KR20100027734A - 인버터 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 부스바에 직류 캐패시터와 고속 스위칭 소자인 IGBT를 직접 설치하고 수냉식 방열판을 설치함으로써, 혁신적으로 기생 인덕턴스를 줄이면서 스위칭 손실을 방지할 수 있는 인버터 스택에 관한 것이다.

본 발명에 따른 인버터 스택은, 복수의 동판 사이에 각각 절연판이 삽입 적층되고 일단에 복수의 출력단자를 구비한 부스바와, 상기 부스바의 타측면에 일단이 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터(IGBT)와, 상기 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 타단에 설치되며, 유체가 통과되도록 내측에 유로를 구비한 방열판과, 상기 부스바의 타측면에 연결 설치된 직류 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

부스바, IGBT, 유체, 유로, 방열판, 캐패시터

Description

인버터 스택{INVERTER STACK}

본 발명은 인버터 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 부스바에 직류 캐패시터와 고속 스위칭 소자인 IGBT를 직접 설치하고 수냉식 방열판을 설치함으로써, 혁신적으로 기생 인덕턴스를 줄이면서 스위칭 손실을 방지할 수 있는 인버터 스택에 관한 것이다.

인버터 스택은 강판을 가열하기 위한 유도가열 설비에 사용된다. 상기 유도가열 설비는, 금속의 종류나 모양 및 크기에 따라 소재에 인가되는 주파수가 각각 다르며, 특히, 금속을 가열하여 도장 및 열처리하거나 접합할 경우, 도막이 균일하고 면이 고른 최상의 제품을 생산하기 위해서는 고주파를 이용하는 것이 바람직하다.

상기에서와 같이 고주파를 발생하는 인버터 스택은, 크게 나누어 스위칭 소자와 방열장치로 구성된다. 스위칭 소자는 최근에 고속 스위칭이 가능한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR: 이하 IGBT)가 사용되고, 팬을 이용한 공냉식 방열장치가 사용된다.

종래 인버터 스택은, IGBT를 사용해서 수십㎑로 고속 스위칭하는 인버터 스택을 구현하였지만, IGBT의 고속 스위칭에 의해 필연적으로 발생되는 스위칭 손실의 증가로 인하여 팬을 이용한 공냉식 방열장치의 용량을 크게 해야 하는 구조적인 문제점이 있다. 또한, 팬을 이용하여 방열할 경우 장시간 사용하게 되면 더운 바람을 불어주기 때문에 팬의 효율이 떨어진다. 따라서, IGBT의 내부 인덕턴스와 함께 IGBT의 턴오프 시 높은 스파크 전압이 발생하여 IGBT의 스위칭 손실을 크게 함으로써 IGBT 손상의 원인이 되는 문제점이 있다.

또한, 직류 캐패시터와 IGBT가 별도로 구성되어 있기 때문에 케이블에 의한 연결이 불가피하고, 이 케이블에 의해서 라인 인덕턴스가 증가하여 스너버 회로의 용량이 증가되는 다른 문제점이 있다.

따라서, 스위칭 손실을 방지하기 위해 대용량의 공냉식 방열장치(HEAT SINK)와 스너버(SNUBBER)를 설치해야 하기 때문에, 인버터 스택이 대형화되고 설치 및 고장시 부품의 크기가 커 교체 작업이 신속하게 진행되지 못하는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 스너버 대신 플러스 전극판과 마이너스 전극판의 간격이 근접 배치되도록 얇은 동판과 절연판이 적층된 부스바(BUSBAR)를 사용함으로써, 기생 인덕턴스를 줄이면서 스위칭시 발생되는 손실을 줄일 수 있는 인버터 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 부스바에 구조가 간단하고 방열 효율을 향상시키기 위해 수냉식 방열판을 설치함으로써, 인버터 스택의 스위칭 손실을 개선하여 영전압 스위 칭(ZORO VOLTAGE SWITCHING)이 가능한 인버터 스택을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 작업자가 들 수 있을 정도로 가볍고 부피가 작은 콤팩트 타입으로 제작이 가능하다. 따라서, 운반 및 이동이 편리하고 설치 작업이 용이하다. 또한, 소형의 인버터 스택을 병렬로 연결하여 주파수(㎑)와 전력(kVA)을 조절할 수 있으므로, 이에 따른 다양한 조합이 가능하고, 사용이 편리한 인버터 스택을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명에 따른 인버터 스택은, 복수의 동판 사이에 각각 절연판이 삽입 적층되고 일단에 복수의 출력단자를 구비한 부스바와, 상기 부스바의 타측면에 일단이 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터(IGBT)와, 상기 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 타단에 설치되며, 유체가 통과되도록 내측에 유로를 구비한 방열판과, 상기 부스바의 타측면에 연결 설치된 직류 캐패시터를 포함한다.

또한 본 발명은, 상기 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터는, 상기 부스바의 타측면에 일정 간격을 두고 평행하게 병렬로 설치되고, 상기 방열판은, 평행하게 병렬로 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터 사이에 관통구멍이 형성되며, 상기 직류 캐패시터는, 상기 방열판의 관통구멍을 통과하여 상기 부스바의 타측면에 설치되어 있다.

또한 본 발명은, 상기 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터는, 상기 부스바의 타측면에 일정 간격을 두고 평행하게 병렬로 설치되고, 상기 방열판은, 한 쌍으로 구성되며 각각의 방열판은 평행하게 병렬로 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 일단에 일정 간격을 두고 설치되며, 상기 직류 캐패시터는, 일정 간격을 두고 설치된 한 쌍의 방열판 사이를 통과하여 상기 부스바의 타측면에 설치된다.

또한 본 발명은, 상기 방열판의 유로는, 상기 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 스위칭 소자를 따라 흐르도록 형성되어 있다.

또한 본 발명은, 상기 방열판이 설치되지 않은 부스바의 일측면에 설치된 냉각수 라인을 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 스너버 대신 얇은 동판과 절연판이 적층된 부스바에 직류 캐패시터와 고속 스위칭 소자인 IGBT를 직접 설치함으로써, 혁신적으로 기생 인덕턴스를 줄이고 스위칭 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 부스바에 설치된 IGBT에 간단한 구조를 갖는 수냉식 방열판을 설치하여 종래 공냉식 보다 방열 효율이 좋다. 따라서, 인버터 스택의 스위칭 손실을 개선하여 영전압 스위칭(ZORO VOLTAGE SWITCHING)이 가능하다.

또한, 작업자가 들 수 있을 정도로 가볍고 부피가 작은 콤팩트 타입으로 제작이 가능하기 때문에, 운반 및 이동이 편리하고 설치 작업이 용이하다.

또한, 소형의 인버터 스택을 병렬로 연결하여 주파수(㎑)와 전력(kVA)을 조절할 수 있으므로, 다양하게 조합하여 광범위하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 인버터 스택의 일 실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 배면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 일 실시예의 인버턱 스택 분해사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 제2부스바의 분해사시도이다.

본 발명에 따른 일 실시예의 제1인버터 스택(100)은, 영전압 스위칭을 위한 공진을 수행하여 수십㎑의 공진 주파수를 발생하기 위한 것으로, 직류 캐패시터(110)와, 방열판(120)과 복수의 IGBT(130) 그리고 제1 및 제2부스바(140,150)을 포함한다.

제1부스바(140)는 종래 사용하던 스너버의 역할을 하는 것으로, 케이블 사용에 따른 기생 인덕턴스를 줄이면서 스위칭시 발생되는 손실을 줄일 수 있도록 하기 위해 얇은 동판과 절연판이 순차적으로 밀착되어 복수의 층으로 적층되어 있다. 이와 같이 적층된 제1부스바(140)의 일단에는 복수의 출력단자를 구비하고 있으며, 복수의 출력단자에 직접 연결하여 사용하거나, 한 쌍의 동판(151,153)과 한 쌍의 동판(151,153) 사이에 설치된 절연판(152)으로 구성된 제2부스바(150)를 이용하여 연결할 수도 있다. 또한, 제1부스바(140)의 일측면에는 효과적인 방열을 위해 냉각수 라인(미도시 됨)이 더 설치될 수 있으며, 이와 같이 설치된 냉각수 라인은 외부의 냉각수 공급원과 연결 설치됨은 물론이다.

또한, 제1부스바(140)의 타측면의 상부 및 하부에는 게이트 드라이버(미도시 됨)의 신호에 의해 소정의 전압과 주파수를 출력하기 위해 평행하게 병렬로 복수의 IGBT(130)의 일단이 설치되어 있다. 즉, IGBT(130)는 중심을 기준으로 제1부스바(140)의 타측면 상부 동일 선상에 병렬로 복수개 설치되어 있으며, 상부와 평행하도록 하부에도 동일 선상에 병렬로 복수개 설치되어 있다. 그리고, 평행하고 병렬로 설치된 복수의 IGBT(130)의 타단에는 효과적인 방열을 위해 설치된 수냉식 방열판(120)을 포함한다.

상기 방열판(120)은, 평행하게 병렬로 설치된 복수의 IGBT(130)의 타단에 밀착되도록 사각프레임 형상이며, 중앙에는 IGBT(130)와 간섭이 되지 않도록 관통구멍(121)이 형성되고, 내측에는 유체가 흐르도록 유로가 형성되어 있다. 또한, 방열판(120)은 외부의 냉각수 공급원과 연결되기 위해 유로와 연통되도록 외측에 제1 내지 제4연결부재(122~125)가 설치된다. 따라서, 방열판(120)의 방열을 위해서 제1연결부재(122)를 통해 공급된 냉각수는 유로를 따라 방열판(120) 내측에 흐른다. 그리고, 제2연결부재(123)를 통해 배출된 냉각수는 재차 하부에 설치된 제3연결부재(124)로 공급되어 방열판(120)의 내측 유로를 통과한 다음 제4연결부재(125)를 통해 방열판(120)의 외부로 배출한다. 이때 제4연결부재(125)를 통해 배출된 냉각수는 차갑게 냉각한 후 재차 공급하여 순환시킨다.

또한, 방열판(120)의 내측에 구비된 유로는 보다 더 효율적인 방열을 위해, 병렬로 설치된 IGBT(130)의 스위칭 소자를 따라 평행하게 흐르도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기에서와 같이 본 발명에서는 방열판(120)의 내측 유로와 연결되도록 외측에 설치된 제1 내지 제4연결부재(122~125)의 연결에 대한 하나의 실시예를 설명하 고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고 효과적인 방열을 위해 방열판(120)에 냉각수가 통과하도록 다양하게 연결 설치할 수 있음은 물론이다.

상기 직류 캐패시터(110)는, 제1부스바(140)의 타측면에 설치되어 직류 전압을 공급하기 위한 것이다. 제1부스바(140)와 연결시 기생 인덕턴스를 줄일 수 있도록 방열판(120)의 관통구멍(121)을 통과하여 제1부스바(140)에 일단이 밀착 설치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 설치된 직류 캐패시터(110)는, 타단에 한 쌍의 입력단자를 구비하고 있으며, 그 중 하나의 입력단자에는 플러스 직류가 공급되고 다른 입력단자에는 마이너스 직류가 공급된다. 따라서, 한 쌍의 입력단자에 의해 플러스 및 마이너스 직류가 공급된 직류 캐패시터(110)는 안정적으로 고속 스위칭 소자인 IGBT(130)에 직류를 공급할 수 있다. 이와 같이 설치된 직류 캐패시터(110)는 수냉식 방열을 하여 효과적으로 방열하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제1인버터 스택(100)은, 방열판(120)에 복수의 IGBT(130)를 근접 배치하고, 하나의 플러스 전극판을 통해서 복수의 IGBT(130) 플러스 전극과 직류 캐패시터(110)의 한쪽 단자를 직접 접속한다. 그리고, 하나의 마이너스 전극판을 통해서 복수의 IGBT(130) 마이너스 전극과 직류 캐패시터(110)의 다른 한쪽 단자를 직접 접속한다. 따라서, 플러스 전극판과 마이너스 전극판을 전기적으로 절연시키기 위해 제1부스바(140)의 복수의 동판 사이에 각각 절연판을 설치한다. 그리고, 플러스 전극판과 직류 캐패시터(110)의 한쪽 단자를 복수의 층으로 적층된 제1부스바(140)의 하나의 동판에 연결하고, IGBT(130)의 마이너스 단자는 복수의 층으로 적층된 제1부스바(140)의 다른 하나의 동판에 연결한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 제1인버터 스택(100)은, 회로를 단순화하고 케이블 사용을 배제하여 케이블 사용에 따른 기생 인덕턴스의 증가를 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 인버터 스택의 다른 실시예의 배면도로써, 제2인버터 스택(100')은 방열판의 구조가 제1인버터 스택(100)과 다르며, 제2인버터 스택(100')은 한 쌍의 방열판을 구성하기 때문에 방열판을 부분적으로 교체 가능한 효과가 있다.

즉, 제2인버터 스택(100')은 한 쌍의 제1 및 제2방열판(120A,120B)로 구성되며 일정 간격을 두고 평행하게 병렬로 설치된 복수의 IGBT(130)의 각각의 일면에 대응되게 제1 및 제2방열판(120A,120B)이 설치되어 있다. 이와 같이 설치된 제1 및 제2방열판(120A,120B)의 내측에는 유체가 연통되어 흐르도록 유로를 구비하고 있음은 물론이다. 이때, 직류 캐패시터(110)는 일정 간격을 두고 설치된 제1 및 제2방열판(120A,120B) 사이를 통과하여 제1부스바(140)의 타측면에 설치되어 있다.

본 발명에 따른 인버터 스택은, 스너버 대신 부스바를 사용한다. 또한, 방열판과 부스바 및 직류 캐패시터 각각의 효과적인 방열을 위해 각각 냉각수를 공급하는 수냉식 구조를 갖는다. 따라서, 기생 인덕턴스를 줄이면서 스위칭시 발생되는 손실을 효과적으로 줄일 수 있고, 작업자가 운반할 수 있을 정도로 가볍고 부피가 작은 콤팩트 타입으로 제작 가능한 효과가 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기 재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 인버터 스택의 일 실시예의 사시도

도 2는 도 1의 배면도

도 3은 도 1에 도시된 일 실시예의 인버턱 스택 분해사시도

도 4는 도 3에 도시된 제2부스바의 분해사시도

도 5는 본 발명에 따른 인버터 스택의 다른 실시예의 배면도

<도면 부호의 간단한 설명>

100 제1인버터 스택 110 직류 캐패시터

120 방열판 121 관통구멍

122~125 제1 내지 제4연결부재 130 IGBT

140 제1부스바 150 제2부스바

100' 제2인버터 스택 120A,120B 제1 및 제2방열판

Claims (5)

1. 복수의 동판 사이에 각각 절연판이 삽입 적층되고 일단에 복수의 출력단자를 구비한 부스바와,

   상기 부스바의 타측면에 일단이 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터(IGBT)와,

   상기 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 타단에 설치되며, 유체가 통과되도록 내측에 유로를 구비한 방열판과,

   상기 부스바의 타측면에 연결 설치된 직류 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 스택.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터는, 상기 부스바의 타측면에 일정 간격을 두고 평행하게 병렬로 설치되고,

   상기 방열판은, 평행하게 병렬로 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터 사이에 관통구멍이 형성되며,

   상기 직류 캐패시터는, 상기 방열판의 관통구멍을 통과하여 상기 부스바의 타측면에 설치된 것을 특징으로 하는 인버터 스택.
3. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터는, 상기 부스바의 타측면에 일정 간격을 두고 평행하게 병렬로 설치되고,

   상기 방열판은, 한 쌍으로 구성되며 각각의 방열판은 평행하게 병렬로 설치된 복수의 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 일단에 일정 간격을 두고 설치되며,

   상기 직류 캐패시터는, 일정 간격을 두고 설치된 한 쌍의 방열판 사이를 통과하여 상기 부스바의 타측면에 설치된 것을 특징으로 하는 인버터 스택.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방열판의 유로는, 상기 절연 게이트 드라이버 트랜지스터의 스위칭 소자를 따라 흐르도록 형성된 것을 특징으로 하는 인버터 스택.
5. 제4항에 있어서,

   상기 방열판이 설치되지 않은 부스바의 일측면에 설치된 냉각수 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 스택.

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