KR20200133883A - 적층형 파워모듈 - Google Patents

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신상철
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Abstract

본 발명에 따른 적층형 파워모듈은, 적층된 복수의 파워모듈; 및 상기 적층된 파워모듈 사이에 위치하고, 내부에 냉각핀이 형성되되 냉각 유체가 흐르며 상기 파워모듈을 냉각시키는 냉각튜브;를 포함하며, 상기 냉각핀은 일정각도 경사지게 형성될 수 있다.

Description

적층형 파워모듈{POWER MODULE WITH STACKED}
본 발명은 적층형 파워모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 성능이 향상된 적층형 파워모듈에 관한 것이다.
하이브리드 차량 및 전기 자동차에서는 인버터를 이용하여 고전압 배터리의 DC 전원을 AC 전원으로 변환시켜주며 전기모터를 원하는 토크와 속도로 구동시켜 줄 수 있다. 인버터의 파워모듈은 IGBT와 다이오드의 반도체 스위치로 구성되며 고전압/고전류를 빠른 스위칭을 통해서 모터로 전달시켜 줄 수 있는데 이때 흐르는 전류는 손실을 발생시키며, 이러한 손실은 반도체 스위치를 가열시켜 높은 열이 발생시켜 정션 온도를 상승시킨다. 이때, 파워모듈은 사용 가능한 온도가 정해져 있기 때문에 사용할 수 있는 전류량은 모듈의 온도에 의해서 제한된다.
한편, 점차적으로 친환경차량이 확대됨에 따라서 기존보다 더 큰 출력(전류량)이 요구되는 차종은 기존에 사용하던 파워모듈로 요구 출력에 대응하는 것이 불가능했다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 복수의 파워모듈을 병렬로 구동시켜 대응 가능한 전류량을 증대시켜 줄 수 방법이 개발되었다. 하지만, 이와 같은 방식의 경우 도 1과 같이 파워모듈(양면냉각)을 적층하면 IGBT 칩 소자 및 다이오드의 위치가 동일한 곳에 위치하기 때문에 냉각기의 특정 부위에서 발열이 심하게 발생할 수 있는 문제점이 있었다. 구체적으로 도 1을 참조하면 상하측에 위치하고 잇는 IGBT 칩 소자가 동일한 곳에 위치하여 각 IGBT 칩이 발열할 시 열중첩의 영향으로 각 IGBT 칩의 온도가 정상범위(약 140도) 이상으로 상승하는 문제점이 있었다. 따라서, 최소한의 모듈 개수로 최대의 효과를 내기 위해서는 병렬구동에 특화된 효과적인 냉각 방안이 요구된다.
JP 3469475
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 냉각튜브 내부에 형성된 냉각핀을 일정각도 경사지게 형성함으로써, 적층형 파워모듈 모듈에서 각 반도체 스위칭 소자 및 각 다이오드에서의 열중첩을 방지할 수 있고 그에 따라 냉각성능을 향상시킬 수 있는 적층형 파워모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층형 파워모듈은, 적층된 복수의 파워모듈; 및 상기 적층된 파워모듈 사이에 위치하고, 내부에 냉각핀이 형성되되 냉각 유체가 흐르며 상기 파워모듈을 냉각시키는 냉각튜브;를 포함하며, 상기 냉각핀은 일정각도 경사지게 형성될 수 있다.
상기 적층된 복수의 파워모듈에서,
상측에 위치한 파워모듈은 복수의 제1 반도체 스위칭 소자 및 복수의 제1 다이오드를 포함하고, 하측에 위치한 파워모듈은 복수의 제2 반도체 스위칭 소자 및 복수의 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 냉각핀은 상기 냉각튜브 내부에 복수개 형성되되,
상기 제1 반도체 스위칭 소자의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 반도체 스위칭 소자의 좌측 끝단부 측에 맞닿지 않을 수 있다.
상기 제1 다이오드의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 다이오드의 좌측 끝단부 측에 맞닿지 않을 수 있다.
상기 제1 반도체 스위칭 소자의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 다이오드 측에 맞닿을 수 있다.
상기 제1 다이오드의 우측 끝단부에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 반도체 스위칭 소자 측에 맞닿을 수 있다.
상기 냉각핀은 상기 냉각튜브 내부에 복수개 형성되며,
상기 복수의 냉각핀은 10도 이상 30도 이하의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 파워모듈 및 상기 냉각튜브는 서로 교번하여 적층될 수 있다.
본 발명에 따르면 냉각튜브 내부에 형성된 냉각핀을 일정각도 경사지게 형성함으로써, 적층형 파워모듈 모듈에서 각 반도체 스위칭 소자 및 각 다이오드에서의 열중첩을 방지할 수 있고, 냉각튜브의 일부 영역이 아닌 최대 영역이 냉각에 사용되도록 하여 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 적층형 파워 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 모터 구동 시 파워모듈의 발열 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 회생 제동 시 파워모듈의 발열 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 냉각핀의 경사 각도를 30도로 하였을 시 상하측에 배치된 소자들의 열중첩이 발생하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 냉각핀의 경사 각도를 10도로 하였을 시, 냉각핀의 길이가 증대됨에 따라 냉각튜브를 흐르는 냉각 유체에 접촉되는 냉각핀의 접촉면적이 줄어드는 것을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈의 구조를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 모터 구동 시 파워모듈의 발열 상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 회생 제동 시 파워모듈의 발열 상태를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈은 적층된 복수의 파워모듈(100) 및 적층된 파워모듈(100) 사이에 위치하며 내부에 냉각핀(210)이 형성되되 냉각 유체가 흐르며 파워모듈(100)을 냉각시키는 냉각튜브(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 본 발명에 따른 적층형 파워모듈에서 파워모듈(100) 및 냉각튜브(200)는 도 2에 도시된 와 같이 서로 교번하여 적층될 수 있다. 아울러, 실시예에 따라 적층된 복수의 파워모듈에서, 상측에 위치한 파워모듈(100)은 복수의 제1 반도체 스위칭 소자(110) 및 복수의 제1 다이오드(120)를 포함할 수 있고, 하측에 위치한 파워모듈(100)은 복수의 제2 반도체 스위칭 소자(130) 및 복수의 제2 다이오드(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
만약, 도 2에 도시된 바와 같은 적층형 파워모듈의 경우에는, 상측에 위치한 파워모듈은 복수의 제1 반도체 스위칭 소자(110) 및 복수의 제1 다이오드(120)를 포함할 수 있고, 중간층에 위치한 파워모듈(100)은 복수의 제2 반도체 스위칭 소자(130) 및 복수의 제2 다이오드(140)를 포함할 수 있으며, 하층에 위치한 파워모듈(100)은 제3 반도체 스위칭 소자(150) 및 복수의 제3 다이오드(160)을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 적층형 파워모듈이 인버터를 구성하는 경우, 복수의 반도체 스위칭 소자는 실시예에 따라 절연 게이트 타입 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
도면에 상세히 도시하지는 않았지만, 본 발명에서의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서 파워모듈(100)은 유전체층과 유전체층의 양면에 각각 형성된 금속층을 갖는 기판과, 금속층과 연결된 반도체 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 금속층은 유전체층의 일면에 형성되어 반도체 소자와 전기적인 접촉을 통해 회로를 구성하는데 사용되는 단자 및 배선의 역할을 하게 된다. 실시예에 따라, 기판은 유전체층으로서 세라믹 소재가 사용될 수 있으며, 유전체층의 양면에 구리층이 본딩된 DBC 기판(Direct Bonded Copper Substrate)이 적용될 수 있다.
도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서 냉각튜브(200) 내부에 형성된 냉각핀(210)의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이 냉각핀(210)은 냉각튜브(200) 내부에 복수개 형성될 수 있다. 구체적으로, 적층된 파워모듈에서 제1 반도체 스위칭 소자(110)의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀(210)은 제2 반도체 소자(130)의 좌측 끝단부 측에 맞닿지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 냉각튜브(200) 내부에 형성된 복수의 냉각핀 중에서 제1 반도체 스위칭 소자(110)의 우측 끝단부 측에 대응하는 위치의 냉각튜브(200) 내부에서 형성된 냉각핀(210)은 제2 반도체 스위칭 소자(130)의 좌측 끝단부 측에 대응하는 위치의 냉각튜브(200) 내부에 맞닿지 않고, 제2 반도체 스위칭 소자(130)의 좌측 끝단부 외측에 맞닿도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제1 다이오드(120)의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀(210)은 제2 다이오드(140) 좌측 끝단부 측에 맞닿지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 냉각핀(210)은 냉각튜브(200) 내부에 형성된 복수의 냉각핀 중에서 제1 다이오드(120)의 우측 끝단부 측에 대응하는 위치의 냉각튜브(200) 내부에 형성된 냉각핀(210)은 제2 다이오드(140)의 좌측 끝단부 측에 대응하는 위치의 냉각튜브(200) 내부에 맞닿지 않고, 제2 다이오드(140)의 좌측 끝단부 외측에 맞닿도록 형성되는 것이 바람직하다.
아울러, 제1 반도체 스위칭 소자(110)의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀(210)은 제2 다이오드(140) 측에 맞닿도록 형성되는 것이 바람직하다. 더 나아가, 제1 다이오드(120)의 우측 끝단부에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀(210)은 제2 반도체 스위칭 소자(130) 측에 맞닿도록 형성되는 것이 바람직하다.
이처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서는 냉각튜브(200)의 내부에 형성된 냉각핀(210)이 상술한 바와 같이 일정각도 경사지게 형성함으로써, 도 4와 같이 모터 구동 시 또는 도 5와 같이 회생 제동 시에 적층된 파워모듈에 포함된 반도체 스위칭 소자 및 다이오드에서 열중첩이 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 냉각튜브의 일부 영역이 아닌 최대 영역이 냉각에 사용되도록 하여 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서 냉각핀(210)은 상술한 바와 같이 냉각튜브(200)의 내부에 복수개 형성되되 일정각도 경사지게 형성될 수 있다. 이때, 복수의 냉각핀(210)은 10도 이상 30도 이하의 각도로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게 복수의 냉각핀(210)은 20도의 각도로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 냉각핀의 경사 각도를 30도로 하였을 시 상하측에 배치된 소자들의 열중첩이 발생하는 것을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서, 냉각핀의 경사 각도를 10도로 하였을 시, 냉각핀의 길이가 증대됨에 따라 냉각튜브를 흐르는 냉각 유체에 접촉되는 냉각핀의 접촉면적이 줄어드는 것을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 냉각튜브(200) 내부에 형성된 냉각핀(210)이 30도의 각도로 경사지게 형성되면 도 6에 도시된 바와 같이 적층된 파워모듈에 포함된 각 반도체 스위칭 소자에서 열중첩이 발생하여 각 반도체 스위칭 소자의 온도가 정상범위 온도를 벗어나는 문제가 발생할 수 있다. 도 6에 구체적으로 도시하지는 않았지만, 냉각튜브(200) 내부에 형성된 냉각핀(210)이 30도의 각도로 경사지게 형성되면 적층된 파워모듈에 포함된 각 다이오드에서도 열중첩이 발생하여 각 다이오드의 온도가 정상범위 온도를 벗어나는 문제가 발생할 수 있다.
아울러, 냉각튜브(200) 내부에 형성된 냉각핀(210)이 10도의 각도로 경사지게 형성되면 도 7에 도시된 바와 같이 냉각핀(210)의 길이가 증대됨에 따라 냉각튜브를 흐르는 냉각 유체에 접촉되는 냉각핀의 접촉면적이 줄어들어 냉각성능이 저하된다는 문제점이 있다.
이처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 파워모듈에서는 상술한 바와 같은 열중첩 문제로 인한 문제점을 개선하기 위해 냉각튜브 내부에 형성된 냉각핀을 10도 이상 30도 이내, 보다 바람직하게는 20도로 경사지게 형성함으로써, 모터의 구동 시 또는 회생 제동 시에 파워모듈에 포함된 각 소자에서 열중첩이 발생하는 것을 방지함으로써 전체적으로 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
100: 파워모듈 110: 제1 반도체 스위칭 소자
120: 제1 다이오드 130: 제2 반도체 스위칭 소자
140: 제2 다이오드 200: 냉각튜브
210: 냉각핀

Claims (8)

  1. 적층된 복수의 파워모듈; 및
    상기 적층된 파워모듈 사이에 위치하고, 내부에 냉각핀이 형성되되 냉각 유체가 흐르며 상기 파워모듈을 냉각시키는 냉각튜브;를 포함하며,
    상기 냉각핀은 일정각도 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층된 복수의 파워모듈에서,
    상측에 위치한 파워모듈은 복수의 제1 반도체 스위칭 소자 및 복수의 제1 다이오드를 포함하고, 하측에 위치한 파워모듈은 복수의 제2 반도체 스위칭 소자 및 복수의 제2 다이오드를 포함하는 적층형 파워모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각핀은 상기 냉각튜브 내부에 복수개 형성되되,
    상기 제1 반도체 스위칭 소자의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 반도체 스위칭 소자의 좌측 끝단부 측에 맞닿지 않는 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 다이오드의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 다이오드의 좌측 끝단부 측에 맞닿지 않는 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 반도체 스위칭 소자의 우측 끝단부 측에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 다이오드 측에 맞닿는 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 다이오드의 우측 끝단부에서 일정각도 경사지게 형성된 냉각핀은 상기 제2 반도체 스위칭 소자 측에 맞닿는 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각핀은 상기 냉각튜브 내부에 복수개 형성되며,
    상기 복수의 냉각핀은 10도 이상 30도 이하의 각도로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워모듈 및 상기 냉각튜브는 서로 교번하여 적층된 것을 특징으로 하는 적층형 파워모듈.
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JP3469475B2 (ja) 1998-09-10 2003-11-25 株式会社東芝 鉄道車両用半導体冷却装置

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