KR20200034847A - 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치는 파워 모듈의 상부에 유도 도체판을 설치하여 파워 모듈 구동시 파워 모듈 내부의 전류에 의한 누설자석을 상측의 유도 도체판에 유도시켜 파워 모듈 내부의 기생인덕턴스를 저감시킬 수 있도록 이루어진 것이다.

Description

유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치 {DEVICE FOR REDUCING PARASITIC INDUCTANCE OF POWER MODULE USING INDUCED CONDUCTOR PLATE}

본 발명은 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파워 모듈의 상부에 유도 도체판을 설치하여 파워 모듈 구동시 파워 모듈 내부의 전류에 의한 누설자석을 상측의 유도 도체판에 유도시켜 파워 모듈 내부의 기생인덕턴스를 저감시킬 수 있도록 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치인 파워 모듈(power module)이 여러 산업 분야에서 사용되고 있으며, 특히 높은 전력의 공급이 필요한 철도 차량의 경우 차량의 주행 속도 및 기동력을 조절하기 위하여 다수개가 절연되어 적층된 버스플레이트에 스위칭 소자가 결선이 되어 있는 파워 모듈이 연결되어 사용된다.

파워 모듈은 전력반도체 스위칭소자들의 스위칭 동작을 제어함으로써 원하는 교류 출력을 획득하도록 구성되는 것으로, 스위칭소자의 스위칭시 발생하는 충격을 억제하기 위해 주로 버스 플레이트를 사용한다.

버스플레이트는 일반적으로 P층(양극 단자)과 N층(음극 단자)로 구성되어져 있고, 파워모듈의 P단자와 N단자에 접속되어 있다. 도 1에 도시된 버스플레이트(10)는 Pa층, Na층, Nb층, Pb층으로 4개의 층이 절연되어 이루어진 예를 도시하고 있다. 버스플레이트의 주요 역할은 도 1에 도시된 바와 같이, DC전원과 파워 모듈(20)을 전기적으로 회로를 구성해주는 것이며, DC 전원으로부터의 전류는 버스플레이트(10)의 Pa단자에서 파워모듈(20)의 스위칭소자(22a)를 거쳐 OUTa단자, 스위칭소자(22b), 버스플레이트(10)의 Na단자로 흐르고, 또한 DC 전원으로부터의 전류가 버스플레이트(10)의 Pb단자에서 파워모듈(20)의 스위칭소자(22c)를 거쳐 스위칭소자(22d), OUTb단자, 버스플레이트(10)의 Nb단자로 흐른다.

그런데 도 1에서 화살표로 표시한 바와 같이 파워 모듈(20) 내부에 전류흐름이 발생할 때 파워 모듈 내부의 전류와 도체에서 기생하는 인덕턴스 성분에 의해 파워 모듈(20)의 스위칭 동작시 서지 전압이 발생되며, 이는 스위칭소자의 스위칭 특성을 저하한다거나 소손에 주요 원인이 되어왔다.

특히, 고전류를 다루는 파워 모듈에서 기생 인덕턴스가 크면 전력반도체 스위칭 소자가 오프(off)시에 높은 서지 전압을 발생시키게 되어, 전력반도체 스위칭 소자의 동작 전압을 충분히 사용할 수 없게 되고, 동작 전압이 매우 높은 고가의 스위칭 소자를 사용하지 않으면 파워 모듈에 적용된 스위칭 소자가 손상을 입을 가능성이 높다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1681499호(2016년 11월 11일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1441336호(2014년 09월 11일 등록)

본 발명은 파워 모듈의 상부에 파워 모듈의 내부 전류 루트를 충분히 덮을 수 있는 크기의 유도 도체판을 설치하여 파워 모듈 내부에서 발생되는 전류와 기생 인덕턴스에 의해 파워 모듈 상부에 설치되어져 있는 유도 도체판에 파워 모듈 내부에 흐르는 전류와 반대되는 유도전류가 발생하여 자기장이 상쇄되도록 함으로써 파워 모듈의 기생 인덕턴스 값을 최소화 할 수 있도록 된, 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치를 제공함을 기술적 과제로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치는, 전력반도체 스위칭소자가 탑재되고 상기 전력반도체 스위칭소자의 양극과 연결되는 P층 플레이트와 상기 전력반도체 스위칭소자의 음극과 연결되는 N층 플레이트가 절연층을 매개로 적층되며, 상기 P층을 버스플레이트의 양극 단자에 연결하기 위한 P단자와 상기 N층을 버스플레이트의 음극 단자에 연결하기 위한 N단자, 상기 전력반도체 스위칭소자의 출력단을 부하측과 연결하기 위한 출력단자를 구비하고 있는 파워 모듈에 있어서, 상기 파워 모듈의 상측에 파워 모듈의 내부 전류 루트를 덮을 수 있는 크기의 유도 도체판을 파워 모듈 상부 표면과 최대한 밀착시켜 부착한 것을 특징으로 한다.

상기 파워 모듈의 전력반도체 스위칭소자에 전기가 공급되어 파워 모듈에 전기가 흐를 때 상기 유도 도체판에는 파워 모듈 내부에 흐르는 전류와 반대 방향으로 흐르는 유도 전류가 발생되어, 상호 자기장 상쇄에 의해 기생 인덕턴스가 감소되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 유도 도체판은 유도전류가 흐르지 않는 부분은 천공된 것을 특징으로 한다.

상기 P단자 또는 상기 N단자에 전기적으로 접촉되는 상기 유도 도체판의 일단은 상기 P단자 또는 상기 N단자에 대응되는 형상으로 연장돌출되어, 상기 P단자 또는 상기 N단자에 전기적으로 접촉하여 고정하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 유도 도체판은 절연코팅되거나 절연테이프가 부착되어 파워 모듈과 절연되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 유도 도체판의 절연코팅 또는 절연테이프는 60Hz, 5,400Vrms로 1분간 인가시 견딜 수 있는 고전압 펄스시험에 적합한 것을 특징으로 한다.

상기 유도 도체판은 구리를 포함하여 유도 전류가 잘 흐를 수 있는 도전성 도체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 파워 모듈 내부에서 발생하는 기생 인덕턴스를 감소시켜 전력반도체 스위칭소자의 턴-오프시 발생하는 서지전압을 효과적으로 감소시킴으로써 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, SiC 소자와 같은 고속 스위칭소자인 경우 스위칭 턴-온, 턴-오프 타임을 줄일 수 있어서, 시스템의 전력변환효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 버스플레이트와 파워모듈의 연결구조를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 버스플레이트와 파워모듈의 연결구조를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 파워 모듈의 단면 개요도,
도 4는 본 발명에 따른 파워 모듈에서 자기장 상쇄를 통해 기생 인덕턴스가 저감되는 원리를 설명하기 위한 도면,
도 5는 의 (a)는 본 발명에 따른 유도 도체판 적용 전의 파워 모듈의 턴-오프 특성파형을 나타내고, (b)는 유도 도체판 적용 후의 파워 모듈의 턴-오프 특성파형을 나타내는 도면이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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

도 2는 본 발명에 따른 버스플레이트와 파워모듈의 연결구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 버스플레이트(10)에 파워 모듈(20)이 단자를 통해 상호 전기적으로 연결된다.

버스플레이트(10)는 양극의 P층 플레이트와 음극의 N층 플레이트로 구성되어져 있고, P단자와 N단자를 통해 파워 모듈(20)에 직류 전원을 공급한다. 도시된 예에서는 Pa층 플레이트와 Pb층 플레이트의 2개의 플레이트가 P층 플레이트를 이루고 있고, Na층 플레이트와 Nb층 플레이트의 2개의 플레이트가 N층 플레이트를 이루어 4개의 플레이트로 이루어진 예를 나타낸다. 상기 Pa층 플레이트와 Pb층 플레이트, Na층 플레이트, Nb층 플레이트는 각각 절연층을 매개로 적층된다.

파워 모듈(20)은 상기 버스플레이트(10)의 양극과 연결되는 P층 플레이트와 상기 버스플레이트(10)의 음극과 연결되는 N층 플레이트가 절연층을 매개로 적층된 플레이트에 인버터를 구성하는 다수의 전력반도체 스위칭소자(22:예컨대 22a~22d)가 탑재되어 있고, 상기 파워 모듈(20)에서 인출되어 상기 전력반도체 스위칭소자(22)의 출력단을 부하측과 연결하기 위한 출력단자(OUTa, OUTb)를 구비하고 있다.

특히 상기 파워 모듈(20)의 상측에는 파워 모듈(20) 내의 전력반도체 스위칭소자(22)에 입출되는 전류 루트를 덮을 수 있는 크기의 유도 도체판(30)이 파워 모듈(20) 상부 표면과 밀착되도록 부착되어 있는데, 유도전류량을 극대화하기 위해서는 상부 표면에 최대한 밀착시켜 부착하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유도 도체판(30)은 고정 및 전위 상승을 막기 위해 파워 모듈(20)의 P단자 또는 N단자에 접속하며, 도시된 예와 같이 N단자에 접속할 때에도 N단자가 복수 층으로 구성된 경우 서로 다른 N단자(Na단자, Nb단자)에 접속할 수 있다.

도시된 예에서 상기 유도 도체판(30)은 파워 모듈(20)을 형성하는 상부 표면(대부분의 파워 모듈에서 방열을 위해 부착되는 히트 싱크의 반대면)을 거의 덮도록 형성되어 파워 모듈(20) 내의 전력반도체 스위칭소자(22)에 입출되는 전류 루트를 모두 덮을 수 있는 크기로 형성된 예를 도시하고 있지만, 파워 모듈(20) 내에 전력반도체 스위칭소자(22)들의 배치상태에 따라 버스 플레이트(10)와 전력반도체 스위칭소자(22) 및 출력단자(OUTa, OUTb)간에 흐르는 전류에 의해 유도 도체판(30)에 흐르게 되는 유도전류를 감안하여 유도전류가 흐르지 않는 부분은 천공하여 형성할 수도 있다.

상기 유도 도체판(30)에서 버스 플레이트(10)의 P단자(Pa, Pb) 또는 N단자(Na, Nb)에 전기적으로 접촉되는 부분은 상기 P단자(Pa, Pb) 또는 N단자(Na, Nb)에 대응되는 형상으로 연장돌출되도록 형성되고, 그 연장돌출된 부분이 볼트 등의 체결수단에 의해 상기 P단자 또는 상기 N단자에 전기적으로 접촉하도록 고정할 수 있다.

상기 유도 도체판(30)은 유도 전류량에 따라 두께를 정하게 되며, 또한 유도작용 및 방열을 위해 절연기준을 만족하는 최소한의 두께로 정하게 되는데, 파워 모듈(20) 내부의 기생 인덕턴스는 수nH로써, 해당 인덕턴스에 의한 자기장으로부터 상기 유도 도체판에 유도되는 전류는 수mA 이하로 매우 낮아 도체판의 두께는 비교적 얇아도 된다.

파워 모듈(20) 상부 표면에 부착될 때 파워 모듈(20) 내의 전력반도체 스위칭소자(22)나 회로 패턴과의 전기적 쇼트를 방지하기 위해 절연코팅을 하거나 절연테이프를 부착하게 된다. 이때 절연코팅이나 절연테이프는 60Hz, 5,400Vrms로 1분간 인가시 견딜 수 있는 고전압 펄스시험에 적합한 수준을 충족으로 하여 파워 모듈(20)이 구동될 때 절연파괴가 이루어지지 않도록 함이 바람직하다.

아울러, 상기 유도 도체판(30)은 전기유도에 의해 유도 전류가 잘 흐를 수 있는 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 일례로 성능대비 가격이 가장 적합한 구리를 이용하여 형성할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 파워 모듈의 단면 개요도를 나타내는 것으로, 파워 모듈(20) 내에 전력반도체 스위칭소자(22)들이 탑재되어 있고, 상기 파워 모듈(20)의 상부 표면에 절연코팅된 유도 도체판(30)이 밀착되게 부착되어 있으며(도면상 구성요소간의 구분을 위해 약간 이격되게 도시되어 있으나 실제 밀착되게 부착됨), 상기 파워 모듈(20)과 상기 유도 도체판(30)은 볼트(26)로 체결됨을 나타낸다. 또한 파워 모듈(20) 내의 전력반도체 스위칭소자(22)에 전류가 흐를 때 발생하는 기생 인덕턴스(24)가 등가적으로 도시되어 파워 모듈의 전기회로에서 인덕턴스로 작용함을 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 파워 모듈에서 자기장 상쇄를 통해 기생 인덕턴스가 저감되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 일례로 파워 모듈(20)에 4개의 전력반도체 스위칭소자(22:22a~22d)가 탑재된 예를 나타낸다. 파워 모듈(20)에 사용되는 전력반도체 스위칭소자로는 IGBT소자, SiC소자, 또는 MOSFET 소자 등과 같은 고속 스위칭 디바이스를 채용할 수 있으며, 본 실시예는 전력반도체 스위칭소자로서 IGBT 소자를 사용한 경우로서, 전력반도체 스위칭소자(22a)의 컬렉터는 Pa단자에 연결됨과 아울러 이미터는 OUTa단자에 연결되고, 전력반도체 스위칭소자(22a)와 대응되는 전력반도체 스위칭소자(22b)의 컬렉터는 OUTa단자에 연결됨과 아울러 이미터는 Na단자에 연결되는 한편, 전력반도체 스위칭소자(22d)의 컬렉터는 Pb단자에 연결됨과 아울러 이미터는 OUTb단자에 연결되고, 전력반도체 스위칭소자(22d)와 대응되는 전력반도체 스위칭소자(22c)의 컬렉터는 OUTb단자에 연결됨과 아울러 이미터는 Nb단자에 연결된 예를 나타낸다. 여기서 버스 플레이트(10)측의 양극 단자인 Pa단자와 Pb단자, 음극 단자인 Na단자와 Nb단자는 서로 다른 층에 배치되어 직류 전원을 버스 플레이트(10)를 파워 모듈(20)에 공급할 수 있도록 이루어진 것이다.

이와 같은 구조에서 상기 파워 모듈(20)의 전력반도체 스위칭소자(22a~22d)에 전기가 공급되면 파워 모듈(20) 내부에서는 굵은 화살표로 표시한 바와 같이, 버스 플레이트(10)의 Pa단자로부터 전력반도체 스위칭소자(22a), 출력단자(OUTa), 전력반도체 스위칭소자(22b), 버스 플레이트(10)의 Na단자로 흐르는 전류 루트가 형성되며, 버스 플레이트(10)의 Pb단자로부터 전력반도체 스위칭소자(22d), 출력단자(OUTb), 전력반도체 스위칭소자(22c), 버스 플레이트(10)의 Nb단자로 흐르는 전류 루트가 형성된다.

이와 대응되어 유도 도체판(30)에는 파워 모듈(20) 내부에 흐르는 전류와 반대 방향으로 흐르는 유도 전류(굵은 점선 화살표로 표시)가 발생된다.

이에 따라 파워 모듈(20) 내부에 흐르는 전류와 유도 도체판(30)에 흐르는 유도전류에 의해 생성되는 자기장은 상호 자기장 상쇄가 이루어짐으로써 결국 기생 인덕턴스가 감소되어 최소화 될 수 있다.

파워 모듈(20) 내부의 기생 인덕턴스를 감소시킬 경우 전력반도체 스위칭소자의 턴-오프시 발생하는 서지전압을 효과적으로 감소시킬 수 있어 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, SiC 소자와 같은 고속 스위칭소자인 경우 스위칭 턴-온, 턴-오프 타임을 줄일 수 있어서, 시스템의 전력변환효율을 향상시킬 수 있다.

도 5는 의 (a)는 본 발명에 따른 유도 도체판 적용 전의 파워 모듈의 턴-오프 특성파형을 나타내고, (b)는 유도 도체판 적용 후의 파워 모듈의 턴-오프 특성파형을 나타내는 도면으로서, 유도 도체판을 적용하기 이전에는 스위칭 턴-오프 타임이 90 [ns] 이었으나, 유도 도체판을 적용한 이후에는 스위칭 턴-오프 타임이 80 [ns] 로 현저히 감소하고, 턴-오프 서지전압에 있어서도 유도 도체판을 적용하기 이전에는 최대 Vce가 165 [V]이었으나, 유도 도체판을 적용한 이후에는 최대 Vce가 145 [V]로 현저히 감소하여, 시스템의 전력변환효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

10 -- 버스플레이트, 20 -- 파워 모듈,
22(22a~22d) -- 전력반도체 스위칭소자,
24 -- 기생 인덕턴스, 26 -- 볼트,
30 -- 유도 도체판, OUTa, OUTb -- 출력단자.

Claims (7)

1. 전력반도체 스위칭소자가 탑재되고 상기 전력반도체 스위칭소자의 양극과 연결되는 P층 플레이트와 상기 전력반도체 스위칭소자의 음극과 연결되는 N층 플레이트가 절연층을 매개로 적층되며, 상기 P층을 버스플레이트의 양극 단자에 연결하기 위한 P단자와 상기 N층을 버스플레이트의 음극 단자에 연결하기 위한 N단자, 상기 전력반도체 스위칭소자의 출력단을 부하측과 연결하기 위한 출력단자를 구비하고 있는 파워 모듈에 있어서, 상기 파워 모듈의 상측에 파워 모듈의 내부 전류 루트를 덮을 수 있는 크기의 유도 도체판을 파워 모듈 상부 표면과 최대한 밀착시켜 부착한 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 파워 모듈의 전력반도체 스위칭소자에 전기가 공급되어 파워 모듈에 전기가 흐를 때 상기 유도 도체판에는 파워 모듈 내부에 흐르는 전류와 반대 방향으로 흐르는 유도 전류가 발생되어, 상호 자기장 상쇄에 의해 기생 인덕턴스가 감소되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 유도 도체판은 유도전류가 흐르지 않는 부분은 천공된 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 P단자 또는 상기 N단자에 전기적으로 접촉되는 상기 유도 도체판의 일단은 상기 P단자 또는 상기 N단자에 대응되는 형상으로 연장돌출되어, 상기 P단자 또는 상기 N단자에 전기적으로 접촉하여 고정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 유도 도체판은 절연코팅되거나 절연테이프가 부착되어 파워 모듈과 절연되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 유도 도체판의 절연코팅 또는 절연테이프는 60Hz, 5,400Vrms로 1분간 인가시 견딜 수 있는 고전압 펄스시험에 적합한 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 유도 도체판은 구리를 포함하여 유도 전류가 잘 흐를 수 있는 도전성 도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 도체판을 이용한 파워 모듈의 내부 기생인덕턴스 저감장치.
   

Images