KR20140022933A - 3상 인버터 패키지 - Google Patents

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KR20140022933A
KR20140022933A KR1020140006216A KR20140006216A KR20140022933A KR 20140022933 A KR20140022933 A KR 20140022933A KR 1020140006216 A KR1020140006216 A KR 1020140006216A KR 20140006216 A KR20140006216 A KR 20140006216A KR 20140022933 A KR20140022933 A KR 20140022933A
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이준배
정대웅
서범석
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페어차일드코리아반도체 주식회사
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Abstract

3상 인버터 패키지는, 3상 부하에 각각 U상, V상, W상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자, 제3 및 제4 스위칭소자, 및 제5 및 제6 스위칭소자를 포함하는 전력용소자와, 제1, 제3, 및 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 각각 제어하는 제1, 제2, 및 제3 고전압 집적회로와, 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로를 포함하는 제어회로부품과, 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 스위칭소자에 흐르는 출력전류를 검출하기 위한 전류검출단자와, 상부에 전력용소자가 설치되는 디비씨(DBC)기판과, 디비씨기판과 이격되면서 다른 높이를 갖도록 설치되되, 상부에 제어회로부품이 설치되는 제어기판과, 디비씨기판 및 제어기판에 각각 설치되는 복수의 외부리드들과, 그리고 디비씨기판 및 제어기판을 덮고 복수의 외부리드들을 노출시키도록 디비씨기판 및 제어기판 상에 배열되는 몰딩재료를 포함한다.

Description

3상 인버터 패키지{Three-phase inverter package}
본 출원은 파워 패키지에 관한 것으로서, 특히 3상 인버터 패키지에 관한 것이다.
일반적으로 모터를 구동하는 모터 제어회로 등의 파워 일렉트로닉스(power electronics)에서는, 스위칭소자로서 정격전압이 300V 이상인 영역에서는 절연게이트형 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; 이하 IGBT라 칭함) 등의 전력용 반도체소자가 주로 사용되고 있다. 또한, IGBT나 다이오드 등의 전력 반도체소자는 하나의 패키지(package) 내에 탑재되어 파워 모듈로서 전력변화장치 등에 사용되는 경우가 많다. 특히, 최근의 전자제품의 경박단소화로 이행되는 추세에 발맞추어 개발 및 연구의 초점이 경량화 및 고집적화에 모아지고 있고, 모듈화된 파워장치들이 개발되어 시판되고 있다.
이러한 모듈화된 파워장치에서 중요한 것은, 하나의 모듈 내에 가능한 많은 기능을 내장하면서도 부피를 작게 하고, 또한 소자에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하여 소자의 오동작 또는 파괴를 방지하는 것이다.
본 출원이 해결하고자 하는 과제는, 열효율이 좋고 동작특성이 향상된 3상 인버터 회로가 내장된 3상 인버터 패키지를 제공하는 것이다.
일 예에 따른 3상 인버터 패키지는, 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자와, 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자와, 그리고 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자를 포함하는 전력용소자와, 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제1 고전압 집적회로와, 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제2 고전압 집적회로와, 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제3 고전압 집적회로와, 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로를 포함하는 제어회로부품과, 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 스위칭소자에 흐르는 출력전류를 검출하기 위한 전류검출단자와, 상부에 전력용소자가 설치되는 디비씨(DBC)기판과, 디비씨기판과 이격되면서 다른 높이를 갖도록 설치되되, 상부에 제어회로부품이 설치되는 제어기판과, 디비씨기판 및 제어기판에 각각 설치되는 복수의 외부리드들과, 그리고 디비씨기판 및 제어기판을 덮고 복수의 외부리드들을 노출시키도록 디비씨기판 및 제어기판 상에 배열되는 몰딩재료를 포함한다.
다른 예에 따른 3상 인버터 패키지는, 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자와, 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자와, 그리고 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자를 포함하는 전력용소자와, 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제1 고전압 집적회로와, 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제2 고전압 집적회로와, 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제3 고전압 집적회로와, 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로를 포함하는 제어회로부품과, 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 스위칭소자에 흐르는 출력전류를 검출하기 위한 전류검출단자와, 상부에 전력용소자가 설치되는 세라믹기판과, 세라믹기판과 이격되면서 다른 높이를 갖도록 설치되되, 상부에 상기 제어회로부품이 설치되는 제어기판과, 세라믹기판 및 제어기판에 각각 설치되는 복수의 외부리드들과, 그리고 세라믹기판 및 제어기판을 덮고 복수의 외부리드들을 노출시키도록 세라믹기판 및 제어기판 상에 배열되되, 세라믹기판의 바닥면만 노출시키는 몰딩재료를 포함한다.
일 예에서, 제1 고전압 집적회로, 제2 고전압 집적회로, 및 제3 고전압 집적회로에 부트스트랩 전압을 인가하도록 각각 배치되는 제1, 제2, 및 제3 부트스트랩 다이오드를 더 포함할 수 있다. 제1, 제2, 및 제3 부트스트랩 다이오드의 각 애노드는 제1, 제2, 및 제3 고전압 집적회로의 각각의 전압입력단자에 공통으로 연결되고, 제1, 제2, 및 제3 부트스트랩 다이오드의 각 캐소드는 제1, 제2, 및 제3 고전압 집적회로의 각각의 고압측 플로팅전압단자에 연결될 수 있다.
일 예에서, 제1 내지 제6 스위칭소자는 전력용 모스펫(MOSFET)일 수 있다.
일 예에서, 제1 내지 제6 스위칭소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이고, 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 에미터와 컬렉터에 양단이 접속되는 프리휠링 다이오드(free wheeling diode)를 더 포함할 수 있다.
일 예에서, 복수의 외부리드가 각각 패키지의 양측에 배열되는 듀얼인라인패키지(dual inline package; DIP) 구조로 이루어질 수 있다. 복수의 외부 리드 중 일부는 패키지의 양 측면에 형성되는 적어도 하나의 홈에 배치되어 외부 리드가 지그재그 모양으로 배치될 수 있다.
본 예에 따른 3상 인버터 패키지에 따르면, 다음과 같은 여러 가지 이점들이 있다. 첫째, 저전압 락아웃 및 과전류 보호기능이 집적회로에 내장되어 있어 저전압 및 과전류 상태에서 소자의 손상 또는 파괴되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 둘째, 소프트-스위칭 기능이 내장되어 있어, 하드-스위칭에 의해 과도한 오버슛 전압을 방지할 수 있다. 셋째, 전류검출을 위한 단자들이 패키지 외부로 오픈되어 있어 전류검출을 용이하게 할 수 있다. 넷째, 부트스트랩 다이오드가 모듈 내에 집적되므로, 부트스트랩 회로를 별도로 구비할 경우에 비해 장치의 부피를 줄일 수 있고 제조단가를 절감할 수 있는 등 여러 가지 이점이 있다. 그리고 다섯째, 패키지의 측면에 홈이 형성되어 있고, 핀들이 지그재그(zig-zag) 형태를 이루도록 배치되었기 때문에, 핀 사이의 간격을 줄이면서도 핀 사이의 절연거리를 확보할 수 있며 패키지의 사이즈를 줄일 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 3상 인버터 패키지에 포함되는 전력용소자 및 제어회로부품을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.
도 2는 도 1의 제어회로부품의 저전압 락아웃 기능을 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 일 예에 따른 3상 인버터 패키지의 핀 배치를 나타내는 외형도이다.
도 4는 일 예에 따른 3상 인버터 패키지의 단면도이다.
도 5는 다른 예에 따른 3상 인버터 패키지의 단면도이다.
도 1은 일 예에 따른 3상 인버터 패키지에 포함되는 전력용소자 및 제어회로부품을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다. 도 1을 참조하면, 일 예에 따른 전력용소자 및 제어회로부품(100)은, 고압측 구동부와 저압측 구동부로 이루어진다. 고압측 구동부는 세 개의 고전압 집적회로(HVIC)와, 각 고전압 집적회로와 연결된 스위칭소자들로 이루어지고, 저압측 구동부는 하나의 저전압 집적회로(LVIC)와 이에 연결된 세 개의 스위칭소자들로 이루어진다. 스위칭소자들은 전력용소자를 구성하고, 고전압 집적회로(HVIC) 및 저전압 집적회로(LVIC)는 제어회로부품을 구성한다. 일 예에서 전력용소자 및 제어회로부품은 하나의 집적회로 내에 집적될 수 있다. 다른 예에서 전력용소자 및 제어회로부품은 각각 별개의 집적회로로 구성될 수도 있다. 일 예에서 전력용소자는 3상 인버터 회로가 집적되어 있을 수 있다.
고압측 구동부는, 예를 들어 U상, V상 및 W상을 갖는 3상 부하(load)의 U상을 구동하기 위한 U상 고전압 집적회로(110U) 및 스위칭소자(120U)와, V상을 구동하기 위한 V상 고전압 집적회로(110V) 및 스위칭소자(120V), 그리고 W상을 구동하기 위한 W상 고전압 집적회로(110W) 및 스위칭소자(120W)를 포함한다.
상기 고압측 구동부의 U상, V상 및 W상 스위칭소자(120U, 120V, 120W)는 도시된 것과 같이 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 전력형 n모스트랜지스터(power nMOSFET) 같이 다른 전력형 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
고압측 구동부의 U상 고전압 집적회로(110U)는 고압측 플로팅전압단자(VB), 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN), 출력단자(OUT) 및 U상 고압측 플로팅리턴전압단자(VS)를 갖는다.
고압측 플로팅전압단자(VB)는 외부로부터 고압측 플로팅전압(VB(U))을 입력받는 데 사용된다. 공급전압단자(VCC)는 외부로부터 공급전압(Vcc (V))을 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용된다. 입력단자(IN)는 외부로부터 U상 구동용 입력신호(IN( UH ))를 입력받는 데 사용된다.
고압측 플로팅리턴전압단자(VS)는 U상 출력단자(U)에 연결되어 U상 출력전류를 검출하는 데 이용된다. 출력단자(OUT)는 입력단자(IN)를 통해 입력되는 U상 구동용 입력신호(IN( UH ))에 의해 고압측 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. U상 고전압 집적회로(110U)의 출력단자(OUT)로부터 출력된 신호는 U상 스위칭소자(120U)의 게이트로 입력되어 U상 스위칭소자(120U)를 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off)시킨다.
고압측 구동부의 V상 고전압 집적회로(110V)는 고압측 플로팅전압단자(VB), 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN), 출력단자(OUT) 및 V상 고압측 플로팅리턴전압단자(VS)를 갖는다.
고압측 플로팅전압단자(VB)는 외부로부터 고압측 플로팅전압(VB(V))을 입력받는 데 사용되고, 공급전압단자(VCC)는 외부로부터 공급전압(Vcc (V))을 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용되고, 입력단자(IN)은 외부로부터 V상 구동용 입력신호(IN( VH ))를 입력받는 데 사용된다.
고압측 플로팅리턴전압단자(VS)는 V상 출력단자(V)에 연결되어 V상 출력전류를 검출하는 데 이용된다. 출력단자(OUT)는 입력단자(IN)를 통해 입력되는 V상 구동용 입력신호(IN( VH ))에 의해 고압측 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. V상 고전압 집적회로(110V)의 출력단자(OUT)로부터 출력된 신호는 V상 스위칭소자(120V)의 게이트로 입력되어 V상 스위칭소자(120V)를 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off)시킨다.
그리고, 고압측 구동부의 W상 고전압 집적회로(110W)는 고압측 플로팅전압단자(VB), 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN), 출력단자(OUT) 및 W상 고압측 플로팅리턴전압단자(VS)를 갖는다.
고압측 플로팅전압단자(VB)는 외부로부터 고압측 플로팅전압(VB(W))을 입력받는 데 사용되고, 공급전압단자(VCC)는 외부로부터 공급전압(Vcc (W))을 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용되고, 입력단자(IN)는 외부로부터 W상 구동용 입력신호(IN( WH ))를 입력받는 데 사용된다.
고압측 플로팅리턴전압단자(VS)는 W상 출력단자(W)에 연결되어 W상 출력전류를 검출하는 데 이용된다. 출력단자(OUT)는 입력단자(IN)를 통해 입력되는 W상 구동용 입력신호(IN( WH ))에 의해 고압측 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. W상 고전압 집적회로(110W)의 출력단자(OUT)로부터 출력된 신호는 W상 스위칭소자(120W)의 게이트로 입력되어 W상 스위칭소자(120W)를 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off)시킨다.
고압측 구동부의 U상 스위칭소자(120U)의 컬렉터에는 모터구동을 위한 전원단자(P)가 연결되고, 게이트에는 U상 고전압 집적회로(110U)의 출력단자(OUT)가 연결되며, 에미터에는 U상 출력단자(U)가 연결된다. 상기 U상 스위칭소자(120U)의 컬렉터와 에미터 사이에는 프리휠링 다이오드(Free Wheeling Diode)(130U)가 역병렬(anti-parallel)로 연결된다.
고압측 구동부의 V상 스위칭소자(120V)의 컬렉터에는 모터구동을 위한 전원단자(P)가 연결되고, 게이트에는 V상 고전압 집적회로(110V)의 출력단자(OUT)가 연결되며, 에미터에는 V상 출력단자(V)가 연결된다. 상기 V상 스위칭소자(120V)의 컬렉터와 에미터 사이에는 프리휠링 다이오드(130V)가 역병렬로 연결된다.
마찬가지로, 고압측 구동부의 W상 스위칭소자(120W)의 컬렉터에는 모터구동을 위한 전원단자(P)가 연결되고, 게이트에는 W상 고전압 집적회로(110W)의 출력단자(OUT)가 연결되며, 에미터에는 W상 출력단자(W)가 연결된다. 상기 W상 스위칭소자(120U)의 컬렉터와 에미터 사이에도 프리휠링 다이오드(130W)가 역병렬로 연결된다.
인버터 회로에서는 부하(load)인 모터가 유도성이기 때문에 프리휠링 다이오드가 필요하다. 부하(load)에 흐르는 전류가 차단되어 모터의 L로 축적되는 에너지가 순간 해방되면, IGBT의 특성을 손실시키기에 충분하고도 남는 정도의 대전력이 발생한다. IGBT의 스위칭동작에 의해 모터에 흐르는 전류를 급격히 차단하고자 하면, 개방되는 에너지에 의해 IGBT의 특성에 현저한 열화가 발생한다. 따라서, IGBT가 턴-오프된 동안 모터에 흐르는 전류를 프리휠링 다이오드에 의해 우회환류시켜 모터를 흐르는 전류 자체는 스위칭에 의해 변화되지 않도록 한다.
직류전원과 모터를 연결하고 모터에 전압을 인가하고 있던 IGBT가 턴-오프되면, 모터를 흐르고 있던 전류는 모터의 L에 축적되어 있는 에너지에 의해 프리휠링 다이오드를 통해 직류전류를 역류하고, 그 결과 모터에 역기전력이 인가되는 것과 등가의 상태가 된다. 그리고, IGBT의 턴-온 동작시간과 턴-오프 동작시간과의 비율을 변경하면, 직류전압 인가기간과 역류기간의 비율이 변하기 때문에 평균적으로 모터에 인가되는 전압을 제어하는 것이 가능해진다. 따라서, 이 비율을 정현파 형태로 변화시키면 모터의 전류를 IGBT의 스위칭에 의해 급격히 차단하지 않고도 해당 스위칭에 의해 직류전원으로부터 교류전압을 공급할 수 있게 된다.
한편, 저압측 구동부는 저전압 집적회로(110L)와 U상, V상 및 W상 스위칭소자(121U, 121V, 121W)로 구성되어 있다. 상기 저압측 구동부의 U상, V상 및 W상 스위칭소자(121U, 121V, 121W)도 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 전력형 n모스트랜지스터(power nMOSFET) 같이 다른 전력형 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
저압측 구동부의 저전압 집적회로(110L)는 단락전류단자(CSC), 폴트-아웃 듀레이션 단자(CFOD), 폴트-아웃단자(VFO), 입력단자(IN(UL), IN(VL), IN(WL)), 공통접지단자(COM), 공급전압단자(VCC) 및 출력단자(OUT(UL), OUT(VL), OUT(WL))를 갖는다.
단락전류단자(CSC)로는 단락전류를 검출하기 위한 션트 저항(shunt resistor)이 연결된다. 상기 션트 저항의 다른 일 단은 저전압 집적회로의 공통접지단자(COM)와 연결된다. 폴트-아웃 듀레이션 단자(CFOD)로는 폴트-아웃 펄스의 길이를 결정하기 위한 캐패시터가 연결된다. 폴트-아웃 펄스의 길이는 상기 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다.
저전압 집적회로(110L)의 폴트-아웃단자(VFO)는 외부로 폴트-아웃신호(VFO)를 출력하거나 외부로부터 폴트-아웃신호(VFO)를 입력받는 데 사용된다. 구체적으로, 내부에서 폴트(fault)가 검출되었을 때, 예컨대 과전류가 검출되거나 공급전압(Vcc)이 낮게 입력되는 경우, 소자가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 폴트-아웃신호(VFO)를 출력하고, 인버터 모듈(100)을 셧다운(shutdown)시킨다. 또는, 외부에서 임의로 전력용소자 및 제어회로부품(100)을 셧다운시키기 위하여 폴트-아웃신호(VFO)를 폴트-아웃단자(VFO)를 통해 입력시킬 수도 있다.
저전압 집적회로(110L)의 입력단자(IN(UL), IN(VL), IN(WL)) 각각 저압측의 U상, V상 및 W상 입력신호를 입력받는 데 사용된다. 공통접지단자(COM)는 외부로부터 공통접지신호(COM)를 입력받는 데 사용되고, 공급전압단자(VCC)는 공급전압을 입력받는 데 사용된다. 출력단자(OUT(UL), OUT(VL), OUT(WL))는 각각 저압측 스위칭소자를 구동하기 위한 출력신호를 출력시키는 데 이용된다. 저전압 집적회로의 출력단자(OUT(UL), OUT(VL), OUT(WL))로부터 출력된 출력신호는 U상, V상 및 W상 스위칭소자(121U, 121V, 121W)의 게이트로 각각 입력되어 U상, V상 및 W상 스위칭소자(121U, 121V, 121W)들을 턴-온 또는 턴-오프시킨다.
한편, 저압측 U상 스위칭소자(121U)의 컬렉터는 고압측 U상 스위칭소자(120U)의 에미터와 연결되고, 저압측 V상 스위칭소자(121V)의 컬렉터는 고압측 V상 스위칭소자(120V)의 에미터와 연결되고, 저압측 W상 스위칭소자(121W)의 컬렉터는 고압측 W상 스위칭소자(120W)의 에미터와 연결된다. 즉, 각 상의 고압측 및 저압측 스위칭소자는 서로 다른 집적회로에 의해 제어된다.
그리고, 저압측 U상, V상 및 W상 스위칭소자의 컬렉터와 에미터 사이에도 프리휠링 다이오드(131U, 131V, 131W)가 역병렬로 연결된다.
일 예에서 고전압 집적회로(110U, 110V, 110W)와 저전압 집적회로(110L)는 스위칭소자들이 불충분한 구동전압하에서 동작하는 것을 방지하기 위한 저전압 락아웃(Low Voltage Lock Out) 기능을 가질 수 있다. 스위칭소자들을 제어 및 구동하기 위한 구동전압은 모듈의 공급전압단자(VCC)와 공통접지단자(COM) 사이에 연결된 15V의 직류전원으로부터 공급된다. 안정된 동작을 위하여 이 전압은 15V ± 10% 정도로 조절된다. 구동전압(VCC, VBS)이 소정의 저전압 락아웃 레벨보다 낮은 레벨로 떨어질 경우, 고전압 집적회로(110U, 110V, 110W)에 연결된 스위칭소자들(120U, 120V, 120W) 및 저전압 집적회로(110L)에 연결된 스위칭소자들(121U, 121V, 121W)은 입력펄스신호에 상관없이 턴-오프되어 전류가 흐르지 않도록 한다.
도 2는 도 1의 제어회로부품의 저전압 락아웃 기능을 나타내는 타이밍도로서, (A)는 입력 펄스신호를, (B)는 락아웃신호를, (C)는 공급전압을, (D)는 스위칭소자의 출력전류를, 그리고 (E)는 폴트-아웃신호를 각각 나타낸다.
먼저, 공급전압(C)이 입력되어 기준전압 이상이 되면(a1) 락아웃신호(B)가 리세트(reset)되고 폴트아웃신호(E)가 상승한다. 락아웃신호(B)가 리세트된 상태에서 다음 입력펄스신호(A)가 입력되면, 저전압 집적회로에 연결된 스위칭소자들이 턴-온되어 전류가 출력되고(a2), 스위칭소자는 입력펄스신호(A)에 따라 스위칭 동작을 한다. 공급전압이 기준레벨 이하로 떨어지면(a3), 락아웃신호(b)가 세트되고, 폴트아웃신호(E)가 하강하면 스위칭소자는 턴-오프되고(a4), 입력펄스신호에 상관없이 공급전압이 기준전압 이상이 될 때(a6)까지 턴-오프 상태를 유지하여 전류가 흐르는 것을 차단한다.
이러한 이상 동작상태에서의 노이즈를 제거하기 위하여 필터(filter)가 고전압 집적회로 및 저전압 집적회로 내에 내장될 수 있다. 고전압 집적회로의 경우에도 동일한 방식으로 저전압 락아웃기능을 하므로, 그 설명을 생략하기로 한다.
또한, 저전압 집적회로(110L)에는 단락회로(short circuit)가 형성될 경우 모듈내의 소자를 보호하는 기능이 내장된다. 즉, 저전압 집적회로(110L)는 단락전류단자(CSC)로 입력되는 전압을 모니터링(monitoring)하여 이 전압이 소정의 기준전압(VSC( ref ))을 초과할 경우, 폴트-아웃신호를 발생시키고 저압측 스위칭소자들(121U, 121V, 121W)을 턴-오프시킨다.
또한, 상기 저전압 집적회로(110L)는 소프트-스위칭(soft-switching) 기능을 갖는다. 상기 저전압 집적회로(110L)와 연결된 스위칭소자, 즉 IGBT는 하드 오프(hard off)될 경우 약 100V 정도로 큰 오버-슛(over shoot) 전압을 발생시키기 때문에 소자에 치명적인 영향을 미치게 된다. 하드-오프(hard-off)는 주로 단락회로가 형성될 경우에 발생되는데, 단락회로가 형성될 경우 폴트-아웃단자(VF0)를 통해 마이컴(도시되지 않음)으로 폴트-아웃신호가 전달된다. 마이컴에서는 모듈을 보호하기 위하여 스위칭소자를 턴-오프시키는 명령을 내려 모듈을 셧다운시키게 된다. 이때, 저전압 집적회로(110L) 내에 내장된 보호회로가 활성화되어 상기 스위칭소자가 천천히 오프되도록 하는 소프트-스위칭이 수행된다. 이렇게 소프트-오프가 이루어질 경우에는 오버슛 전압은 30 내지 50V 정도가 된다.
이와 같이, 구동전압이 일정 레벨보다 떨어질 경우 또는 단락회로가 형성되어 과도한 전류가 흐를 경우 스위칭소자들을 턴-오프시키기 때문에 이상동작에 의한 소자의 손상 또는 파괴를 방지할 수 있다. 또한, 소프트-스위칭 동작이 수행되도록 함으로써 과도한 오버슛전압으로 인해 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
저압측 구동부의 U상 스위칭소자(121U)의 컬렉터에는 U상 출력단자(U)가 연결되고, 게이트에는 저전압 집적회로(110L)의 U상 출력단자(OUT(UL))가 연결되며, 에미터에는 U상 출력신호의 전류를 검출하는 데 이용되는 U상 전류검출단자(NU)가 연결된다.
그리고, 저압측 구동부의 V상 스위칭소자(121V)의 컬렉터에는 V상 출력단자(V)가 연결되고, 게이트에는 저전압 집적회로(110L)의 V상 출력단자(OUT(VL))가 연결되며, 에미터에는 V상 출력신호의 전류를 검출하는 데 이용되는 V상 전류검출단자(NV)가 연결된다.
마찬가지로, 저압측 구동부의 W상 스위칭소자(121W)의 컬렉터에는 W상 출력단자(W)가 연결되고, 게이트에는 저전압 집적회로(110L)의 W상 출력단자(OUT(WL))가 연결되며, 에미터에는 W상 출력신호의 전류를 검출하는 데 이용되는 W상 전류검출단자(NW)가 연결된다.
이와 같이 각 상(phase)마다 전류검출을 위한 단자가 마련되어 있기 때문에 U상, V상 및 W상 전류의 검출을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 단락회로가 형성되어 과전류가 발생할 경우 이를 용이하게 검출하여 소자가 파괴되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 모듈 외부에 과전류 검출을 위한 장치를 별도로 구성하지 않아도 되므로 제조단가를 절감할 수도 있다.
일 예에서 부트스트랩(bootstrap) 회로를 구성하기 위한 제1, 제2 및 제3 부트스트랩 다이오드(140U, 140V, 140W)를 더 포함할 수 있다. 제1 부트스트랩 다이오드(140U)는 U상 고전압 집적회로(110U)의 부트스트랩 전원회로를 구성하고, 제2 부트스트랩 다이오드(140V)는 V상 고전압 집적회로(110V)의 부트스트랩 전원회로를 구성하며, 제3 부트스트랩 다이오드(140W)는 W상 고전압 집적회로(110W)의 부트스트랩 전원회로를 구성한다.
제1, 제2 및 제3 부트스트랩 다이오드(140U, 140V, 140W)의 애노드는 고전압 집적회로의 공급전압단자(VCC)와, U상, V상 및 W상 고전압 집적회로(110U, 110V, 110W)의 각 전압입력단자(VCC)에 공통적으로 연결된다. 제1 부트스트랩 다이오드(140U)의 캐소드는 U상 고전압 집적회로(110U)의 플로팅전압단자(VB)와, 인버터 모듈(100)의 U상 고압측 플로팅전압단자(VB(U))에 공통적으로 연결된다. 제2 부트스트랩 다이오드(140V)의 캐소드는 V상 고전압 집적회로(110V)의 플로팅전압단자(VB)와, 인버터 모듈(100)의 V상 플로팅전압단자(VB(V))에 공통적으로 연결된다. 그리고 제3 부트스트랩 다이오드(140W)의 캐소드는 W상 고전압 집적회로(110W)의 플로팅전압단자(VB)와, 인버터 모듈(100)의 W상 플로팅전압단자(VB(W))에 공통적으로 연결된다.
부트스트랩 다이오드가 전력용소자 내에 집적되는 경우, 부트스트랩 회로를 별도로 구비할 경우에 비해 장치의 부피를 줄일 수 있고 제조단가를 절감할 수 있는 등 여러 가지 이점이 있다.
도 3은 일 예에 따른 3상 인버터 패키지의 핀 배치를 나타내는 외형도로서, 각 핀의 명칭은 도 1에 도시된 단자의 명칭과 대응된다. 도 3을 참조하면, 3상 인버터 패키지(200)의 좌측에는, 위로부터 저압측에 대한 공급전압단자(VCC), 공통접지단자(COM), 입력단자(IN( UL ), IN( VL ), IN( WL )), 폴트아웃-단자(VFO), 폴트-아웃 듀레이션 단자(CFOD) 및 단락전류단자(CSC)가 차례로 배치된다. 이어서, 고압측 구동부의 U상에 대한 입력단자(IN( UH )), 전압공급단자(VCC ( UH )), 플로팅전압단자(VB (U)), 플로팅리턴전압단자(VS(U))가 차례로 배치되고, 고압측 구동부의 V상에 대한 입력단자(IN( VH )), 전압공급단자(VCC ( VH )), 플로팅전압단자(VB (V)), 플로팅리턴전압단자(VS(V))가 배치되고, 고압측 구동부의 W상에 대한 입력단자(IN( WH )), 전압공급단자(VCC ( WH )), 플로팅전압단자(VB (W)), 플로팅리턴전압단자(VS(W))가 차례로 배치된다.
3상 인버터 패키지(200)의 우측에는, 위로부터 U상 전류검출단자(NU), V상 전류검출단자(NV), W상 전류검출단자(NW), U상 출력신호단자(U), V상 출력신호단자(V), W상 출력신호단자(W) 및 모터 구동용 전원단자(P)가 순서대로 배치된다. 일 예에서 3상 인버터 패키지(200)는 핀(220)들이 패키지의 양 측면으로 배치되는 듀얼 인라인 패키지(Dual Inline Package; DIP) 구조로 이루어질 수 있다. 패키지의 일부에는 홈(230)이 형성되어 있고, 이 홈에 일부 핀이 배치되어 지그재그(zig-zag) 형태를 이룰 수 있다. 이 경우 홈(230)이 없는 경우에 비해 핀 사이의 간격을 줄이면서도 핀 사이의 절연거리를 확보할 수 있으므로 패키지의 사이즈를 줄일 수 있다.
도 4는 일 예에 따른 3상 인버터 패키지의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 예에 따른 3상 인버터 패키지(300)는, 세라믹기판(310) 위에 전력용 소자(320)가 배치되고, 이와 이격되어 제어기판(330) 상에 제어회로부품(340)이 배치된다. 제어기판(330)은 세라믹기판(310)과 다른 높이를 갖도록 설치된다. 나머지 공간에는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound; EMC)와 같은 몰딩재료(350)가 채워지고, 몰딩재료(350)의 양측면으로 복수개의 외부리드(370)들이 배치된다. 몰딩재료(350)는 세라믹기판(310)의 바닥면을 노출시킨다. 전력용소자(320)는 예를 들어 IGBT 또는 모스펫(MOSFET)과 같은 스위칭소자(321)와, 프리휠링 다이오드(322)가 될 수 있으며, 제어회로부픔(340)은 예를 들어 고전압 또는 저전압 집적회로가 될 수 있다. 제어회로부품(340)이 탑재된 리드프레임(330)과 전력용 소자(320)는 전도성이 좋은 알루미늄 와이어(Al wire)(360)에 의해 서로 연결된다. 본 예에 있어서, 세라믹기판(310)의 바닥면이 외부로 노출됨에 따라 소자에서 발생되는 열을 패키지 외부로 효과적으로 방출할 수 있다
도 5는 다른 예에 따른 3상 인버터 패키지의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 디비씨(Direct Bonding Copper; DBC) 기판(410) 위에 전력용 소자(420)가 배치되고, 이와 이격되어 제어기판(430) 상에 제어회로 부품(440)이 배치된다. 제어기판(430)은 디비씨 기판(410)과 다른 높이를 갖도록 설치된다. 나머지 공간에는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound; EMC)와 같은 몰딩재료(450)가 채워지고, 몰딩재료(450)의 양측면으로 복수개의 외부리드(470)들이 배치된다. 전력용소자(420)는 예를 들어 IGBT 또는 모스펫(MOSFET)과 같은 스위칭소자(421)와, 프리휠링 다이오드(422)가 될 수 있으며, 제어회로부품(440)은 예를 들어 고전압 또는 저전압 집적회로가 될 수 있다. 제어회로부품(440)이 탑재된 리드프레임(430)과 전력용 소자(420)는 전도성이 좋은 알루미늄 와이어(Al wire)(460)에 의해 서로 연결된다. DBC 기판(410)은 절연내압이 우수하고 열전도성이 우수하고, 그 바닥면이 외부로 노출되어 있기 때문에 소자에서 발생되는 열을 패키지 외부로 효과적으로 방출할 수 있다.
410...디비씨(DBC) 기판 420...전력용소자
430...제어기판 440...제어회로부품
450...몰딩재료 460...알루미늄와이어
470...외부리드

Claims (8)

  1. 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자와, 상기 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자와, 그리고 상기 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자를 포함하는 전력용소자;
    상기 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제1 고전압 집적회로와, 상기 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제2 고전압 집적회로와, 상기 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제3 고전압 집적회로와, 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로를 포함하는 제어회로부품;
    상기 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 상기 스위칭소자에 흐르는 출력전류를 검출하기 위한 전류검출단자;
    상부에 상기 전력용소자가 설치되는 디비씨(DBC)기판;
    상기 디비씨기판과 이격되면서 다른 높이를 갖도록 설치되되, 상부에 상기 제어회로부품이 설치되는 제어기판;
    상기 디비씨기판 및 제어기판에 각각 설치되는 복수의 외부리드들; 및
    상기 디비씨기판 및 제어기판을 덮고 상기 복수의 외부리드들을 노출시키도록 상기 디비씨기판 및 제어기판 상에 배열되는 몰딩재료를 포함하는 3상 인버터 패키지.
  2. 3상 부하에 U상 출력신호를 발생시키기 위한 제1 및 제2 스위칭소자와, 상기 3상 부하에 V상 출력신호를 발생시키기 위한 제3 및 제4 스위칭소자와, 그리고 상기 3상 부하에 W상 출력신호를 발생시키기 위한 제5 및 제6 스위칭소자를 포함하는 전력용소자;
    상기 제1 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제1 고전압 집적회로와, 상기 제3 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제2 고전압 집적회로와, 상기 제5 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 제3 고전압 집적회로와, 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭소자의 스위칭동작을 제어하는 저전압 집적회로를 포함하는 제어회로부품;
    상기 제4 내지 제6 스위칭소자의 일측 단자와 각각 연결되어 상기 스위칭소자에 흐르는 출력전류를 검출하기 위한 전류검출단자;
    상부에 상기 전력용소자가 설치되는 세라믹기판;
    상기 세라믹기판과 이격되면서 다른 높이를 갖도록 설치되되, 상부에 상기 제어회로부품이 설치되는 제어기판;
    상기 세라믹기판 및 제어기판에 각각 설치되는 복수의 외부리드들; 및
    상기 세라믹기판 및 제어기판을 덮고 상기 복수의 외부리드들을 노출시키도록 상기 세라믹기판 및 제어기판 상에 배열되되, 상기 세라믹기판의 바닥면만 노출시키는 몰딩재료를 포함하는 3상 인버터 패키지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 고전압 집적회로, 제2 고전압 집적회로, 및 제3 고전압 집적회로에 부트스트랩 전압을 인가하도록 각각 배치되는 제1, 제2, 및 제3 부트스트랩 다이오드를 더 포함하는 3상 인버터 패키지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 및 제3 부트스트랩 다이오드의 각 애노드는 상기 제1, 제2, 및 제3 고전압 집적회로의 각각의 전압입력단자에 공통으로 연결되고, 상기 제1, 제2, 및 제3 부트스트랩 다이오드의 각 캐소드는 상기 제1, 제2, 및 제3 고전압 집적회로의 각각의 고압측 플로팅전압단자에 연결되는 3상 인버터 패키지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 전력용 모스펫(MOSFET)인 3상 인버터 패키지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위칭소자는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이고, 상기 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 에미터와 컬렉터에 양단이 접속되는 프리휠링 다이오드(free wheeling diode)를 더 포함하는 3상 인버터 패키지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 외부리드가 각각 패키지의 양측에 배열되는 듀얼인라인패키지(dual inline package; DIP) 구조를 갖는 3상 인버터 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 외부 리드 중 일부는 패키지의 양 측면에 형성되는 적어도 하나의 홈에 배치되어 상기 외부 리드가 지그재그 모양으로 배치되는 3상 인버터 패키지.
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