KR20130125723A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 전력 변환 장치는 냉각 재킷을 구비한다. 냉각 재킷은, 전력용 반도체 소자를 구비하는 파워 모듈이 장착되는 장착 면과, 장착 면의 이면측의 거의 전 영역에 걸쳐서 소정 방향을 따라 배열되는 복수의 방열 핀과, 이면측의 거의 전 영역의 중앙 영역에 소정 방향을 따라 배열되는 보스부를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION APPARATUS}
여기에서 논의된 실시예는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
하이브리드 자동차 및 전기 자동차에 탑재되며, 주행용 모터의 구동 제어에 사용되는 종래의 전력 변환 장치가 알려져 있다. 이러한 전력 변환 장치는 배터리의 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 주행용 모터를 구동하며, 또한 주행용 모터의 급격한 감속 동안 회생 전력을 배터리로 되돌린다.
또한, 전력 변환 장치에는, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor : IGBT)와 같은 전력용 반도체 소자를 장착하며, 이러한 파워 모듈을 사용하여 3상 교류 전력 변환을 실행하기 위해, 직렬로 배열된 파워 모듈을 또한 장착한다.
파워 모듈은 대전류를 제어하여 주행용 모터를 구동하기 때문에, 파워 모듈은 매우 큰 발열량을 갖는다. 이러한 이유로, 전력 변환 장치가 파워 모듈용 냉각 기구를 구비하는 것이 정상적이다.
이러한 냉각 기구는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 있어서의 한정된 탑재 공간상에 효율적으로 냉각을 실행하기 위해 많은 경우에 높은 냉각 효율을 갖는 수냉식을 이용한다.
예를 들어, 일본 특허 공개 제 2008-311550 호 공보에 개시된 파워(반도체) 모듈은 베이스 플레이트의 표면측에 직렬로 나란히 배열된다. 베이스 플레이트의 이면에는, 파워 모듈의 배열 방향을 따라서 평행으로 연장되는 방열 핀(radiation fin)이 베이스 플레이트와 통합되어 마련된다.
베이스 플레이트의 이면에는 냉각 재킷이 고정되어 방열 핀을 덮는다. 결과적으로, 냉각 매체가 방열 핀 끼리의 사이를 통과하여 흐르는 냉각 매체 유로가 베이스 플레이트와 냉각 재킷 사이에 형성된다.
종래의 전력 변환 장치는 냉각 기구의 냉각 효율 및 압력 손실 간에 균형이 요구된다는 점에서, 더욱 개선의 여지를 가진다. 더 상세하게는, 상술한 바와 같이, 방열 핀의 사이를 통과하여 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 기구의 경우, 방열 핀의 수를 증가시키는 것에 의해 냉각 매체의 유속이 빨라지고, 그로 인해 냉각 효율이 향상된다. 그러나 그것과 동시에 압력 손실도 증가한다는 문제가 있다.
실시예의 일 양태는, 상기 문제의 측면에서 성취된 것으로서, 본 실시예의 목적은 냉각 기구의 냉각 효율과 압력 손실 사이의 균형을 유지할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 냉각 재킷을 구비한다. 상기 냉각 재킷은, 전력용 반도체 소자를 구비하는 파워 모듈이 장착되는 장착 면과, 상기 장착 면의 이면의 거의 전체 영역에 걸쳐서 소정 방향을 따라 배열되는 복수의 방열 핀과, 상기 이면측의 거의 전체 영역의 중앙 영역에 상기 소정 방향을 따라서 배열되는 보스부를 포함한다.
일 실시예의 양태에 따르면, 냉각 기구에 있어서의 냉각 효율과 압력 손실 사이의 균형을 유지하는 것이 가능하다.
도 1a는 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 구비하는 모터 드라이브 시스템의 구성을 도시하는 모식도,
도 1b는 실시예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 도시하는 사시 모식도,
도 1c는 냉각수의 순환계를 나타내는 모식도,
도 2a는 도 1b의 A-A'선으로부터 도시되는 단면도,
도 2b는 도 2a에 도시된 M1 부분의 확대 모식도,
도 3a는 파워 모듈의 구성을 도시하는 사시 모식도,
도 3b는 파워 모듈의 구성을 도시하는 평면 모식도,
도 4a는 냉각 재킷의 표면측으로부터 본 사시 모식도,
도 4b는 냉각 재킷의 이면으로부터 본 사시 모식도,
도 5는 보스부에 의해서 얻어지는 효과를 설명하는 모식도,
도 6a는 더미 보스부가 마련되는 변형예를 도시하는 모식도,
도 6b는 급수 파이프 및 배수 파이프가 서로 반대 방향에 배열되는 변형예를 도시하는 모식도,
도 7a 및 도 7b는 제 1 검증 실시예의 전제 조건을 도시하는 도면,
도 8a 내지 도 8d는 제 2 검증 실시예의 전제 조건을 도시하는 도면.
이하에, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 상세하게 설명한다. 또한, 아래 개시되는 실시예는 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다.
이하에, 3상 교류를 처리하는 전력 변환 장치가 예시로서 설명될 것이다. 여기에, 파워 모듈은 스위칭 소자로서 IGBT를 구비하는 IGBT 모듈이다. 냉각 매체는 "냉각수"로 언급될 수도 있다. 여기서, "냉각수"는 물 또는 물 이외의 냉각 매체를 구비하는 냉각액의 일 예시이다.
설명을 이해하기 쉽게 하기 위해서, 이하의 설명에 이용되는 각 도면은 연직 상향을 양의 방향으로 하고, 연직 하향을 음의 방향으로 하는 Z축을 구비하는 3차원의 직교 좌표계를 도시할 수도 있다. 본 실시예에서, 이러한 직교 좌표계 내 X축의 양의 방향은 전력 변환 장치의 전방으로 규정한다.
이하에, 구성요소 중 오직 1개만 도면부호를 가지고, 나머지 다른 구성요소의 도면부호는 생략될 수도 있다. 이러한 경우, 도면부호를 가지는 1개의 구성요소와 나머지 다른 구성요소는 동일한 구성을 가진다.
도 1a는 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)를 구비하는 모터 드라이브 시스템(1)의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 1a에 도시하는 바와 같이, 모터 드라이브 시스템(1)은 차량(2), 주행용 모터(3), 배터리(4) 및 전력 변환 장치(10)를 구비한다.
차량(2)은, 하이브리드 카 및 전기 자동차와 같은, 구동계의 동력원으로서 전동기(즉, 후술되는 주행용 모터(3))를 가지는 자동차이다.
주행용 모터(3)는, 차량(2)의 구동계의 동력원이며, IPM 모터(Interior Permanent Magnet Motor) 등과 같은 종류의 것으로 구성된다. 구동계의 구동 방식이 전륜 구동인 경우가 도 1a에 도시됨에도 불구하고, 차량(2)의 구동 방식은 이것에 제한되지 않는다.
배터리(4)는 전력 변환 장치(10)를 통해 주행용 모터(3)에 전력을 공급하며, 전력 변환 장치(10)를 통해 회생 전력을 축전하는, 이른바 2차 전지이다.
전력 변환 장치(10)는 배터리(4)로부터 공급된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 주행용 모터(3)를 구동한다. 게다가, 전력 변환 장치(10)는 급격한 감속시 주행용 모터(3)의 회생 전력을 배터리(4)로 되돌려 배터리(4)를 충전한다. 또한, 차량(2)이 하이브리드 카인 경우, 전력 변환 장치(10)는 엔진에 의한 통상 주행 중에 발전기로서 작용하는 주행용 모터(3)로부터의 전력으로 배터리(4)를 충전한다.
다음에, 전력 변환 장치(10)의 구성이 도 1b를 참조하여 설명될 것이다. 도 1b는 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)의 구성을 도시하는 사시 모식도이다. 도 1b에 도시하는 바와 같이, 전력 변환 장치(10)는 케이스(11), 커버(12), 브래킷(13), 급수 파이프(14) 및 배수 파이프(15)를 구비한다.
케이스(11)는 실질적으로 직방체 형태를 가지고 상면이 개방된 수납부이다. 케이스(11)는 후술하는 파워 모듈, 냉각 기구 등을 수납한다. 커버(12)는 개방된 케이스(11)의 상면에 고정된다.
브래킷(13)은 전력 변환 장치(10)가 차량(2)에 탑재될 때의 전력 변환 장치(10)의 지지부이다.
급수 파이프(14)는 냉각수 순환용의 펌프(5)(도 1c 참조)로부터 공급되는 냉각수의 급수구이다. 배수 파이프(15)는, 급수 파이프(14)가 마련되는 면의 대향면에 마련되는 냉각수의 배수구이다. 도 1b에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서는, 급수 파이프(14) 및 배수 파이프(15)가 서로 비스듬하게 마주보도록 엇갈리게 배열되어 있다.
전력 변환 장치(10)는 모터 케이블(16)을 통해 주행용 모터(3)와 접속된다. 전력 변환 장치(10)는 배터리 케이블(17)을 통해 배터리(4)에 더 접속된다.
여기서, 냉각수의 순환계가 도 1c를 참조하여 설명된다. 도 1c는 냉각수의 순환계를 도시하는 모식도이다. 이러한 경우에, 도 1c에 도시된 화살표는 냉각수의 흐름 방향을 나타낸다.
도 1c에 도시하는 바와 같이, 냉각수의 순환계는 펌프(5), 라디에이터(6), 전력 변환 장치(10) 및 주행용 모터(3)가 마련된다.
우선, 냉각수는 펌프(5)로부터 라디에이터(6)로 보내지며, 그 열은 라디에이터(6)에서 방출된다. 그 이후에, 냉각수는 전력 변환 장치(10)로 공급된다. 전력 변환 장치(10)에서는 공급된 냉각수를 이용하여 파워 모듈이 냉각된다. 냉각수는 전력 변환 장치(10)로부터 주행용 모터(3)로 더 보내진다.
그리고 나서, 주행용 모터(3)는 또한 냉각수에 의해서 냉각된다. 그 이후에, 냉각수는 주행용 모터(3)로부터 펌프(5)로 회수된다. 냉각수는 순환계를 통과하여 순환한다. 따라서, 예를 들어, 이러한 순환계에서 전력 변환 장치(10)의 냉각 기구의 압력 손실을 저감하는 것은 펌프(5)의 부하 저감, 소비 전력의 저감, 및 펌프(5)의 소형화에 이바지한다.
다음으로, 도 1b의 A-A'선으로부터 본 단면도인 도 2a와, 도 2a에 도시된 M1 부위의 확대도인 도 2b를 참조하여, 전력 변환 장치(10)의 구성을 더 상세하게 설명할 것이다.
도 2a에 도시하는 바와 같이, 전력 변환 장치(10)는, 케이스(11)의 내부에, 제어 기판(11a), 게이트 기판(11b), 파워 모듈(11c), 및 냉각 기구(20)를 구비하고 있다. 여기에서, 파워 모듈(11c)은 전력 변환 수단의 일 예이다. 냉각 기구(20)는 냉각 수단의 일 예이다.
여기에, 도 2b를 참조하여 설명하기에 앞서, 파워 모듈(11c)의 구성의 상세에 대해서 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명될 것이다. 도 3a는 파워 모듈(11c)의 구성을 도시하는 사시 모식도이다. 도 3b는 파워 모듈(11c)의 구성을 도시하는 평면 모식도이다.
도 3a에 도시하는 바와 같이, 파워 모듈(11c)은 전력용 반도체 소자(이후, "반도체 소자")를 구비하는 전자 부품을 몰드 수지(11ca)로 패키지한 모듈이다. 파워 모듈(11c)의 주면 중앙부에는, 관통 구멍인 볼트 구멍(11cb)이 형성되어 있다.
파워 모듈(11c)에는 주 단자(11cc) 및 제어 단자(11cd)가 마련된다.
도 3b에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 스위칭 소자(11ce) 및 한 쌍의 정류 소자(11cf)가 파워 모듈(11c)의 내부에 번갈아 배열된다. 여기서, 파워 모듈(11c)의 주된 발열체는 스위칭 소자(11ce)이다. 따라서, 파워 모듈(11c)의 발열 구역은 파워 모듈(11c)의 주면 중앙부를 사이에 둔 파워 모듈(11c)의 좌우 영역에 분할된다.
도 3b에서, 스위칭 소자(11ce)는 완전한 원형으로, 정류 소자(11cf)는 직사각형으로 도시된다. 이것의 목적은 각각을 식별하는 것이다. 따라서, 본 실시예가 이들 형상을 한정하는 것은 아니다.
본 실시예에서, 정류 소자(11cf)가 FWDi(Free Wheeling Diode)인 것이 설명되어왔다. 그러나, 이러한 점이 정류 소자(11cf)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
본 실시예에서, 하나의 파워 모듈(11c)은 3상 교류의 단상 교류를 처리한다. 따라서, 3상 교류를 취급하기 위해서는 3개의 파워 모듈(11c)이 필요하게 된다.
도 2b의 설명으로 돌아와서, 냉각 기구(20)가 설명될 것이다. 도 2b에 도시하는 바와 같이, 냉각 기구(20)는 냉각 재킷(21)을 구비한다. 또한, 냉각 재킷(21)은 유로 형성 수단의 일 예시이다.
냉각 재킷(21)의 표면측 상에 구멍(21a)이 형성된다. 또한, 냉각 재킷(21)의 후면 측면에는 구멍(21a)의 주변 구역에 대체로 원주 형상의 돌기인 보스부(21b)가 형성된다.
여기서, 파워 모듈(11c)은 상기 볼트 구멍(11cb)(도 3a 참조)을 통과하여 볼트(B)(체결 부재)가 구멍(21a)에 나사 결합됨으로써, 냉각 재킷(21)의 표면측에 장착된다. 즉, 냉각 재킷(21)의 표면 측면은 파워 모듈(11c)의 장착면이다. 여기서, 볼트(B)는 고정 수단의 일 예이다. 파워 모듈(11c)의 장착면은 장착 수단의 일 예이다. 또한, 보스부(21b)는 고정 수단을 고정하며 냉각 매체를 분류하기 위한 분류 수단의 일 예이다.
도 2b에 도시하는 바와 같이, 냉각 재킷(21)의 파워 모듈(11c)의 장착면의 이면의 (거의) 전 영역에는, 복수의 방열 핀(21c)이, 도면의 Y축을 따라 평행으로 연장하도록, 보스부(21b)의 돌출 길이에 따라서 형성되어 있다.
여기에, 상기 서술된 "이면의 (거의) 전 영역"이란, 파워 모듈(11c)이 장착되는 장착면의 이면 내의 냉각 매체 유로가 마련되는 영역을 의미한다.
또한, 상기 서술된 "평행"은 동일한 방향을 의미한다. 또한, "돌출 길이"는 보스부(21b) 및 방열 핀(21c)의 근원 위치로부터 선단까지의 길이를 의미한다. 또한, 방열 핀(21c)은 방열 수단의 일 예이다.
또한, 냉각 재킷(21)은 높은 열전도성을 갖는 알루미늄과 같은 재료로 다이캐스팅 성형된다. 따라서, 구멍(21a), 보스부(21b) 및 방열 핀(21c)은 냉각 재킷(21)과 통합된다.
커버(22)는 보스부(21b) 및 방열 핀(21c)으로부터 일정 간극을 두고 냉각 재킷(21)의 이면측에 장착된다. 여기에, 냉각 재킷(21)과 커버(22) 사이의 공간은 접합, 가스켓 등에 의해 밀봉된다.
결과적으로, 상기 일정 간극을 보유하는 냉각 매체 유로(23)가 형성되며, 그로 인해 냉각수는 냉각 매체 유로(23)를 통과하여 흐른다. 이하에서는, 도면의 Y축을 따르는 방향이 "일정 방향"으로 언급될 수도 있다.
여기서, 상기 설명들을 기반으로 한 냉각 재킷(21)의 전체 구성은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명될 것이다. 도 4a는 냉각 재킷(21)을 표면측에서 본 사시 모식도이다. 도 4b는 냉각 재킷(21)을 이면에서 본 사시 모식도이다.
도 4a에 도시하는 바와 같이, 전력 변환 장치(10)가 3상 교류를 취급할 때에는, 3개의 파워 모듈(11c)이 도면의 Y축을 따라 나란히 냉각 재킷(21) 상에 배열된다. 이러한 점은 예를 들면 파워 모듈이 6상 교류에 적용하는 경우와 유사하다. 이러한 경우에는, 6개의 파워 모듈(11c)이 나란히 직렬로 배열된다.
급수 파이프(14)로부터의 냉각수는 도면의 화살표(401)에 의해 표시되는 유동 방향을 따라 흐르며, 배수 파이프(15)로부터 배수된다. 냉각수의 유동 방향이 도 4a에 선형 화살표(401)에 의해 개략적으로 표시됨에도 불구하고, 유동 방향 (및 유속)은 냉각 재킷(21)에 마련된 보스부(21b)에 의해 정확하게 조정되어, 냉각 효율 및 압력 손실의 균형을 유지하면서 파워 모듈(11c)을 효과적으로 냉각하도록 할 수 있다. 이 점의 상세한 것은 도 5를 참조하여 후술한다.
보스부(21b)는 파워 모듈(11c)의 중앙부에 마련된 볼트 구멍(11cb)과 결합하기 때문에(도 2b 참조), 도 4b에 도시하는 바와 같이, 보스부(21b)는 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역에 도면의 Y축을 따라 배열된다. 다음에, 상기 설명된 바와 같이 보스부(21b)의 배열에 의해 얻어지는 효과에 대해 도 5를 참조하여 설명될 것이다.
도 5는 보스부(21b)에 의해서 얻어지는 효과를 설명하는 모식도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 보스부(21b)가 도면의 Y축을 따라 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역 상에 배열되고, 그로 인해 급수 파이프(14)로부터의 냉각수는 냉각 재킷(21)의 좌우 영역으로 분류되기 쉬워진다(도면의 흰색 화살표 참조).
이것은, 냉각 재킷(21)의 좌우 영역에서 냉각수의 유속이 증가되기 쉬운, 즉, 냉각 재킷(21)의 좌우 영역에서 냉각 효율을 향상시키기 쉽다는 것을 의미한다.
이미 도 3b를 참조하여 설명한 바와 같이, 파워 모듈(11c)의 주된 발열 구역은, 파워 모듈(11c)의 중앙부를 사이에 둔 좌우 영역에 나누어진다. 따라서, 상술한 바와 같이 보스부(21b)는 냉각수를 냉각 재킷(21)의 좌우 영역으로 분류하기 쉽기 때문에, 파워 모듈(11c)의 발열 구역을 효과적으로 냉각할 수 있다.
도면의 검은색 화살표에 의해 나타내는 바와 같이, 보스부(21b)는 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역에 도면의 Y축을 따라 배열되기 때문에, 보스부(21b)의 주위에 냉각수의 난류가 발생하기 쉬워진다. 난류에 의해 냉각수가 적절히 교반되므로, 냉각 효율의 향상에 도움이 되는 효과를 얻을 수 있다.
냉각 재킷(21)의 이면측에 균일하게 방열 핀(21c)을 마련함으로써, 보스부(21b)를 마련하지 않는 경우와 비교하여, 보스부(21b)가 마련되었을 경우에는 압력 손실을 저감시킬 수 있으며, 이는 냉각 재킷(21)의 이면측의 냉각수와 접촉하는 면적이 작아지기 때문이다.
보스부(21b)가 전혀 마련되지 않은 경우와 비교하여, 본 실시예에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 3개의 보스부(21b)가 마련된 경우의 실험 데이터로서, 압력 손실이 5%까지 저감되는 검증 결과를 얻는다. 이 검증 결과는 후술되는 "제 1 검증 예"에 의해 상세하게 설명될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 전력 변환 장치(10)는 냉각 재킷(21)의 좌우 영역에 냉각수를 분류할 수 있고, 이러한 좌우 영역 내의 유속을 높이고, 그로 인해 냉각 효율을 향상시키고 압력 손실 또한 저감시킬 수 있다. 즉, 냉각 기구(20)의 냉각 효율 및 압력 손실의 균형을 유지하는 것이 가능하다.
도 5에서는, 도면의 Y축을 따라 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역에 보스부(21b)를 배열함으로써, 냉각수를 냉각 재킷(21)의 좌우 영역에 쉽게 분류시키는 것이 설명된다. 이것에 부가하여, 냉각수를 분류하는 기구가 더 마련될 수도 있다.
예를 들어, 보스부(21b)는 도 5의 검은색 화살표의 방향으로 연장되는 핀을 가질 수도 있다. 대신에, 냉각수의 흐름 방향에 거의 수직인 핀이 보스부(21b) 사이에 마련될 수도 있다.
지금까지는, 파워 모듈(11c)에 대응하는 보스부(21b)를 예를 들어 설명되었다. 파워 모듈(11c)에 대응하지 않는, 말하자면 더미 보스부(21b')가 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역에 마련될 수도 있다.
이러한 변형예가, 도 6a를 참조하여 설명될 것이다. 도 6a는 더미 보스부(21b')가 마련되는 변형예를 도시하는 모식도이다.
도 6a에 도시하는 바와 같이, 전력 변환 장치(10)는 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역에 있는 파워 모듈(11c)에 대응하지 않는 보스부(21b')가 마련될 수도 있다. 즉, 보스부(21b')는 파워 모듈(11c)을 고정하는 볼트(B)의 볼트 수용부로서 기능하지 않는 돌기부이다.
따라서, 보스부(21b')는 냉각 기구(20)의 냉각 효율 및 압력 손실의 균형을 유지하는 기능을 한다. 도 6a에서 보스부(21b')가 보스부(21b)의 사이에 보스부(21b)로부터 균등한 간격을 두고 마련되는 것이 도시된다. 그러나, 본 실시예가 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 보스부(21b')의 개수가 이것에 한정되는 것은 아니다.
즉, 보스부(21b')가 냉각 효율 및 압력 손실의 균형이 최적화되는 위치에 배열되는 것이 필요하다. 이러한 배열 위치는 전력 변환 장치(10)의 설계 공정 내의 시뮬레이션 결과, 검증 공정의 실험 데이터 등에 기초하여 결정되는 것이 필요하다.
지금까지는, 급수 파이프(14) 및 배수 파이프(15)가 서로 대각선으로 반대편에 배열되어 있는 경우에 대해서 설명되었다. 이들은 서로 마주보도록 배열될 수도 있다.
이러한 변형예는 도 6b를 참조하여 설명될 것이다. 도 6b는 급수 파이프(14) 및 배수 파이프(15)가 서로 대향 배열하는 변형예를 도시하는 모식도이다.
도 6b에 도시하는 바와 같이, 냉각 재킷(21)의 이면측의 중앙 영역에 보스부(21b)가 배열되어 있는 경우, 상술한 바와 같이 냉각수가 냉각 재킷(21)의 좌우 영역으로 분류되며, 교반되기 쉬워진다.
따라서, 급수 파이프(14) 및 배수 파이프(15)가 서로 대향 배열되어도, 파워 모듈(11c)은 냉각 효율의 감소 없이 효과적으로 냉각될 수 있다.
냉각 기구(20)의 냉각 효율 및 압력 손실의 균형을 유지하기 위해, 이러한 급수 파이프(14)와 배수 파이프(15) 사이의 상호 배열 위치가 고려될 수 있다. 즉, 상술한 보스부(21b) 및 보스부(21b')의 배열 위치 및 개수에 부가하여 급수 파이프(14)와 배수 파이프(15) 사이의 배열 위치를 고려하면서, 냉각 효율과 압력 손실의 균형이 최적화되도록 조정하는 것이 필요하다.
냉각 기구(20)를 구성하는 다른 구성요소가 이러한 조정을 실행하기 위해 추가될 수 있다는 것은 명백하다. 도시하지 않지만, 예를 들어, 방열 핀(21c)의 돌출 길이가 더해질 수 있다. 이것과 관련하여, 방열 핀(21c)의 돌출 길이에 대한 보스부(21b)의 돌출 길이가 더해질 수도 있다. 예를 들어, 보스부(21b)의 돌출 길이가 방열 핀(21c)의 돌출 길이보다 짧다고 가정할 때, 경량화의 효과를 얻을 수 있다.
반대로, 보스부(21b)의 돌출 길이가 방열 핀(21c)의 돌출 길이보다 길 수도 있다. 부수적으로, 본 실시예에서, 이러한 경우의 검증 결과는 냉각 효율의 증가를 보여준다. 이 검증 결과는 후술하는 "제 2 검증 예"에 의해 나타난다.
지금까지는, 보스부(21b) 또는 보스부(21b')가 냉각 재킷(21)의 중앙부에 직렬로 배열되는 것이 설명되었다. 그러나, 본 실시예가 이것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 지그재그 배열이 실행될 수도 있다.
다음에, 본 실시예의 제 1 및 제 2 검증 예가 설명된다. 또한, 제 1 및 제 2 검증 예에서는, 도 4a 및 도 4b에서의 것과 동일한 형태의 냉각 재킷(21)이 이용되며, 이 냉각 재킷의 외형 사이즈는 200㎜(길이 : Y 방향)×60㎜(폭 : X 방향)×20㎜(높이 : Z 방향)이며, 정격 유량은 10L/분이다.
제 1 검증 예
도 7a 및 도 7b는 제 1 검증 예의 전제 조건을 도시하는 도면이다. 우선, 제 1 검증 예에 따르면, 냉각수의 유량을 10L/분 및 20L/분으로 했을 경우, 도 7a에 도시하는 보스부(21b)가 존재하지 않는 냉각 재킷(21')(이후, "보스 없음")과, 도 7b에 도시하는 보스부(21b)가 존재하는 냉각 재킷(21)(이후, "보스 있음")에서의 그들의 압력 손실이 비교된다.
유량이 10L/분 및 20L/분인 어떤 경우에서도, 냉각수의 기준 온도는 20℃이다. 또한, 온도의 측정 지점은 도 7a 및 도 7b에 도시되는 "U상", "V상" 및 "W상" 각각을 따르는 스위칭 소자(11ce) 부근이다. 이러한 전제 조건에 의해서 검증된 제 1 검증 예의 검증 결과가 표 1에 의해 나타난다.
10L/분 20L/분
보스 없음 보스 있음 저감율 보스 없음 보스 있음 저감율

IGBT
베이스 온도
상승값		 U 최대 ℃ 40.5 40.4 0% 38.7 38.8 0%
평균 ℃ 25.5 25.4 0% 23.6 23.5 0%
V 최대 ℃ 41.8 41.6 1% 39.4 39.1 1%
평균 ℃ 26.7 26.5 1% 24.3 24.1 1%
W 최대 ℃ 42.9 42.9 0% 39.7 39.7 0%
평균 ℃ 27.5 27.4 0% 24.6 24.5 1%
압력 손실 kPa 4.0 3.8 5% 11.9 11.4 5%
기준 온도(냉매 온도) ℃ 20.0
표 1에 도시된 바와 같이, 냉각수의 부피가 10L/분 및 20L/분인 어떤 경우라도, "보스 있음"은 "보스 없음"과 비교하여 압력 손실을 5%까지 저감시킬 수 있다. 즉, 보스부(21b)를 마련함에 따라 압력 손실을 저감할 수 있다. 압력 손실이 저감되기 때문에, 펌프(5)의 부하가 감소되고 소형화가 실행될 수 있다.
제 2 검증 예
다음에, 도 8a 내지 도 8d는 제 2 검증 예의 전제 조건을 도시하는 도면이다. 여기에, 도 8a 내지 도 8d는 도 2b의 확대 모식도를 더 간략화함으로써 얻어진 도면이다. 제 2 검증 예에서는, 보스부(21b)의 돌출 길이(hb)와 방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf) 사이의 상이한 조합을 사용하여 얻어진 "조건 0" 내지 "조건 3" 하에서의 냉각 효율이 검증되었다.
도 8a에 도시하는 바와 같이, "조건 0"에서는, 보스부(21b)의 돌출 길이(hb) 및 방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)가 "11㎜"이다. 즉, "조건 0"은 "보스부(21b)의 돌출 길이(hb)=방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)"인 경우이다. 이러한 "조건 0"은 "디폴트"로서 고려한다.
도 8b에 도시하는 바와 같이, "조건 1"에서는, 보스부(21b)의 돌출 길이(hb)는 디폴트에 1㎜를 더한 "12㎜"이다. 또한, 방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)는 디폴트와 동일하게 "11㎜"이다. 즉, "조건 1"은 "보스부(21b)의 돌출 길이(hb)>방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)"인 경우이다.
도 8c에 도시하는 바와 같이, "조건 2"에서는, 보스부(21b)의 돌출 길이(hb)는 디폴트와 동일한 "11㎜"이다. 또한, 방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)는 디폴트에 1㎜를 더한 "12㎜"이다. 즉, "조건 2"는 "보스부(21b)의 돌출 길이(hb)<방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)"인 경우에 상응한다.
도 8d에 도시하는 바와 같이, "조건 3"에서는, 보스부(21b)의 돌출 길이(hb)는 디폴트와 동일한 "11㎜"이다. 또한, 방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)는 디폴트 길이의 반을 취함으로써 얻어지는 "5.5㎜"이다. 즉, "조건 3"은 "보스부(21b)의 돌출 길이(hb)=방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)*2"인 경우이다.
"조건 0" 내지 "조건 3"의 어떤 경우라도, 급수 파이프(14)(입구) 내 냉각수의 온도는 65℃이고, 그 유량은 10L/분이다. 또한, 제 1 검증 예와 유사하게, 온도의 측정 지점은 "U상", "V상" 및 "W상" 각각의 스위칭 소자(11ce) 부근이다(도 7a 및 도 7b 참조). 전제 조건에 의해 검증된 제 2 검증 예의 검증 결과가 표 2에 나타난다.

각 측정 지점
단위		 조건 0
디폴트		 조건 1
보스 + 1㎜		 조건 2
핀 + 1㎜		 조건 3
핀 1/2㎜
최대 평균 최대 평균 최대 평균 최대 평균
물 ℃ 65 65 65 65
U(평균) ℃ 124.0 118.5 120.6 114.9 121.8 116.1 125.2 119.4
V(평균) ℃ 124.2 118.6 120.6 114.9 121.5 115.8 124.6 118.8
W(평균) ℃ 122.4 116.9 119.3 113.5 119.5 113.8 122.5 116.7
표 2에 나타내는 바와 같이, "조건 1"의 경우, "조건 0"의 경우와 비교하여 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, "조건 2"의 경우도 "조건 0"의 경우와 비교하여 냉각 효율을 또한 향상시킬 수 있다. 여기에, "조건 2"의 냉각 효율은 "조건 1"의 냉각 효율보다 낮다. 그러나, "조건 2"의 경우, "조건 0"의 경우 및 "조건 1"의 경우와 비교하여 압력 손실은 약간 증가하는데, 이는 보스부(21b)가 방열 핀(21c)에 대해서 짧고, 그로 인해 방열 핀(21c)이 길어진 만큼 냉각수와의 접촉 면적이 증가하기 때문이다.
"조건 3"은 "조건 0"의 경우와 거의 동일한 냉각 효과를 얻을 수 있다. 또한, "조건 3"은 압력 손실을 상당히 감소시킬 수 있는데, 이는 방열 핀(21c)과 냉각수 사이의 접촉 면적을 상당히 감소시킬 수 있기 때문이다.
제 2 검증 예의 검증 결과에 따르면, 적어도 "보스부(21b)의 돌출 길이(hb)≥방열 핀(21c)의 돌출 길이(hf)"인 경우에, 냉각 효율이 향상될 수 있고 압력 손실이 적절하게 감소될 수 있다. 즉, 냉각 기구(20)의 냉각 효율 및 압력 손실의 균형을 유지하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 실시예에 따른 전력 변환 장치는 냉각 재킷을 구비한다. 냉각 재킷은, 전력용 반도체 소자를 구비하는 파워 모듈이 장착되는 장착 면과, 장착 면의 이면측의 거의 전 영역에 걸쳐서 소정 방향을 따라 배열되는 복수의 방열 핀과, 이면측의 거의 전 영역의 중앙 영역에 소정 방향을 따라 배열되는 보스부를 포함한다.
따라서, 실시예에 따른 전력 변환 장치에 따르면 냉각 기구의 냉각 효율 및 압력 손실 간의 균형을 유지할 수 있다.
상술한 실시예에서는, 파워 모듈이, 스위칭 소자로서 iGBT 및 정류 소자로서 FWDi를 구비하는 것이 예시로서 설명된다. 그러나 본 실시예는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 파워 모듈은 M0SFET(Metal 0xide Semiconductor Field Effect Transistor) 및 SBD(Schottky Barrier Diode)를 구비할 수도 있다.

Claims (4)

  1. 냉각 재킷을 포함하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 냉각 재킷이,
    전력용 반도체 소자를 구비하는 파워 모듈이 장착되는 장착 면과,
    상기 장착 면의 이면측의 거의 전 영역에 걸쳐서 소정 방향을 따라 배열되는 복수의 방열 핀과,
    상기 이면측의 거의 전 영역의 중앙 영역에 상기 소정 방향을 따라서 배설되는 보스부를 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워 모듈의 주면의 중앙부에는 관통 구멍이 형성되며,
    상기 관통 구멍에 관통 삽입시킨 체결 부재가 삽입 및 고정되는 구멍부가 상기 보스부의 상기 장착 면에 형성되는
    전력 변환 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 재킷은, 상기 냉각 재킷의 외측 표면 중에서 소정 방향으로 서로 마주보는 표면 중, 한쪽 표면에는 냉각 매체의 급수구를, 다른쪽 표면에는 냉각 매체의 배수구를 갖고 있고,
    상기 급수구 및 상기 배수구는 각각 서로 상이한 위치에 배치되는
    전력 변환 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보스부는, 상기 보스부의 돌출 길이가 상기 방열 핀의 돌출 길이 이상이 되도록 마련되는
    전력 변환 장치.
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