KR20080053020A - 3상 인버터 회로 및 이를 채용한 고집적 파워 모듈 - Google Patents

3상 인버터 회로 및 이를 채용한 고집적 파워 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 3상 인버터 회로는, 3상 부하(3-phase load)를 구동하기 위한 3상 인버터 회로에 있어서, 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자와, V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자와, W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자와, 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 제1 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제1 고전압 집적회로와, 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 제3 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제2 고전압 집적회로와, 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 제5 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제3 고전압 집적회로와, 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로, 및 모듈 내부의 온도에 대응되는 신호를 출력하는 써미스터를 구비한다.
3상 인버터, 파워 모듈, DIP, DBC 기판, 써미스터

Description

3상 인버터 회로 및 이를 채용한 고집적 파워 모듈{Three-phase inverter circuit and integrated power module having the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 인버터 회로 및 고집적 파워 모듈을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.
도 2는 저전압 집적회로의 저전압 락아웃 기능을 나타내는 타이밍도이다.
도 3a는 집적회로와 스위칭소자 사이에 롱 이너 본딩이 이루어진 경우의 간략한 회로도이다.
도 3b는 집적회로와 스위칭소자 사이에 숏 이너 본딩이 이루어진 경우의 간략한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 의한 인버터 모듈의 핀 배치를 나타내는 외형도이다.
도 5는 본 발명의 따른 인버터 모듈 패키지의 내부 구조를 나타내 보인 단면도이다.
본 발명은 인버터 회로 및 파워 모듈(power module)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동작특성이 향상된 3상(3-phase) 인버터 회로 및 이를 채용한 고집적 파 워 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 모터를 구동하는 모터 제어회로 등의 파워 일렉트로닉스(power electronics)에서는 스위칭소자로서 정격전압이 300V 이상인 영역에서는, 절연게이트형 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; 이하 IGBT라 칭함) 등의 전력용 반도체소자가 주로 사용되고 있다. 또한, IGBT나 다이오드 등의 전력 반도체소자는 하나의 패키지(package) 내에 탑재되어 파워모듈로서 전력변화장치 등에 사용되는 경우가 많다. 특히, 최근의 전자제품의 경박단소화로 이행되는 추세에 발맞추어 개발 및 연구의 초점이 경량화 및 고집적화에 모아지고 있고, 모듈화된 파워장치들이 개발되어 시판되고 있다.
이러한 모듈화된 파워장치에서 중요한 것은, 하나의 모듈 내에 가능한 많은 기능을 내장하면서도 부피를 작게 하고, 또한 소자에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하여 소자의 오동작 또는 파괴를 방지하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 열효율이 좋고 동작특성이 향상된 3상 인버터 회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기와 같은 3상 인버터 회로를 이용한 파워 모듈을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3상 인버터 회로는, 3상 부하(3-phase load)를 구동하기 위한 3상 인버터 회로에 있어서, 상기 3상 부하 에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자; 상기 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자; 상기 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자; 상기 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제1 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제1 고전압 집적회로; 상기 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제3 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제2 고전압 집적회로; 상기 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제5 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제3 고전압 집적회로; 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로; 및 모듈 내부의 온도에 대응되는 신호를 출력하는 써미스터를 구비한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 전력용 모스펫(MOSFET)이다.
상기 써미스터의 일단은 열저항을 측정하는 단자와 연결되고, 다른 일 단은 열전압을 측정하는 단자와 연결된다.
상기 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 상기 스위칭소자에 흐르는 출력되는 전류를 검출하기 위한 전류검출단자를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이고, 상기 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 에미터와 컬렉터에 그 양단이 접속된 프리휠링 다이오드(Free Wheeling Diode)를 더 구비할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 고집적 파워 모듈 은, 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자; 상기 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자; 상기 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자; 상기 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제1 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제1 고전압 집적회로; 상기 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제3 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제2 고전압 집적회로; 상기 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제5 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제3 고전압 집적회로; 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로; 및 모듈 내부의 온도에 대응되는 신호를 출력하는 써미스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로가 집적되고, 각 신호의 입출력을 위한 단자들이 양측으로 배열된 듀얼인라인패키지(Dual Inline Package; DIP) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 전력형 모스펫(MOSFET)인 것이 바람직하다.
상기 써미스터의 일단은 열저항을 측정하는 단자와 연결되고, 다른 일 단은 열전압을 측정하는 단자와 연결된다.
상기 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 상기 스위칭소자에 흐르는 출력되는 전류를 검출하기 위한 전류검출단자를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판 상에 배치되고, 상기 DBC 기판의 바닥면만 외부로 노출되도록 전면에 몰딩재가 배치된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 인버터 회로 및 파워 모듈을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 인버터 회로(100)는, 고압측 구동부와 저압측 구동부로 이루어져 있다. 고압측 구동부는 세 개의 고전압 집적회로(HVIC)와 각 고전압 집적회로와 연결된 스위칭소자들로 이루어져 있고, 저압측 구동부는 하나의 저전압 집적회로(LVIC)와 이에 연결된 세 개의 스위칭소자들로 이루어져 있다.
고압측 구동부는, 예를 들어 3상 모터와 같은 3상 부하(load)의 U상을 구동하기 위한 U상 고전압 집적회로(110U) 및 제1 스위칭소자(120U)와, V상을 구동하기 위한 V상 고전압 집적회로(110V) 및 제2 스위칭소자(120V), 그리고 W상을 구동하기 위한 W상 고전압 집적회로(110W) 및 제3 스위칭소자(120W)를 포함한다.
상기 고압측 구동부의 제1, 제2 및 제3 스위칭소자(120U, 120V, 120W)는 도시된 것과 같이 절연게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 전력형 n모스트랜지스터(power nMOSFET) 같이 다른 전력형 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
고압측 구동부의 U상 고전압 집적회로(110U)는 고압측 플로팅전압단자(VB), 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN), 출력단자(OUT) 및 U상 고압측 플로팅리턴전압단자(VS)를 갖는다.
고압측 플로팅전압단자(VB)는 외부로부터 고압측 플로팅전압(VB(U))을 입력받는 데 사용된다. 공급전압단자(VCC)는 외부로부터 공급전압(Vcc (V))을 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용된다. 입력단자(IN)는 외부로부터 U상 구동용 입력신호(IN( UH ))를 입력받는 데 사용된다.
고압측 플로팅리턴전압단자(VS)는 U상 출력단자(U)에 연결되어 U상 출력전류를 검출하는 데 이용된다. 출력단자(OUT)는 입력단자(IN)를 통해 입력되는 U상 구동용 입력신호(IN( UH ))에 의해 고압측 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. U상 고전압 집적회로(110U)의 출력단자(OUT)로부터 출력된 신호는 제1 스위칭소자(120U)의 게이트로 입력되어 제1 스위칭소자(120U)를 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off)시킨다.
고압측 구동부의 V상 고전압 집적회로(110V)는 고압측 플로팅전압단자(VB), 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN), 출력단자(OUT) 및 V상 고압측 플로팅리턴전압단자(VS)를 갖는다.
고압측 플로팅전압단자(VB)는 외부로부터 고압측 플로팅전압(VB(V))을 입력받는 데 사용되고, 공급전압단자(VCC)는 외부로부터 공급전압(Vcc (V))을 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용되고, 입력단자(IN)은 외부로부터 V상 구동용 입력신호(IN( VH ))를 입력받는 데 사용된다.
고압측 플로팅리턴전압단자(VS)는 V상 출력단자(V)에 연결되어 V상 출력전류를 검출하는 데 이용된다. 출력단자(OUT)는 입력단자(IN)를 통해 입력되는 V상 구동용 입력신호(IN( VH ))에 의해 고압측 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. V상 고전압 집적회로(110V)의 출력단자(OUT)로부터 출력된 신호는 제2 스위칭소자(120V)의 게이트로 입력되어 제2 스위칭소자(120V)를 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off)시킨다.
그리고, 고압측 구동부의 W상 고전압 집적회로(110W)는 고압측 플로팅전압단자(VB), 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN), 출력단자(OUT) 및 W상 고압측 플로팅리턴전압단자(VS)를 갖는다.
고압측 플로팅전압단자(VB)는 외부로부터 고압측 플로팅전압(VB(W))을 입력받는 데 사용되고, 공급전압단자(VCC)는 외부로부터 공급전압(Vcc (W))을 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용되고, 입력단자(IN)는 외부로부터 W상 구동용 입력신호(IN( WH ))를 입력받는 데 사용된다.
고압측 플로팅리턴전압단자(VS)는 W상 출력단자(W)에 연결되어 W상 출력전류 를 검출하는 데 이용된다. 출력단자(OUT)는 입력단자(IN)를 통해 입력되는 W상 구동용 입력신호(IN( WH ))에 의해 고압측 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. W상 고전압 집적회로(110W)의 출력단자(OUT)로부터 출력된 신호는 제3 스위칭소자(120W)의 게이트로 입력되어 제3 스위칭소자(120W)를 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off)시킨다.
고압측 구동부의 제1 스위칭소자(120U)의 컬렉터에는 모터구동을 위한 전원단자(P)가 연결되고, 게이트에는 U상 고전압 집적회로(110U)의 출력단자(OUT)가 연결되며, 에미터에는 U상 출력단자(U)가 연결된다. 상기 제1 스위칭소자(120U)의 컬렉터와 에미터 사이에는 프리휠링 다이오드(Free Wheeling Diode)(130U)가 역병렬(anti-parallel)로 연결된다.
고압측 구동부의 제2 스위칭소자(120V)의 컬렉터에는 모터구동을 위한 전원단자(P)가 연결되고, 게이트에는 V상 고전압 집적회로(110V)의 출력단자(OUT)가 연결되며, 에미터에는 V상 출력단자(V)가 연결된다. 상기 제2 스위칭소자(120V)의 컬렉터와 에미터 사이에는 프리휠링 다이오드(130V)가 역병렬로 연결된다.
마찬가지로, 고압측 구동부의 제3 스위칭소자(120W)의 컬렉터에는 모터구동을 위한 전원단자(P)가 연결되고, 게이트에는 W상 고전압 집적회로(110W)의 출력단자(OUT)가 연결되며, 에미터에는 W상 출력단자(W)가 연결된다. 상기 제3 스위칭소자(120U)의 컬렉터와 에미터 사이에도 프리휠링 다이오드(130W)가 역병렬로 연결된다.
인버터 회로에서는 부하(load)인 모터가 유도성이기 때문에 프리휠링 다이오드가 필요하다. 부하(load)에 흐르는 전류가 차단되어 모터의 L로 축적되는 에너지가 순간 해방되면, IGBT의 특성을 손실시키기에 충분하고도 남는 정도의 대전력이 발생한다. IGBT의 스위칭동작에 의해 모터에 흐르는 전류를 급격히 차단하고자 하면, 개방되는 에너지에 의해 IGBT의 특성에 현저한 열화가 발생한다. 따라서, IGBT가 턴-오프된 동안 모터에 흐르는 전류를 프리휠링 다이오드에 의해 우회환류시켜 모터를 흐르는 전류 자체는 스위칭에 의해 변화되지 않도록 한다.
한편, 저압측 구동부는 저전압 집적회로(110L)와, 상기 저전압 집적회로(110L)로부터 출력되는 U상, V상 및 W상의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭동작을 수행하는 제4, 제5 및 제6 스위칭소자(121U, 121V, 121W)로 구성되어 있다. 상기 저압측 구동부의 제4, 제5 및 제6 스위칭소자(121U, 121V, 121W)도 절연게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 전력형 n모스트랜지스터(power nMOSFET) 같이 다른 전력형 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
저압측 구동부의 저전압 집적회로(110L)는 단락전류단자(CSC), 폴트-아웃 듀레이션 단자(CFOD), 폴트-아웃단자(VFO), 입력단자(IN(UL), IN(VL), IN(WL)), 공통접지단자(COM), 공급전압단자(VCC) 및 출력단자(OUT(UL), OUT(VL), OUT(WL))를 갖는다.
단락전류단자(CSC)로는 단락전류를 검출하기 위한 션트 저항(shunt resistor)이 연결된다. 상기 션트 저항의 다른 일 단은 저전압 집적회로의 공통접지단자(COM)와 연결된다. 폴트-아웃 듀레이션 단자(CFOD)로는 폴트-아웃 펄스의 길 이를 결정하기 위한 캐패시터가 연결된다. 폴트-아웃 펄스의 길이는 상기 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다.
저전압 집적회로(110L)의 폴트-아웃단자(VFO)는 외부로 폴트-아웃신호(VFO)를 출력하거나 외부로부터 폴트-아웃신호(VFO)를 입력받는 데 사용된다. 구체적으로, 내부에서 폴트(fault)가 검출되었을 때, 예컨대 과전류가 검출되거나 공급전압(Vcc)이 낮게 입력되는 경우, 소자가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 폴트-아웃신호(VFO)를 출력하고, 인버터 모듈(100)을 셧다운(shutdown)시킨다. 또는, 외부에서 임의로 인버터 모듈(100)을 셧다운시키기 위하여 폴트-아웃신호(VFO)를 폴트-아웃단자(FO)를 통해 입력시킬 수도 있다.
저전압 집적회로(110L)의 입력단자(IN(UL), IN(VL), IN(WL)) 각각 저압측의 U상, V상 및 W상 입력신호를 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용되고, 공급전압단자(VCC)는 공급전압을 입력받는 데 사용된다. 출력단자(OUT(UL), OUT(VL), OUT(WL))는 각각 저압측 스위칭소자를 구동하기 위한 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. 저전압 집적회로의 출력단자(OUT(UL), OUT(VL), OUT(WL))로부터 출력된 출력신호는 제4, 제5 및 제6 스위칭소자(121U, 121V, 121W)의 각 게이트로 입력되어 제4, 제5 및 제6 스위칭소자(121U, 121V, 121W)를 턴-온 또는 턴-오프시킨다.
상기 제4 스위칭소자(121U)의 컬렉터는 제1 스위칭소자(120U)의 에미터와 연 결되고, 제5 스위칭소자(121V)의 컬렉터는 제2 스위칭소자(120V)의 에미터와 연결되고, 제6 스위칭소자(121W)의 컬렉터는 제3 스위칭소자(120W)의 에미터와 연결된다. 즉, 각 상의 고압측 및 저압측 스위칭소자는 서로 다른 집적회로에 의해 제어된다. 그리고, 저압측 제4, 제5 및 제6 스위칭소자의 컬렉터와 에미터 사이에도 프리휠링 다이오드(131U, 131V, 131W)가 역병렬로 연결된다.
한편, 본 발명의 상기 고전압 집적회로(110U, 110V, 110W)와 저전압 집적회로(110L)는 스위칭소자들이 불충분한 구동전압 하에서 동작하는 것을 방지하기 위한 저전압 락아웃(Low Voltage Lock Out) 기능을 갖는다. 스위칭소자들을 제어 및 구동하기 위한 구동전압은 모듈의 공급전압단자(VCC)와 공통접지단자(COM) 사이에 연결된 15V의 직류전원으로부터 공급된다. 안정된 동작을 위하여 이 전압은 15V ± 10% 정도로 조절된다. 구동전압(VCC, VBS)이 소정의 저전압 락아웃 레벨보다 낮은 레벨로 떨어질 경우, 고전압 집적회로(110U, 110V, 110W)에 연결된 스위칭소자들(120U, 120V, 120W) 및 저전압 집적회로(110L)에 연결된 스위칭소자들(121U, 121V, 121W)은 입력펄스신호에 상관없이 턴-오프되어 전류가 흐르지 않도록 한다.
도 2는 저전압 집적회로의 저전압 락아웃 기능을 설명하기 위하여 도시한 타이밍도로서, (A)는 입력 펄스신호를, (B)는 락아웃 신호를, (C)는 공급전압을, (D)는 스위칭소자의 출력전류를, 그리고 (E)는 폴트-아웃신호를 각각 나타낸다.
먼저, 공급전압(C)이 입력되어 기준전압 이상이 되면(a1) 락아웃 신호(B)가 리세트(reset)되고 폴트아웃신호(E)가 상승한다. 락아웃 신호(B)가 리세트된 상태에서 다음 입력 펄스신호(A)가 입력되면, 저전압 집적회로에 연결된 스위칭소자들 이 턴-온되어 전류가 출력되고(a2), 스위칭소자는 입력펄스신호(A)에 따라 스위칭 동작을 한다. 공급전압이 기준레벨 이하로 떨어지면(a3), 락아웃 신호(b)가 세트되고, 폴트아웃신호(E)가 하강한다. 이때, 스위칭소자는 턴-오프되고(a4), 입력펄스신호에 상관없이 공급전압이 기준전압 이상이 될 때(a6)까지 턴-오프 상태를 유지하여 전류가 흐르는 것을 차단한다.
이러한 이상 동작상태에서의 노이즈(noise)를 제거하기 위하여 필터(filter)가 고전압 집적회로 및 저전압 집적회로 내에 내장될 수 있다. 고전압 집적회로의 경우에도 동일한 방식으로 저전압 락아웃 기능을 하므로, 그 설명을 생략하기로 한다
또한, 상기 저전압 집적회로(110L)에는 단락회로(short circuit)가 형성될 경우 모듈내의 소자를 보호하는 기능이 내장된다. 즉, 저전압 집적회로(110L)는 단락전류단자(CSC)로 입력되는 전압을 모니터링(monitoring)하여 이 전압이 소정의 기준전압(VSC( ref ))을 초과할 경우, 폴트-아웃신호를 발생시키고 저압측 스위칭소자들(121U, 121V, 121W)을 턴-오프시킨다. 이를 위하여 저압측 구동부의 제4, 제5 및 제6 스위칭소자(121U, 121V, 121W)의 에미터는 전류검출을 위한 전류검출단자(NU, NV, NW)와 연결된다.
또한, 상기 저전압 집적회로(110L)는 소프트-스위칭(soft-switching) 기능을 갖는다. 상기 저전압 집적회로(110L)와 연결된 스위칭소자, 즉 IGBT는 하드 오프(hard off)될 경우 약 100V 정도로 큰 오버-슛(over shoot) 전압을 발생시키기 때문에 소자에 치명적인 영향을 미치게 된다. 하드-오프(hard-off)는 주로 단락회로가 형성될 경우에 발생되는데, 단락회로가 형성될 경우 폴트-아웃단자(VF0)를 통해 마이컴(도시되지 않음)으로 폴트-아웃신호가 전달된다. 마이컴에서는 모듈을 보호하기 위하여 스위칭소자를 턴-오프시키는 명령을 내려 모듈을 셧다운시키게 된다. 이때, 저전압 집적회로(110L) 내에 내장된 보호회로가 활성화되어 상기 스위칭소자가 천천히 오프되도록 하는 소프트-스위칭이 수행된다. 이렇게 소프트-오프가 이루어질 경우에는 오버슛 전압은 30 내지 50V 정도가 된다.
이와 같이, 구동전압이 일정 레벨보다 떨어질 경우 또는 단락회로가 형성되어 과도한 전류가 흐를 경우 스위칭소자들을 턴-오프시키기 때문에 이상동작에 의한 소자의 손상 또는 파괴를 방지할 수 있다. 또한, 소프트-스위칭 동작이 수행되도록 함으로써 과도한 오버슛전압으로 인해 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
저압측 구동부의 U상 스위칭소자(121U)의 컬렉 터에는 U상 출력단자(U)가 연결되고, 게이트에는 저전압 집적회로(110L)의 U상 출력단자(OUT(UL))가 연결되며, 에미터에는 U상 출력신호의 전류를 검출하는 데 이용되는 U상 전류검출단자(NU)가 연결된다.
그리고, 저압측 구동부의 V상 스위칭소자(121V)의 컬렉터에는 V상 출력단자(V)가 연결되고, 게이트에는 저전압 집적회로(110L)의 V상 출력단자(OUT(VL))가 연결되며, 에미터에는 V상 출력신호의 전류를 검출하는 데 이용되는 V상 전류검출단자(NV)가 연결된다.
마찬가지로, 저압측 구동부의 W상 스위칭소자(121W)의 컬렉터에는 W상 출력단자(W)가 연결되고, 게이트에는 저전압 집적회로(110L)의 W상 출력단자(OUT(WL))가 연결되며, 에미터에는 W상 출력신호의 전류를 검출하는 데 이용되는 W상 전류검출단자(NW)가 연결된다.
이와 같이 본 발명의 인버터 모듈은 각 상(phase)마다 전류검출을 위한 단자가 마련되어 있기 때문에 U상, V상 및 W상 전류의 검출을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 단락회로가 형성되어 과전류가 발생할 경우 이를 용이하게 검출하여 소자가 파괴되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 모듈 외부에 과전류 검출을 위한 장치를 별도로 구성하지 않아도 되므로 시스템의 부피를 줄이고, 제조단가를 절감할 수도 있다.
한편, 본 발명의 인버터 모듈에는 인버터 모듈의 내부온도를 감지하여 내부 회로를 보호하기 위한 써미스터(thermistor)(140)가 집적된다. 상기 써미스터(140)는 예를 들어 온도가 상승하면 전기저항이 감소하는 특징을 갖는 NTC 써미스터로서, 일 단은 모듈(100) 내부의 온도변화에 따른 전기저항값을 측정할 수 있는 열저항단자(RTH)와 연결되고, 다른 일 단은 해당 전기저항에 따른 전압을 출력하는 열전압단자(VTH)와 연결된다. 상기 써미스터(140)는 인버터 모듈(100) 내부의 온도를 감지하고, 감지된 온도에 대응되는 전압을 출력한다. 이와 같이 써미스터(140)를 모듈 내에 집적하면 모듈 내부의 온도 변화를 용이하게 파악할 수 있고, 과도한 온도의 변화로 인한 소자의 오동작 또는 파괴를 사전에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 인버터 모듈에 따르면, 고전압 집적회로의 플로팅리턴전압단자(VS)와 모듈의 출력단자(U, V, W)를 연결하는 내부 리드(inner lead)(도면에서 굵은 선으로 표시됨)가 길게 이루어져 있는데, 그 이유는 다음과 같다.
도 3a는 집적회로(210)와 스위칭소자(220) 사이에 숏 이너 본딩(short inner bonding)이 이루어진 경우의 간략한 회로도이고, 도 3b는 집적회로(210)와 스위칭소자(220) 사이에 롱 이너 본딩(long inner bonding)이 이루어진 경우의 간략한 회로도이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 집적회로(210)와 스위칭소자(220)를 연결하는 배선이 존재하면 두 소자 사이에 기생 인덕턴스(stray inductance)(LS)가 형성된다. 이러한 경우에, 예를 들어 단락회로(short circuit)가 발생하면, 스위칭소자(220)인 IGBT에는 IGBT의 정격치보다 10배 이상의 큰 전류가 흐를 수 있다. 이때 IGBT의 컬렉터에 흐르는 전류(IC)는 게이트-에미터 간 전압(Vge)에 대응해서 증가된다. 그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 롱 이너 본딩에 의해 집적회로(210)와 IGBT(220)가 연결되어 있을 경우, 기생 인덕턴스(LS)에 유도된 전압이 IGBT의 컬렉터 전류의 기울기(di/dt)를 감소시키게 된다. 따라서, 과도한 크기의 전류가 IGBT에 급격하게 유입되는 것을 방지하여 소자의 오동작을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 인버터 모듈의 핀 배치를 나타내는 외형도로서, 각 핀의 명칭은 도 1에 도시된 단자의 명칭과 대응된다.
도 4를 참조하면, 인버터 모듈(300)의 좌측에는, 위로부터 저압측에 대한 공 급전압단자(VCC (L)), 공통접지단자(COM(L)), 입력단자(IN( UL ), IN( VL ), IN( WL )), 폴트아웃-단자(VFO), 폴트-아웃 듀레이션 단자(CFOD) 및 단락전류단자(CSC)가 차례로 배치된다. 이어서, 고압측 구동부의 U상에 대한 플로팅리턴전압단자(VS (U)), 입력단자(IN( UH )), 전압공급단자(VCC( UH )), 플로팅전압단자(VB(U))가 차례로 배치되고, 고압측 구동부의 V상에 대한 플로팅리턴전압단자(VS (V)), 입력단자(IN( VH )), 고압측 공통접지단자(COM(H)), 전압공급단자(VCC ( VH )), 플로팅전압단자(VB(V))가 배치되고, 고압측 구동부의 W상에 대한 플로팅리턴전압단자(VS (W)), 입력단자(IN( WH )), 전압공급단자(VCC ( WH )) 및 플로팅전압단자(VB(W))가 차례로 배치된다.
그리고, 인버터 모듈 패키지의 우측에는, 위로부터 열전압 검출단자(VTH), 열저항 검출단자(RTH), U상 전류검출단자(NU), V상 전류검출단자(NV), W상 전류검출단자(NW), U상 출력신호단자(U), V상 출력신호단자(V), W상 출력신호단자(W) 및 모터 구동용 전원단자(P)가 순서대로 배치된다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 인버터 모듈은 핀(220)들이 패키지(310)의 양 측면으로 배치되는 듀얼 인라인 패키지(Dual Inline Package; DIP) 구조로 되어 있다.
도 5는 본 발명의 따른 인버터 모듈의 내부 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 디비씨(Direct Bonding Copper; DBC) 기판(410) 위에 전력 용소자(420)가 배치되고, 이와 이격되어 리드프레임(430) 상에 제어회로 부품(440)이 배치된다. 나머지 공간에는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound; EMC)와 같은 몰딩재료(450)가 채워지고, 몰딩재료의 양측면으로 외부 리드(470)들이 배치된다.
상기 전력용소자(420)는, 예를 들어 IGBT 또는 모스펫(MOSFET)과 같은 스위칭소자(421)와, 프리휠링 다이오드(422) 및 써미스터(423)가 될 수 있으며, 상기 제어회로부품(440)은 예를 들어 고전압 또는 저전압 집적회로가 될 수 있다. 제어회로부품(440)이 탑재된 리드프레임(430)과 전력용소자(420)는 전도성이 좋은 알루미늄 와이어(Al wire)(460)에 의해 서로 연결된다. 상기 DBC 기판(410)은 절연내압이 우수하고 열전도성이 우수하며, 그 바닥면이 외부로 노출되어 있기 때문에 소자에서 발생되는 열을 패키지 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 회로 및 파워 모듈에 따르면, 다음과 같은 여러 가지 이점이 있다.
첫째, 저전압 락아웃 및 과전류 보호기능이 집적회로에 내장되어 있어 저전압 및 과전류 상태에서 소자의 손상 또는 파괴되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
둘째, 소프트-스위칭 기능이 내장되어 있어, 하드-스위칭에 의해 과도한 오버슛 전압을 방지할 수 있다.
셋째, 전류검출을 위한 단자들이 패키지 외부로 오픈되어 있어 전류검출을 용이하게 할 수 있다.
넷째, 고전압 집적회로와 스위칭소자들이 롱 이너 본딩(long inner bonding)에 의해 연결되어 있기 때문에, 기생 인덕턴스(LS)에 유도된 전압이 IGBT의 컬렉터 전류의 기울기(di/dt)를 감소시켜 과도한 크기의 전류가 IGBT에 급격하게 유입되는 것을 방지하여 소자의 오동작을 방지할 수 있다.
다섯째, 써미스터가 모듈 내에 집적되어 있으므로, 모듈 내부의 온도 변화를 용이하게 파악할 수 있고 과도한 온도의 변화로 인한 소자의 오동작 또는 파괴를 방지할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.

Claims (10)

  1. 3상 부하(3-phase load)를 구동하기 위한 3상 인버터 회로에 있어서,
    상기 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자;
    상기 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자;
    상기 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자;
    상기 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제1 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제1 고전압 집적회로;
    상기 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제3 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제2 고전압 집적회로;
    상기 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제5 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제3 고전압 집적회로;
    상기 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로; 및
    모듈 내부의 온도에 대응되는 신호를 출력하는 써미스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 전력용 모스펫(MOSFET)인 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 써미스터의 일단은 열저항을 측정하는 단자와 연결되고, 다른 일 단은 열전압을 측정하는 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 상기 스위칭소자에 흐르는 출력되는 전류를 검출하기 위한 전류검출단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이고, 상기 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 에미터와 컬렉터에 그 양단이 접속된 프리휠링 다이오드(Free Wheeling Diode)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로.
  6. 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자;
    상기 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자;
    상기 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자;
    상기 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제1 스위칭소자와 가능 한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제1 고전압 집적회로;
    상기 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제3 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제2 고전압 집적회로;
    상기 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하며, 상기 제5 스위칭소자와 가능한 긴 내부리드(inner lead)로 연결되는 제3 고전압 집적회로;
    상기 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로; 및
    모듈 내부의 온도에 대응되는 신호를 출력하는 써미스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터 회로가 집적되고,
    각 신호의 입출력을 위한 단자들이 양측으로 배열된 듀얼인라인패키지(Dual Inline Package; DIP) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고집적 파워 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 전력형 모스펫(MOSFET)인 것을 특징으로 하는 고집적 파워 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 써미스터의 일단은 열저항을 측정하는 단자와 연결되고, 다른 일 단은 열전압을 측정하는 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 고집적 파워 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 상기 스위칭소자에 흐르는 출력되는 전류를 검출하기 위한 전류검출단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 고집적 파워 모듈.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판 상에 배치되고, 상기 DBC 기판의 바닥면만 외부로 노출되도록 전면에 몰딩재가 배치되는 것을 특징으로 하는 고집적 파워 모듈.
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