KR20090028733A - 전기적으로 동력 및 냉각 장치를 제어하기 위한 회로 장치 - Google Patents

전기적으로 동력 및 냉각 장치를 제어하기 위한 회로 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 및 적어도 하나의 방열장치 (101a ~ 101c) 를 포함하는, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치에 관한 것이다. 적어도 하나의 방열장치 (101a ~ 101c) 는 적어도 하나의 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 와 열접촉한다. 적어도 하나의 방열장치 (101a ~ 101c) 는 고정적으로 미리 정해진 전기 전위 (103a ~ 103c) 에 고정되고 적어도 하나의 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 로부터 전기적으로 절연되도록 배치된다.
Figure P1020087032061
제어 회로 장치

Description

전기적으로 동력 및 냉각 장치를 제어하기 위한 회로 장치{CIRCUIT ARRANGEMENT FOR ELECTRICALLY CONTROLLING POWER AND COOLING ARRANGEMENT}
본 발명은 전기적으로 동력을 제어하기 위한 전자 회로 장치에 관한 것이고, 특히 예를 들어 사이리스터 (thyristor) 요소, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 동력 필드 효과 트랜지스터와 같은, 동력 제어 장치에 배치된 동력 반도체 구성요소에서 방열시키는 장치에 관한 것이다.
이러한 동력 반도체 구성요소 및 회로 장치의 나머지 또는 환경 간의 인터페이스는, 동력 반도체 구성요소와 열적 인터페이스의 전기 연결을 위한 전기 인터페이스를 포함하고, 이 인터페이스는 특히 동력 반도체 구성요소가 작동하는 동안 발생하는 열을 효율적으로 방열하도록 설계된다.
특히, 본 발명은 동력 반도체 구성요소가 있는, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치에 관한 것이고, 이 회로 장치에는 적어도 하나의 동력 제어 장치 및 적어도 하나의 동력 제어 장치와 열접촉하는 적어도 하나의 방열장치가 포함된다.
동력 제어 장치에서 발생하는 열을 방열시키기 위한 방열장치는 특히 전자 구성요소와 열적으로 전기적으로 전도성이 있는 방열장치 사이에 과도하게 큰 전압 차를 피하도록 설계된다.
전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치는, 예컨대 동력 반도체 구성요소와 같은 개별 회로 구성요소들 간, 이 구성요소들 서로간, 구성요소와 예컨대 냉각 요소와 같은 대응 방열장치 사이에 전압차를 갖고 있고, 이 전압차는 브레이크다운 (breakdown) 전압을 통해 매우 높은 값이 될 수 있다.
종래 기술에 따른 회로 장치에서, 동력 반도체 구성요소는 접지에 연결되고 따라서 접지되거나 접지 전위에 놓이게 되는 방열장치에 배치된다. 3 상 AC 전류 및 AC 전압을 제어하기 위한 이러한 통상적인 동력 제어 장치에서는 하나의 방열장치에 모든 동력 제어 모듈이 배치되고, 이 방열장치는 도 1 에 나타난 바와 같이 예컨대 접지 (M) 와 같이, 0 볼트에 고정되거나 연결된다. 도 1 에 따른 회로 장치는 3 상 AC 전류 및 AC 전압의 동력 제어를 위한 3 중 방식으로 설계된다. 도 1 의 회로 장치는 3 개의 전환 유닛 (E1, E2 및 E3) 을 포함한다. 각각의 전환 유닛 (E1, E2 및 E3) 은 각각 직렬로 연결된 반도체 구성요소 (T1a, T2a 및 T3a, T4a) 로 형성된다.
두 저항 (R1, R2) 을 포함하는 직렬 회로를 통해 캐퍼시터 (C1) 가 방전된다. 도 1 에서 다른 두 개의 동력 제어 장치 (E2, E3) 도 유사한 방식으로 형성된다. 모든 동력 반도체 구성요소 (T1a, T2a, ..., T3c, T4c) 는 냉각을 위한 방열장치 (W0) 에 배치된다.
상기 방열장치 (W0) 는 양호한 열전도성 및 높은 전기 전도성을 갖고 있다. 회로 장치가 작동하는 동안, 한편으로는 동력 반도체 구성요소의 연결지점과 다 른 한편으로는 방열장치 (W0) 사이의 전압 차가 미리 정해진 특정 최대 전위차 값 (다시 말해, 브레이크다운 전압) 을 넘지 않도록 주의를 기울여야 한다.
도 2 에 나타난 바와 같이, 이 문제를 해결하기 위해 각각의 경우 한 쌍의 동력 반도체 구성요소에 대해 개별적인 방열장치 (W1, W2, W3, W4, W5, W6) 를 제공하는 것이 제안되어 왔다. 도 1 에 나타난 바와 같이, 이러한 장치는 모든 동력 반도체 구성요소와 하나의 방열장치 (W0) 간의 큰 전위차를 피할 수 있음에도 불구하고, 요구되는 회로 구성요소의 수는 불리하게도 증가하게 된다.
불리하게도, 이러한 장치는 단일 구성요소 또는 이중 구성요소 장치에 대해서만 제공될 수 있다. 따라서 대응하는 열 전도 장치 (W1 ~ W6) 의 전위는 두 동력 반도체 구성요소 사이의 중앙 전위에 고정되고, 이는 링크 전압의 대략 1/4 까지 전압 부하를 제한한다.
도 2 에 나타난 회로 장치의 중대한 단점은, 3 상 시스템 (도 2 는 단지 1 상에 대한 회로 구성요소를 나타낸다) 에 대한 18 개의 방열장치의 경우와 같이, 이렇게 다수의 방열장치는 고장이 생길 여지가 아주 많고 또한 비싸다는 사실에 있다.
더욱이, H 브릿지 모듈은 공통의 중앙 전위 지점을 갖고 있지 않기 때문에,부적절하게도 H 브릿지 모듈에 대해서는 이러한 방열 장치를 제공할 수 없다. 따라서, 도 2 에 따라 제안된 해결방안은 단일 스위치 패키지나 이중 스위치 패키지의 유전체 전압 부하를 줄일 수 있으나, 불리하게도 이러한 유형의 냉각 방법은 H 브릿지 모듈과 같이 더욱 최근의 장치에 대해서는 사용될 수 없다.
EP 0933 867 A1 은 전기적으로 동력을 제어하기 위한 신규한 전자 회로 장치를 설명하고 있고, EP 0933 867 A1 의 도 2b 에서는 (이하에서 사용된 참조 부호는 EP 0933 867 A1 을 참조한다), 방열장치 (14) 가 동력 제어 장치 (10) 에 전기적으로 연결되어 있고, 전기 절연체 (13) 가 오직 방열장치 (14) 와 냉각 핀 (0) 사이에만 배치되며, 방열장치 (14) 와 동력 제어 장치 (10) 사이에는 배치되지 않는다.
전기적으로 동력을 제어하기 위한 또 다른 신규한 전자 회로 장치가 EP 0 802 619 A1 에 나타나 있다.
동력 반도체 구성요소와 회로 장치의 나머지 또는 환경 간의 열적 인터페이스는 방열을 위한 역할을 한다. 동력 반도체 구성요소를 전기적으로 연결하기 위한 전기 인터페이스가 추가적으로 제공된다. 결과적으로, 전자 구성요소와 방열장치 사이에 전위차가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 높은 전압 브레이크다운 강도와 함께 적은 수의 개별적인 구성요소를 갖는, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 동력 제어 모듈 또는 동력 제어 장치에 대한 효과적인 방열장치를 제공하는 것이다.
청구항 1 항의 특징을 포함하는, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치에 의해, 이 목적은 본 발명에 따라 달성할 수 있다. 본 발명의 추가적인 구성은 종속항에 나타난다.
본 발명의 중심 사상은 최소 개수의 방열장치를 제공하는 것이고, 이 방열장치 각각은 고정적으로 미리 정해진 전기 전위에 고정되게 된다. 고정적으로 미리 정해진 전위는 바람직하게는 동력 제어 모듈에 속하는 두 동력 제어 장치 사이의 중간 전위이다.
따라서, 본 발명의 기본 사상은, 동력 제어 모듈의 개별적인 동력 제어 장치 사이의 각각의 중앙 전위에 대칭으로 고정되는 단지 3 개의 방열장치만을 상마다 제공하는 것이다. 이를 통해, 첫번째로 동력 반도체 구성요소 및 이에 대응하는 방열장치 간의 전압 부하를 최적으로 줄일 수 있고, 사용되는 구성요소의 수는 종래 기술에 대해 줄어들게 된다.
더욱이, 이러한 구성은 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치가 이중 H 브릿지 형태로 설계되도록 할 수 있다. 이 경우, 4.16 kV 로 설계된 구동기 유닛에 대해 3.3 kV 의 표준 구성요소가 사용될 수 있다.
전기적으로 동력을 제어하기 위한 본 발명에 따른 회로 장치는 적어도 하나의 동력 제어 장치 및 적어도 하나의 동력 제어 장치와 열접촉하는 적어도 하나의 방열장치를 포함하고, 방열장치는 고정적으로 미리 정해진 전기 전위에 고정된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 방열장치는 적어도 하나의 동력 제어 장치로부터 전기적으로 절연되도록 배치된다. 결과적으로, 바람직하게는 동력 반도체 구성요소 및 이에 대응하는 방열장치 간의 전압 부하를 더 줄일 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 개선 구성에 따르면, 동력 제어 장치는 적어도 두 개의 동력 반도체 구성요소를 포함하는 직렬 회로에 의해 형성된다. 이 경우, 한 쌍의 동력 제어 장치는 동력 제어 모듈을 형성한다. 하나의 상을 제어하기 위해 적절하게는 세 개의 동력 제어 모듈이 필요하다.
모듈의 동력 제어 장치는 바람직하게는 방전 저항을 포함하는 직렬 회로를 통해 서로 연결된다.
본 발명의 또다른 바람직한 개선 구성에 따르면, 적어도 하나의 방열장치가 고정되는, 고정적으로 미리 정해진 전기 전위는 방전 저항에 의해 결정된다. 이 경우, 방전 저항은 전압 분할기 저항을 나타낸다.
본 발명의 또다른 바람직한 개선 구성에 따르면, 방열장치가 고정되는, 고정적으로 미리 정해진 전기 전위는 접지 전위에 대해 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치의 링크 전압의 1/4 에 달한다.
본 발명의 또다른 바람직한 개선 구성에 따르면, 동력 제어 장치는 동력 제어 모듈을 형성하도록 서로에 할당된 제 1 및 제 2 동력 제어 장치를 포함하고, 제 1 및 제 2 동력 제어 장치의 방전 저항은 고정적으로 미리 정해진 전기 전위를 제 1 및 제 2 동력 제어 장치의 연결 지점 사이의 중앙 전위에 고정시킨다.
바람직하게는, 다른 동력 모듈의 다른 방열장치가 고정적으로 미리 정해진 다른 전기 전위에 서로 독립적으로 고정된다.
본 발명의 또다른 바람직한 개선 구성에 따르면, 적어도 하나의 방열장치는 연결 유닛에 추가적으로 전기적으로 전도성 있게 연결되고, 이 연결 유닛은 동력 제어 장치의 적어도 두 개의 동력 반도체 구성요소를 서로 전기적으로 연결한다.
이러한 유형의 회로 장치, 즉 효과적으로 방열이 되는 전기 동력 제어를 제공하는 회로 장치로 본 발명에 따른 목적을 달성할 수 있고, 적은 수의 구성요소가 필요하며, 높은 전압 브레이크다운 강도를 동시에 얻을 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태는 도면에 나타나 있고, 이하의 실시예에서 더 자세히 설명될 것이다.
도 1 은 한 개의 방열장치가 있는, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 통상적인 회로 장치를 나타낸다.
도 2 는 다수의 유동 (floating) 방열장치가 있는, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 또 다른 통상적인 회로 장치를 나타낸다
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른, 전기적으로 고정된 방열장치가 있는 동력 제어 장치를 나타낸다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
101a ~ 101c : 방열장치 102 : 접지 전위
103a ~ 103c : 방열장치의 전기 전위
104a ~ 104c : 제 1 연결 유닛 105a ~ 105c : 제 2 연결 유닛
200a, 200b, 200c : 동력 제어 모듈
201a ~ 201c : 제 1 동력 제어 장치
202a ~ 202c : 제 2 동력 제어 장치
E : 링크 전압 전위 C1 ~ C2 : 캐퍼시터 유닛
R1 ~ R6 : 방전 저항 T1 ~ T6 : 동력 반도체 구성요소
X1 ~ X3 : 기준 전위 검출 유닛
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능이 동일한 구성요소 또는 단계를 나타낸다.
본 발명의 실시 형태는 도 3 을 참조하여 이하에서 설명하도록 한다.
도 3 은 1 상에 대해 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치를 나타낸다. 전기 3 상 동력 공급장치는 도 3 에 나타난 종류의 3 상 회로 상호연결부를 포함하는 회로 장치를 필요로 한다. 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치에 대한 본 발명에 따른 냉각 장치를 나타내기 위해, 도 3 에 따른 1 상을 고려하는 것으로 충분하다.
본 발명이 기초로 하고 있는 원리는, 도 1 의 첫번째 통상적인 회로 장치를 참조하여 나타낸 것과 같이 접지 전위에 있는 하나의 방열장치를 제공하는 것에 기초한 것도 아니고, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 다른 통상적인 회로 장치에 대해 도 2 를 참조하여 나타낸 것과 같이 자유로운 유동 전위에 있어야 하는 다수의 개별적인 방열장치 (동력 제어 모듈 당 두 개의 방열장치) 를 제공하는 것에 기초한 것도 아니다.
도 3 에 나타난 바와 같이, 전기적으로 동력을 제어하기 위한 본 발명에 따른 회로 장치의 상은 세 개의 방열장치 (101a, 101b 및 101c) 를 갖는다. 세 개의 방열장치 (101a, 101b, 101c) 는 접지 전위 (102) 에 있는 것도 아니고 자유롭게 유동하지도 않는다. 대신에, 본 발명의 기본 개념은 도 3 의 회로 장치에서 알 수 있는데, 즉 방열장치 (101a 내지 101c) 를 기준 전위 (다시 말해 접지 전위 (102)) 에 대해 고정적으로 미리 정해진 전위, 다시 말해 각각 방열장치 (101a, 101b 및 101c) 의 상응하는 전기 전위 (103a, 103b 및 103c) 에 고정시키는 것이다.
동력을 제어하기 위한 회로 장치는 개별적으로 식별가능한 세 개의 블록 (block), 다시 말해 동력 제어 모듈 (200a, 200b 및 200c) 을 갖는다. 상기 동력 제어 모듈 (200) 각각은 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201, 202) 를 갖고, 이들은 할당된 방열장치 (101a 내지 101c) 에 의해 함께 냉각된다.
따라서, 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201a, 202a) 는 제 1 방열장치 (101a) 에 배치되고 그 제 1 방열장치에 열전도성 있게 연결되며, 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201b, 202b) 는 제 2 방열장치 (101b) 에 배치되고 그 제 2 방열장치에 열전도성 있게 연결되며, 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201c, 202c) 는 제 3 방열장치 (101c) 에 열전도성 있게 연결된다. 더불어, 각각의 방열장치 (101a, 101b, 101c) 는 연관된 동력 제어 장치 (201a, 202a, 201b, 202b, 201c, 202c) 로부터 전기적으로 절연되도록 배치되고, 바람직하게도 이에 의해 각각의 동력 제어 장치 (201a, 202a, 201b, 202b, 201c, 202c) 의 동력 반도체 구성요소 (T1a, T2a, T3a, T4a, T1b, T2b, T3b, T4b, T1c, T2c, T3c, T4c) 및 이에 대응하는 방열장치 (101a, 101b, 101c) 사이의 전압 부하를 더 줄일 수 있다.
제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201, 202) 는 각각의 경우 동력 반도체 구성요소 (예컨대 IGBT) 를 포함하는 직렬 회로로 구성되고, 동력 제어 장치의 제 1 연결부 각각은 전기적으로 공통점 (common point) 에 연결되고, 제 1 및 제 2 연결 유닛 (104a 및 105a) 은 두 개의 저항 (R1, R2) 을 포함하는 직렬 회로를 통해 서 로 연결된다.
개별적으로 식별가능한 세 개의 동력 제어 모듈 (200a, 200b, 200c) 에 대한 참조 부호에는 소문자 a, b, c 가 주어지는데, 이는 대응하는 동력 제어 모듈에 할당되는 것을 명확히 하기 위함이다.
본 발명에 따르면 방전 저항 (R1, R2) 은 상응하는 캐퍼시터 (캐퍼시터 유닛) (C1, C2) 를 방전시키는 역할을 하고, 이 방전 저항은 전압 분할기를 형성하며, 각각의 경우 두 저항 (R1 및 R2, 또는 R3 및 R4, 또는 R5 및 R6) 의 접합부에 있는 중앙 탭은 상응하는 방열장치 (101a, 101b 또는 101c) 가 고정되는 중앙 전위를 형성한다.
이하에서, 접지 전위 (102) 는 0 V 라고 가정한다. 이 결과, 제 1 동력 제어 모듈 (200a) 의 제 1 동력 제어 장치 (201a) 의 제 1 연결 유닛 (104a) 에 +E/2 의 링크 전압이 존재하게 되고, 반면에 제 2 동력 제어 모듈 (200b) 의 제 2 동력 제어 장치 (202b) 의 제 2 연결 유닛 (105b) 에는 음의 링크 전압 (-E/2) 이 존재하게 된다.
동력 제어 장치 (202c) 의 적어도 두 개의 반도체 구성요소 (T3c, T4c) 를 전기적으로 연결하는 제 2 연결 유닛 (107c) 이 중앙 전위 지점이 되고, 방열장치 (101c) 에 전기적으로 전도성 있게 연결된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서 동일한 저항에 의해 형성된 (다시 말해, R1 = R2 이고 R3 = R4) 각각의 전압 분할기 저항은 각각의 방열장치 (101a, 101b) 가 전기 전위 (103a 및 103b) 에 고정되고, 여기서 이 전위는 각각 접지 전위 (102) (0 V) 에 대해 링크 전압의 1/4 값 (E/4) 을 갖게 되는 효과를 갖는다.
더욱이, 세 개의 기준 전위 검출 유닛 (X1, X2 및 X3) 이 제공되고, 이 기준 전위 검출 유닛에서, 방열장치 (101a) 의 전기 전위 (103a) 에 대해 동력 모듈 (200a) 의 대응하는 기준 전위를 검출할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 목적, 즉 요구되는 구성요소 (특히 방열장치 (101a 내지 101c)) 의 수의 감소와 더불어 높은 전압 브레이크다운 강도를 달성할 수 있다.
도 3 을 참조하여 설명한 바와 같이, 동력 제어 장치 및 방열장치의 배치를 위한 회로 설계는 바람직하게는 특히 이하의 구성을 갖는 회로 형태에 적용될 수 있다.
- 고정된 3 단계 중립 지점 (3LNPC) (three level neutral point clamped);
- 고정된 3 단계 능동 중립 지점 (ANPC) (three level active neutral point clamped); 및
- ABB 5 단계 형태 (ABB5L) (ABB five-level topology).
특히, 도 3 을 참조하여 상기 실시 형태에 따라 설명한 회로 장치와 냉각 장치는 중간 전압 작동에 사용되기에 적합하다.
본 발명을 바람직한 실시 형태에 기초하여 설명하였지만, 이는 제한적인 것이 아니고 다양한 방법으로 변경될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 언급된 적용 가능성에 의해 제한되지도 않는다.

Claims (7)

  1. a) 적어도 하나의 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c); 및
    b) 적어도 하나의 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 와 열접촉하는 적어도 하나의 방열장치 (101a ~ 101c)
    를 포함하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치에 있어서,
    c) 방열장치 (101a ~ 101c) 는 고정적으로 미리 정해진 전기 전위 (103a ~ 103c) 에 고정되고,
    d) 적어도 하나의 방열장치 (101a ~ 101c) 는 적어도 하나의 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 로부터 전기적으로 절연되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 는 적어도 두 개의 동력 반도체 구성요소 (T1 ~ T4) 를 포함하는 직렬 회로에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 는 방전 저항 (R1 ~ R6) 을 포함하는 직렬 회로를 통해 전기적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    적어도 하나의 방열장치 (101a ~ 101c) 가 고정되는, 고정적으로 미리 정해진 전기 전위 (103a ~ 103c) 는 방전 저항 (R1 ~ R6) 에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    방열장치 (101a ~ 101c) 가 고정되는, 고정적으로 미리 정해진 전기 전위 (103a ~ 103c) 는 접지 전위 (102) 에 대해 전기적으로 동력을 제어하기 위한 회로 장치의 링크 전압의 1/4 (E/4) 인 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 는 서로에 할당된 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 를 포함하고, 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 의 방전 저항 (R1 ~ R6) 은 고정적으로 미리 정해진 전기 전위 (103a ~ 103c) 를 제 1 및 제 2 동력 제어 장치 (201a ~ 201c, 202a ~ 202c) 의 연결 지점 사이의 중앙 전위에 고정시키는 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상이한 방열장치 (101a ~ 101c) 는 고정적으로 미리 정해진 상이한 전기 전위 (103a ~ 103c) 에 서로 독립적으로 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 동력을 전기적으로 제어하기 위한 회로 장치.
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