KR20170087180A - Igbt 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 IGBT 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위 IGBT 유닛의 탈착만으로 용량을 용이하게 변경할 수 있는 새로운 IGBT 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 모듈은, 베이스 플랫폼, 상기 베이스 플랫폼 상에 배치되며 단위 IGBT 유닛이 삽입될 수 있는 단위 유닛 삽입부, 상기 단위 유닛 삽입부와 전기적으로 연결되며 외부 전원과 접속되는 입력 단자, 상기 단위 유닛 삽입부와 전기적으로 연결되며 스위칭 전압을 출력하는 출력 단자, 상기 단위 유닛 삽입부 상에 배치되며 상기 단위 IGBT 유닛의 게이트 단자와 접속되는 게이트 접속 단자 및 상기 단위 유닛 삽입부 상에 배치되며 상기 단위 IGBT 유닛의 이미터 단자와 접속되는 이미터 접속 단자를 포함한다. 본 발명에 의하면, 부스바 및 볼트와 같은 별도의 도구를 사용하지 않고도 사용자가 원하는 용량의 IGBT 회로를 보다 용이하게 구성할 수 있는 IGBT 모듈을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

IGBT 모듈{IGBT MODULE}
본 발명은 IGBT 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위 IGBT 유닛의 탈착만으로 용량을 용이하게 변경할 수 있는 새로운 IGBT 모듈에 관한 것이다.
IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)는 파워 MOSFET(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)과 바이폴라 트랜지스터의 구조를 가지는 스위칭(switching) 소자이다. IGBT는 구동전력이 작고, 고속스위칭, 고내압화, 고전류 밀도화가 가능하여 산업 분야 전반에서 널리 활용되고 있다. IGBT는 주로 모터 가변속 구동장치나 산업용 로봇 장치, 컴퓨터의 무정전 전원장치(UPS) 등 스위칭 주파수가 수k~20kHz 정도인 중용량 장치에 사용된다. 그러나 최근에는 에어컨, 냉장와 같은 소용량 장치나 전철의 모터 구동장치와 같은 대용량 장치에도 IGBT가 사용되고 있다.
각종 장치의 구동을 위해 사용되는 IGBT 소자는 도 1에 도시된 바와 같은 개별 소자 단위, 즉 디스크리트(discrete) 타입으로 사용되거나, 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 IGBT 소자가 포함된 모듈 타입으로 사용되기도 한다. 도 2와 같은 IGBT 모듈은 포함되어 있는 IGBT 소자의 개수에 따라서 다양한 용량 및 사이즈를 갖는다. 따라서 특정 제품에 적합한 용량을 갖는 IGBT 모듈을 만들기 위해 종래에는 도 2와 같이 규격화된 IGBT 모듈을 별도의 도구를 사용하여 전기적으로 연결해야 한다.
예를 들어 도 3과 같이 4개의 IGBT 소자가 연결되는 풀 브리지 시스템(Full-bridge System)을 도 2와 같은 IGBT 모듈로 구현하기 위해서는 전도체와 같은 역할을 하는 부스바(bus bar) 및 볼트를 이용하여 도 2와 같은 IGBT 모듈 2개를 전기적으로 연결해야 한다.
도 4는 도 3의 시스템을 구현하기 위하여 부스바 및 볼트를 이용하여 IGBT 모듈 2개를 연결하는 방법을 나타낸다. 즉, 도 4와 같이 제1 IGBT 모듈(402) 및 제2 IGBT 모듈(404)을 4개의 부스바(406, 408, 410, 412)로 연결함으로써 도 3과 같은 시스템을 구성할 수 있다.
그러나 도 2와 같은 종래의 IGBT 모듈을 사용할 경우 각 제품에 적합한 IGBT 회로를 구성하기 위하여 규격화된 IGBT 모듈을 부스바 및 볼트와 같은 도구를 이용하여 일일이 연결해야 하므로 제품 생산에 투입되는 인력 및 시간이 증가한다는 문제가 있다.
또한 도 2와 같은 종래의 IGBT 모듈은 각 모듈 별로 용량이 이미 정해져 있어 사용자가 원하는 용량의 IGBT 회로를 자유롭게 구성하는데 제약이 발생한다는 문제가 있다.
본 발명은 부스바 및 볼트와 같은 별도의 도구를 사용하지 않고도 사용자가 원하는 용량의 IGBT 회로를 보다 용이하게 구성할 수 있는 IGBT 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 IGBT 모듈에 있어서, 베이스 플랫폼, 상기 베이스 플랫폼 상에 배치되며 단위 IGBT 유닛이 삽입될 수 있는 단위 유닛 삽입부, 상기 단위 유닛 삽입부와 전기적으로 연결되며 외부 전원과 접속되는 입력 단자, 상기 단위 유닛 삽입부와 전기적으로 연결되며 스위칭 전압을 출력하는 출력 단자, 상기 단위 유닛 삽입부 상에 배치되며 상기 단위 IGBT 유닛의 게이트 단자와 접속되는 게이트 접속 단자 및 상기 단위 유닛 삽입부 상에 배치되며 상기 단위 IGBT 유닛의 이미터 단자와 접속되는 이미터 접속 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 부스바 및 볼트와 같은 별도의 도구를 사용하지 않고도 사용자가 원하는 용량의 IGBT 회로를 보다 용이하게 구성할 수 있는 IGBT 모듈을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 디스크리트 타입 IGBT.
도 2는 종래 기술에 따른 모듈 타입 IGBT.
도 3은 다수의 IGBT로 구성되는 풀 브리지 시스템의 회로도.
도 4는 도 3의 풀 브리지 시스템을 구성하기 위하여 2개의 IGBT 모듈을 연결하는 방법을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 모듈의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 모듈에 삽입되는 단위 IGBT 유닛의 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 IGBT 유닛의 구성도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 IGBT 유닛의 구성도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 2팩 모듈 구성도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 6팩 모듈 구성도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 모듈의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 모듈은 베이스 플랫폼(502), 다수의 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508), 입력 단자(P, N), 출력 단자(U, V, W)를 포함한다. 또한 각각의 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)의 양 측면에는 게이트 접속 단자(510, 514) 및 이미터 접속 단자(512, 516)가 각각 배치된다.
단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)는 베이스 플랫폼(502) 상에 배치되며, 도 6에 도시된 바와 같은 단위 IGBT 유닛이 삽입될 수 있다. 또한 도 5에 도시된 바와 같이 단위 유닛 삽입부(504)의 상부 측면에는 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)와 전기적으로 연결되는 입력 단자(P, N)가 배치된다. 또한 단위 유닛 삽입부(508)의 상부 측면에는 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)와 각각 전기적으로 연결되는 출력 단자(U, V, W)가 배치된다.
단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)와 입력 단자(P, N)를 전기적으로 연결하기 위하여 도 5와 같이 입력 단자(P, N)와 연결되는 입력 단자 배선(518, 520)이 단위 유닛 삽입부의 하면을 따라 배치될 수 있다. 후술하는 단위 IGBT 유닛과의 전기적 접속을 위하여, 입력 단자 배선(518, 520)의 일부가 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)의 하면에서 외부로 노출될 수 있다. 입력 단자(P, N) 및 입력 단자 배선(518, 520)은 금속과 같은 전도체이나, 반드시 서로 동일한 재질일 필요는 없다.
다시 도 5를 참고하면, 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)와 출력 단자(P, N)를 전기적으로 연결하기 위하여 출력 단자(U, V, W)와 연결되는 출력 단자 배선(522, 524, 526)이 단위 유닛 삽입부의 하면을 따라 배치될 수 있다. 출력 단자 배선(522, 524, 526)은 입력 단자 배선(518, 520)과 같이 모든 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)에 대하여 동일하게 배치되는 것이 아니라, 하나의 단위 유닛 삽입부에 하나의 출력 단자 배선이 대응되도록 배치된다. 예컨대 도 5와 같이 단위 유닛 삽입부(506)의 하면에는 출력 단자(V)와 연결되는 출력 단자 배선(524)만이 배치된다.
한편, 후술하는 단위 IGBT 유닛과의 전기적 접속을 위하여, 출력 단자 배선(522, 524, 526)의 일부가 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)의 하면에서 외부로 노출될 수 있다. 출력 단자(U, V, W) 및 출력 단자 배선(522, 524, 526)은 금속과 같은 전도체이나, 반드시 서로 동일한 재질일 필요는 없다.
다시 도 5를 참고하면, 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)의 상부 측면에는 게이트 접속 단자(510, 514) 및 이미터 접속 단자(512, 516)가 각각 배치된다. 예를 들어 단위 유닛 삽입부(504)의 상부의 일 측면에는 게이트 접속 단자(510) 및 이미터 접속 단자(512)가 배치되고, 타 측면에는 또 다른 게이트 접속 단자(514) 및 이미터 접속 단자(516)가 배치된다. 게이트 접속 단자(510, 514) 및 이미터 접속 단자(512, 516)는 후술하는 단위 IGBT 유닛의 게이트 단자 및 이미터 단자와 각각 전기적으로 접속된다.
이하에서는 도 6을 참조하여 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)에 삽입되는 단위 IGBT 유닛의 구조에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 IGBT 모듈에 삽입되는 단위 IGBT 유닛의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 단위 IGBT 유닛은 도 6의 왼쪽에 도시된 케이스(602) 및 케이스(602)의 내부에 삽입되는 IGBT 기판을 포함한다. 케이스(602)는 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)에 삽입될 수 있는 형상으로 이루어진다.
도 6에 도시된 바와 같이 IGBT 기판은 금속 기판(608) 및 금속 기판(608) 상에 배치되는 IGBT 소자(610)를 포함한다. 또한 금속 기판(608) 상에는 IGBT 소자(610)와 전기적으로 연결되는 다이오드(612)가 배치될 수 있다.
한편, IGBT 소자(610)의 게이트(628)는 케이스(602) 상부에 배치되는 게이트 단자(606)와 전기적으로 연결된다. 마찬가지로 IGBT 소자(610)의 이미터(626)는 케이스(602) 상부에 배치되는 이미터 단자(604)와 전기적으로 연결된다. 예를 들어 도 6의 단위 IGBT 유닛이 도 5의 단위 유닛 삽입부(504)에 삽입되면, 단위 IGBT 유닛의 게이트 단자(606)는 단위 유닛 삽입부(504)의 게이트 접속 단자(510)와 전기적으로 연결될 수 있고, 단위 IGBT 유닛의 이미터 단자(604)는 단위 유닛 삽입부(504)의 이미터 접속 단자(512)와 전기적으로 연결될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 금속 기판(608)의 하부에는 입력 단자 배선(518, 520)과 전기적으로 연결되는 제1 접속 단자(614, 616)가 배치된다. 제1 접속 단자(614, 616)는 금속과 같은 전도체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 접속 단자(614, 616)는 다수의 핀(624)을 포함할 수 있다. 또한 입력 단자 배선(518, 520)에는 각각 다수의 핀(624)을 수용할 수 있는 다수의 홀이 형성될 수 있다. 이에 따라 단위 IGBT 유닛을 단위 유닛 삽입부(504)에 삽입할 경우 제1 접속 단자(614, 616)의 핀(624)이 입력 단자 배선(518, 520)의 홀에 삽입된다. 따라서 별도의 도구 없이도 단위 IGBT 유닛이 단위 유닛 삽입부(504) 상에 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 도 6과 같은 다수의 핀(624)을 형성하는 대신에 금속 기판(608) 상부에 제1 접속 단자(614, 616)를 관통하는 비아 홀을 형성하고, 비아 홀에 스크류를 삽입하여 단위 IGBT 유닛을 단위 유닛 삽입부(504) 상에 고정시킬 수도 있다. 이 때 입력 단자 배선(518, 520) 상에는 스크류가 삽입될 수 있는 홀이 형성될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 금속 기판(608)의 하부에는 단위 유닛 삽입부(504, 506, 508)의 출력 단자 배선(522, 524, 526)과 각각 대응되는 위치에 제2 접속 단자(618, 620, 622)가 배치될 수 있다. 제2 접속 단자(618, 620, 622) 또한 전술한 바와 마찬가지로 다수의 핀을 포함할 수 있으며, 다수의 핀들은 출력 단자 배선(522, 524, 526) 상에 형성되는 홀에 삽입될 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서는 전술한 바와 같이 제2 접속 단자(618, 620, 622)를 관통하는 비아 홀을 형성하고, 비아 홀에 스크류를 삽입하여 단위 IGBT 유닛을 단위 유닛 삽입부(504) 상에 고정시킬 수도 있다. 이 때 출력 단자 배선(522, 524, 526) 상에는 스크류가 삽입될 수 있는 홀이 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 IGBT 유닛의 구성도를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 IGBT 유닛(702)에는 1개의 IGBT 소자(704) 및 1개의 다이오드(706)가 배치될 수 있다. 이는 도 6에 도시된 단위 IGBT 유닛의 구성과 동일하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 IGBT 유닛의 구성도를 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 IGBT 유닛(802)에는 2개의 IGBT 소자(804, 806) 및 대응되는 2개의 다이오드(808, 810)가 배치될 수 있다. 참고로 도 8에 도시된 2개의 다이오드(808, 810)는 프리 휠링 다이오드(Free Wheeling Diode)로 도시되어 있으나, 단위 IGBT 유닛(802)에 배치되는 다이오드의 종류가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 2팩 모듈 구성도를 나타낸다. 도 9의 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이 1개의 IGBT 소자 및 1개의 다이오드가 배치된 단위 IGBT 유닛(902, 904)이 사용된다. 도 9와 같이 2개의 단위 IGBT 유닛(902, 904)을 삽입할 경우, 각각의 단위 IGBT 유닛은 대응되는 출력 단자 배선(906, 908)과 접속되어 2상의 스위칭 전압(U, W)을 출력한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 6팩 모듈 구성도를 나타낸다. 도 10의 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이 2개의 IGBT 소자 및 2개의 다이오드가 배치된 단위 IGBT 유닛(1002, 1004, 1006)이 사용된다. 도 10과 같이 3개의 단위 IGBT 유닛(1002, 1004, 1006)을 삽입할 경우, 각각의 단위 IGBT 유닛은 대응되는 출력 단자 배선(1008, 1010, 1012)과 접속되어 3상의 스위칭 전압(U, V, W)을 출력한다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (7)

  1. 베이스 플랫폼;
    상기 베이스 플랫폼 상에 배치되며 단위 IGBT 유닛이 삽입될 수 있는 단위 유닛 삽입부;
    상기 단위 유닛 삽입부와 전기적으로 연결되며 외부 전원과 접속되는 입력 단자;
    상기 단위 유닛 삽입부와 전기적으로 연결되며 스위칭 전압을 출력하는 출력 단자;
    상기 단위 유닛 삽입부 상에 배치되며 상기 단위 IGBT 유닛의 게이트 단자와 접속되는 게이트 접속 단자; 및
    상기 단위 유닛 삽입부 상에 배치되며 상기 단위 IGBT 유닛의 이미터 단자와 접속되는 이미터 접속 단자를 포함하는
    IGBT 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 유닛 삽입부의 하면에 배치되며 상기 입력 단자와 상기 단위 유닛 삽입부를 전기적으로 연결하는 입력 단자 배선; 및
    상기 단위 유닛 삽입부의 하면에 배치되며 상기 출력 단자와 상기 단위 유닛 삽입부를 전기적으로 연결하는 출력 단자 배선을 더 포함하는
    IGBT 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단위 IGBT 유닛은
    금속 기판;
    상기 금속 기판 상에 배치되는 IGBT 소자;
    상기 IGBT 소자의 게이트와 전기적으로 연결되는 게이트 단자; 및
    상기 IGBT 소자의 이미터와 전기적으로 연결되는 이미터 단자를 포함하는
    IGBT 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단위 IGBT 유닛은
    상기 금속 기판 하부에 배치되며 상기 입력 단자 배선과 전기적으로 연결되는 제1 접속 단자; 및
    상기 금속 기판 하부에 배치되며 상기 출력 단자 배선과 전기적으로 연결되는 제2 접속 단자를 더 포함하는
    IGBT 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단위 IGBT 유닛은
    2 이상의 IGBT 소자를 포함하는
    IGBT 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 접속 단자 또는 상기 제2 접속 단자는 다수의 핀을 포함하고,
    상기 입력 단자 배선 또는 상기 출력 단자 배선에는 상기 다수의 핀이 수용될 수 있는 홀이 형성되는
    IGBT 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 접속 단자 또는 상기 제2 접속 단자는 스크류가 삽입되는 비아 홀을 포함하고,
    상기 입력 단자 배선 또는 상기 출력 단자 배선에는 상기 스크류가 수용될 수 있는 홀이 형성되는
    IGBT 모듈.
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