KR20200125281A - 파워모듈을 이용한 인버터 - Google Patents

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KR20200125281A
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cooling tube
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이현구
박성원
김현욱
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 조립한 상부모듈과; 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 조립한 하부모듈이 서로 겹쳐져서 구성되고, 상기 상부모듈의 양단자와 상기 하부모듈의 음단자는 절연체를 사이에 두고 서로 마주하여 겹쳐진 구성이다.

Description

파워모듈을 이용한 인버터{INVERTER USING POWER MODULE}
본 발명은 스위칭소자를 포함하여 구성된 파워모듈과, 이를 이용하여 모터를 구동할 수 있도록 구성된 인버터의 구조에 관한 기술이다.
하이브리드 차량이나 전기차 등에서는 인버터를 사용하여 모터를 구동한다. 상기 인버터는 모터에 공급될 3상 교류를 정밀하게 제어하기 위해 전력용 반도체인 스위칭소자를 다수개 사용한다.
3상 전류를 제어하기 위한 인버터는 통상 6개의 스위칭소자가 필요하며, 상보 스위칭을 하는 2개의 스위칭소자가 직렬로 연결되어 하나의 폴(pole) 또는 레그(leg)를 이루고, 이러한 폴 3개가 전원에 대하여 병렬로 연결되어 인버터를 구성한다.
종래 파워모듈은 하나의 스위칭소자를 다이오드와 같은 기타 필요 부품과 함께 하나의 기판에 구성하여, 6개의 파워모듈을 조합하여 하나의 인버터를 구성하도록 하거나, 하나의 폴을 구성하는 2개의 스위칭소자를 하나의 기판에 구성한 파워모듈을 3개 사용하여 하나의 인버터를 구성하도록 하고 있다.
상기와 같이 6개의 파워모듈을 사용하여 인버터를 구성하거나, 3개의 파워모듈을 사용하여 인버터를 구성하는 경우에, 각 파워모듈들 사이의 회로 연결에 필요한 부품과 공간 등이 비교적 많이 소요되는 경향이 있다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020180058311 A
본 발명은 복수의 파워모듈을 포함하여 구성되는 인버터의 구조가 종래 보다 컴팩트하게 구성될 수 있고, 각 파워모듈 사이의 전기적 연결에 소요되는 부품수과 공간이 대폭적으로 저감될 수 있어서, 인버터의 원가 절감이 가능하며, 인버터가 차지하는 부피에 대비하여 인버터로부터 출력되는 전류의 밀도가 크게 상승하여 출력밀도가 향상될 수 있도록 한 파워모듈을 이용한 인버터를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 파워모듈을 이용한 인버터는,
3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 조립한 상부모듈과;
3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 조립한 하부모듈이 서로 겹쳐져서 구성되고,
상기 상부모듈의 양단자와 상기 하부모듈의 음단자는 절연체를 사이에 두고 서로 마주하여 겹쳐진 것을 특징으로 한다.
상기 상부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자들과, 상기 양단자는 동일한 방향으로 동일 평면을 형성하면서 등간격으로 배치되고;
상기 하부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자들과, 상기 음단자는 동일한 방향으로 동일 평면을 형성하면서 등간격으로 배치될 수 있다.
상기 상부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자와, 상기 하부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자는 폴을 형성하도록 각각 하나씩 서로 마주하여 겹쳐져서 연결될 수 있다.
상기 상부모듈의 양단자는 등간격으로 배치된 일련의 출력단자들의 좌측에 배치되고;
상기 하부모듈의 음단자는 등간격으로 배치된 일련의 출력단자들의 우측에 배치될 수 있다.
상기 상부모듈과 하부모듈의 사이에는 중간냉각매체가 개재되고;
상기 상부모듈의 상측면에는 상측냉각매체가 구비되며;
상기 하부모듈의 하측면에는 하측냉각매체가 구비되고;
상기 상측냉각매체와 중간냉각매체 및 하측냉각매체는 함께 연동하여 냉각작용을 수행하도록 구성될 수 있다.
상기 상측냉각매체와 중간냉각매체 및 하측냉각매체는 각각 상측냉각튜브와 중간냉각튜브 및 하측냉각튜브로 구성되고;
상기 상측냉각튜브와 중간냉각튜브 및 하측냉각튜브에 냉매를 공급 및 회수하도록 연결되는 냉매유입파이프와 냉매유출파이프를 통해 냉매를 순환시켜서 상기 상부모듈과 하부모듈을 냉각시키도록 구성될 수 있다.
상기 상부모듈은
상기 중간냉각튜브의 상측에 면접촉하는 제1절연기판과;
상기 상측냉각튜브의 하측에 면접촉하는 제2절연기판;을 포함하여 구성되고,
상기 스위칭소자는 상기 제1절연기판 또는 제2절연기판에 실장되고,
상기 제1절연기판과 제2절연기판 중 상기 스위칭소자가 실장되지 않은 것과 상기 스위칭소자 사이에는 전도체블록이 개재될 수 있다.
상기 하부모듈은
상기 하측냉각튜브의 상측에 면접촉하는 제3절연기판과;
상기 중간냉각튜브의 하측에 면접촉하는 제4절연기판;을 포함하여 구성되고,
상기 스위칭소자는 상기 제3절연기판 또는 제4절연기판에 실장되고,
상기 제3절연기판과 제4절연기판 중 상기 스위칭소자가 실장되지 않은 것과 상기 스위칭소자 사이에는 전도체블록이 개재될 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 파워모듈은,
3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 배치하고;
상기 스위칭소자들에 각각 연결되는 양단자와, 상기 스위칭소자들의 출력단자들이 동일한 방향으로 동일 평면을 이루면서 등간격으로 배치된 것
을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 파워모듈은,
3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 배치하고;
상기 스위칭소자들에 각각 연결되는 음단자와, 상기 스위칭소자들의 출력단자들이 동일한 방향으로 동일 평면을 이루면서 등간격으로 배치된 것
을 특징으로 한다.
본 발명은 복수의 파워모듈을 포함하여 구성되는 인버터의 구조가 종래 보다 컴팩트하게 구성될 수 있고, 각 파워모듈 사이의 전기적 연결에 소요되는 부품수과 공간이 대폭적으로 저감될 수 있어서, 인버터의 원가 절감이 가능하며, 인버터가 차지하는 부피에 대비하여 인버터로부터 출력되는 전류의 밀도가 크게 상승하여 출력밀도가 향상될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명을 구성하는 인버터의 파워모듈을 설명한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 인버터의 입체도,
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명 인버터(1)의 실시예는, 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자(SW)들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자(SW)들을 하나의 기판에 조립한 상부모듈(3)과; 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자(SW)들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자(SW)들을 하나의 기판에 조립한 하부모듈(5)이 서로 겹쳐져서 구성되고, 상기 상부모듈(3)의 양단자(7)와 상기 하부모듈(5)의 음단자(9)는 절연체(11)를 사이에 두고 서로 마주하여 겹쳐진 구성이다.
즉, 도 1을 참조하면, A로 표시된 부분은 종래에 하나의 폴 단위로 파워모듈을 구성하던 것을 설명한 것으로서, 하나의 폴을 구성하는 두 스위칭소자(SW)를 하나의 기판에 배치하여 파워모듈을 구성하였으나, 본 발명에서는 인버터를 구성하는 폴 단위가 아니라, B와 C로 표시한 바와 같이 하나의 인버터를 구성하는 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자(SW)를 하나의 기판에 조립하여 상기 상부모듈(3)을 구성하고(B부분), 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자(SW)를 하나의 기판에 조립하여 상기 하부모듈(5)을 구성하여(C부분), 각각 하나씩의 상기 상부모듈(3)과 하부모듈(5)을 결합함으로써, 하나의 인버터가 구성될 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명에서 파워모듈은 상기 상부모듈(3)과 하부모듈(5)을 통칭하는 의미로 사용되며, 상기 상부모듈(3)은, 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자(SW)들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자(SW)들을 하나의 기판에 배치하고; 상기 스위칭소자(SW)들에 각각 연결되는 양단자(7)와, 상기 스위칭소자(SW)들의 출력단자(13)들이 동일한 방향으로 동일 평면을 이루면서 등간격으로 배치된 구성이다.
또한, 상기 하부모듈(5)은 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자(SW)들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자(SW)들을 하나의 기판에 배치하고; 상기 스위칭소자(SW)들에 각각 연결되는 음단자(9)와, 상기 스위칭소자(SW)들의 출력단자(13)들이 동일한 방향으로 동일 평면을 이루면서 등간격으로 배치된 구성이다.
본 실시예에서, 도 1에 예시된 바와 같이 상기 상부모듈(3)의 양단자(7)는 등간격으로 배치된 일련의 출력단자(13)들의 좌측에 배치되고; 상기 하부모듈(5)의 음단자(9)는 등간격으로 배치된 일련의 출력단자(13)들의 우측에 배치되어, 상기 상부모듈(3)을 기준으로 하여 상기 하부모듈(5)을 뒤집어서 겹치면, 도 2와 같이 상기 양단자(7)와 음단자(9)가 서로 마주하며 겹쳐지게 되고, 상기 상부모듈(3)을 구성하는 스위칭소자(SW)의 출력단자(13)와, 상기 하부모듈(5)을 구성하는 스위칭소자(SW)의 출력단자(13)는 폴을 형성하도록 각각 하나씩 서로 마주하여 겹쳐져서 연결되게 된다.
물론, 상기 양단자(7)와 음단자(9) 사이에는 상술한 바와 같이 절연을 담당할 절연체(11)가 개재되는 바, 얇은 절연지 등이 사용되도록 함으로써, 기생 인덕턴스를 최소화하도록 할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 인버터(1)는 상기 상부모듈(3)과 하부모듈(5)을 서로 정렬하여 겹쳐서 배치하는 것만으로 인버터(1)의 전기적 연결상태가 확립될 수 있으므로, 종래 파워모듈들의 전기적 구조적 연결을 위해 요구되었던 다수의 부품과 공간이 요구되지 않게 되어, 컴팩트하고 출력밀도가 높은 인버터의 구성이 가능하며, 인버터의 제조원가를 절감할 수 있도록 한다.
상기 상부모듈(3)의 출력단자(13)와 상기 하부모듈(5)의 출력단자(13)가 서로 접촉한 부위는 볼트 또는 납땜 등으로 서로 견고하게 연결하도록 할 수 있을 것이다.
한편, 상기한 바와 같은 인버터(1)는 상기 파워모듈들을 구성하는 스위칭소자(SW)들의 고속 스위칭 동작에 의해 많은 열이 발생하므로, 적절한 냉각작용이 요구되는 바, 본 발명의 인버터는 상기 상부모듈(3)과 하부모듈(5)의 사이에는 중간냉각매체가 개재되고; 상기 상부모듈(3)의 상측면에는 상측냉각매체가 구비되며; 상기 하부모듈(5)의 하측면에는 하측냉각매체가 구비되고; 상기 상측냉각매체와 중간냉각매체 및 하측냉각매체는 함께 연동하여 냉각작용을 수행하도록 구성된다.
여기서, 상기 중간냉각매체와 상측냉각매체 및 하측냉각매체는 후술하는 바와 같이 내부에 냉매가 순환하는 냉각튜브로 구성할 수도 있고, 열전소자 등을 활용한 능동 냉각플레이트 등과 같이 면접촉 상태를 구성하여 전도에 의해 열전달을 원활히 일으킬 수 있는 다양한 부품으로 구성할 수도 있을 것이다.
본 실시예에서, 상기 상측냉각매체와 중간냉각매체 및 하측냉각매체는 각각 상측냉각튜브(15)와 중간냉각튜브(17) 및 하측냉각튜브(19)로 구성되고; 상기 상측냉각튜브(15)와 중간냉각튜브(17) 및 하측냉각튜브(19)에 냉매를 공급 및 회수하도록 연결되는 냉매유입파이프(21)와 냉매유출파이프(23)를 통해 냉매를 순환시켜서 상기 상부모듈(3)과 하부모듈(5)을 냉각시키도록 구성된다.
물론, 상기 냉매유입파이프(21)와 냉매유출파이프(23)에는 냉매의 공급과 회수를 위한 냉매 펌프 등을 포함하는 냉매 순환장치가 연결된다.
한편, 상기한 바와 같은 상측냉각튜브(15)와 중간냉각튜브(17) 및 하측냉각튜브(19)의 냉각 기능이 상기 스위칭소자(SW)에 더욱더 잘 작용하도록 하기 위해, 본 발명의 상부모듈(3)과 하부모듈(5)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 단면 구조를 가진다.
즉, 상기 상부모듈(3)은 상기 중간냉각튜브(17)의 상측에 면접촉하는 제1절연기판(25)와; 상기 상측냉각튜브(15)의 하측에 면접촉하는 제2절연기판(27)을 포함하여 구성되고, 상기 스위칭소자(SW)는 상기 제1절연기판(25) 또는 제2절연기판(27)에 실장되고, 상기 제1절연기판(25)와 제2절연기판(27) 중 상기 스위칭소자(SW)가 실장되지 않은 것과 상기 스위칭소자(SW) 사이에는 전도체블록(29)이 개재된 것이다.
또한, 상기 하부모듈(5)은 상기 하측냉각튜브(19)의 상측에 면접촉하는 제3절연기판(31)와; 상기 중간냉각튜브(17)의 하측에 면접촉하는 제4절연기판(33)을 포함하여 구성되고, 상기 스위칭소자(SW)는 상기 제3절연기판(31) 또는 제4절연기판(33)에 실장되고, 상기 제3절연기판(31)와 제4절연기판(33) 중 상기 스위칭소자(SW)가 실장되지 않은 것과 상기 스위칭소자(SW) 사이에는 전도체블록(29)이 개재된 것이다.
여기서, 상기 전도체블록(29)은 금속블록 등과 같이 전도에 의한 열전달이 우수한 것을 사용하여, 상기 스위칭소자(SW)에서 발생하는 열을 스위칭소자(SW)의 상하측을 통하여 원활하게 방출할 수 있도록 하는 것이다.
참고로, 상기 제1절연기판으로부터 제4절연기판까지에서 '절연기판'은 중간에 절연층을 두고, 상기 절연층의 상부와 하부에 금속 전도층을 접합시키며, 한 쪽의 금속 전도층에 전기적 패턴을 형성한 기판을 의미하며, 이러한 절연기판은 기생 인덕턴스(parasitic inductance)의 영향을 최소화하는 한편 고전류 작동을 허용해 높은 스위칭 속도를 달성할 수 있도록 한다. 예컨대 상기 절연기판으로 DBC(Direct Bond Copper) 기판이 사용될 수 있을 것이다.
또한, 상기 스위칭소자와 절연기판 사이, 상기 스위칭소자와 전도체블록 사이, 상기 전도체블록과 절연기판 사이는 솔더링에 의해 접합되도록 구성할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1; 인버터
3; 상부모듈
5; 하부모듈
7; 양단자
9; 음단자
11; 절연체
13; 출력단자
15; 상측냉각튜브
17; 중간냉각튜브
19; 하측냉각튜브
21; 냉매유입파이프
23; 냉매유출파이프
25; 제1절연기판
27; 제2절연기판
29; 전도체블록
31; 제3절연기판
33; 제4절연기판
SW; 스위칭소자

Claims (10)

  1. 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 조립한 상부모듈과;
    3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 조립한 하부모듈이 서로 겹쳐져서 구성되고,
    상기 상부모듈의 양단자와 상기 하부모듈의 음단자는 절연체를 사이에 두고 서로 마주하여 겹쳐진 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자들과, 상기 양단자는 동일한 방향으로 동일 평면을 형성하면서 등간격으로 배치되고;
    상기 하부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자들과, 상기 음단자는 동일한 방향으로 동일 평면을 형성하면서 등간격으로 배치된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자와, 상기 하부모듈을 구성하는 스위칭소자의 출력단자는 폴을 형성하도록 각각 하나씩 서로 마주하여 겹쳐져서 연결되는 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 상부모듈의 양단자는 등간격으로 배치된 일련의 출력단자들의 좌측에 배치되고;
    상기 하부모듈의 음단자는 등간격으로 배치된 일련의 출력단자들의 우측에 배치된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부모듈과 하부모듈의 사이에는 중간냉각매체가 개재되고;
    상기 상부모듈의 상측면에는 상측냉각매체가 구비되며;
    상기 하부모듈의 하측면에는 하측냉각매체가 구비되고;
    상기 상측냉각매체와 중간냉각매체 및 하측냉각매체는 함께 연동하여 냉각작용을 수행하도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 상측냉각매체와 중간냉각매체 및 하측냉각매체는 각각 상측냉각튜브와 중간냉각튜브 및 하측냉각튜브로 구성되고;
    상기 상측냉각튜브와 중간냉각튜브 및 하측냉각튜브에 냉매를 공급 및 회수하도록 연결되는 냉매유입파이프와 냉매유출파이프를 통해 냉매를 순환시켜서 상기 상부모듈과 하부모듈을 냉각시키도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 상부모듈은
    상기 중간냉각튜브의 상측에 면접촉하는 제1절연기판과;
    상기 상측냉각튜브의 하측에 면접촉하는 제2절연기판;을 포함하여 구성되고,
    상기 스위칭소자는 상기 제1절연기판 또는 제2절연기판에 실장되고,
    상기 제1절연기판과 제2절연기판 중 상기 스위칭소자가 실장되지 않은 것과 상기 스위칭소자 사이에는 전도체블록이 개재된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 하부모듈은
    상기 하측냉각튜브의 상측에 면접촉하는 제3절연기판과;
    상기 중간냉각튜브의 하측에 면접촉하는 제4절연기판;을 포함하여 구성되고,
    상기 스위칭소자는 상기 제3절연기판 또는 제4절연기판에 실장되고,
    상기 제3절연기판과 제4절연기판 중 상기 스위칭소자가 실장되지 않은 것과 상기 스위칭소자 사이에는 전도체블록이 개재된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈을 이용한 인버터.
  9. 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 양극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 배치하고;
    상기 스위칭소자들에 각각 연결되는 양단자와, 상기 스위칭소자들의 출력단자들이 동일한 방향으로 동일 평면을 이루면서 등간격으로 배치된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈.
  10. 3상 인터버의 3개의 폴을 형성하는 스위칭소자들 중, 음극에 연결되는 3개의 스위칭소자들을 하나의 기판에 배치하고;
    상기 스위칭소자들에 각각 연결되는 음단자와, 상기 스위칭소자들의 출력단자들이 동일한 방향으로 동일 평면을 이루면서 등간격으로 배치된 것
    을 특징으로 하는 파워모듈.




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