 전극 휠(742)에 연관된 부분인 축 단부(530)(엔드 페이스(end face))에 고정된다.
여기서 환풍기(515a,515b)들은 경제성을 고려하여 철판 따위의 금속으로 형성된다. 각 환풍기는 플랜지(515c) 부위 및 일련의 환풍 블레이드들을 포함하며, 상기 플랜지 부위는 회전자 축(502)이 관통할 수 있도록 중앙 원형 개방부(515d)를 갖추고 있는 원형의 상당히 평평한 형태를 나타내며, 상기 환풍 블레이드들은 플랜지(515c)에 대해 축방향으로 돌출되어 있으며, 본 실시예에서는 그 사이에서 외부쪽으로 분기하는 환풍관들을 가지고 있다.
제 1 환풍기(515a)는 제 1 블레이드(515e)라 하는 일련의 첫 번째 블레이드들을 포함하며, 제 2 환풍기(515b)는 제 2 블레이드(515f)라 하는 일련의 두 번째 블레이드들을 포함한다.
따라서, 바람직하게는 하나의 환풍기의 적어도 두 개의 연속되는 블레이드가 나머지 환풍기의 적어도 하나의 블레이드에 개입된다.
일 실시예에 있어서, 제 1 블레이드(515e)는 제 2 블레이들(515f) 보다 방사상으로 더 짧은 형태를 가질 수 있다.
상기 블레이들들(515e,515f)은 방사상으로 거의 동일한 길이, 동일한 형태, 동일한 축 크기를 가지고 있어, 이러한 블레이드들은 다른 블레이들들(515e)에 비해 방사상으로 짧은 형태를 가지는 두 개의 제 1 블레이드(515g)를 제외하고는 전반적으로 동일하다.
상기 블레이드들(515e,515f,515g)은 플랜지(515c)의 외부 가장자리에 놓인다.
각 블레이드들(515e,515g)은, 여기서는 두 개의 제 2 블레이드(515f) 사이에 배열된다.
이러한 배열을 통해 환풍기의 파워를 증가시킬 수 있으며, 블레이드와 냉각공기 통로가 분리되는 위험을 감소시킬 수 있다. 사실, 공기가 제 2 블레이드(515f)로부터 분리되면, 상기 제 1 블레이드들(515e,515g)은 제 2 블레이드(515f) 상에서의 공기의 분리를 용납하게 될 것이다. 따라서 제 1 블레이드(515e,515g) 각각은 인접한 두 개의 제 2 블레이드(515f) 사이에 배치되며, 블레이드의 내부 가장자리에서 외부 가장자리로 가면서 점점 더 벌어지는 형태를 가지는 환풍관(515h) 내에 놓여진다. 이러한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 제 1 블레이드는 연속되는 두 개의 제 2 블레이드들 사이에 삽입된다.
여기서, 제 1 블레이드(515e,515g)와 제 2 블레이드(515f)는 연결되는 금속 플랜지(515c)로 부터 절단 및 벤딩(bending) 작업을 통해 얻어지며, 또한 바람직하게는 둥근 윤곽을 가진 형태를 가진다.
이처럼, 분기성 관은 다수의 플랜지들 중 한 플랜지의 외부 가장자리에 의해, 그리고 블레이드들에 의해 부분적으로 한정된다.
제 1 및 제 2 블레이드들은 방사상으로 긴 길이를 가지며, 따라서 환풍기능성이 상당히 뛰어난 특성을 가진다. 상기 블레이드들(515e,515f,515g)은 자신의 축 높이 보다 방사상으로 더 긴 길이를 가지는 것이 바람직하다.
변형예로서, 블레이드들은 방사상 방향으로 놓여진 평평한 형태를 나타내고, 환풍기는 원심분리형일 수 있다. 변형예로서, 블레이드들은 축방향 및/혹은 방사상 방향에 대해 비스듬한 형태를 가질 수 있다. 변형예로서, 블이이드들은 방사상으로 긴 것보다 축방향으로 더 높은 높이를 가질 수 있다.
플랜지(515c)는 압축시 경제적으로 절단된 비스듬한 형태를 가지는 부분을 그 외부 가장자리에 가지고 있으며, 이 부분은 플랜지(515c) 외부에서 구부러진 후 둥근 윤곽을 가진 블레이드들이 된다. 좀 더 구체적으로, 상기 블레이드들은 부분적으로 방사상의 원호 형태를 가진다.
제 1 블레이드들(515e)은 전기량 및 효율을 증대시키면서 동시에 전기 기계의 소음을 감소시키는 것을 그 목적으로 한다. 그 설비는 이러한 목적을 감안하여, 냉각제가 제 2 블레이드(515f)와 접촉될 수 있도록 제 1 블레이드가 냉각제를 압축시키는 방법으로 형성된다. 따라서, 공기의 재순환 및 소용돌이 현상이 방해를 받게 되며, 공기의 유출이 더욱 층류(층을 이루는 흐름)를 이루게 되어, 거의 마찰 및 소음없이 이루어진다. 이러한 배열을 통해, 필요하다면 회전자의 전방 자극 휠을 통해 지지되는 전방 환풍기(도시되지 않음)가 생략시킬 수 있으며, 따라서 변형예로서, 교류발전기는 단 하나의 환풍기만을 가질 수 있다.
물론, 제 1 블레이드들(515e,515g)과 제 2 블레이드(515f)의 배치에 관한 다양한 결합 유형을 구성할 수 있다.
일례로, 다수의 제 1 블레이드들을 제 2 블레이들 사이에 배치할 수 있다. 동일한 환풍기(515) 내에서, 제 2 블레이들 사이에 배치되는 제 1 블레이드들의 숫자는 항상 같을 수도 있고 변할 수도 있다. 여기서는 하나의 제 1 블레이드가 인접하는, 즉 연속되는 두 개의 제 2 블레이드들 사이에 놓여진다.
또한 사이에 제 1차 블레이드들이 없는 연속되는 다수의 제 2차 블레이드들(515f)로 구성할 수도 있다.
최소한의 공기역학적 소음과 함께 최상의 냉각결과를 얻기 위하여 냉각해야 할 전기 기계에 따라 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드의 분포가 정해진다.
제 1 블레이드들(515e)은 규칙적으로 혹은 도 14에 도시된 바와 같이 불규칙적으로 각을 이루며 분포될 수 있다. 불규칙적 배열은 도 14의 블레이드(515g) 처럼 다른 블레이드들과 다른 길이를 지닌 몇몇 블레이드들을 가지고 있는 변이형을 구성한다.
불규칙적 배열을 통해 환풍기의 작동 소음을 더욱 줄일 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 불규칙적 각 분포를 나타낼 수 있는 것은 제 2 블레이드(515f)의 경우에 있어서도 마찬가지다. 따라서, 두 파트로 분리된 일련의 불규칙적 블레이드들을 얻을 수 있다. 이 때, 하나의 파트는 하나의 환풍기에 속한다.
변형예로서, 단열 코팅 따위의 하나의 단열장치가 제 1 환풍기 및 제 2 환풍기의 두 개의 플랜지(515c) 사이에 개입될 수 있으며, 이 경우 제 1 환풍기(515a)는 섬유 강화 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 블레이드들(515e,515f,515g)은 모두 축방향으로 그리고 플랜지(515c) 수준에서는 수직으로 연장된다.
변형예로서, 블레이드들은 프랑스특허 FR A 2 602 925에 기술되어 있듯이 연결된 플랜지에 대하여 비스듬하게 안쪽으로 휘어진 형태를 가진다.
좋은 각 위치를 위해, 즉 제 2 블레이드에 대해 제 1 블레이드가 좋은 방향을 잡도록 하기 위해, 각 인덱싱 장치가 두 개의 플랜지(515c) 사이에 개입된다. 이를 위해, 각 플랜지(515c)는 내부 가장자리에 홈(515k)을 가진다. 여기서는 홈들(515k)은 동일하다. 그러므로 좋은 각 위치를 얻기 위해, 예를 들어 게이지를 사용하여 여러 홈들을 포개어 놓는 것으로 충분하다. 이어서 조작 및 이동이 가능한 유닛으로 만들기 위해 용접 혹은 리벳접합 등을 통해 환풍기들을 고정시킨다.
첫 번째 플랜지는, 장치의 회전자 상에서 용접 혹은 리벳접합 등을 통하여 두 번째 플랜지를 고정할 수 있도록 구멍 혹은 점선으로 도시된 홈(515m) 따위의적어도 하나 이상의 틈을 가지는 것이 좋다. 아울러, 바람직하게는 다수의 구멍 혹은 홈들이 마련된다.
변형예로서, 각 플랜지는 용접 등을 통해 회전자 상에 고정된다.
여기서 블레이드들(515e,515f,515g)은 축방향으로 모두 동일한 높이를 가진다. 즉, 블레이드들의 자유단이 동일한 횡단면 내에 놓여진다. 좀 더 구체적으로, 블레이드들(515e,515g)은 축방향으로 블레이드(515f) 보다 낮은 높이를 나타내며, 너비의 차이는 첫 번째 플랜지(515c)의 두께와 동일한 크기를 나타낸다.
변형예로서, 블레이드들(515e,515f)은 축방향으로 상호 다른 높이를 가질 수 있으며, 블레이드(515f)는 블레이드들(515e,515g)에 비해, 예를 들어 축방향으로 돌출되어 연장된다. 그 결과, 블레이드들의 자유단 모두가 동일한 면상에 놓이지 않게 된다.
모든 경우에 있어, 상기 블레이드들(515e,515f,515g)의 자유단, 또는 프랑스특허 FR A 2 811 156의 도 16에서 처럼 또한 도 14에서 점선으로 부분적으로 볼 수 있는 것처럼 플랜지(515c)로부터 가장 멀리 떨어져 있는 자유단 상에 하나의 커버링 캡(515p)을 고정시킬 수 있다.
변형예로서, 복수의 환풍기들 중 하나의 환풍기의 최소한 하나 이상의 블레이드가, 프랑스특허 FR A 2 811 156의 도 11 내지 도 13에서 도시되고 기술되어 있듯이, 관련된 환풍기의 플랜지면에 대해 기울어지거나 혹은 수직인 형태로 연장되는 작은 날개를 갖춘 채 앞으로 기울어져 있다. 일반적으로 본 발명을 통하여, 위에서 인용된 프랑스특허 FR A 2 811 156에 비하여 더욱 단순하고 경제적인 방법으로, 다른 크기를 가지는 두 개의 일련의 블레이드들에서 동일한 양태를 얻을 수 있다. 예를 들어, 복수의 환풍기들 중 최소한 하나의 환풍기의 적어도 하나의 블레이드 혹은 바람직하게는 다수의 블레이드들이, 본 발명을 나타내는 도 6, 15 및 도 2에서 처럼 구불구불한 형태를 가지거나 축방향으로 높이가 점점 줄어들거나 방사상 방향에 대하여 평평하고 비스듬히 기울어진 형태를 가질 수 있다.
이러한 환풍기(515) 덕분에, 전하 손실과 소음을 감소시킬 수 있으며, 또한 공기의 효율성 및 그 양을 증대시킬 수 있고, 파워 및 제어 모듈들(100a,100b)의 효율적인 냉각을 보장해주는 냉각제의 안정적 흐름을 기대할 수 있다. 이처럼, 블레이드들에 증대된 냉각력을 부여해주고, 우수한 기계적 성능을 가지면서도 상대적으로 적은 비용을 요구하는 복합 블레이드들을 가지고 있는 환풍기를 얻을 수 있다.
더 구체적인 사항은 2003년 2월 27일자로 출원된 프랑스특허 FR 03 02415를 참조할 것이다.
상기와 같이 형성된 분산 브리지(113)는 후방 지지대(504) 위쪽에서 하나의 중 2층(mezzanine)을 형성한다.
본 발명에 따른 분산 브리지(113)는 하부면에 냉각 리브들(518)을 포함한다. 상기 냉각 리브들은 통행로(517)에 놓여지며, 선택된 여정에 따라, 즉 분산 브리지의 하부면을 가능한 가장 잘 닦아내기 위해 냉각제가 회전자 축에 가장 근접한 곳으로 침투될 수 있도록, 냉각제의 흐름을 보장한다. 그 결과, 분산 브리지의 하부면은 바람직하게는 분산 브리지의 외부 가장자리 및 축에 인접한 내부 가장자리 사이에 위치된 방사상의 전체 길이 상에서 냉각된다. 인접한 상기 날개들은 냉각제를 통행로(517) 내로 유도해주는 방사상 관을 형성한다. 상기 관은 후방 지지대를 통해 형성되는 하부면과, 두 개의 인접한 날개들의 정면에 있는 두 측면, 그리고 두 개의 인접한 날개 사이에 형성되는 분산 브리지의 U자형 바닥부를 형성하게 된다.
하부면(113b)에 상기 날개들(518)을, 상부면(113a)에 제어 및 파워 모듈(100a,100b)을 포함하는 상기 분산장치(113)는 하나의 부품으로 형성되는 것이 바람직하다. 변형예로서, 파워 모듈(100b)을 가지고 있는 상기 분산장치(113)는 두 파트로 된 분산 브리지를 형성하는 날개를 가진 장치 상에 조립될 수 있다.
이어서, 냉각제는 후방 지지대(504) 내에 형성되는 구멍들(504a 내지 504d)을 통해 배출된다. 상기 구멍들(504a 내지 504d)은 도 20에 도시되어 있는 바와 같이 교류발전기의 지지대 내에 형성된 구멍들과 동일한 형태인 것이 바람직하다. 상기 날개들(518)은 후방 지지대(504)의 중앙 구멍들(504b,504c) 쪽으로 집중되는 냉각제의 흐름 방향에서 방사상으로 배치된다.
그 결과, 공기(혹은 또 다른 냉각제)가 교류발전기-스타터 내에서 측면으로 흡입되며, 상기 지지대(504)의 측부 구멍들(504a,504d)를 통해 배출되기 전에 그 전체 길이 상에서 분산 요소들, 즉 상기 날개들(518)을 닦아내면서 상기 지지대(504)의 중앙 구멍들(504b,504c) 쪽으로 흘러간다. 이처럼, 파워 전자 장치(100b)는, 상기 날개들(518)을 통해 분산 브리지(113)가 냉각된 이후, 전도 및 대류현상을 통하여 냉각된다.
또한, 분산 브리지(113)와 파워 모듈(100b)이 회전자 축에 맞대어 붙여지지않은 것처럼, 회전자 축(502)과 분산 브리지(113) 사이에는 공기가 순환할 수 있는 공간(522)이 존재하는 것이 좋다. 이 공간(522)은 냉각제 유출용 축방향 관을 형성하고 있다. 본 발명에 따른 일 실시예에 따르면, 구멍들(523a,523b)이 보호 덮개(511) 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 구멍들(523a,523b)을 통해서 공기가 교류발전기-스타터 내로 흡입되고, 이어서 상기 공간(522)을 통해 회전자 축(502)을 따라 공기가 유출되어 분산 브리지(113) 아래에 있는 유출 통행로(517)와 만나게 된다. 그 결과, 분산장치(113)의 냉각기능이 향상되는 것이다. 이러한 방법을 통하여, 파워 전자 장치는 한편으로는 상기 통행로(517)을 통해 측면상으로 냉각되고, 다른 한편으로는 상기 공간(522)을 통해 축방향으로 냉각된다. 상기 공간(522)을 지나가는 상기 보충 축방향 공기 유출로는 또한 기계 내에 전반적 공기량을 향상시켜 브러시-지지대 케이지(cage) 혹은 유도코일의 돌출부 따위의 교류발전기 내부 부품이 최상의 냉각을 얻을 수 있도록 해준다.
교류발전기-스타터의 후방부로 통과하는 냉각제의 유출 경로는 도 13에서 화살표 F와 점선으로 표시되어 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전향부(524)가 후방 지지대(504) 내에 형성되는 구멍들(504a,504d)의 위쪽에 설치된다. 이 전향부(524)를 통해 유입되는 냉각제가 배출되는 냉각제로부터 떨어질 수 있다. 이는 교류발전기-스타터로부터 배출되는 냉각제가 상기 통행로(517) 내로 즉시 재유입되지 못하도록 하기 위한 것이다. 그 결과, 교류발전기-스타터의 내부로부터 배출되는 덥혀진 냉각제가 재순환하는 것을 피할 수 있게 된다.
상기 전향부(524)는 상기 구멍들(504a,504d)의 근처에서 지지대(504) 상에 고정될 수 있다. 또한 상기 전향부들은 도 13에 도시되어 있듯이 예를 들어 보호 덮개(511)의 단부를 약간 들어올려 보호 덮개 내에 형성될 수도 있다.
도 13에 도시된 본 발명의 실시예에서, 보호 덮개(511)는 교류발전기-스타터의 후방부 전체를 둘러싼다. 즉, 분산 브리지(113) 상에 장착된 파워 전자 장치(100b,100a) 및 후방 지지대(504) 전체를 둘러싼다. 이 경우, 보호 덮개(511)는 후방 지지대의 측부 구멍들의 상부에 위치하면서 교류발전기-스타터의 외부로 냉각제 배출을 할 수 있도록 하기 위한 구멍들을 포함한다. 보호 덮개는 상기 구멍들과 더불어 혹은 그 대신에 전향부(524)를 포함할 수도 있다. 이는 덮개의 내부에 형성될 수도 있다.
상기 보호 덮개(511)는 분산 브리지 상에 장착되는 파워 전자 장치 및 지지대(504)의 상부를 둘러쌀 수도 있다. 즉, 보호 덮개가 상기 구멍들(504a,504d)을 포함하는 지지대의 측부는 둘러싸지 않는다는 것이다. 이 경우, 전향부는 지지대(504) 상에 고정될 수 있으며, 혹은 덮개의 단부를 들어올려 형성될 수도 있다.
도 13에 도시되어 있듯이, 환풍기(515)는 상기 블레이드들(505)의 적어도 한 부분의 축방향 단부에 뚜껑(515p)을 가지고 있다. 이 뚜껑은 공기 유출경로 F가 상기 환풍기의 블레이드들(505) 수준으로 통과하도록 강제한다. 그 결과, 분산장치를 통해 지지되는 전자 장치 및 고정자 코일 돌출부(507)에 최상의 냉각을 보장해 줄 수 있다.
바람직하게는, 후방 지지대(504)에 형성된 구멍들(504b,504d)의 외부 가장자리(525)는 환풍기의 블레이드들(505) 사이로 냉각제 흐름 경로(F)가 통과할 수 있도록 블레이드(505)의 내부 가장자리와 일직선으로 놓인다. 따라서, 잔여 냉각제만이 덮개의 최상부(515p)와 후방 지지대(504)의 축방향 내부면 사이로 통과할 수 있다.
바람직하게는, 상기 구멍들(504b,504d)은 베어링(506)의 하우징 근처에 형성된다. 따라서, 상기 하우징이 효율적으로 냉각될 수 있고, 환풍기가 앞서 기술된 것처럼 두 개의 환풍기가 상호 포개진 형태로 구성되는 경우 더 큰 효율성을 나타낸다.
도 13에 도시되어 있듯이 제 1의 실시예에 따르면, 분산장치(113)는 후방 지지대(504)와 전기적으로 절연되어 있다. 그 결과, 상기 분산장치(113)가 관리 유닛(2)의 전자 장치 모듈(100b) 내에 포함되는 파워 전자 장치를 위해 특히 절연 접지부를 구성한다. 후방 지지대의 분산장치를 전기적으로 절연시킴으로서 열적 및 전자기적 관점에서 최상의 성능을 얻을 수 있도록 한다.
첫 번째 변형 실시예에 따르면, 상기 분산 브리지(113)는, 전기 절연성을 가지고 열전도성이 없어 고정자에서 발생되는 열에 대해 보호막을 형성하는 설치 나사(527)를 통하여 후방 지지대(504) 상에 고정된다.
바람직하게는, 상기 나사(527)는 고정자(503)의 마그네틱 회로(508)와 지지대(504)를 고정시키기 위하여 일반적으로 사용되는 것과 동일하다. 전기 절연성 디스크(527b)가 락킹 너트(527a)와 분산장치(113) 상부면(113a) 사이에 삽입된다. 숄더(shoulder)(527d)를 포함하는 스페이서(spacer)(527c)가 분산장치의 하부면(113b)과 후방 지지대(504)의 축방향 외부면 사이에 삽입된다.
두 번째 변형 실시예에 따르면, 상기 분산장치(113)가 나사(528)에 의해 전기적으로 절연 방식으로 후방 지지대(504)에 연결된다. 상기 나사의 헤드부는 상기 지지대(504)의 축방향 하부면 쪽으로 놓인다. 본 실시예에 있어서, 전기적으로 비전도성을 나타내는 스페이서(528a)가 분산장치(113)의 하부면(113b)과 후방 지지대(504)의 축방향 상부면 사이에 위치된다. 나사(528)는 후방 지지대(504)의 축방향 두께부분에 놓여지는 전기 절연성의 숄더형 축(canon)에 맞대어 지지된다.
물론, 지지대 상에 분산장치를 고정시키기 위한 다른 도구들이 고려될 수도 있다.
물론, 상기 스페이서(527c 혹은 528a)는 고정 단자를 구성하기 위해 분산 브리지(113) 혹은 지지대(504)와 상호 연계될 수도 있다. 이 경우, 절연 디스크와 같은 전기 및 열 절연 수단들이 상기 고정 단자의 단부에 위치되어야 한다.
따라서, 제어 및 파워 전자 장치를 가지고 있는 분산장치는, 후방 지지대의 축방향 상부면과 중 2층(mezzanine) 사이에서 방사상으로 유입된 공기를 통해 냉각되는 메자닌을 구성하기 위해, 회전 전기 기계 후방 지지대의 축방향 외부면과 떨어져서 위치된다.
도 7에 기술된 실시예에 따르면, 파워 모듈(100b)이 베이스 플레이트(109)와 분산장치 상부면(113a) 사이에서의 직접적인 전기적 연결을 통해 접지부에 놓여진다.
나사 또는 용접과 같은 고정 수단(529b)을 통해 분산장치와 전기적으로 연결되는 접지 케이블(529)은 바람직하게는 절연 접지부를 구성하기 위하여 자동차 배터리의 음전극에 연결된다.
상기된 바와 같이, 파워 모듈(100b)에서 파생되는 신호 혹은 컨트롤 연결에 상응하는 단자들(203)은 전기 연결을 위하여 전기 기계의 후방쪽을 향하여 축방향으로 놓인다. 바람직하게는, 이러한 단자들(203)은 파워 및 컨트롤 금속 트레이스를 몰딩에 의해 둘러싸는 플라스틱으로 된 덮개(511)까지 도달한다. 바람직하게는, 상기 덮개는 한편으로는 파워 모듈과 다른 한편으로는 관리 유닛(2)을 가지는 파워 모듈(100b) 사이의 모든 연결을 수행할 수 있도록 하는 모든 금속 트레이스를 둘러싼다. 따라서, 이러한 배열을 통해 덮개의 하부에서 배선 연결을 실현하지 않아도 되는 장점을 얻게되며, 이는 경제적으로 상당한 이점이 될 것이다. 사실, 모든 약-강 파워 연결들은 금속 트레이스를 구비한 덮개의 조립 시 단 한번의 작업으로 실현된다. 이와 같이 덮개 하부에서 배선 연결을 제외시킴으로서 더욱 넓은 공간을 얻을 수 있으며, 그 결과 예를 들어 기계의 축방향 길이를 줄일 수 있다.
도 15, 16, 17 및 17a는 몰딩에 의해 덮개(511) 내부에 포함되는 금속 트레이스(600)와 단자(203) 사이의 전기적 연결의 가능한 수단들을 나타내고 있다.
도 15에서는, 단자(203)가, 연결할 트레이스(600) 내에 형성되며 완전히 폐쇄되거나 혹은 절반 폐쇄된 형태의 구멍(601)을 관통한다. 바람직하게는, 상기 단자(203)의 단부는 접합에 의한 고정을 위해 트레이스(600)의 다른쪽 측부로 나온다. 참조번호 602는 이와 같이 실현된 접합 상태를 나타낸다.
바람직하게는, 상기 단자(203)의 단부(605)는 전기 기계의 조작 시 상기 접합부가 훼손되는 것을 막기 위해 덮개(511)의 상부 축방향 가장자리와 거의 동일한 축방향 높이, 유리하게는 약간 낮은 높이를 가진다. 상기 금속 트레이스는 후방 덮개(511) 내에 형성되는 개방부(606)를 통하여 접근 가능하다.
상기 단자(203)의 형상는 배치상의 허용오차에 따라 수정된다.
도 16은 볼트-너트 형태의 나사 도구를 통해 결합된 금속 트레이스와 파워 단자(203) 간에 실현된 전기적 연결의 한가지 변형 실시예를 나타내고 있다. 잘 알려진 바대로, 그로버(Grover) 유형의 갈라진 디스크(608)가 볼트의 하부면과 금속 트레이스의 외부면 사이에 삽입되며, 단자(203)는 너트와 금속 트레이스의 하부면 사이에 삽입된다. 본 실시예에 있어서, 바람직하게는, 하나 혹은 세 개의 브리지 브랜치를 포함하는 모듈(100b)의 덮개(105)의 부분(611)은 용이한 나사 작업을 위하여 회전 차단할 수 있도록 너트(607)와 접촉한다.
도 17은 염기성 안개 유형 혹은 높은 습성을 띄는 화학적 공격을 피하기 위해 바니시, 접착제, 혹은 실리콘 유형의 보호부를 포함하는 도 15에서 기술된 것과 같은 접합을 통해 실현되는 연결을 나타내고 있다. 이러한 보호부는 도 15에서 기술된 볼트-너트를 통한 고정 방식에도 적용이 가능한 것이다.
도 17a는 단자(203)가 금속 트레이스을 통과하지 못하는 레이저 L 타입의 접합방식을 통해 형성된 연결을 나타내고 있다. 이 경우, 단자(203)는 덮개(511)가 전기 기계의 후방부 상에 장착될 때 금속 트레이스(600)와의 응력하에서 접촉될 수 있도록 곡선형태(610)를 나타내게 된다. 본 실시예를 통해서는 덮개(511)가 아주 잘 밀폐되는 장점을 가질 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 회전 전기 기계의 후방부 덮개를 나타내고 있다. 본 실시예는 중 이층(메자닌)을 형성하는 분산장치(113)가 후방 지지대(504)와 전기적으로 절연되어 있는 경우에 대응하는 실시예이다. 따라서, 바람직하게는 덮개(511)는 단 하나의 강 파워용 금속 트레이스(600a) 만을 포함하며, 스타팅 페이즈 시 약 100 암페어의 전류를 통과하게 할 수 있다. 브러시-지지대의 연결(650) B+를 둘러싸고 자동차의 전기 네크워크에 연결되는 양단자 B+를 통해 작용하는 상기 금속 트레이스(600a)는 자신에게 필요한 모든 공간을 가지도록 형성될 수 있다. 이 때 상기 트레이스는 도 19에 도시되어 있듯이 중 이층(메자닌)이 절연되지 않았을 때 필요한 접지부의 600b의 다른 공간들과의 간섭이 일어나지 않는다.
따라서, 도 18 및 도 19에 도시되어 있듯이, 회전자 축 중심에 가까이 위치한 드라이버들(10,20,30)을 상기된 관리 모듈(2)과 연결되는 것이 대단히 쉬워진다. 따라서, 본 발명에 따르면, 교류발전기-스타터의 작동에 필요한 파워와 제어를 위한 모든 전자 장치들을, 기계적으로 연계되어 있는 후방 지지대 상에 포함하고 있는 교류발전기-스타터 유형의 전기기계를 얻을 수 있다. 물론, 경우에 따라서, 전자 기능들은 본 발명의 큰 틀을 벗어남이 없이 외부 하우징 내에서 실행될 수도 있다. 상기된 바와 같은 후방 지지대의 구조를 통해 파워 모듈을 아주 잘 냉각시킬 수도 있다. 이러한 결과는 방사상으로 유입되며 아울러 보충적으로 축방향으로 유입되는 냉각제를 통해 냉각되는 중 이층(메자닌) 형태로 된 구조 덕분이기도 하다. 이러한 냉각방식은 파워 전자 모듈들이 도 6 내지 도 12에 적합하게 실현되어 있는 것 만큼이나 효율성을 나타낸다. 덮개 내에서 트레이스에 의하여 연결되는 하나 혹은 다수의 모듈로 파워 전자 장치를 통합함으로서 교류발전기-스타터의 파워 및/또는 컨트롤 전자 장치의 장착이 상당히 쉽게 이루어 질 수 있으며, 그 결과 상당한 경제성을 나타내게 된다. 또한, 덮개 내에 파워 금속 트레이스을 통합함으로써 자동차 형상에 적합하게 덮개의 어느 장소에라도 손쉽게 커넥터(630)를 위치시킬 수 있다.
도 19는 후방 지지대(504)와 동일한 전기 포텐셜의 중 이층(메자닌)을 형성하는 분산장치를 위해 본 발명에 따라 금속 트레이스을 포함하는 덮개(511)의 두 번째 변형 실시예를 나타내고 있다. 이 경우, 파워 모듈들은 분산장치에 대해 전기적으로 절연되어 있다. 본 실시예에 있어서는, 상기된 고정용 단자를 형성하는 스페이서(527c 혹은 528a)를 더 이상 전기적으로 절연할 필요가 없다. 따라서, 상기 고정용 단자들의 단부에 위치하거나 혹은 메자닌과 후방 지지대 사이에 위치하는 전기적으로 절연된 디스크 혹은 숄더형 축이 제거될 수 있다. 그럼으로써 후방 지지대-메자닌 유닛에 더 높은 기계적 강도를 부여해 줄 수 있다.
본 실시예에서는, 도 18에 도시된 것 이외에도, 덮개는 접지부에 연관된 파워 트레이스(600b)를 통합하고 있다. 커넥터(630)에 도달하기 위해서, 두 개의 파워 트레이스(600a,600b)가 덮개 구역(652) 내에 중첩된다. 두 개의 트레이스가 상기 장소에서 몰딩 형태로 머무를 수 있도록 덮개가 이 구역에서 아주 두꺼운 형상을 나타내는 것이 바람직하다. 이 장소에서, 전기 절연을 보장해줄 수 있는 방법으로 트레이스 몰딩이 형성될 것이다. 이러한 교차를 실행하기 위하여, 상기 두 개의 트레이스 중 적어도 하나의 트레이스가 적어도 한 곳에서 구부러진 부위를 나타내게 될 것이다.
본 실시예에 있어서, 브러시-지지대 접지부의 연결(651)은 접지 트레이스(600b)를 통해 형성되는 것이 바람직하다.
도 18 및 도 19에 도시되어 있듯이, 예를 들어 Can, Lan, Lin, BSP 유형의 기존의 프로토콜을 매개로 하거나 혹은 단순한 선 연결을 매개로 하여, 외부 전자 하우징과 통신하기 위한 커넥터(653)가 또한 구비될 수 있다.
바람직하게는, 도 19에 도시되어 있듯이, 필터링 컨덴서(653)는 덮개(511)를 매개로 하여 연결될 수 있다. 파워 트레이스 Ua와 접지부 사이에서 접합되는 상기 컨덴서(653)는, 예를 들어 몰딩, 죔쇠 고정 혹은 접합을 통해 덮개에 통합된다. 마찬가지 방법으로, 컨덴서를 덮개의 약 파워 금속 트레이스들 사이에 위치시킬 수 있다.
도 21 및 도 22는 본 발명에 따라 메자닌을 형성하는 분산 지지대(113) 상에 제어 및 컨트롤 전자 장치를 통합하는 교류발전기의 후방 지지대를 형성하는 두 가지 실시예를 나타내고 있다.
상기 두 가지 실시예에 있어서, 고정용 단자(528a)는 전기적으로 절연되지 않으며, 그 결과 분산 지지대(113)도 전기적으로 절연되지 않는다. 그러므로 전자 모듈(100b)의 접지부는 단자(203a) 쪽으로 재배치된다.
도 21은 세 개의 모듈로 분산되어 있는 파워 전자 장치(100b)에 대한 것이다. 각 모듈들은 도 7에서 기술되었듯이 하나의 브리지 브랜치에 대응한다. 반면 도 22는 도 13에서 기술되었듯이 세 개의 브리지 브랜치를 단 하나의 모듈로 통합하는 파워 전자 장치의 배열에 대응한다.
상기 두 도면에서, 참조번호 100a는 연결 단자(203c)를 보유하는 관리(2) 모듈(100a)의 구역을 나타낸다.
도 21에 도시되어 있듯이, 파워 단자들(203a,203b)은 상기된 바와 같이 예를 들어 덮개(511)의 금속 트레이스 수준에서 단 한번의 작업을 통해 전기적으로 연결될 수 있도록 접합된다.
예를 들어 파워 모듈(100b)의 하우징(111) 내에 끼워지는 나사들(680)이 상기 파워 모듈을 분산장치(113)에 고정시키는 것을 보장해준다.

Claims (9)

  1. - 복수의 브랜치들(B1 내지 B3)를 가진 트랜지스터 브리지를 포함하는 파워 유닛(1),
    - 상기 교류발전기-스타터의 페이즈 전압()을 참조 전압(Ua, GND)과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 트랜지스터들을 제어하는 제어 유닛(50)을 포함하는,
    교류발전기-스타터(3), 전기 네트워크(Ua) 및 자동차의 접지선(GND) 사이에 연결되는 자동차용 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈(100)에 있어서,
    상기 제어 유닛(50)은,
    - 상기 브랜치의 트랜지스터 근처에서 연결되는, 상기 파워 유닛(1)의 트랜지스터들 브리지의 각 브랜치를 위한 드라이버(10,20,30),
    - 상기 드라이버들을 제어하기 위한 관리 회로(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 드라이버(10,20,30) 및 파워 유닛(1)은 첫 번째 층을 형성하고, 상기 관리 회로(2)가 두 번째 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관리 회로(2)는 상기 드라이버들로부터 멀리 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드라이버가 첫 번째 측면으로는 상기 관리 회로(2) 쪽으로 향하는 연결부들을 포함하고, 두 번째 측면으로는 상기 파워 유닛(1) 쪽으로 향하는 연결부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    교류발전기-스타터의 하우징 내부에 통합되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 첫 번째 층은 교류발전기-스타터의 하우징 내부에 통합되고, 상기 두 번째 층은 교류발전기-스타터의 하우징 외부에 있는 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    각각의 브랜치와 상기 브랜치를 제어하는 드라이버가 교류발전기-스타터의 페이즈 아웃풋 근처에 연결되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관리 회로(2)의 제어는 모든 드라이버들에 공통적인 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 트랜지스터는 병렬로 연결되는 다수의 트랜지스터의 집합체인 것을 특징으로 하는 컨트롤 및 파워 모듈.
KR10-2005-7000176A 2002-07-04 2003-07-04 통합된 교류발전기-스타터의 컨트롤 및 파워 모듈 KR20050012892A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

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