KR20110129890A - 층상으로 형성된 절연 측벽을 구비한 파워 반도체 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구동 가능한 파워 반도체를 포함하며 상호 연결된 2개 이상의 파워 반도체 유닛(19, 20)과, 전기 절연된 측벽(13)을 포함하며 파워 반도체 유닛(19, 20)이 내부에 배치된 모듈 하우징(2, 3, 13)과, 측벽(13)을 관통하도록 연장되어 파워 반도체 유닛들(19, 20) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 접속 레일(9, 10, 11, 12, 21)을 구비하고, 강한 내폭 성능을 가지면서 제조 비용면에서 특히 유리한 파워 반도체 모듈(1)의 접속에 관한 것이며, 절연된 측벽(13)은, 절연되고 일체로 형성된 부분 부재들(14, 15, 16)의 적층체로서 형성되며, 부분 부재들(14, 15, 16)은 접촉 영역에 의해 서로 접한다.

Description

층상으로 형성된 절연 측벽을 구비한 파워 반도체 모듈{POWER SEMICONDUCTOR MODULE HAVING LAYERED INSULATING SIDE WALLS}
본 발명은, 구동 가능한 파워 반도체를 갖는 상호 연결된 2개 이상의 파워 반도체 유닛과, 전기 절연된 측벽을 포함하며 파워 반도체 유닛이 내부에 배치된 모듈 하우징과, 측벽을 관통하도록 연장되어 파워 반도체 유닛들 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 접속 레일을 구비한 파워 반도체 모듈에 관한 것이다.
상기 파워 반도체 모듈은 예를 들어 WO 2008/031372호에 이미 공지되어 있다. 상기 공보에 공지된 파워 반도체 모듈은 상호 연결된 2개의 파워 반도체 유닛을 포함한다. 각각의 파워 반도체 유닛은 예를 들어 IGBT들, GTO들 또는 이와 유사한 유닛들과 같이, 서로 연결되어 자신의 유닛 하우징 내에 배치된 복수의 파워 반도체 칩을 가지고 있다. 각각의 파워 반도체 유닛은 애노드 및 캐소드 그리고 제어 접속부를 형성한다. 제어 접속부에 대한 적합한 제어 신호에 의해, 애노드와 캐소드 사이의 전류 흐름은 중단되거나 허용될 수 있다. 언급한 파워 반도체 유닛들 중에서 둘 이상은 폭발로부터의 보호를 위해 사용되는 별도의 모듈 하우징 내에 배치된다. 모듈 하우징의 벽부를 관통하는 바람직한 레일에 의해, 파워 반도체 유닛으로부터의 전류 경로는 외부로 안내된다.
본 발명의 과제는 강한 내폭 성능(explosion resistance)을 가지면서 제조 비용면에서 특히 유리한, 도입부에 언급한 유형의 파워 반도체 모듈을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 절연되고 일체로 형성된 부분 부재들의 적층체로서 절연 측벽이 형성되며, 이때 부분 부재들은 접촉 영역에 의해 서로 접함으로써 해결된다.
본 발명에 따라, 예를 들어 IGBT들, GTO들, 사이리스터(thyristor)들, 또는 이와 유사한 유닛들과 같이 적어도 스위칭 가능한 파워 반도체를 포함하는 파워 반도체 유닛은 내폭 성능을 갖는 모듈 하우징 내에 배치된다. 이 경우, 스위칭 가능한 파워 반도체 유닛은 애노드 접속부 및 캐소드 접속부와 더불어, 제어 가능한 파워 반도체의 애노드 및 캐소드를 통한 전류 흐름을 접속하기 위한 제어 접속부도 포함한다. 모듈 하우징으로부터 파워 반도체 유닛을 통한 전류 경로를 유도하기 위해, 모듈 하우징의 절연된 측벽을 관통하는 하나 이상의 접속 레일이 제공된다.
에너지 분배 분야, 예를 들어 고압 직류 송전[High Voltage Direct Current(HVDC) Transmission] 또는 소위 유연 송전 시스템[Flexible AC Transmission System(FACTS)] 분야에서는 높은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나 이와 반대로 변환하는 것이 일반적이다. 이를 위해, 대개는 본 발명에 따른 복수의 파워 반도체 모듈들이 직렬로 접속된다. 그러나 이러한 직렬 접속에도 불구하고 파워 반도체 모듈들 중 개별 파워 반도체 모듈 각각에서는 고전압이 하강한다. 이러한 고전압에 의해, 특히 에러가 발생하는 경우에 파워 반도체 유닛이 폭발하는 형태로 파손될 수 있다. 모듈 하우징은 안전을 목적으로 사용되므로, 폭발 시에 발생하는 폭발 가스는 모듈 하우징에 의해 안전하게 수용되거나 배출될 수 있다. 이러한 방식으로 다른 파워 반도체 모듈의 손상이 방지될 수 있다.
이러한 파워 반도체 모듈의 비용면에서 유리한 제조를 보장하기 위해, 본 발명에 따라 대개 모듈 하우징의 내부 공간에 위치한 파워 반도체 유닛의 접촉을 위한 복수의 접속 레일이 관통하며 연장되는 파워 반도체 모듈의 절연된 측벽을 서로 겹쳐진 복수의 부분 부재로 형성하는 것이 제시된다. 부분 부재들 자체는 전기 절연된 재료로 이루어진다. 본 발명에 따른 파워 반도체 모듈의 작동 시에, 겹쳐진 부분 부재들은 서로 접하므로, 이들 부분 부재들 사이에는 모듈 하우징으로부터의 접속 레일(들)의 유도를 훨씬 용이하게 하는 맞대기 이음부(butt joint)가 규정된다.
본 발명에 따라, 예를 들어 맨 먼저 하나의 부분 부재, 이어서 접속 레일, 그 다음 추가의 부분 부재, 그 다음 상술한 제1 레일에서 절연되도록 조립되어야 하는 추가의 접속 레일, 마지막으로 추가의 부분 부재가 서로 겹쳐질 수 있다. 접속 레일들은 원하는 파워 반도체 유닛들과 연결된다. 즉, 파워 반도체 모듈의 작동 시에는 고전압 전위에 있는 전류 경로가 접속 레일을 통해 모듈 하우징 내로 유도되어, 모듈 하우징에 배치된 파워 반도체 유닛을 거치고, 파워 반도체 유닛으로부터 재차 추가의 접속 레일을 통해 모듈 하우징에서 유도되어 나온다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 부분 부재들은 주변부가 폐쇄되도록 형성된다. 이러한 방식으로, 더 강한 내폭 성능이 제공될 뿐 아니라 제조 비용도 낮게 유지된다. 부분 부재들은 폐쇄된 형태 또는 링의 형태를 갖는 부분 부재들로서, 나머지 모듈 하우징과는 무관하게 형성될 수 있다. 측벽의 조립 시의 복잡한 접합 공정은 이러한 방식으로 방지된다.
바람직하게 부분 부재들은 하나 이상의 보강 리브를 포함한다. 보강 리브는 예를 들어 링 형태로 주변부가 폐쇄된 부분 부재에서, 서로 대향 배치된 2개의 경계벽들 사이에서 연장된다. 바람직하게 부분 세그먼트들과 경우에 따라서 보강 리브(들)은, 파워 반도체 모듈이 조립된 상태에서 파워 반도체 유닛이 내부에 배치된 공동(cavity)의 경계 또는 공동의 일부의 경계를 형성한다.
바람직하게 접속 레일들 중 하나 이상이 2개 부분 부재들 사이에서 측벽을 관통한다. 다시 말해, 각각의 접속 레일이 맞대기 이음부를 관통해 연장된다.
이와 관련한 바람직한 일 개선예에 따라, 부분 부재들 중 하나의 부분 부재의 접촉 영역이 홈을 갖고, 이러한 홈을 관통하여 접속 레일이 연장된다. 이러한 홈에 의해, 파워 반도체 모듈의 조립은 추가로 더 용이해진다. 이와 같이, 우선, 홈을 갖는 부분 부재가 파워 반도체 모듈의 나머지 부분과 연결된 후, 레일이 조립될 수 있다.
바람직하게, 홈과 이러한 홈을 관통하여 연장되는 접속 레일은 서로 상보적인 형상으로 형성된다. 이러한 상보적인 형상에 의해, 에러가 발생하는 경우의 폭발 가스 배출은 실질적으로 방지된다. 측벽은 각각의 접속 레일을 밀봉 방식으로 둘러싼다. 이러한 형태 및 방식으로 폭발에 의한 손상이 더욱 최소화될 수 있다.
바람직하게, 부분 부재는 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진다. 이러한 섬유 강화를 통해 플라스틱은 특히 강한 내폭 성능을 갖는다. 섬유 강화 플라스틱은 매우 널리 알려져 있으므로, 이러한 섬유 강화 플라스틱의 화학적 조성은 본원에서 더 상세히 언급되어야 할 필요가 없다. 특히 유리 섬유 강화 플라스틱이 고려된다.
바람직하게, 각각의 파워 반도체 유닛은 파워 반도체 칩과, 이러한 파워 반도체 칩이 내부에 배치된 유닛 하우징을 포함한다. 이러한 파워 반도체 유닛은 시중에서 구할 수 있으며, 특히 저렴한 비용으로 구입할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 파워 반도체 모듈의 비용은 더욱 저렴해진다.
이와 관련한 바람직한 일 개선예에 따라, 파워 반도체 칩들은 본딩 와이어(bonding wire)에 의해 서로 연결된다. 이러한 본딩 와이어에 의한 연결을 통해 비용은 더욱 저렴해진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 절연된 측벽은 바닥판과 덮개판 사이에서 연장되며, 이러한 바닥판 및/또는 덮개판은 냉각판으로서 형성된다. 다시 말해, 바닥판 또는 덮개판은 높은 열전도율을 갖는 재료, 즉 예를 들어 알루미늄 등과 같은 금속으로 이루어진다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예 또는 장점은 도면을 참조한, 본 발명의 실시예에 대한 하기 설명의 대상이며, 동일한 도면 부호들은 동일하게 기능하는 부품을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 반도체 모듈의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 파워 반도체 모듈의 조립된 상태를 도시한 도면이다.
도 1에는 본 발명에 따른 파워 반도체 모듈의 일 실시예가 사시도로 도시되어 있다. 파워 반도체 모듈(1)은 금속 재료, 본 실시예에서는 알루미늄으로 각각 제조된 하부 바닥판(2) 및 상부 덮개판(3)을 가지고 있다. 바닥판(2) 및 덮개판(3)은 도 1에 도시되지 않는 파워 반도체 유닛과 열전도되도록 연결되므로, 이들은 높은 열전도율에 의해 냉각판으로서 작용한다. 냉각판(2, 3)의 냉각력을 향상시키기 위해, 이들은 U자형 열 브리지(4)를 통해 서로 열전도되도록 연결된다.
덮개판(3) 위에는 플라스틱 지지부(5)가 제공되며, 재차 이러한 플라스틱 지지부 위에는 제어 유닛(6, 7, 8)이 배치된다. 제어 유닛들(6, 7, 8)은 파워 반도체 모듈(1)의 내부 공간에 배치된 파워 반도체 유닛들을 위해 제어 신호를 제공하므로, 이들은 의도한 대로, 스위칭된 파워 반도체 유닛을 통해 전류 흐름이 중단되는 차단 위치로부터, 각각의 파워 반도체 유닛을 통해 전류 흐름이 가능해지는 도체 위치로 전환될 수 있다. 도체 위치에서, 전류는 각각의 파워 반도체 유닛의 애노드로부터 이들의 캐소드로 흐른다.
IBGT들, GTO들 또는 이와 유사한 유닛들과 같이 턴 오프 가능한 파워 반도체 유닛의 경우, 이들은 제어 신호에 의해 도체 위치로부터 차단 위치로 전환될 수도 있다. 턴 오프 가능한 파워 반도체를 구비한 파워 반도체 유닛의 경우, 파워 반도체 유닛은 각각 하나의 환류 다이오드(freewheel diode)를 포함하며, 이러한 환류 다이오드는 턴 오프 가능한 각각의 파워 반도체에 반대 방향으로 병렬 접속된다.
본 발명의 범주에서 파워 반도체 모듈(1)의 파워 반도체 유닛은 자신의 애노드 및/또는 캐소드를 통해 원하는 대로 서로 연결되고, 접속 레일(9, 10, 11, 및 12)과 연결된다. 이 경우, 파워 반도체 모듈(1)의 파워 반도체 유닛은 예를 들어 외부로 안내된 접속 레일(9 및 10) 사이의 전류 흐름이 가능해지거나 중단되도록 제어될 수 있다.
바닥판(2)과 덮개판(3) 사이에서는 전기 절연된 재료, 예를 들어 유리 섬유 강화 플라스틱으로 구성된 측벽(13)이 연장된다. 따라서, 바닥판(2), 덮개판(3), 및 측벽(13)은 파워 반도체 유닛이 폭발하는 경우 나머지 파워 반도체 모듈 및/또는 조작자를 위한 보호 기능을 수행하는 모듈 하우징을 형성한다.
본 발명의 범주에서 측벽(13)은 일체로 형성되는 것이 아니라 층상으로 형성된다. 이러한 측벽은 접촉 영역에 의해 서로 접하며 서로 겹쳐진 복수의 부분 부재(14, 15, 및 16)로 구성되므로, 맞대기 이음부들(17 및 18)의 경계가 형성된다. 측벽(13)의 적층체 방식의 구조에 의해, 측벽(13)을 관통하는 접속 레일(9, 10, 11, 및 12) 및 부분 부재(14, 15, 16)가 원하는 순서로 조립될 수 있기 때문에 측벽(13)의 간단한 조립이 가능해진다.
도 2에는 파워 반도체 모듈(1)의 조립 중의 순간적인 상태가 도시되어 있다. 부분 부재(14) 및 2개의 파워 반도체 유닛(19, 20)이 바닥판(2)과 연결되는 것이 도시된다. 또한, 마찬가지로 파워 반도체 유닛(19, 20)과 연결된, 각진 직류 전압 접속 레일(21)이 도시된다. 도 2에 도시되지 않는 2개의 추가 파워 반도체 유닛은 덮개판(13)에 조립되며, 파워 반도체 유닛(19, 20)에 외부로부터 접촉할 수 있도록 하기 위해 접속 레일(9, 10, 11, 12, 및 21)이 제공된다. 전체적으로, 파워 반도체 모듈(1)은 4개의 파워 반도체 유닛(19, 20)을 가지고 있으며, 도시된 실시예에서 이러한 파워 반도체 유닛들은 완전 브리지로서, 또는 바꿔 말해 H자형 브리지로서 상호 연결되고, 도 2에 도시되지 않은 콘덴서와 연결된다. 따라서, 파워 반도체 유닛의 상응하는 스위칭을 통해, 콘덴서에서 하강하는 전압(UC), 영(0) 전압, 또는 역방향 콘덴서 전압(-UC)은 각각의 파워 반도체 유닛의 2극 출력부에 접속될 수 있다.
또한, 도 2에는 부분 부재(14)가 주변부가 폐쇄되며, 즉 링 형태로 형성되는 것이 도시되어 있으며, 서로 대향 배치된 2개의 측면 사이에서 보강 리브(22)가 연장된다. 부분 부재(14)의 외부 벽과 보강 리브(22) 사이에는 각각의 파워 반도체 유닛(19 또는 20)이 내부에 배치된 2개의 공동이 형성된다. 또한, 부분 부재(14)가 각각의 접속 레일(10, 12 또는 21)에 대해 상보적인 형상을 갖는 홈들(23, 24, 및 25)을 포함하는 것이 나타난다. 이러한 상보적인 형상에 의해, 폭발 시에 파워 반도체 모듈(1)의 내부 공간에서 발생하는 열가스(hot gas)의 배출은 적어도 어려워진다.
덮개판(3)을 바닥판(2)과 이에 따라 부분 부재(14, 15, 16)에 기계적으로 클램핑하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 부분 부재(14, 15, 16)는 복수의 고정홀(26)을 포함하고, 이러한 고정홀을 통해서는 파워 반도체 모듈(1)의 조립된 상태에서 나사선이 제공된 고정 볼트가 연장된다. 덮개판(3) 및 바닥판(2)에 고정 볼트를 나사 고정함으로써, 비용면에서 유리하면서 내폭 성능을 갖는 파워 반도체 모듈(1)이 제공된다.

Claims (10)

  1. 구동 가능한 파워 반도체를 포함하며 상호 연결된 2개 이상의 파워 반도체 유닛(19, 20)과, 전기 절연된 측벽(13)을 포함하며 파워 반도체 유닛(19, 20)이 내부에 배치된 모듈 하우징(2, 3, 13)과, 측벽(13)을 관통하도록 연장되어 파워 반도체 유닛들(19, 20) 중 하나 이상과 연결되는 하나 이상의 접속 레일(9, 10, 11, 12, 21)을 구비한, 파워 반도체 모듈(1)에 있어서,
    절연된 측벽(13)은, 절연되고 일체로 형성된 부분 부재들(14, 15, 16)의 적층체로서 형성되며, 부분 부재들(14)은 접촉 영역에 의해 서로 접하는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  2. 제1항에 있어서, 부분 부재들(14, 15, 16)은 주변부가 폐쇄되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 부분 부재들(14, 15, 16)은 하나 이상의 보강 리브(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 접속 레일(9, 10, 11, 12, 21)들 중 하나 이상은 2개 부분 부재들(14, 15, 16) 사이에서 측벽(13)을 관통하는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 부분 부재들(14, 15, 16) 중 하나 이상의 부분 부재의 접촉 영역은 홈(23, 24, 25)을 갖고, 상기 홈을 관통하여 접속 레일들(9, 10, 11, 12, 21) 중 하나가 연장되는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  6. 제5항에 있어서, 상기 홈(23, 24, 25)과 상기 홈을 관통하여 연장되는 접속 레일(9, 10, 11, 12, 21)은 서로 상보적인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 부분 부재(14, 15, 16)는 섬유 강화 플라스틱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 파워 반도체 유닛(19, 20)은 파워 반도체 칩과, 상기 파워 반도체 칩이 내부에 배치된 유닛 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  9. 제8항에 있어서, 상기 파워 반도체 칩들은 본딩 와이어에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 절연된 측벽(13)은 바닥판(2)과 덮개판(3) 사이에서 연장되며, 상기 바닥판(2) 및/또는 덮개판(3)은 냉각판으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 파워 반도체 모듈(1).
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