KR20120131110A - 제 1 서브시스템 및 제 2 서브시스템을 갖는 전력 전자 시스템 - Google Patents

제 1 서브시스템 및 제 2 서브시스템을 갖는 전력 전자 시스템 Download PDF

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Abstract

본 출원은 냉각 장치, 적어도 하나의 제 1 서브시스템 및 적어도 하나의 제 2 서브시스템, 적어도 하나의 접속 장치 및 하우징을 갖는 전력 전자 시스템에 관한 것이다. 제 1 서브시스템은 냉각 부품을 가지며 열전도 방식으로 냉각 장치에 연결되는 스위칭 장치, 및 그 상면에 배치되며 제 1 내부 부하 접속 요소, 절연재료체 및 외부 교류전압 부하 접속 요소를 갖는 전력 전자 회로를 갖는다. 제 2 서브시스템은 제 1 서브시스템과 유사한 방식으로 구성되며, 추가로 적어도 하나의 외부 직류전압 부하 접속 요소를 갖는다. 접속 장치는 제 1 서브시스템 및 제 2 서브시스템의 내부 직류전압 부하 접속 요소를 제 2 서브시스템의 외부 직류전압 부하 접속 요소에 연결한다.

Description

제 1 서브시스템 및 제 2 서브시스템을 갖는 전력 전자 시스템{Power electronic system having a first subsystem and a second subsystem}
본 발명은 바람직하게는 통합형 전력 전자 시스템에 관한 것으로, 바람직하게는 상기 시스템을 사용하여 이루어지며, 변환기 예를 들어 3상 변환기 형태인 회로장치용 통합형 전력 전자 시스템에 관한 것이다. 이런 시스템들은 바람직하게는 여러 타입의 차량의 전기구동장치, 특히 상용차에 사용된다.
원칙적으로 예를 들어 DE 10 2009 037 257 A1에 따라서 외부 버스바 시스템, 즉 전력 반도체 모듈의 외부 접속 요소 사이의 접속부를 이용하여 개개의 전력 반도체 모듈로부터 이런 전력 전자 시스템을 구성하는 것은 알려진 관행이다. 이런 시스템들은 스케일링에 의해 요구 전력에 어떤 원하는 방식으로도 적용될 수 있다는 이점을 갖는다. 그러나 이는 이들 시스템이 다수의 개개의 구성부품으로 구성되고 따라서 컴팩트한 유니트를 형성한다는 결점과도 관련된다.
예를 들어 DE 101 27 947 A1에 따라서 이런 전력 전자 시스템을 통합형 시스템으로서 구성하는 것도 역시 알려진 관행이다. 3상 변환기로서 구성된 이런 시스템의 경우에, 3상은 각각 공통의 내부 직류전압 접속부를 사용하여 서로 연결되고 외부 직류전압 부하 접속 요소에 연결되는 그 자체의 스위칭 장치에 할당된다. 모든 스위칭 장치에 대하여 이런 직류전압 접속부를 공통 커패시터 장치에 직접 연결하는 것은 알려진 관행이다. 이런 시스템들은 동시에 뛰어난 전기적 특성을 갖는 컴팩트한 설계의 이점을 갖는다. 그러나 상기 시스템은 다수의 구성부품의 통합의 결과로서 이들 구성부품들이 스케일링을 쉽게 받지 못하며 따라서 다른 전력에 쉽게 적용되지 못한다.
본 발명은 컴팩트한 유니트를 구성하며 동시에 단순한 스케일링, 즉 여러 전력에의 적용 그리고 여러 회로장치의 형성을 받기 쉬운 전력 전자 시스템을 제공하는 것으로 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라서 청구항 1의 특징부를 갖는 전력 전자 시스템에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태들은 각각이 종속 청구항에 설명되어 있다.
여기서 제공되는 전력 전자 시스템은 냉각 장치, 적어도 하나의 내부 접속 장치에 의해 회로 일치 방식으로 서로 연결되는 적어도 하나의 제 1 서브시스템 및 적어도 하나의 제 2 서브시스템, 및 냉각 장치 쪽으로 서브시스템을 덮는 하우징을 갖는다.
적어도 하나의 제 1 서브시스템은 냉각 부품을 구비한 스위칭 장치, 절연재료체 및 외부 교류전압 부하 접속 요소를 갖는다. 스위칭 장치는 바람직하게는 기판의 제 1 주면상에 배치되어 회로 일치 방식으로 연결되며 전력 전자 회로를 구성하는 전력 반도체 부품을 갖는 전기절연 기판으로 구성된다. 스위칭 장치는 또한 다른 극성의 내부 부하 접속 요소들을 가지며, 그 중의 적어도 하나는 하나 이상의 편으로 외부 교류전압 부하 접속 요소에 연결된다.
이 경우, 냉각 부품은 발생하는 폐열을 발산시키기 위해 기판의 제 2 주면에 연결되며, 제 2 주면을 통하여 전력 반도체 부품과 열적으로 접촉한다. 냉각 부품 자체는 열전도 방식으로 냉각 장치에 연결된다. 이를 위해 절연재료체는 절반 브릿지 회로 형태일 수 있는 해당 스위칭 장치를 포함하며, 전체 서브시스템을 고정 요소에 의해 냉각 장치에 고정시킨다.
적어도 하나의 제 2 서브시스템은 원칙적으로 제 1 서브시스템과 유사한 방식으로 구성되지만 추가적으로 적어도 하나의 외부 직류전압 부하 접속 요소, 바람직하게는 두 개의 직류전압 부하 접속 요소를 갖는데, 부하 접속 요소의 각각의 동일 극성의 내부 부하 접속 요소에 적절한 방식으로 연결된다.
또한 각각의 제 1 서브시스템 및 제 2 서브시스템은 고정되기 위하여 각각의 절연재료체에 연결되는 자체 커패시터 장치를 갖는 것이 유리할 수 있다. 이 경우, 커패시터 장치의 접촉 장치가 바른 극성으로 전기전도 방식으로 스위칭 장치의 내부 부하 접속 요소에 연결된다.
마찬가지로 적어도 하나의 제 1 서브시스템 및 적어도 하나의 제 2 서브시스템이 해당하는 자체 회로기판을 구비한 자체 제어 회로를 갖는 것이 바람직하다. 이 회로기판은 고정되기 위해 각 절연재료체에 기계적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로 이 회로기판은 전기전도 방식으로 스위칭 장치의 보조 접속 요소에 연결될 수 있다.
다른 방법으로서, 제 1 서브시스템이던지 제 2 서브시스템이던지에 관계없이 다수의 서브시스템에 대한 해당 회로 기판을 갖는 공통 제어 회로를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이 회로기판은 또한 고정되기 위해 서브시스템의 각 절연재료체에 기계적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로 이 회로기판은 전기전도 방식으로 해당 스위칭 장치의 보조 접속 요소에 연결될 수 있다.
컴팩트한 설계를 얻기 위해서 임의의 회로기판은 해당하는 개개의 스위칭 장치 또는 서로 옆에 배치된 서브시스템의 모든 스위칭 장치에 대하여 60° 내지 90°의 각도로 둘러 쌀 수 있다.
또한 회로기판이 해당 서브시스템의 하나의 외부 교류전압 부하 접속 요소의 바로 근처 또는 해당 서브시스템의 외부 교류전압 부하 접속 요소의 바로 근처에 배치되는 것이 유리할 수 있다. 이는 회로기판이 외부 교류전압 부하 접속 요소에 제공된 적어도 하나의 전류 센서에 연결되는 경우에 특히 유리하다.
적어도 하나의 접속 장치는 적어도 하나의 제 1 서브시스템 바람직하게는 적어도 하나의 제 2 서브시스템의 내부 부하 접속 요소를 적어도 하나의 제 2 서브시스템의 일부로서 제공된 외부 직류전압 부하 접속 요소에 바른 극성으로 전기전도 방식으로 연결한다.
본 발명에 따르면, 컴팩트한 유니트를 구성할 수 있고, 여러 전력에의 적용 그리고 여러 회로장치의 형성을 받기 쉬운 전력 전자 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 해결책을 도 1 내지 도 5에 따른 모범적 실시형태를 참조하여 더욱 설명한다.
도 1은 하우징을 구비한 본 발명에 따른 제 1 전력 전자 시스템의 사시도.
도 2 및 도 3은 하우징을 구비하지 않는 제 1 전력 전자 시스템의 부분분해 사시도.
도 4는 하우징을 구비하지 않는 제 1 전력 전자 시스템의 평면도.
도 5는 하우징을 구비하지 않는 본 발명에 따른 제 2 전력 전자 시스템의 사시도.
도 1은 3상 변환기 형태의 본 발명에 따른 제 1 전력 전자 시스템(1)의 사시도를 보여준다. 예를 들어 수냉 장치 형태의 냉각 장치(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 이 시스템의 내부 구성부품들은 이 냉각 장치(10) 쪽으로 하우징(20)으로 덮혀 있다. 외부의 접속 요소(22, 24, 26)들은 대응하는 오목부(220, 240, 260)에서 하우징(20) 자체를 관통한다.
하우징(20)의 제 1 측면에는 나사 접속부 형태의 두 개의 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)가 배열된다. 외부의 교류전압 부하 접속 요소(22)는 기본적으로 동일한 기술적 형태로서 하우징(20)의 반대측의 제 2 측면에 도시되어 있다.
특히 제어기와 센서 신호를 연결하는데 사용되는 2그룹의 외부 보조 접속요소(28)들은 상단면에 제공된다.
도 2 및 도 3은 해당 하우징을 구비하지 않고 개개의 상세부들이 약간 다른 구조인 제 1 전력 전자 시스템(1)의 부분분해 사시도를 보여준다. 역시 냉각 장치(10)가 도시되어 있는데, 여기서는 다수의 오목부(160)를 구비하며, 각각은 각각의 해당 서브시스템(30, 31)의 각 냉각 부품을 배치하기 위한 것이다. 두 개의 제 1 서브시스템(30) 및 하나의 제 2 서브시스템(31)이 각기 제공되는데, 이들 서브시스템(30, 31)의 각각은 절반 브릿지 형태를 갖는 전력 전자 회로(512)를 포함하며, 그 결과로서 전력 전자 시스템(1)은 3상 브릿지 회로를 구성한다.
두 개의 제 1 서브시스템(30)은 각각 상면에 일체형 재료 접합부가 열전도 방식으로 연결된 기판(510)을 갖는 냉각 부품(60)을 갖는다. 전력 전자 회로(512)는 냉각 부품(60)의 반대측인 기판(510)의 측면에 제공되는데, 이는 기판(510) 및 냉각 부품(60)과 함께 서브시스템(30)의 스위칭 장치(50)를 구성한다. 내부 접속 요소(52, 54, 56, 58)는 전력 전자 회로(512)로부터 시작된다. 두 개의 각 직류전압 부하 접속 요소(54, 56), 교류전압 부하 접속 요소(52) 및 다수의 제어 접속 요소(58)가 여기에 도시되어 있다. 이 경우, 이들 제어 접속 요소(58)들은 접속 돌기의 형태인데, 이 경우 대체물로서는 스프링 접촉 요소 또는 접촉핀도 적합하다.
내부 부하 접속 요소(52, 54, 56)는 각각 편평한 돌기 형태이다. 내부 교류전압 부하 접속 요소(52)는 그 상면에 전기적으로 절연된 전류 센서(520)가 배치되어 있다. 그 과정에 걸쳐서 내부 교류전압 부하 접속 요소(52)는 억지끼워맞춤 방식으로 또는 일체형 재료접합부, 예를 들어 용접 접속부에 의해 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)에 연결된다. 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)는 도 1에 도시한 바와 같이 하우징(여기에는 도시되지 않음)을 통해 돌출한다.
외부 교류전압 부하 접속 요소(22)는 제 1 서브시스템(30)의 해당 부분인 절연재료체(32)상에 배치된다. 이 절연재료체(32)도 프레임 방식으로 스위칭 장치(50)를 둘러싸고 있으며, 서브시스템(30)과 그리고 스위칭장치(50)를 냉각 장치(10)에 고정하기 위해 고정 장치(300)를 갖는다. 도시한 개량형태에 있어서, 냉각 장치(10)는 각각 스위칭 장치(50)의 해당 냉각 부품(60)이 완전하게 놓여지는 함몰 형태의 오목부(160)를 갖는다. 따라서 절연재료체(32)는 냉각 부품(10) 상에 2차원 방식으로 놓여질 수 있으며 따라서 스위칭 장치(50)를 기계적으로 견고한 방식으로 냉각 장치(10)에 고정할 수 있다. 따라서 이 경우에 전체 스위칭 장치(50)는 냉각 장치(10)로부터 돌출하는 상부 영역의 절연재료체에 의해 부분적으로만 둘러싸여진다.
도 2에 따른 개량형태에 있어서, 각 절연재료체(32)는 서브시스템(30)용 제어회로를 포함하는 해당 회로기판(도시하지 않음)을 고정하기 위한 지지 장치(328)도 갖는다. 이 회로기판은 여기서는 스위칭 장치(50)의 내부 보조 접속 요소(58)에 그리고 내부 교류전압 부하 접속 요소(52)에 배치된 전류 센서(520)에 짧은 접속 경로를 부여하기 위해 내부 교류전압 부하 접속 요소(52)의 바로 근처에 제공된다. 전체 전력 전자 시스템(1)을 검팩트하게 설계하기 위해서 회로 기판(38)은 여기서 수직하게 즉 스위칭 장치(50)에 대하여 60ㅀ 내지 90ㅀ의 각도로 제공된다.
도 3에 따른 개량형태는 회로 기판(38)의 기본적으로 동일한 배치를 보여주지만, 이 경우에 모든 3상에 대하여 공통 회로 기판(38)이 제공되며, 그 결과 약간의 전자 부품이 한 번만 제공되어야 하기 때문에 제어 회로의 단순한 구조가 가능하다.
마찬가지로 각 서브시스템(30, 31)에 대한 커패시터 장치(80)가 도 3에 도시되어 있지만 도 2에는 도시되어 있지 않은데, 이 커패시터 장치는 고정되기 위해, 즉 기계적으로 조여지기 위해 절연재료체(32, 33)에 연결되며, 심지어 이 경우에는 상기 절연재료체에 의해 부분적으로 둘러싸인다. 커패시터(80)의 접속 요소는 바른 극성으로 해당 스위칭 장치(50)의 내부 직류전압 부하 접속 요소(54, 56)에 연결된다.
직류전압을 공급하기 위해, 전력 전자 시스템(1)은 두 개의 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)를 갖는데, 하나는 양극성을 갖고 다른 하나는 음극성을 갖는데, 이들은 냉각 장치(10)상의 또는 냉각 장치(10) 쪽으로 두 개의 제 1 서브시스템(30) 사이에 배치되는 제 2 서브시스템(31)의 양쪽 부분이다. 제 2 서브시스템(31)의 외부 직류전압 접속 요소(24, 26)는 두 개의 접속 장치(74, 76)에 전기전도 방식으로 연결된다. 이들 접속 장치(74, 76)는 이 경우에 편평한 금속형상체의 형태인데, 각각은 제 1 서브시스템(30) 및 제 2 서브시스템(31)의 외부 직류전압 접속 요소에 연결하기 위한 제 1 접촉부와 내부 직류전압 부하 접속 요소(54, 56)에 전기전도적으로 연결하기 위한 제 2 편평부를 갖는다.
이 경우 절연재료체(32, 33)의 각각은 사각형의 기본 형태를 갖는데, 이는 역시 각 서브시스템(30, 31)의 기본 형태를 구성한다. 이 경우에 전력 전자 시스템(1)을 특히 컴팩트하게 만들기 위해 절연재료체(32, 33) 및 서브시스템(30, 31)이 그 종방향 측면을 통해 일렬로 놓일 수 있도록 하는 방식으로 내부 부하 접속 요소(52, 54, 56) 및 외부 부하 접속 요소(22, 24, 26)가 이 기본 형태의 좁은 측면에 할당된다.
도 4는 마찬가지로 하우징이 없이 도 3에 따른 것과 유사한 제 1 전력 전자 시스템(1)의 평면도를 보여준다. 제 1 서브시스템(30) 및 제 2 서브시스템(31)의 기본적인 유사성을 여기서 특히 분명하게 볼 수 있는데, 이 서브시스템들은 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)의 존재 및 절연재료체(33)에 대한 해당 고정의 면에서면 다르다. 서브시스템(30, 31)을 냉각 장치(10)에 고정하기 위한 고정 장치(300)도 마찬가지로 볼 수 있다. 원칙적으로 제 1 서브시스템(30) 및 제 2 서브시스템(31)을 어떤 원하는 방식으로도 함께 일렬로 늘어세울 수 있게 하는 모듈러 구조도 마찬가지로 여기서 특히 명백하다.
도 5는 역시 하우징이 없이 본 발명에 따른 제 2 전력 전자 시스템(1)의 사시도를 보여준다. 이 전력 전자 시스템(1)은 관련된 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)에 의해 공통 직류전압 공급부를 갖는 두 개의 3상 변환기를 갖는다. 이런 전력 전자 시스템(1)은 예를 들어 전동형 공업용 차량에 사용되는데, 하나의 변환기는 구동 기능으로 제공되고 제 2 인버터는 부하를 들어 올리는 기능으로 제공된다. 이 경우, 전력 전자 시스템(1)은 다섯 개의 제 1 서브시스템(30) 및 하나의 제 2 서브시스템(31)으로 구성되는데, 세 개의 제 1 서브시스템(30)은 두 개의 인버터 중의 하나를 구성하고 두 개의 제 1 서브시스템(30) 및 하나의 제 2 서브시스템(31)을 다른 인버터를 구성한다.
제 1 서브시스템(31)은 역시 열전도 방식으로 냉각 장치(10)에 연결된 스위칭 장치(50)를 갖는다. 이들은 또한 내부 직류전압 및 교류전압 부하 접속 요소를 갖는데, 이들 양 접속 요소는 스위칭 장치(50)의 좁은 측면에 제공되어 있다. 각각의 내부 교류전압 부하 접속 요소는 해당하는 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)에 연결되며, 그 나사 접속부들은 하우징(도시하지 않음)을 관통하는 방식으로 설계되어 있다. 게다가 이 경우에 각 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)에는 전류 센서(520)가 할당된다.
단일 제 2 서브시스템(31)은 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)에 대하여 직각으로 배치되는 방식으로 두 개의 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)를 추가로 갖는데, 이들 부하 접속 요소는 전체 전력 전자 시스템을 공급하는데 사용된다. 이를 위해 이들 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)는 두 개의 접속 장치(74, 76)에 의해 제 1 서브시스템(30) 및 제 2 서브시스템(31)의 모든 스위칭 장치의 모든 내부 직류전압 부하 접속 요소에 연결된다.
두 개의 인버터의 각각은 인버터를 구성하는 서브시스템(30, 31)에 지정된 제어 회로를 갖는다. 이들 제어 회로는 각각 서브시스템(30, 31)의 제 2 좁은 측면에 배치되는 회로 기판(38)을 가지고, 서브시스템(30, 31)의 회로 기판(38)의 방향에 대하여 대략 90도의 각도로 제공된다. 적어도 하나의 해당 커패시터 장치가 냉각 장치로부터 떨어진 스위칭 장치(50)의 측면 위에 제공될 수 있기 때문에, 이 회로기판의 장치는 결국 전체 전력 전자 시스템(1)의 특히 컴팩트한 설계가 된다.
1: 전력 전자 시스템(Power electronic system)
10: 냉각 장치(cooling device)
20: 하우징(housing)
22: 외부 교류전압 부하 접속 요소(external AC voltage load connection element)
24, 26: 외부 직류전압 부하 접속 요소(external DC voltage load connection element)
30: 제 1 서브시스템(first subsystem)
31: 제 2 서브시스템(second subsystem)
32: 절연재료체(insulating material body)
40: 냉각 부품(cooling component)
50: 스위칭 장치(switching device)
52, 54, 56: 제 1 내부 부하 접속 요소(first internal load connection element)
60: 전력 전자 회로(power electronic circuit)
74, 76: 접속 장치(connecting device)

Claims (8)

  1. 냉각 장치(10), 적어도 하나의 제 1 서브시스템(30) 및 적어도 하나의 제 2 서브시스템(31), 적어도 하나의 접속 장치(74, 76) 및 하우징(20)을 갖는 전력 전자 시스템(1)으로서,
    상기 적어도 하나의 제 1 서브시스템(30)은 냉각 부품(40)을 구비하며 열전도 방식으로 상기 냉각 장치(10)에 연결되는 스위칭 장치(50), 및 그 상면에 배치되며 다른 극성을 갖는 제 1 내부 부하 접속 요소(52, 54, 56), 절연재료체(32) 및 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)를 갖는 전력 전자 회로(60)를 가지며,
    상기 적어도 하나의 제 2 서브시스템(31)은 상기 제 1 서브시스템(30)과 유사한 방식으로 구성되며, 추가로 적어도 하나의 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)를 가지며,
    상기 적어도 하나의 접속 장치(74, 76)는 제 1 서브시스템(30) 및 제 2 서브시스템(31)의 내부 직류전압 부하 접속 요소(54, 56)를 바른 극성으로 전기전도 방식으로 적어도 하나의 제 2 서브시스템(31)의 외부 직류전압 부하 접속 요소(24, 26)에 연결하며,
    상기 하우징(20)은 상기 냉각 장치(10) 쪽으로 모든 서브시스템(30, 31)을 덮는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연재료체(32, 33)는 해당 스위칭 장치(50)를 적어도 부분적으로 둘러싸며, 각각의 제 1 서브시스템(30) 또는 제 2 서브시스템(31)을 고정 요소(300)에 의해 상기 냉각 장치(10)에 고정하는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 제 1 서브시스템(30) 및 각각의 제 2 서브시스템(31)은 고정되기 위해 각각의 절연재료체(32, 33)에 연결되고 올바른 극성으로 전기전도 방식으로 스위칭 장치(50)의 제 1 내부 직류전압 부하 접속 요소(54, 56)에 연결되는 커패시터 장치(80)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 제 1 서브시스템(30) 및 각각의 제 2 서브시스템(31)은 고정되기 위해 각각의 절연재료체(32, 33)에 연결되며 전기전도 방식으로 스위칭 장치(50)의 보조 접속 요소(58)에 연결되는 해당 회로기판(38)을 구비한 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    고정되기 위해 상기 서브시스템(30, 31)의 각 절연재료체(32, 33)에 연결되며 전기전도 방식으로 해당 스위칭 장치(50)의 보조 접속 요소(58)에 연결되는 해당 회로기판(38)을 갖는 공통 제어 회로가 다수의 서브시스템(30, 31)에 대하여 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회로기판(38)은 상기 스위칭 장치(50)에 대하여 60° 내지 90°의 각도로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 회로기판(38)은 적어도 하나의 외부 교류전압 부하 접속 요소(22)의 바로 근처에 배치되며 외부 교류전압 부하 접속 요소(22) 또는 해당 내부 교류전압 부하 접속 요소(52)에 제공된 적어도 하나의 전류 센서(520)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 전력 전자 회로(40)는 절반 브릿지 회로의 형태인 것을 특징으로 하는 전력 전자 시스템.
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