KR20200025499A - 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 실시예는 컨버터에 관한 것이다. 일 측면에 따른 컨버터는, 외면에 방열부가 배치되는 하우징; 상기 하우징 내부공간에 배치되어, 인쇄회로기판과 전기적으로 연결되는 소자; 상기 하우징의 내면에 배치되는 절연시트; 및 상기 소자와 상기 절연시트 사이에 개재되어, 상기 절연시트와 면 접촉되는 금속 플레이트를 포함하며, 상기 금속 플레이트의 단면적은 상기 소자의 단면적 보다 크게 형성된다.

Description

컨버터{Converter}

본 실시예는 컨버터에 관한 것이다.

자동차의 전기장치로는 엔진전기장치(시동장치, 점화장치, 충전장치)와 등화장치가 일반적이나, 최근에는 차량이 보다 전자제어화 됨으로써 샤시 전기장치를 포함한 대부분의 시스템들이 전기전자화 되고 있는 추세이다.

자동차에 설치되는 램프, 오디오, 히터, 에어컨 등의 각종 전장품들은 자동차 정지시에는 배터리로부터 전원을 공급받고, 주행시에는 발전기로부터 전원을 공급받도록 되어 있는데, 이때 통상의 전원 전압으로 14V계 전원 시스템의 발전용량이 사용되고 있다.

최근 들어 정보기술 산업의 발달과 더불어 자동차의 편의성 증대를 목적으로 하는 다양한 신기술(모터식 파워 스티어링, 인터넷 등)들이 차량에 접목되고 있으며, 앞으로도 현 자동차 시스템을 최대한 이용할 수 있는 신기술의 개발이 계속될 전망이다.

소프트 또는 하드 타입의 구분없이 하이브리드 전기 차량(HEV)은 전장부하(12V) 공급을 위한 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter)가 설치되어 있다. 또한, 일반 가솔린 차량의 발전기(알터네이터) 역할을 하는 디씨디씨 컨버터는 메인 배터리(보통 144V 이상의 고전압 배터리)의 고전압을 다운시켜 전장부하용 전압 12V를 공급하고 있다.

디씨디씨 컨버터(DC-DC Converter)라 함은, 어떤 전압의 직류전원에서 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 전자회로 장치를 말하며, 텔레비전 수상기, 자동차의 전장품 등 다양한 영역에 사용되고 있다.

컨버터의 내부에는 복수의 전자부품이 배치된다. 있다. 전자부품의 예로, 전압조절을 위한 변압기, 인덕턴스를 얻기 위한 인덕터가 포함될 수 있다. 또한, 변환 회로 내 트랜지스터와 같은 스위칭 소자도 이에 포함될 수 있다. 상기 전자부품들은 인쇄회로기판 상에 배치될 수 있다.

하우징 내 발생되는 열은 상술한 전자부품의 수명 및 동작에 크게 영향을 미치는 요소이다. 특히, 인쇄회로기판 상에 배치되는 소자의 경우, 높은 온도 형성 시 소자 자체의 고장 또는 파손을 야기시키는 문제점이 있다.

본 발명은 부품 간 체결 구조를 개선하여, 생산 효율을 향상시킬 수 있는 컨버터를 제공하는 것에 있다.

본 실시예에 따른 컨버터는, 외면에 방열부가 배치되는 하우징; 상기 하우징 내부공간에 배치되어, 인쇄회로기판과 전기적으로 연결되는 소자; 상기 하우징의 내면에 배치되는 절연시트; 및 상기 소자와 상기 절연시트 사이에 개재되어, 상기 절연시트와 면 접촉되는 금속 플레이트를 포함하며, 상기 금속 플레이트의 단면적은 상기 소자의 단면적 보다 크게 형성된다.

본 실시예를 통해 절연시트 자체의 면적 증가 효과가 발생하여, 소자로부터 발생된 열이 하우징으로 보다 효율적으로 전도될 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 방열구조의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 방열구조의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 플레이트의 일면의 모습을 보인 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 절연시트에 결합된 금속 플레이트의 측면의 모습을 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 금속 플레이트의 변형 예를 보인 단면도.
도 6은 발열량에 따른 소자의 온도 값을 보인 그래프.
도 7은 시간에 따른 소자의 온도 값을 보인 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A,B,C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐 만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐 만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

본 실시 예에 따른 컨버터(Converter) 는 자동차에 구비되는 전장품으로서, 어떤 전압의 전원에서 다른 전압의 전원으로 변환을 수행하는 전자회로 장치를 말한다. 일 예로, 상기 컨버터는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 그러나, 본 실시 예에 따른 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 타입을 포함한 다양한 전장품에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 방열구조의 단면도 이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 방열구조의 분해 사시도 이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 플레이트의 일면의 모습을 보인 단면도 이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 절연시트에 결합된 금속 플레이트의 측면의 모습을 보인 단면도 이다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터는, 하우징(10)과, 하우징(10)의 내면에 배치되는 절연시트(50)와, 상기 절연시트(50)의 내면에 배치되는 금속 플레이트(40)와, 상기 금속 플레이트(40)의 내면에 배치되는 소자(20)를 포함할 수 있다.

상기 하우징(10)은 상기 컨버터의 외형을 형성한다. 상기 하우징(10)의 외면에는 방열부(12)가 배치될 수 있다. 상기 방열부(12)는 상기 하우징(10)의 외면으로부터 돌출되는 방열판 또는 방열핀일 수 있다. 상기 방열부(12)는 상기 하우징(10)을 기준으로, 상기 소자(20), 상기 금속 플레이트(40) 및 상기 절연시트(50)와 오버랩(overlab)되는 영역에 배치될 수 있다.

상기 소자(20)는 동작에 의해 발열되는 구성으로서, 본 명세서에서 상기 소자(20)는 상기 컨버터의 동작을 위한 일체의 구성을 포함하는 것으로 한다. 일 예로, 상기 소자(20)는 변환 회로 내 트랜지스터와 같은 스위칭 소자일 수 있다. 스위칭 소자의 경우, DC를 AC로 변환 시 변환 손실이 발생하여, 소자 내부에 열이 발생될 수 있다.

상기 소자(20)는 상기 하우징(10) 내 배치되는 인쇄회로기판(30)에 실장될 수 있다. 상기 소자(20)는 몸체의 외측으로 연장되는 리드선(22)을 포함할 수 있고, 상기 리드선(22)이 상기 인쇄회로기판(30)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 인쇄회로기판(30)에는 상기 리드선(22)이 실장 또는 결합되기 위한 홀이 구비될 수 있다.

상기 소자(20)는 상기 리드선(22)을 제외한 외면이 절연되는 절연 소자일 수 있다. 이와 달리, 상기 소자(20)는 외면 중 일부 영역이 금속부(25)를 가지는 비절연 소자일 수 있다. 상기 소자(20)가 비절연 소자일 경우, 상기 금속부(25)는 상기 금속플레이트(40)와 마주하는 면에 형성될 수 있다. 도 2를 기준으로, 상기 금속부(25)가 형성되는 면을 상기 소자(20)의 하면이라 할 때, 상기 금속부(25)는 상기 소자(20)의 하면에서 일정 형상을 가질 수 있다.

상기 절연시트(50)는 상기 하우징(10)의 내면과 상기 금속 플레이트(40)의 외면 사이에 배치될 수 있다. 도 2를 기준으로, 상기 절연시트(50)는 상기 하우징(10)의 내면과 상기 금속 플레이트(40)의 하면 사이에 배치될 수 있다. 상기 소자(20)가 비절연 소자일 경우 상기 금속부(25)를 통해 상기 하우징(10)과 통전될 수 있으므로, 상기 절연시트(50)가 상기 소자(20)와 상기 하우징(10) 사이에 개재되어, 통전을 방지할 수 있다. 상기 절연시트(50)의 단면적은 상기 소자(20)의 단면적 보다 크게 형성될 수 있다. 상기 절연시트(50)는 열전도율이 상기 금속 플레이트(40) 보다 상대적으로 낮은 절연성 재질로 형성될 수 있다. 상기 절연시트(50)의 두께는 대략 0.2~0.4mm 일 수 있다.

상기 금속 플레이트(40)는 상기 소자(20)와 상기 절연시트(50) 사이에 배치될 수 있다. 상기 금속 플레이트(40)는 상기 절연시트(50)와 면접촉할 수 있다. 상기 금속 플레이트(40)의 재질은 열전도율이 상기 절연시트(50) 보다 높은 금속 재질로 형성될 수 있다. 상기 금속 플레이트(40)의 재질은 철, 알루미늄, 구리로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 금속 플레이트(40)의 단면적은 상기 소자(20)의 단면적 보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속 플레이트(40)의 두께는 상기 절연시트(50)의 두께 보다 3 배 이상 두꺼울 수 있다. 일 예로, 상기 금속 플레이트(40)의 두께는 0.5mm 이상일 수 있다.

상기 소자(20)는 상기 금속 플레이트(40)의 외면에 솔더링(soldering) 될 수 있다. 도 2, 4에 도시된 바와 같이, 상기 금속 플레이트(40)의 상면 중 상기 소자(20)와 결합되는 영역에는, 솔더링이 가능한 제1영역(44)이 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1영역(44)은 Sn이 도금된 금속 표면처리 영역일 수 있다. 따라서, 상기 소자(20)가 비절연 소자일 경우, 상기 금속부(25)를 통해 상기 금속 플레이트(40)의 일면에 솔더부(60)를 통해 결합될 수 있다.

상기 금속 플레이트(40)의 상면 중 상기 제1영역(44)을 제외한 제2영역(42)은, Solder resist 처리된 영역일 수 있다. Solder resist는 솔더링되는 영역 이외의 회로를 보호하며, 전기 절연성을 부여하기 위한 공정이다. 따라서, 상기 금속 플레이트(40)의 상면에서 상기 소자(20)가 결합되는 제1영역(44) 이외의 영역인 제2영역(42)을 Solder resist 처리함으로써, 작업자가 상기 금속 플레이트(40)의 외면에서 상기 소자(20)를 어느 영역에 결합시켜야 될지를 용이하게 판단할 수 있으므로 작업 효율이 증가할 수 있다. 상기 Solder resist 처리 영역의 두께는 15~20 um일 수 있다. 또한, 솔더부(60)의 두께는 대략 100um일 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 소자(20)와 금속 플레이트(40)는 복수로 구비될 수 있다. 복수의 소자(20)와 금속 플레이트(40)는 각각 단일의 절연시트(50)의 상면에 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 소자(20)의 개수가 4개일 경우, 상기 소자(20)가 솔더링되는 상기 금속 플레이트(40)의 개수는 4개일 수 있다. 이는, 복수의 소자(20)들간에 전기적 연결을 방지하기 위함이다. 그리고, 상기 복수의 금속 플레이트(40)는 상호 이격되게 배치되어, 단일의 상기 절연시트(50)의 상면 일부가 상방으로 노출될 수 있다. 즉, 상기 절연시트(50)의 노출면은 복수의 상기 금속 플레이트(40)들의 상호 이격 공간에 배치될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 금속 플레이트의 변형 예를 보인 단면도 이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 소자(20)가 절연 소자일 경우, 별도의 절연시트가 불필요하게 된다. 따라서, 상기 소자(20)가 복수로 구비되더라도, 상기 금속 플레이트(40)는 단일의 플레이트로 구비될 수 있다. 이에 따라, 금속 플레이트(40)는 복수의 소자(20)가 각각 솔더링되는 제1영역(44)과, 상기 제1영역(42)을 제외한 상기 금속 플레이트(40)의 나머지 영역인 제2영역(42)으로 구획될 수 있다.

이 때, 하우징(10)과 상기 금속 플레이트(40) 또는 상기 금속 플레이트(40)와 상기 소자(20) 간에 결합을 위해, 별도의 스크류가 복수의 구성들 사이에서 나사 결합될 수 있다. 따라서, 상기 금속 플레이트(40)에는 상기 스크류가 관통하는 나사홀(49)이 추가로 배치될 수 있다.

이하에서는, 본 실시 예에 따른 컨버터의 방열 구조의 효과에 대해 설명하기로 한다.

도 6은 발열량에 따른 소자의 온도 값을 보인 그래프이고, 도 7은 시간에 따른 소자의 온도 값을 보인 그래프이다.

상기 소자(20)의 온도 T는 하기의 제(1)식에 의해 정해진다.

(1) T= Q x ∑Θ (Q:전력, Θ:total 저항)

즉, 소자(20)의 온도는 소자에 인가되는 전력량과, 소자와 하우징 사이에 배치되는 구성들의 전체 저항값에 의해 정해질 수 있다. 여기서, 소자와 하우징 사이에 저항값이라 함은, 상기 금속 플레이트(40) 또는 상기 절연시트(50)의 저항값일 수 있다.

그리고, 상기 저항값은 하기의 제(2)식에 의해 정해질 수 있다.

Θ=(d:두께, A=면적, K=열전도율)

결국 열 저항 값은, 배치되는 구성들의 두께와, 면적에 따라 정해질 수 있다.

따라서, 상기 소자(20)와 상기 하우징(10) 사이에 배치되는 구성들의 두께가 얇아지고, 면적이 증가할 경우, 상기 소자(20) 자체의 온도를 낮출 수 있다. 열전도율이 우수한 재질이 배치될 경우도 마찬가지이다.

종래, 비절연 소자의 경우, 금속 재질로 형성되는 하우징과의 절연을 위해 절연시트를 소자와 하우징 사이에 배치하였다. 그러나, 절연시트의 낮은 열전도율에 따라, 하우징으로의 열전도가 효율적으로 이루어지지 않게 되어, 방열 효율이 저감되는 문제점이 있었다.

그리고, 절연시트의 경우 면적이 증가하더라도 낮은 열전도율에 따라, 소자와 마주하는 중심부와, 상기 중심부의 외측인 가장자리부의 온도차이가 발생한다는 문제점이 있었다.

그러나, 본 실시 예에 따르면, 상기 절연시트(50)와 상기 소자(20) 사이에 상기 금속 플레이트(40)을 배치함으로써, 상기 절연시트(50)의 중심부와 가장자리부의 온도를 거의 균일하게 형성할 수 있다.

이에 따라, 절연시트(50)의 낮은 열전도율에도 불구하고, 상기 절연시트(50) 자체의 면적 증가 효과가 발생하므로, 전체 저항열이 낮아져, 상기 소자(20)의 방열 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 이는, 상기 소자(20)와 상기 하우징(10) 사이에, 상기 금속 플레이트(40)와 상기 절연시트(50)의 이방성에 기인하는 효과이다.

다시 말해서, 열전도율이 우수한 금속 재질의 상기 금속 플레이트(40)를 통해 상기 절연시트(50)는 전 영역이 균일한 온도 분포를 형성하게 되므로, 상기 절연시트(50) 자체의 면적 증가 효과로 인해, 상기 소자(20)로부터 발생된 열이 상기 하우징(10)으로 보다 효율적으로 전도될 수 있는 것이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 방열구조의 적용 시, 종래 구조 보다 전 구간에서 소자가 낮은 값의 온도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 도 6에서 변화가 심한 구간은 상기 소자(20)가 스위칭 소자일 경우, 스위칭 구간을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 마찬가지로 본 발명의 실시 예에 따른 방열 구조를 적용한 소자의 온도 그래프(b)가, 종래 구조에 따른 소자의 온도 그래프(a) 보다 전 구간에서 낮은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 7의 그래프에서는, 동일 구간 내 소자의 온도가 크게는 20도 이상 차이는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 방열구조에 따르면, 소자에서 발생한 열이 상기 방열부(12)로 빠르게 전달되어, 상기 하우징(10) 내 열방출이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 '포함하다', '구성하다' 또는 '가지다' 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 외면에 방열부가 배치되는 하우징;
   상기 하우징 내부공간에 배치되어, 인쇄회로기판과 전기적으로 연결되는 소자;
   상기 하우징의 내면에 배치되는 절연시트; 및
   상기 소자와 상기 절연시트 사이에 개재되어, 상기 절연시트와 면 접촉되는 금속 플레이트를 포함하며,
   상기 금속 플레이트의 단면적은 상기 소자의 단면적 보다 크게 형성되는 컨버터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 플레이트의 두께는 상기 절연시트의 두께 보다 두꺼운 컨버터.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 플레이트는 금속 재질인 컨버터.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 소자는 외면에 금속부가 배치되는 비절연성 소자인 컨버터.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 금속부는 상기 금속 플레이트의 일면에 솔더링(soldering)되는 컨버터.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 금속 플레이트는 상기 금속부가 솔더링되는 제1영역과,
   상기 제1영역 이외의 영역에 형성되며, Solder resist공정을 통해 표면처리되는 제2영역을 포함하는 컨버터.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 소자와 상기 금속 플레이트는 각각 서로 대응하도록 복수로 구비되고,
   상기 절연시트는 단일로 구비되며,
   복수의 상기 금속 플레이트의 사이 영역에는 상기 절연시트가 노출되는 컨버터.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 절연시트의 단면적과 상기 금속 플레이트의 단면적은 서로 대응되는 컨버터.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열부는 상기 하우징의 외면으로부터 돌출되는 방열핀 또는 방열판을 포함하고,
   상기 방열부는 상기 소자와 상기 하우징을 기준으로 오버랩(overlab)되게 배치되는 컨버터.
   
10. 외면에 방열부가 배치되는 하우징;
    상기 하우징 내부공간에 배치되어, 인쇄회로기판과 전기적으로 연결되는 소자;
    상기 소자와 상기 하우징의 내면 사이에 개재되어, 상기 하우징의 내면과 면 접촉되는 금속 플레이트를 포함하며,
    상기 금속 플레이트의 단면적은 상기 소자의 단면적 보다 크게 형성되고,
    상기 소자는 절연성 소자이며,
    상기 소자는 상기 금속 플레이트의 일면에 솔더링(Soldering)되는 컨버터.
    

Images