KR20190065768A - 적층 구조를 이용한 파워모듈 및 이를 이용한 전기자동차용 3상 구동 모듈 - Google Patents

적층 구조를 이용한 파워모듈 및 이를 이용한 전기자동차용 3상 구동 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적층 구조를 이용한 파워모듈을 확장시켜 구현 가능한 전기차용 3상 구동 모듈에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조를 이용한 파워모듈은, 적층 구조의 중간기판으로서, 특정 상의 AC 전원이 출력되는 금속기판; 상기 금속기판의 하부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 외부에 있는 DC 전원의 (+) 단자가 연결되는 하이 사이드 회로; 및 상기 금속기판의 상부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (-) 단자가 연결되는 로우 사이드 회로;를 포함한다.

Description

적층 구조를 이용한 파워모듈 및 이를 이용한 전기자동차용 3상 구동 모듈{POWER MODULE USING STACK STRUCTURE AND 3 PHASE DRIVING MODULE FOR ELECTRIC VEHICLE USING THE SAME}
본 발명은 적층 구조를 이용한 파워모듈 및 이를 이용한 전기자동차용 3상 구동 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모듈 내부에서 금속기판을 기준으로 하이 사이드 회로와 로우 사이드 회로를 사이에 두고 적층 구조를 형성함으로써, DC전압을 AC전압으로 변환시키는 하프 브리지 컨버터를 구현하기 위한, 적층 구조를 이용한 파워모듈에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 적층 구조를 이용한 파워모듈을 확장시켜 구현 가능한 전기차용 3상 구동 모듈에 관한 것이다.
전력 반도체는 직류전류를 교류전류로 변환시켜 공급하는 기능을 갖춘 인버터 소자로써, 전력기기, 산업기기, 정보통신기기, 가정용기기 외에 모바일기기 및 전기차로 활용 범위가 늘어나고 있다.
최근 들어, 전력 반도체는 높은 항복전압 및 허용전류, 낮은 스위치온 저항 특성, 고속 스위칭 특성을 갖는 소자 연구가 진행되고 있다.
전력반도체의 적용되는 주요 반도체 재료는 주로 실리콘(Si) 재질을 사용하고 있기 때문에, 주요 동작조건과 경제적인 측면을 고려해볼 때 가장 효용성이 크다.
특히, 전력반도체는 친환경자동차에 적용을 고려할 때 대전류 사양을 만족시키기 위해 모듈화가 필요하다. 이에 따라, 전력반도체는 모듈화된 제한적인 공간에서 출력밀도를 향상시키기 위한 연구가 진행중이다.
HEV(Hybrid Electric Vehicle) 또는 PHEV(Plug-in HEV)의 경우에는, 엔진룸 공간내에서 엔진부와 모터부를 함께 활용하게 됨으로써 BEV(Battery Electric Vehicle)에 비해 인버터 소형화에 대한 필요성이 더욱 요구된다.
그런데, 구동주파수 상향을 통한 캐패시터 및 인덕터와 같은 수동소자의 소형화 및 냉각성능 개선을 통하여 출력밀도 증대가 가능하다.
그러나, 수동소자의 동작온도범위가 제한적인데, 이를 보상하기 위한 냉각 성능 개선은 워터펌프의 출력증가를 유발하게 된다. 이는 추가 에너지 손실을 발생시키게 되어 수동소자의 소형화 이점을 상쇄시키게 된다.
이에 따라, 파워모듈은 출력밀도를 개선시키기 위해 모듈 크기의 소형화를 구현할 수 있는 구조설계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 통해 근본적인 인버터의 출력밀도가 향상될 수 있다.
한편, 파워모듈은 케이스형이 널리 채용되고 있다. 이러한 파워모듈은 케이스 안에 기판 및 소자가 위치하며, 케이스 안에 젤을 충진함으로써 모듈 내부의 구성품들을 보호하는 형태로 구성되어 있다. 그런데, 케이스형 파워모듈은 한쪽 면을 이용하여 소자를 냉각시키며 와이어를 이용한 통전방식을 주로 적용함으로써, 고출력 사양에 대응하기 위한 구조 및 소재설계 관점에서 개선이 요구된다.
이를 개선하기 위해, 파워모듈은 몰드형으로 양면냉각 구조가 제안되고 있다. 몰드형 파워모듈은 실장면적의 소형화를 구현할 수 있으며, 기존의 단면 냉각방식에서 소자를 기준으로 양쪽에 기판을 활용한 양면냉각을 적용하여 냉각성능의 증가를 구현할 수 있다. 또한, 몰드형 파워모듈은 소자의 소스(에미터) 부분의 와이어를 스페이서로 대체함으로써 대전류 통전에 따른 발열 및 소재 내구성 문제를 개선할 수 있다.
그러나, 몰드형 파워모듈은 전력소자를 횡방향으로 배열하는 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조는 모듈의 단자 및 게이트핀 영역면적이 넓기 때문에 게이트보드의 면적을 그에 상응하는 수준으로 감소하기 어려울 뿐만 아니라, 기생 인덕턴스 성분을 저감시키기 어렵기 때문에 모듈 스위칭 손실을 유발할 수 있다.
따라서, 몰드형 파워모듈은 인버터 내에 탑재시 모듈의 출력밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 원가경쟁력을 가질 수 있도록 부피와 소재를 절감할 수 있는 구조가 제안될 필요성이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0981335호 (2010.09.03 등록)
본 발명의 목적은 모듈 내부에서 금속기판을 기준으로 하이 사이드 회로와 로우 사이드 회로를 사이에 두고 적층 구조를 형성함으로써, DC전압을 AC전압으로 변환시키는 하프 브리지 컨버터를 구현하기 위한, 적층 구조를 이용한 파워모듈을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 적층 구조를 이용한 파워모듈을 확장시켜 구현 가능한 전기차용 3상 구동 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조를 이용한 파워모듈은, 적층 구조의 중간기판으로서, 특정 상의 AC 전원이 출력되는 금속기판; 상기 금속기판의 하부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 외부에 있는 DC 전원의 (+) 단자가 연결되는 하이 사이드 회로; 및 상기 금속기판의 상부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (-) 단자가 연결되는 로우 사이드 회로;를 포함할 수 있다.
상기 하이 사이드 회로는, 제1 절연회로기판, 제1 스위칭소자, 제1 스페이서, 상기 금속기판 순으로 내부 적층 구조를 형성하고, 상기 로우 사이드 회로는, 상기 금속기판, 제2 스위칭소자, 제2 스페이서, 제2 절연회로기판 순으로 내부 적층 구조를 형성하는 것일 수 있다.
상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는, 캐스코드(cascode)로 연결되어 하프 브리지 회로를 형성하고, 스위칭 동작을 통해 상기 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환시키는 것일 수 있다.
상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor), Superjunction MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field Effect Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는, 상기 제1 스위칭소자의 제1 드레인이 상기 제1 절연회로기판에 직접 연결되어 상기 DC 전원의 (+) 단자에 연결되고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 소스가 상기 제2 스페이서를 통해 상기 제2 절연회로기판에 연결되어 상기 DC 전원의 (-) 단자에 연결되며, 상기 제1 스위칭소자의 제1 소스가 상기 제1 스페이서를 통해 상기 금속기판의 하부면에 연결되고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 드레인이 상기 금속기판의 상부면에 직접 연결되는 것일 수 있다.
상기 제1 스위칭소자의 제1 게이트는, 제1 와이어를 통해 상기 제1 절연회로기판의 게이트패드에 연결되어 외부에 단자를 형성하고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 게이트는, 제2 와이어를 통해 상기 제2 절연회로기판의 게이트패드에 연결되어 외부에 단자를 형성하는 것일 수 있다.
상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는, 고방열/고전도 도전체인 것일 수 있다.
상기 제1 절연회로기판 및 상기 제2 절연회로기판은, 세라믹기판 상에 금속패턴을 형성하는 것일 수 있다.
상기 금속패턴은, 니켈, 금, 은 중 어느 하나의 재질을 구리 패턴에 도금한 것일 수 있다.
상기 금속기판은, 은, 구리, 금, 알루미늄, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈 중 어느 하나의 재질 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.
일실시예에 의하면, 상기 하이 사이드 회로, 상기 금속기판 및 상기 로우 사이드 회로의 적층 구조를 몰딩하기 위한 몰딩부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 몰딩부재는, 에폭시몰딩컴파운드(EMC)에 산화규소 또는 산화알루미늄 입자가 첨가된 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 3상 구동 모듈은, 횡방향으로 병렬로 배열되는 제1 내지 제3 파워모듈; 상기 제1 내지 제3 파워모듈로부터 출력되는 3상의 AC 전원 각각이 입력되는 모터; 상기 제1 내지 제3 파워모듈에 공통으로 DC 전원을 공급하는 DC 커넥터; 및 상기 DC 커넥터에 연결된 배터리;를 포함하되, 상기 제1 내기 제3 파워모듈 각각은, 적층 구조의 중간기판으로서, 특정 상의 AC 전원이 출력되는 금속기판; 상기 금속기판의 하부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (+) 단자가 연결되는 하이 사이드 회로; 및 상기 금속기판의 상부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (-) 단자가 연결되는 로우 사이드 회로;를 포함할 수 있다.
본 발명은 모듈 내부에서 금속기판을 기준으로 하이 사이드 회로와 로우 사이드 회로를 사이에 두고 적층 구조를 형성함으로써, DC전압을 AC전압으로 변환시키는 하프 브리지 컨버터를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 모듈 내부의 하이 사이드 영역과 로우 사이드 영역을 적층하여 절연회로기판 사용량이 대략 50% 수준으로 절감이 가능하므로, 기존 양면 냉각 모듈 대비 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은 파워모듈을 적층 구조로 구현함으로써 부피감소 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 기존 대비 약 40%의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 파워모듈의 게이트핀 영역면적을 줄임으로써 게이트 보드의 면적을 그에 상응하는 수준으로 감소시켜 고집적화를 도모할 수 있기 때문에, 보드부의 출력밀도가 증가하고, 보드패턴 최소화로 인한 기생 인덕턴스 성분을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 모듈 PN 단자의 종배열 구조를 적용하여 기생 인턱턴스 성분을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명은 파워모듈을 횡방향으로 확대시켜 하프 브리지 구조(2in1) 뿐만 아니라, 풀 브리지 구조(4in1)와 3상 구동 모듈(6in1)로 확대 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조를 이용한 파워모듈에 대한 사시도,
도 2는 상기 도 1의 파워모듈에 대한 A-A' 단면도,
도 3은 상기 도 1의 파워모듈에 대한 회로를 나타낸 도면,
도 4는 단자 배열 구조에 따라 기생 인덕턴스를 비교한 결과를 나타낸 도면,
도 5는 상기 도 1의 파워모듈을 3상 구동 파워모듈로 구현한 경우를 나타내는 도면,
도 6은 도 5의 3상 구동 파워모듈이 모터에 연결된 회로를 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조를 이용한 파워모듈에 대한 사시도이고, 도 2는 상기 도 1의 파워모듈에 대한 A-A' 단면도이며, 도 3은 상기 도 1의 파워모듈에 대한 회로를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 적층 구조를 이용한 파워모듈(이하 '파워모듈'이라 함, 100)은, 모듈 내부에서 금속기판(30)을 기준으로 하이 사이드 회로(high side circuit)(10)와 로우 사이드 회로(low side circuit)(20)를 사이에 두고 적층 구조를 형성함으로써, DC전압을 AC전압으로 변환시키는 하프 브리지 컨버터(half bridge converter)를 구현할 수 있다.
이러한 파워모듈(100)은 외부환경으로부터 적층 구조의 내부 회로들을 보호하기 위해 고방열 몰딩부재(1)를 이용하여 감싸주는 몰딩 공정이 이루어진다. 여기서, 고방열 몰딩부재(1)는 주로 에폭시몰딩컴파운드(Epoxy Molding Compound, EMC)가 이용되며, 방열성능 향상을 위해 산화규소(SiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 입자들이 첨가될 수 있다.
파워모듈(100)은 외부에 있는 DC 전원에 연결되어 DC 전원이 입력되는 (+) 단자와 (-) 단자가 일측면에 형성되어 있고, 외부에 있는 부하(일례로, 모터)에 연결되어 특정 상(phase)의 AC 전원이 출력되는 AC 출력단자(P)가 타측면에 형성되어 있다. 또한, 파워모듈(100)의 타측면에는 AC 출력단자(P)와 함께 모듈 내부에 내장된 스위칭소자의 게이트단(G1, G2)이 형성되어 있다.
하이 사이드 회로(10)는 파워모듈(100)의 (+) 단자가 형성되어 있는 영역에 배치되고, 로우 사이드 회로(20)는 파워모듈(100)의 (-) 단자가 형성되어 있는 영역에 배치된다. 즉, 하이 사이드 회로(10)는 금속기판(30)과 제1 절연회로기판(17) 사이에 제1 스위칭소자(11)와 제1 스페이서(13)가 포함되고, 로우 사이드 회로(20)는 금속기판(30)과 제2 절연회로기판(27) 사이에 제2 스위칭소자(21)와 제2 스페이서(23)가 포함된다.
도 2를 참조하면, 하이 사이드 회로(10)는 금속기판(30)을 기준으로 하부측에 배치되고, 로우 사이드 회로(20)는 금속기판(30)을 기준으로 상부측에 배치된다. 즉, 파워모듈(100)은 하이 사이드 회로(10), 금속기판(30), 로우 사이드 회로(20) 순으로 적층된다.
또한, 하이 사이드 회로(10)는 제1 절연회로기판(17), 제1 스위칭소자(11), 제1 스페이서(13), 금속기판(30) 순으로 내부 적층 구조를 형성하고, 로우 사이드 회로(20)는 금속기판(30), 제2 스위칭소자(21), 제2 스페이서(23), 제2 절연회로기판(27)의 순으로 내부 적층 구조를 형성한다.
이하, 하이 사이드 회로(10)와 로우 사이드 회로(20)의 세부 구성을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)는 스위칭 동작을 통해 외부로부터 공급되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환시키는 기능을 수행하는 반도체 전력소자이다. 이러한 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)는 예를 들어, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor), Superjunction MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field Effect Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 등이 적용될 수 있으며, 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN) 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
그런데, 여기서는 설명의 편의상 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)가 N-MOSFET인 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 이에 따라, 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)의 각 단자는 N-MOSFET의 경우에, 드레인(drain), 게이트(gate), 소스(source)로 통칭하기로 한다. 이는 바이폴라 트랜지스터의 경우에 콜렉터(collector), 베이스(base), 에미터(emitter)로 대응된다는 것을 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
한편, 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)에 대한 회로 구성에 대해 도 2 및 도 3을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)는 캐스코드(cascode)로 연결되는 하프 브리지(2in1) 회로를 형성한다. 이러한 제1 스위칭소자(11)는 제1 드레인(D1), 제1 게이트(G1), 제1 소스(S1)를 포함하며, 제2 스위칭소자(21)는 제2 드레인(D2), 제2 게이트(G2), 제2 소스(S2)를 포함한다.
또한, 제1 스위칭소자(11)의 제1 드레인(D1)은 모듈 외부에서 공급되는 DC 전원(VDD)에 연결된다. 즉, 제1 스위칭소자(11)의 제1 드레인(D1)은 제1 절연회로기판(17)에 직접 연결되어, 제1 절연회로기판(17)을 통해 모듈 외부에서 공급되는 DC 전원(VDD)[즉, DC 전원의 (+) 단자]에 연결된다.
그리고, 제2 스위칭소자(21)의 제2 소스(S2)는 접지에 연결된다. 즉, 제2 스위칭소자(21)의 제2 소스(S2)는 제2 스페이서(23)를 통해 제2 절연회로기판(27)에 연결되어, 제2 절연회로기판(27)을 통해 접지[즉, DC 전원의 (-) 단자]에 연결된다.
이와 같이, 제1 스위칭소자(11)의 제1 드레인(D1)은 DC 전원의 (+) 단자에 연결되고, 제2 스위칭소자(21)의 제2 소스(S2)는 DC 전원의 (-) 단자에 연결된다.
한편, 제1 스위칭소자(11)의 제1 소스(S1)와 제2 스위칭소자(21)의 제2 드레인(D2)은 서로 전기적으로 연결된다. 이처럼, 제1 스위칭소자(11)와 제2 스위칭소자(21)가 서로 연결되는 지점(즉, AC 출력단자(P))은 특정 상의 AC 전원이 출력된다.
즉, 제1 스위칭소자(11)의 제1 소스(S1)는 제1 스페이서(13)를 통해 금속기판(30)의 하부면에 연결되고, 제2 스위칭소자(21)의 제2 드레인(D2)은 금속기판(30)의 상부면에 직접 연결된다. 이에 따라, 제1 스위칭소자(11)의 제1 소스(S1)와 제2 스위칭소자(21)의 제2 드레인(D2)은 서로 연결되는 금속기판(30)을 통해 특정 상의 AC 전원을 출력하게 된다.
또한, 제1 스위칭소자(11)의 제1 게이트(G1)와 제2 스위칭소자(21)의 제2 게이트(G2)는 게이트 패드를 통해 모듈 외부에 단자가 형성된다.
다음, 제1 스페이서(13) 및 제2 스페이서(23)는 양면 구조의 모듈을 구현하기 위해, 제1 스위칭소자(11)의 제1 게이트(G1)에 연결할 제1 와이어(15)와 제2 스위칭소자(21)의 제2 게이트(G2)에 연결할 제2 와이어(25)를 위한 최소 높이의 공간을 확보할 수 있게 한다.
또한, 제1 스페이서(13)는 제1 스위칭소자(11)의 제1 소스(S1)와 금속기판(30)의 하부면에 전기적으로 연결되고, 제2 스페이서(23)는 제2 스위칭소자(21)의 제2 소스(S2)와 제2 절연회로기판(27)에 전기적으로 연결된다. 이러한 제1 스페이서(13)와 제2 스페이서(23)는 고방열/고전도의 도전체로서, 예를 들어, 구리(Cu), 구리몰리브덴(CuMo), 알루미늄실리콘카바이드(AlSiC), 탄화알루미늄(AlC), 구리텅스텐(CuW) 중 어느 하나의 재질일 수 있다.
다음, 제1 와이어(15)는 제1 스위칭소자(11)의 제1 게이트(G1)와 제1 절연회로기판(17)의 게이트패드 간을 전기적으로 연결하며, 제2 와이어(25)는 제2 스위칭소자(21)의 제2 게이트(G2)와 제2 절연회로기판(27)의 게이트패드 간을 전기적으로 연결한다. 이러한 제1 와이어(15)와 제2 와이어(25)는 예를 들어, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 구리 도금된 알루미늄(Al coated Cu) 중 어느 하나의 재질일 수 있다.
다음, 제1 절연회로기판(17)은 세라믹기판 상에 금속패턴을 형성하여 제1 스위칭소자(11)의 제1 드레인(D1)에 전기적으로 연결하고, 제2 절연회로기판(27)도 세라믹기판 상에 금속패턴을 형성하여 제2 스페이서(23)를 통해 제2 스위칭소자(21)의 제2 소스(S2)에 전기적으로 연결한다. 여기서, 금속패턴은 구리(Cu) 패턴이 주로 사용되지만, 스위칭소자의 하부금속패드와 접합성을 개선하기 위해 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag) 중 어느 하나의 재질을 구리 패턴에 추가 도금될 수 있다.
이러한 제1 절연회로기판(17)과 제2 절연회로기판(27) 각각은 제1 스위칭소자(11)의 제1 드레인(D1)과 제2 스위칭소자(21)의 제2 소스(S2)에 전류를 흘려주는 역할을 담당할 뿐만 아니라, 파워모듈(100)의 외부와 전기적으로 절연시키는 역할을 담당한다.
여기서, 제1 절연회로기판(17)과 제2 절연회로기판(27)은 예를 들어, 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 지르코니아 강화된 알루미나(Zirconia Toughened Alumina, ZTA) 중 어느 하나의 재질일 수 있다.
다음, 금속기판(30)은 하이 사이드 회로(10)에 포함된 제1 스위칭소자(11)의 제1 소스(S1)와 로우 사이드 회로(20)에 포함된 제2 스위칭소자(21)의 제2 드레인(D2) 사이에 위치하여 특정 상으로 나가는 전류를 통전시키는 역할을 담당한다.
이러한 금속기판(30)은 하이 사이드 회로(10)와 로우 사이드 회로(20)의 중간기판으로서 전기 및 열 전도성이 우수하다. 금속기판(30)은 예를 들어, 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 중 어느 하나의 재질 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.
또한, 금속기판(30)은 두께를 변경하여 열류량을 조절할 수 있다. 이는 파워모듈(100)의 정격출력 설계를 유연하게 대처할 수 있게 한다.
도 4는 단자 배열 구조에 따라 기생 인덕턴스를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 파워모듈(100)은 횡배열 배치 구조인 경우(busbar1 참고)와 종배열 배치 구조인 경우(busbar2 참고)와 같이 단자 배열 구조에 따라 기생 인덕턴스(stray inductance) 성분이 달라질 수 있다.
파워모듈(100)은 적층 구조이므로, 모듈 PN 단자의 배열 구조가 종배열 배치 구조인 경우에 해당한다. 파워모듈(100)은 횡배열 배치 구조인 경우보다 종배열 배치 구조인 경우에 기생 인덕턴스 성분을 최소화시킬 수 있다.
따라서, 파워모듈(100)은 기존의 파워모듈과 비교할 때, 구조적으로 횡으로 밖에 배열될 수 밖에 없었던 전극단자들이 적층형 구조로 종배열 배치가 가능하게 됨으로써 기생 인덕턴스 성분을 저감할 수 있게 된다.
도 4를 참고하면, 파워모듈(100)은 기존의 횡배열 배치 구조의 파워모듈에 비해 기생 인덕턴스 성분을 약 80% 저감시킬 수 있다. 이와 같이, 파워모듈(100)은 모듈의 스위칭 손실과 내구성을 개선할 수 있다.
도 5는 상기 도 1의 파워모듈을 3상 구동 파워모듈로 구현한 경우를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 3상 구동 파워모듈이 모터에 연결된 회로를 나타내는 도면이다.
파워모듈(100)은 횡방향으로 확대하여 응용범위를 확대할 수 있다. 구체적으로, 파워모듈(100)은 우선적으로 하프 브리지 회로(2in1)에 해당하고, 횡방향으로 2개가 배열되면 풀 브리지 회로(4in1)에 해당하며, 횡방향으로 3개가 배열되면 3상 구동 회로(6in1)에 해당한다.
도 5는 파워모듈(100)이 횡방향으로 3개가 배열된 3상 구동 모듈을 나타내고, 도 6은 3상 구동 모듈이 모터 제어에 적용되는 경우를 나타낸다.
3상 구동 모듈은 파워모듈(100)을 확장시켜 구현 가능한 전기자동차용 3상 구동 모듈에 해당한다.
즉, 제1 파워모듈(110a), 제2 파워모듈(110b), 제3 파워모듈(110c)은 횡방향으로 병렬로 배치되어 외부로부터 DC 전원(배터리 전원)이 DC 커넥터(40)를 통해 공통으로 공급된다. 여기서, DC 커넥터(40)는 배터리(60)가 연결된다.
여기서, 제1 파워모듈(110a)은 U상의 AC 전원이 출력되어 모터(50)의 U상으로 입력되고, 제2 파워모듈(110b)은 W상의 AC 전원이 출력되어 모터(50)의 W상으로 입력되며, 제3 파워모듈(110c)은 V상의 AC 전원이 출력되어 모터(50)의 V상으로 입력된다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
1 : 고방열 몰딩부재 10 : 하이 사이드 회로
11 : 제1 스위칭소자 13 : 제1 스페이서
15 : 제1 와이어 17 : 제1 절연회로기판
20 : 로우 사이드 회로 21 : 제2 스위칭소자
23 : 제2 스페이서 25 : 제2 와이어
27 : 제2 절연회로기판 30 : 금속기판
40 : DC 커넥터 50 : 모터

Claims (15)

  1. 적층 구조의 중간기판으로서, 특정 상의 AC 전원이 출력되는 금속기판;
    상기 금속기판의 하부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 외부에 있는 DC 전원의 (+) 단자가 연결되는 하이 사이드 회로; 및
    상기 금속기판의 상부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (-) 단자가 연결되는 로우 사이드 회로;
    를 포함하는 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이 사이드 회로는,
    제1 절연회로기판, 제1 스위칭소자, 제1 스페이서, 상기 금속기판 순으로 내부 적층 구조를 형성하고,
    상기 로우 사이드 회로는,
    상기 금속기판, 제2 스위칭소자, 제2 스페이서, 제2 절연회로기판 순으로 내부 적층 구조를 형성하는 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는,
    캐스코드(cascode)로 연결되어 하프 브리지 회로를 형성하고, 스위칭 동작을 통해 상기 DC 전원을 상기 AC 전원으로 변환시키는 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는,
    MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor), Superjunction MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field Effect Transistor), HEMT(High Electron Mobility Transistor) 중 어느 하나인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는,
    상기 제1 스위칭소자의 제1 드레인이 상기 제1 절연회로기판에 직접 연결되어 상기 DC 전원의 (+) 단자에 연결되고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 소스가 상기 제2 스페이서를 통해 상기 제2 절연회로기판에 연결되어 상기 DC 전원의 (-) 단자에 연결되며,
    상기 제1 스위칭소자의 제1 소스가 상기 제1 스페이서를 통해 상기 금속기판의 하부면에 연결되고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 드레인이 상기 금속기판의 상부면에 직접 연결되는 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자의 제1 게이트는, 제1 와이어를 통해 상기 제1 절연회로기판의 게이트패드에 연결되어 외부에 단자를 형성하고,
    상기 제2 스위칭소자의 제2 게이트는, 제2 와이어를 통해 상기 제2 절연회로기판의 게이트패드에 연결되어 외부에 단자를 형성하는 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는,
    고방열/고전도 도전체인 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 절연회로기판 및 상기 제2 절연회로기판은,
    세라믹기판 상에 금속패턴을 형성하는 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속패턴은,
    니켈, 금, 은 중 어느 하나의 재질을 구리 패턴에 도금한 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속기판은,
    은, 구리, 금, 알루미늄, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈 중 어느 하나의 재질 또는 둘 이상의 합금인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이 사이드 회로, 상기 금속기판 및 상기 로우 사이드 회로의 적층 구조를 몰딩하기 위한 몰딩부재;
    를 더 포함하는 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 몰딩부재는,
    에폭시몰딩컴파운드(EMC)에 산화규소 또는 산화알루미늄 입자가 첨가된 것인 적층 구조를 이용한 파워모듈.
  13. 횡방향으로 병렬로 배열되는 제1 내지 제3 파워모듈; 상기 제1 내지 제3 파워모듈로부터 출력되는 3상의 AC 전원 각각이 입력되는 모터; 상기 제1 내지 제3 파워모듈에 공통으로 DC 전원을 공급하는 DC 커넥터; 및 상기 DC 커넥터에 연결된 배터리;를 포함하되,
    상기 제1 내기 제3 파워모듈 각각은,
    적층 구조의 중간기판으로서, 특정 상의 AC 전원이 출력되는 금속기판;
    상기 금속기판의 하부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (+) 단자가 연결되는 하이 사이드 회로; 및
    상기 금속기판의 상부측에 배치되어 상기 금속기판에 전기적으로 연결되고, 상기 DC 전원의 (-) 단자가 연결되는 로우 사이드 회로;를 포함하는 전기자동차용 3상 구동 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하이 사이드 회로는,
    제1 절연회로기판, 제1 스위칭소자, 제1 스페이서, 상기 금속기판 순으로 내부 적층 구조를 형성하고,
    상기 로우 사이드 회로는,
    상기 금속기판, 제2 스위칭소자, 제2 스페이서, 제2 절연회로기판 순으로 내부 적층 구조를 형성하는 것인 전기자동차용 3상 구동 모듈.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는,
    상기 제1 스위칭소자의 제1 드레인이 상기 제1 절연회로기판에 직접 연결되어 상기 DC 전원의 (+) 단자에 연결되고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 소스가 상기 제2 스페이서를 통해 상기 제2 절연회로기판에 연결되어 상기 DC 전원의 (-) 단자에 연결되며,
    상기 제1 스위칭소자의 제1 소스가 상기 제1 스페이서를 통해 상기 금속기판의 하부면에 연결되고, 상기 제2 스위칭소자의 제2 드레인이 상기 금속기판의 상부면에 직접 연결되는 것인 전기자동차용 3상 구동 모듈.
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