KR20170028133A - 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리 - Google Patents

방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리에 관한 것으로, 스티어링 휠의 회전력을 바퀴로 전달하되, 상기 회전력에 추가 토크를 부가하는 모터와, 모터를 제어하는 구동 제어부가 구비된 파워 스티어링 장치의 인버터 어셈블리에 있어서, 복수의 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자가 탑재되는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판을 지지하는 인버터 하우징을 포함하며, 상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 서로 인접한 면 중 어느 하나에 구비되어 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 복수의 방열 블록을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방열 부위 별로 열 전도율을 다르게 설계함으로써 하우징으로 배출되는 열이 한쪽으로 몰려 방열 효율이 저하되는 것을 방지함으로써 효과적인 부품 방열이 가능한 장점이 있다.

Description

방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리{Inverter assembly improved cooling structure}
본 발명은 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열 부위 별로 열 전도율을 다르게 하여 효율적으로 부품을 방열할 수 있는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리에 관한 것이다.
전동 파워 스티어링은 전기 모터를 이용해 운전자가 스티어링 휠을 조작할 때 드는 힘을 줄여주는 장치로, 운전자가 최적의 상태에서 스티어링 휠을 조작할 수 있게 해준다. 전동 파워 스티어링 장치는 조타 토크 센서를 통해 운전자의 조작에 의해 스티어링 휠에 부여되는 조타 입력 토크를 감지한다. 조타 토크 센서의 출력 신호에 기초해 제어장치에서 모터의 출력 크기 및 방향을 결정하면, 인버터 회로를 통해 모터를 구동함으로써 운전자의 힘을 경감시켜 준다.
종래의 전동 파워 스티어링 장치는 전원인 배터리와 인버터 회로 사이에 릴레이를 사용해 구성한 개폐기로 인버터 회로의 모터 급전을 차단함으로써 원하지 않는 조타력이 발생하는 것을 방지한다. 그러나 릴레이를 이용한 개폐기는 조타력을 발생시키기 위해 대전류를 공급해야 하지만, 대전류를 공급할 수 있는 릴레이는 대형이기 때문에 전동 파워 스티어링의 크기가 커지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 한국특허공개 2014-0057380호에 반도체 스위칭 소자인 FET를 사용한 스위치 회로 및 파워 스티어링 장치가 개시되어 있다.
통상적으로 종래의 스위치 회로는 일반적으로 써멀 그리스(thermal grease)를 이용해 반도체 스위칭 소자를 방열하거나, 금속 재질의 PCB를 접촉시켜 방열을 하고 있다.
그러나 써멀 그리스를 사용하는 방열 방법으로는 충분한 방열 효과를 얻기가 어려우며, 금속 재질의 PCB를 사용하면 공간적인 문제가 있어 좀더 효율적인 방열 방법이 필요한 실정이다.
한국특허공개 2014-0057380호(공개일 2014. 05. 12)
본 발명의 목적은 방열 부위 별로 열 전도율을 다르게 하여 효율적으로 부품을 방열할 수 있는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리는, 스티어링 휠의 회전력을 바퀴로 전달하되, 상기 회전력에 추가 토크를 부가하는 모터와, 모터를 제어하는 구동 제어부가 구비된 파워 스티어링 장치의 인버터 어셈블리에 있어서, 복수의 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자가 탑재되는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판을 지지하는 인버터 하우징을 포함하며, 상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 서로 인접한 면 중 어느 하나에 구비되어 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 복수의 방열 블록을 더 포함할 수 있다.
상기 인쇄회로기판은 일면에 상기 스위칭 소자가 탑재되는 복수의 탑재 패드와, 상기 탑재 패드 상에 구비되어 상기 인쇄회로기판의 타면으로 연결되는 복수의 비아(VIA)를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 열은 상기 비아를 통해 상기 인쇄회로기판의 타면으로 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 방열 블록은 상기 인버터 하우징을 향하는 상기 인쇄회로기판의 타면에 구비되되, 상기 스위칭 소자 중 일부의 위치에 대응하는 위치에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 하우징은 상기 방열 블록의 위치에 대응하는 면에 요입 형성되어상기 방열 블록을 수용하는 복수의 블록 수용부를 포함할 수 있다.
상기 방열 블록과 상기 블록 수용부의 사이에는 써멀 그리스가 도포되는 것을 특징으로 한다.
상기 방열 블록이 구비되지 않은 상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 사이에는 써멀 그리스가 도포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리는, 스티어링 휠의 회전력을 바퀴로 전달하되, 상기 회전력에 추가 토크를 부가하는 모터와, 모터를 제어하는 구동 제어부가 구비된 파워 스티어링 장치의 인버터 어셈블리에 있어서, 복수의 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자가 탑재되는 인쇄회로기판과, 상기 인쇄회로기판을 지지하는 인버터 하우징을 포함하며, 상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 서로 인접한 면 중 어느 하나에 구비되어 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 복수의 방열 블록을 더 포함하고, 상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 사이에는 상기 스위칭 소자의 위치에 대응하여 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 써멀 그리스가 도포되 는 것을 특징으로 한다.
상기 인쇄회로기판은 일면에 상기 스위칭 소자가 탑재되는 복수의 탑재 패드와, 상기 탑재 패드 상에 구비되어 상기 인쇄회로기판의 타면으로 연결되는 복수의 비아(VIA)를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 열은 상기 비아를 통해 상기 써멀 그리스 또는 상기 방열 블록으로 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 방열 블록은 상기 인버터 하우징을 향하는 상기 인쇄회로기판의 타면에 구비되되, 상기 스위칭 중 일부의 위치에 대응하는 위치에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 하우징은 상기 방열 블록의 위치에 대응하는 면에 요입 형성되어상기 방열 블록을 수용하는 복수의 블록 수용부를 포함할 수 있다.
상기 방열 블록과 상기 블록 수용부의 사이에는 써멀 그리스가 도포되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리는 방열 부위 별로 열 전도율을 다르게 설계함으로써 하우징으로 배출되는 열이 한쪽으로 몰려 방열 효율이 저하되는 것을 방지함으로써 효과적인 부품 방열이 가능한 장점이 있다.
도 1은 일반적인 전동식 파워 스티어링 장치를 도시한 모식도,
도 2는 도 1에 따른 전동식 파워 스티어링 장치용 모터의 제어를 위한 인버터 회로를 도시한 회로도,
도 3은 도 2에 따른 인버터 회로가 구비된 인쇄회로기판을 도시한 평면도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 어셈블리의 방열 구조를 도시한 모식도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 인버터 어셈블리의 방열 구조를 도시한 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방열 구조가 개선된 인버터 하우징에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 전동식 파워 스티어링 장치를 도시한 모식도이고, 도 2는 도 1에 따른 전동식 파워 스티어링 장치용 모터의 제어를 위한 인버터 회로를 도시한 회로도이다. 도 3은 도 2에 따른 인버터 회로가 구비된 인쇄회로기판을 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 어셈블리의 방열 구조를 도시한 모식도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 파워 스티어링 장치(1)는 차실 내에 배치된 스티어링 휠(10)과 스티어링 샤프트(12)에 의해 연결되며, 운전자가 스티어링 휠(10)을 회전시키면 회전력이 랙 피니언 유닛(14) 및 연결 유닛(16)을 통해 차륜의 방향을 바꾸는 힘으로 전달된다.
스티어링 휠(10)의 회전력을 보조하기 위해 통상적으로 모터(100)가 사용되며, 모터(100)는 3상 브러시리스 DC 모터가 적용될 수 있다. 모터(100)는 감속 기구(18)를 통해 스티어링 샤프트(12)와 연결되어 구동 제어부(200)에 의해 제어되며, 전원은 배터리(300)로부터 공급된다.
구동 제어부(200)는 모터(100)에 인접 또는 모터(100)의 외측에 부착되며, 모터(100)에 대한 통전을 PWM(펄스 폭 변조) 제어한다. 구동 제어부(200)는 스티어링 샤프트(12)에 가해지는 토크를 검출하는 토크 센서(20)와, 모터(100)의 회전 위치를 검출하는 회전 감지 센서(22)와 접속되어 이들로부터 감지 신호를 전달 받는다.
구동 제어부(200)는 3상 인버터 회로(210)를 포함하며, 3상 인버터 회로(210)는 인쇄회로기판(230)에 탑재된 복수의 모스펫(MOSFET) 또는 IGBT 형태의 반도체 스위칭 소자(212)를 포함할 수 있다. 구동 제어부(200)는 스위칭 소자(212)의 접합부위 온도와 3상 인버터 회로에 흐르는 회로 전류에 기초해 구동에 사용하는 변조 방식을 전환함으로써 모터(100)를 운전한다.
즉, 3상 인버터 회로(210)는 펄스 폭 변조 신호에 기초해 직류 전원인 배터리(300)로부터 공급된 직류 전력을 u상, v상, w상의 의사 정현파인 3상 교류 전력으로 변환하고, 3상 교류 전력을 3상인 모터(100)로 공급함으로써 모터(100)의 구동을 제어한다.
모스펫의 경우 온도에 따라 온(on) 상태의 저항 값이 변화되므로, 동일한 전류를 통전시킨 경우라도 스위칭 소자(212) 온도의 고저에 따라 모스펫에서 발생하는 도통 손실이 변화된다. 따라서 모스펫에 온도 변화가 발생되면 고효율 운전을 유지할 수 없으므로 적절한 스위칭 소자(212)의 접합부위를 적절히 방열할 필요가 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(212)의 방열을 위해 스위칭 소자(212)가 탑재된 인쇄회로기판(230)의 반대쪽 면에 방열 구조를 구비함으로써 스위칭 소자(212)를 효과적으로 방열할 수 있다. 이러한 방열 구조는 방열 블록(238) 및 써멀 그리스(254), 방열 블록(238)에 대응하는 인버터 하우징(250)의 블록 수용부(252)에 의해 구현될 수 있다.
인쇄회로기판(230)에는 복수의 스위칭 소자(212)가 탑재되는 탑재 패드(232)와, 탑재 패드(232)에 형성된 비아(VIA, 234), 스위칭 소자(212)와 전기적으로 연결되는 단자(236)가 구비된다. 인쇄회로기판(230)의 일면에 탑재 패드(232) 및 단자(236)가 구비되고, 타면은 인버터 하우징(250)에 인접한다(편의상 도 3을 기준으로 인쇄회로기판의 상측 방향을 인쇄회로기판의 상면, 인버터 하우징 방향을 인쇄회로기판의 하면으로 정의하기로 함).
탑재 패드(232)는 인쇄회로기판(230)의 상면에 구비되고, 스위칭 소자(212)의 형상에 대응하는 형태를 가지며, 탑재 패드(232) 상에 스위칭 소자(212)가 결합된다.
비아(234)는 인쇄회로기판(230)의 일면과 타면을 연결하여 일면과 타면의 도전성을 확보하며, 이를 위해 금속 재질로 구비된다. 비아(235)는 탑재 패드(232)에 스위칭 소자(212)가 탑재된 상태에서 스위칭 소자(212)의 열을 인쇄회로기판(230)의 하면으로 전달하는 역할을 한다.
인쇄회로기판(230)의 하면에는 복수의 방열 블록(238)이 선택적으로 구비되며, 인버터 하우징(250)에는 방열 블록(238)에 대응하는 위치에 블록 수용부(252)가 구비된다. 또한, 방열 블록(238)과 블록 수용부(252)의 사이에는 써멀 그리스(254)가 충진된다.
방열 블록(238)은 스위칭 소자(212)의 위치에 대응하는 인쇄회로기판(230)의 하면에 구비되며, 스위칭 소자(212)가 탑재되는 탑재 패드(232)의 형상에 대응하여 직육면체 또는 정육면체의 형상을 가질 수 있다. 방열 블록(238)은 각각의 탑재 패드(232) 별로 열 전도율을 달리 설정할 수 있도록 서로 다른 위치에 선택적으로 구비된다.
예를 들어, 방열 블록(238)은 도 3의 탑재 패드(232) 중 1열 첫번째, 2열 두번째, 3열 첫번째 탑재 패드(232)의 위치에 대응하는 인쇄회로기판(230)의 하면에 구비될 수 있다. 이 때, 방열 블록(238)의 위치에 대응하는 인버터 하우징(250)의 상면에는 블록 수용부(252)가 요입 형성되어 방열 블록(238)을 수용하며, 방열 블록(238)과 블록 수용부(252)의 사이에는 써멀 그리스(254)가 도포될 수 있다.
또한, 방열 블록(238)이 구비되지 않은 1열 두번째, 2열 첫번째, 3열 두번째 탑재 패드(232)에 대응하는 위치에는 인버터 하우징(250)과의 사이에 써멀 그리스(254)가 도포될 수 있다.
또는, 동시에 켜지는 스위칭 소자(212)를 하나의 그룹으로 묶어 하나의 그룹은 써멀 그리스(254)만으로 방열하고, 다른 하나의 그룹은 방열 블록(238) 및 써멀 그리스(254)로 방열되도록 할 수 있다.
써멀 그리스(254)만 도포된 부분과 방열 블록(238) 및 써멀 그리스(254)가 도포된 부분은 비아(234)를 통한 열 전도율이 서로 상이하므로 방열 면적과 방열 속도 역시 상이하다. 또한, 방열 블록(238)이 인버터 하우징(250)의 내측으로 요입되어 삽입되므로 방열 블록(238)을 통해 인버터 하우징(250)으로 전달된 열은 인버터 하우징(250)의 하면에 가깝게 전달된다. 이와 달리, 써멀 그리스(254)만 도포된 부분은 써멀 그리스(254)를 통해 열이 방열되므로 인버터 하우징(250)의 상면 쪽으로 열이 전달된다.
따라서 비아를 통해 방열되는 열이 전달되는 위치가 서로 상이하므로 서로 인접한 스위칭 소자(212)에 열이 전달되지 않고 효과적으로 방열될 수 있어 방열 효율이 향상되는 효과가 있다.
한편, 방열 블록은 다른 형태로 구현될 수도 있다(편의상 전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 함).
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 인버터 어셈블리의 방열 구조를 도시한 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 방열 블록(238')은 통상적인 히트 싱크 또는 방열핀과 같은 형상을 가질 수도 있다. 방열 블록(238')이 히트 싱크 또는 방열핀과 같이 오목부와 볼록부를 가지면 오복부에 써멀 그리스(254)가 충진될 수 있어 방열 블록(238')의 방열 효율을 좀더 향상시킬 수 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
1: 파워 스티어링 장치 10: 스티어링 휠
100: 모터 200: 구동 제어부
210: 인버터 회로 212: 스위칭 소자
230: 인쇄회로기판 232: 탑재 패드
234: 비아 238, 238': 방열 블록
250: 인버터 하우징 252: 블록 수용부
254: 써멀 그리스 300: 배터리

Claims (11)

  1. 스티어링 휠의 회전력을 바퀴로 전달하되, 상기 회전력에 추가 토크를 부가하는 모터와, 모터를 제어하는 구동 제어부가 구비된 파워 스티어링 장치의 인버터 어셈블리에 있어서,
    복수의 스위칭 소자와,
    상기 스위칭 소자가 탑재되는 인쇄회로기판과,
    상기 인쇄회로기판을 지지하는 인버터 하우징을 포함하며,
    상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 서로 인접한 면 중 어느 하나에 구비되어 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 복수의 방열 블록을 더 포함하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 일면에 상기 스위칭 소자가 탑재되는 복수의 탑재 패드와, 상기 탑재 패드 상에 구비되어 상기 인쇄회로기판의 타면으로 연결되는 복수의 비아(VIA)를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 열은 상기 비아를 통해 상기 인쇄회로기판의 타면으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열 블록은 상기 인버터 하우징을 향하는 상기 인쇄회로기판의 타면에 구비되되, 상기 스위칭 소자 중 일부의 위치에 대응하는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 하우징은 상기 방열 블록의 위치에 대응하는 면에 요입 형성되어상기 방열 블록을 수용하는 복수의 블록 수용부를 포함하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방열 블록과 상기 블록 수용부의 사이에는 써멀 그리스가 도포되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열 블록이 구비되지 않은 상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 사이에는 써멀 그리스가 도포되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  7. 스티어링 휠의 회전력을 바퀴로 전달하되, 상기 회전력에 추가 토크를 부가하는 모터와, 모터를 제어하는 구동 제어부가 구비된 파워 스티어링 장치의 인버터 어셈블리에 있어서,
    복수의 스위칭 소자와,
    상기 스위칭 소자가 탑재되는 인쇄회로기판과,
    상기 인쇄회로기판을 지지하는 인버터 하우징을 포함하며,
    상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 서로 인접한 면 중 어느 하나에 구비되어 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 복수의 방열 블록을 더 포함하고,
    상기 인쇄회로기판과 상기 인버터 하우징의 사이에는 상기 스위칭 소자의 위치에 대응하여 상기 스위칭 소자에서 발생된 열을 방열하는 써멀 그리스가 도포되 는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 일면에 상기 스위칭 소자가 탑재되는 복수의 탑재 패드와, 상기 탑재 패드 상에 구비되어 상기 인쇄회로기판의 타면으로 연결되는 복수의 비아(VIA)를 포함하며, 상기 스위칭 소자의 열은 상기 비아를 통해 상기 써멀 그리스 또는 상기 방열 블록으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 방열 블록은 상기 인버터 하우징을 향하는 상기 인쇄회로기판의 타면에 구비되되, 상기 스위칭 소자 중 일부의 위치에 대응하는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 하우징은 상기 방열 블록의 위치에 대응하는 면에 요입 형성되어상기 방열 블록을 수용하는 복수의 블록 수용부를 포함하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 방열 블록과 상기 블록 수용부의 사이에는 써멀 그리스가 도포되는 것을 특징으로 하는 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리.
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KR1020150125015A KR20170028133A (ko) 2015-09-03 2015-09-03 방열 구조가 개선된 인버터 어셈블리

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140057380A (ko) 2011-09-07 2014-05-12 가부시끼가이샤 도시바 스위치 구동 회로, 인버터 장치 및 파워 스티어링 장치

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KR20140057380A (ko) 2011-09-07 2014-05-12 가부시끼가이샤 도시바 스위치 구동 회로, 인버터 장치 및 파워 스티어링 장치

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