KR20210117315A - 통합형 다층 냉각을 갖는 전력 컨버터 - Google Patents

통합형 다층 냉각을 갖는 전력 컨버터 Download PDF

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앤드류 유렉
보 쉥
시앙 주
얀-페이 리우
락쉬미 바라하 아이어
게르트 쉬라거
미햐엘 노이도르프오퍼
볼프강 백크
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Abstract

전력 컨버터는 통합형 다층 냉각 구조를 포함한다. 전력 컨버터는 대체로 수직 배열로 함께 적층된 복수의 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함한다. 액체 냉각 메커니즘이 최하부 PCB에 부착되고, 고손실 회로 구성요소가 최하부 PCB의 반대쪽에 부착된다. 저손실 회로 구성요소는 추가 PCB에 부착된다. 자기 구성요소는 추가 PCB에 부착될 수 있다. 고손실 구성요소는 액체 냉각 메커니즘에 의해 능동적으로 냉각되고 저손실 구성요소 및 자기 구성요소는 수동적으로 냉각된다. 액체 냉각 메커니즘은 냉각판 히트싱크일 수 있다. 전력 컨버터는 최상부 PCB와 최하부 PCB 사이에 배치된 중간 PCB를 포함할 수 있고, 저손실 회로 구성요소가 중간 PCB에 부착된다.

Description

통합형 다층 냉각을 갖는 전력 컨버터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 PCT 국제 특허 출원은 2019년 1월 24일자로 출원된 "Integrated Multi-Layer Cooling(IMLC)"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제62/796,392호의 이익 및 우선권을 주장하며, 그 전체 개시는 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 인쇄 회로 보드에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 인쇄 회로 보드를 갖는 전력 컨버터를 위한 냉각 메커니즘에 관한 것이다.
오늘날 전력 컨버터는 다양한 출력 조건 범위에 대해 더 작은 크기로 더 큰 전력을 전달하는 과업을 부여받는다. 이러한 요구를 충족시키는 데 있어 1차 제한 사항은 열 소산이다. 컨버터와 개별 전자 구성요소의 전체 크기가 감소함에 따라, 이들 구성요소의 손실이 증가하고 열을 소산하는 데 사용할 수 있는 표면적이 감소한다. 증가된 손실과 감소된 표면적의 조합은 컨버터의 열 설계에 어려운 도전을 제기한다.
전력 컨버터는 설계의 열 요구 사항을 달성하기 위해 다양한 냉각 해결책을 사용한다. 통상적으로, 전력 컨버터는 보드 상단면에 솔더링된 전자 및 자기 구성요소를 갖는 하나의 인쇄 회로 보드(printed circuit board)(PCB)로 구성된다. 이들 구성요소는 통상적으로 히트싱크를 사용하여 상단면에서 냉각되거나, PCB를 통해 하단에서 히트싱크로 냉각된다. 이 설계를 개선하고 디바이스로부터의 열 소산을 증가시키기 위해 다양한 혁신이 개발되었다.
이전 해결책은 기존 전자 디바이스의 열 성능을 개선하기 위해 기존 냉각 방법을 개선하는 데 중점을 두었다. 하나의 예에서, 냉각제 펌프는 냉각 유닛의 히트싱크로서의 기능을 겸한다.
다른 예에서, 상이한 구리 냉각판 히트싱크 기술이 구현된다. 또 다른 예에서, 열 팽창은 액체 냉각 루프의 장기 수명을 유지하기 위해 해결된다.
연구는 또한 히트싱크를 개선하기 위해 다양한 냉각제를 사용하는 데 중점을 두었다. 연구는 냉각 또는 PCB 설계 개선에만 중점을 두었다.
위의 관점에서, 전체 디바이스 체적을 감소시키면서 효율적이고 최적화된 열 성능을 달성하기 위해 PCB 및 관련 냉각 메커니즘의 구성에 대해 개선이 이루어질 수 있다.
본 개시내용의 목적은 낮은 디바이스 체적을 갖는 PCB 구조를 제공하는 것이다.
본 개시내용의 목적은 PCB를 효과적으로 냉각시키는 PCB 구조용 냉각 메커니즘을 제공하는 것이다.
본 개시내용의 또 다른 목적은 냉각 성능을 개선하고 디바이스 체적을 감소시키는 통합된 냉각 메커니즘을 갖는 PCB를 제공하는 것이다.
제안된 통합형 다층 냉각(Integrated Multi-Layer Cooling)(IMLC) 구조는 냉각 및 PCB 설계를 모두 개선하여 디바이스 체적을 최소화하면서 최적의 열 성능을 달성하는 것을 목표로 한다.
일 양태에서, 전력 컨버터가 제공된다. 전력 컨버터는, 제1 PCB를 포함하는 적어도 하나의 인쇄 회로 보드(PCB); 적어도 하나의 PCB에 장착된 복수의 회로 구성요소; 및 제1 PCB에 장착된 액체 냉각 메커니즘을 포함한다. 복수의 회로 구성요소는 고손실 회로 구성요소 및 저손실 회로 구성요소를 포함한다. 고손실 회로 구성요소는 저손실 회로 구성요소에 비교하여 더 높은 손실을 갖는다. 고손실 회로 구성요소는 제1 PCB에 부착된다. 액체 냉각 메커니즘은 적어도 제1 PCB에 장착된 고손실 회로 구성요소를 능동적으로 냉각하도록 작동 가능하다. 고손실 회로 구성요소는 액체 냉각 메커니즘에 관하여 PCB의 반대쪽에 장착된다.
일 양태에서, 적어도 하나의 PCB는 제1 PCB에 부착된 제2 PCB를 더 포함하고, 제2 PCB는 제1 PCB에 관하여 수직으로 배치된다.
일 양태에서, 저손실 회로 구성요소는 제2 PCB에 부착된다.
일 양태에서, 전력 컨버터는 제1 PCB를 제2 PCB에 연결하는 복수의 커넥터 로드를 더 포함한다.
일 양태에서, 커넥터 로드는 구리이고 제1 PCB를 제2 PCB에 전기적으로 연결한다.
일 양태에서, 제1 PCB는 최하부 PCB이고, 제2 PCB는 최상부 PCB이며, 최하부 PCB는 최상부 PCB 아래에 배치되고, 액체 냉각 메커니즘은 최하부 PCB의 하단 표면에 부착되고 고손실 회로 구성요소는 최하부 PCB의 상부 표면에 부착된다.
일 양태에서, 저손실 회로 구성요소는 최상부 PCB에 부착된다.
일 양태에서, 전력 컨버터는 최상부 PCB에 부착된 자기 구성요소를 포함한다.
일 양태에서, 자기 구성요소는 최상부 PCB의 상부 표면에 부착되고 저손실 회로 구성요소는 최상부 PCB의 하부 표면에 부착된다.
일 양태에서, 저손실 회로 구성요소는 최상부 PCB의 상부 및 하부 표면 모두에 부착된다.
일 양태에서, 전력 컨버터는 최상부 PCB와 최하부 PCB 사이에 배치된 적어도 하나의 중간 PCB를 포함한다.
일 양태에서, 저손실 회로 구성요소는 중간 PCB의 상부 또는 하부 표면 중 적어도 하나에 부착되고, 자기 구성요소는 최상부 PCB의 상부 표면에 부착된다.
일 양태에서, 액체 냉각 메커니즘은 냉각제를 순환시키고 고손실 회로 구성요소로부터 액체 냉각제로 열을 전달하도록 구성된 입구 및 출구를 갖는 냉각판 히트싱크이다.
다른 양태에서, 전력 컨버터를 냉각하는 방법이 제공된다. 방법은, 전력 컨버터를 작동시키는 단계를 포함하고, 전력 컨버터는 복수의 커넥터 로드를 통해 연결된 복수의 인쇄 회로 보드(PCB) - 복수의 PCB는 최하부 PCB 및 최상부 PCB를 포함함 -; 최하부 PCB에 부착된 액체 냉각 메커니즘; 최하부 PCB에 부착된 고손실 회로 구성요소; 및 복수의 인쇄 회로 보드 중 하나에 부착된 저손실 회로 구성요소를 포함한다.
방법은 액체 냉각 메커니즘을 통해 고손실 회로 구성요소를 능동적으로 냉각하고 저손실 회로 구성요소를 수동적으로 냉각하는 단계를 포함한다.
일 양태에서, 고손실 회로 구성요소를 능동적으로 냉각하는 단계는 액체 냉각 메커니즘을 통해 냉각제를 순환시키고 고손실 회로 구성요소로부터 냉각제로 열을 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 이점은 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해되기 때문에 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 전력 컨버터를 포함하는 차량용 배전 시스템의 개략도이고;
도 2는 2개의 인쇄 회로 보드(PCB) 층을 갖는 통합형 다층 컨버터(IMLC) 구조의 개략도이며;
도 3은 2개보다 많은 PCB 층을 갖는 IMLC 구조의 다른 양태의 개략도이고;
도 4는 하단 PCB 층에 장착된 고손실 회로 구성요소로부터 냉각판 히트싱크로의 열 전달을 통한 능동 냉각의 개략도이며;
도 5는 PCB 냉각에 대한 시뮬레이션 결과를 예시하고;
도 6은 시뮬레이션 결과를 검증하기 위한 실험 설정을 예시하며;
도 7은 능동 액체 냉각 없이 PCB 온도의 실험 결과를 예시하고;
도 8 내지 도 10은 능동 액체 냉각을 갖는 PCB 온도의 실험 결과를 예시하며;
도 11은 단층 PCB와 2층 PCB 구조 사이의 비교를 예시하고;
도 12는 실험 결과의 표 요약을 예시한다.
도 1은 복수의 휠(14)을 갖는 자동차(12)의 배전 시스템(10)을 도시하는 개략도이다. 배전 시스템(10)은 휠(14) 중 하나 이상을 구동하도록 구성된 모터(24)에 전력을 공급하기 위해 HV 배터리(22)에 연결된 고전압(high-voltage)(HV) 버스(20)를 포함한다. HV 버스(20)는 250 VDC 내지 430 VDC인 공칭 전압을 가질 수 있지만, 다른 전압이 사용될 수 있다. 모터(24)는 가변 주파수 교류(AC) 드라이브와 같은 트랙션 컨버터(26), 및 고전압 DC-DC 컨버터(28)를 통해 전력이 공급된다. 고전압 DC-DC 컨버터(HDC)(28)는 HV 버스(20)의 DC 전압보다 크거나 작거나 동일할 수 있는 전압을 갖는 필터링 및/또는 조절된 DC 전력을 트랙션 컨버터(26)에 공급한다. 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(30)는 HV 버스(20)에 연결되고 LV 버스(34)를 통해 하나 이상의 LV 부하(32)에 저전압(LV) 전력을 공급하도록 구성된다. LDC(30)는 등급이 1-3 kW일 수 있지만, 전력 등급이 더 높거나 낮을 수 있다. LV 부하(32)는 예를 들어, 조명 디바이스, 오디오 디바이스 등을 포함할 수 있다. LDC(30)는, 예를 들어 9-16 VDC의 전압을 갖는 DC 전력을 저전압 부하(32)에 공급하도록 구성될 수 있지만, 다른 전압이 사용될 수 있다. 보조 LV 배터리(36)는 LV 버스(34)에 연결된다. 보조 LV 배터리(36)는 종래의 차량 전력 시스템에서 사용되는 것과 같은 납산 배터리일 수 있다. 보조 LV 배터리(36)는 LDC(30)를 사용할 수 없을 때 LV 부하(32)에 전력을 공급할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 보조 LV 배터리(36)는 LDC(30)의 출력을 초과하여 LV 부하(32)에 보충 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 보조 LV 배터리(36)는 LDC(30)의 출력을 초과하는 큰 돌입 전류를 스타터 모터에 공급할 수 있다. 보조 LV 배터리(36)는 LV 버스(34) 상의 전압을 안정화 및/또는 조절할 수 있다. 온보드 충전기(40) 및/또는 오프보드 충전기(42)는 HV 배터리(22)를 충전하기 위해 HV 버스(20)에 HV 전력을 공급한다.
HDC(28) 및 LDC(30)는 일반적으로 본 명세서에서 전력 컨버터(100)로서 지칭될 수 있다. 전력 컨버터(100)는 적어도 하나의 PCB(102)를 포함할 수 있다. 전력 컨버터(100) 및 PCB(102)는 열 성능을 유지하면서 더 작은 패키지 크기를 달성하기 위해 통합형 다층 냉각(IMLC) 구조(104)를 포함하는 열기계 PCB 설계일 수 있다.
컨버터(100), PCB(102), 및 IMLC 구조(104)는 냉각 성능을 개선하고 전체 체적을 감소시키기 위한 다양한 양태를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 다중 PCB(102)는 3차원 공간을 보다 효율적으로 사용하기 위해 수직으로 적층될 수 있고, PCB(102) 층으로 지칭될 수 있다.
다른 양태에서, 컨버터(100)는 PCB(102)에 부착된 다중 회로 구성요소(106)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소(106)는 또한 신호 및 전력이 수신되고 처리되며 배전 시스템(10)과 함께 추가 사용을 위해 출력되는 컨버터(100)의 페이로드로 고려될 수 있다. 다양한 유형의 구성요소(106)가 PCB(102)에 장착될 수 있어, 다양한 구성요소(106)가 상이한 크기, 형상, 설치 공간 등을 가질 수 있고, 마찬가지로 상이한 열 발생 양태 및 손실을 가질 수 있으며 상이한 정도의 열 소산을 필요로 할 수 있다.
일 양태에서, 구성요소(106)는 개선된 냉각을 위해 손실 정도에 의해 분류되는 것과 같이 미리 결정된 방식으로 분류되거나 그렇지 않으면 분배될 수 있다.
다른 양태에서, 컨버터(100)는 최적의 열 소산을 위한 통합형 액체 냉각 메커니즘(108)을 포함할 수 있다.
설명의 목적으로, 1.3 kW 인덕터-인덕터-커패시터(Inductor-Inductor-Capacitor)(LLC) 전력 컨버터가 컨버터(100) 및 IMLC 설계 구조(104)의 구조를 예시하고 테스트하는 데 사용될 수 있다. 유한 요소 해석(Finite Element Analysis)(FEA) 열 분석은 통합형 액체 냉각을 갖는 1.3 kW 단층 LLC 전력 컨버터에 대해 수행될 수 있다. 공기 및 액체 냉각 조건 하에 동일한 설계에 대해 실험 프로토타입을 개발할 수 있다. 실험 결과는 냉각판 액체 냉각을 사용할 때 동기 정류기(SR)에서 46℃의 온도 감소를 나타낸다. 액체 냉각 테스트의 시뮬레이션된 열 결과는 실험 결과와 일치한다. 히트싱크 설계를 변경하지 않고 3.12 kW/L에서 31% 더 큰 전력 밀도를 달성하는 새로운 2층 IMLC 프로토타입을 구성할 수 있다. 따라서, 열 결과는 단층 설계로부터 변경되지 않은 상태로 유지될 것으로 예상된다.
앞서 설명되고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전력 컨버터(100)는 통합형 다층 냉각(IMLC) 구조(104)를 포함한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, IMLC 구조(104)는 컨버터 크기를 감소시키면서 열 소산을 개선하기 위해 사용된다. IMLC 구조(104)의 목적은 열 성능을 유지하면서 체적을 감소시키기 위해 패키지 체적을 보다 효율적으로 사용하는 것이다. IMLC 구조(104)는 앞서 언급한 이러한 목적을 달성하기 위한 다중 설계 원칙에 초점을 둔다.
도 2에 도시된 일 양태에서, IMLC 구조(104)는 일 양태에서 3차원 공간을 이용하기 위해 구리 연결을 통해 수직으로 연결된 2개 이상의 PCB(102)를 사용한다. 둘째, IMLC 구조(104)는 열 발생에 의해 구성요소(106)를 분류하고 이러한 특성에 따라 구성요소(106)를 분배한다. 마지막으로, IMLC 구조(104)는 최하부 PCB(102)의 하단면에 부착된 냉각판 히트싱크(108a)의 형태일 수 있는 통합형 냉각 메커니즘(108)을 통한 액체 냉각을 통합한다.
일 양태에서, 다중 PCB(102) 층은 3차원 공간의 보다 효율적인 사용을 달성하기 위해 IMLC 구조(104)에서 사용된다. 예를 들어, 최하부 PCB(102) 층은 제1 PCB로서 지칭될 수 있고, 최상부 PCB(102) 층은 제2 PCB로서 지칭될 수 있으며, 이들 사이에 배치된 추가 PCB(102) 층은 중간 PCB(102)로서 지칭된다. IMLC 구조(104)는 컨버터(100)의 길이 및 폭이 상당히 감소되도록 하는 동시에 다양한 구성요소(106)를 장착하는 데 이용 가능한 PCB(102)의 전체 표면적을 증가시킨다. 컨버터(100)의 높이 증가는 길이 및 폭의 감소보다 상대적으로 작기 때문에, 컨버터(100)의 체적은 전체적으로 감소된다.
도 2는 2층 PCB(102) 구조를 사용하는 IMLC 구조(104)의 일 예를 예시한다. 다시 말해서, 2개의 PCB(102)가 대체로 수직 배열로 함께 조립될 수 있다. "수직" 및 "수평"에 대한 참조는 예시를 위한 것이고 도면을 참조하며, 컨버터(100)는 도면의 예시된 배향에 대해 다른 배향으로 작동할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 컨버터(100)는 그 면에서 도면에 예시된 배향에 대해, 거꾸로, 비스듬히 등으로 위치 설정될 수 있다.
도 2에 예시된 컨버터(100)는 열 성능을 유지하면서 체적을 감소시키기 위한 앞서 설명한 각각의 접근법을 예시한다. 도시된 바와 같이, 2개의 PCB(102)는 서로에 대해 수직으로 위치 설정된다. 한 쌍의 구리 커넥터 로드(110)는 도 2에서 대체로 수직 방향으로 연장되어 2개의 PCB(102)를 연결한다. 커넥터 로드(110)가 구리인 것으로 설명되지만, 다른 재료가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 구리는 일부 양태에서 바람직할 수 있으며, 구리 재료는 하나의 PCB(102)로부터 다른 PCB(102)로 열을 전도하도록 작동 가능하여, 그 사이의 열 전달을 개선한다. 그러나, 일부 양태에서, 커넥터 로드(110)는 비전도성 재료 또는 더 낮은 전도성을 갖는 재료로 제조될 수 있음이 이해될 것이다. 도시된 바와 같이, 2개의 커넥터 로드(110)가 예시되어 있지만, 컨버터(100)의 특정 크기 및 형상으로 인해 추가 로드(110)가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 추가 로드(110)는 예시된 로드(110) "후방에" 제공될 수 있다. 예를 들어, 컨버터(100)의 박스형 구조에서, 각각의 에지에 4개의 로드(110)가 제공될 수 있다. 따라서, 커넥터 로드(110)는 도면이 강조하는 바와 같이 다중 PCB(102) 층(도 2에 도시되어 있는 2개의 층)을 물리적 및 전기적으로 연결한다.
추가적으로, 위에서 참조된 바와 같이, 컨버터(100)에 장착된 다양한 구성요소(106), 특히 PCB(102)에 부착된 구성요소(106)는 그 열적 특성에 따라 분류될 수 있다. 도 2를 참조하면, 구성요소(106)는 저손실 회로 구성요소(106a) 및 고손실 회로 구성요소(106b)를 포함할 수 있다. 구성요소(106)는 자기 구성요소(106c)를 더 포함할 수 있다. 일 양태에서, 고손실 구성요소(106b)의 경우, 소산될 더 많은 양의 열을 처리하기 위해 능동 냉각을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 양태에서, 저손실 구성요소(106a) 및 자기 구성요소(106c)는 수동 냉각에 의해 냉각될 수 있다.
일 양태에서, 저손실 회로 구성요소(106a) 및 자기 구성요소(106c)와 같은 수동 냉각 디바이스는 상단 층 PCB(102) 상에 배치될 수 있다. 일 양태에서, 고손실 구성요소(106b)는 하단 층 PCB(102)에 부착될 수 있는 냉각판 히트싱크(108a)에 대한 "직접" 연결을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 냉각판 히트싱크(108a)는 하단 층 PCB(102)의 하단 표면 상에 배치될 수 있고, 고손실 회로 구성요소(106b)는 하단 층 PCB(102)의 상단 표면 상에 배치될 수 있다. 이 양태에서, 냉각판 히트싱크(108a)에 대한 "직접" 연결은 고손실 회로 구성요소(106b)가 PCB(102)의 한 표면에 장착되고 냉각판 히트싱크(108a)가 동일한 PCB(102)의 반대쪽에 장착되는 구성을 포함한다. 냉각판 히트싱크(108a)에 대한 직접 연결에 대한 이러한 참조는 구성요소(106b)와 히트싱크(108a) 사이에 배치된 PCB(102)를 갖는 구성을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
따라서, 도 2는 앞서 설명한 양태의 예를 예시한다. 도 2에 도시된 커넥터(100)의 추가 변형은 커넥터(100)의 열 소산에 맞추도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고손실 구성요소(106b)의 양에 따라, 고손실 구성요소(106b)에 추가하여 저손실 구성요소(106a)가 하단 층 PCB(102)에 부착될 수 있다. 이 예에서, 저손실 구성요소(106a)는 냉각판 히트싱크(108a)에 의해 제공되는 능동 냉각으로부터 이익을 획득할 수 있다. 유사하게, 자기 구성요소는 또한 하단 층 PCB(102)에 부착될 수 있고 냉각판 히트싱크(108a)에 의해 능동적으로 냉각될 수 있다.
도 3을 참조하면, 커넥터(100)는 도 2에 예시된 2개의 PCB(102) 이외에 추가적인 PCB(102)를 포함할 수 있다. 도 3은 설계자가 원하는 대로 추가적인 중간 PCB(102) 층을 수용하도록 확장된 IMLC 구조(104)를 예시한다. 원하는 수의 전체 구성요소(106)를 수용하기 위해 설계 요구사항에 기초하여 임의의 수의 PCB(102) 층을 달성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 고손실 구성요소(106b)는 바람직하게는 최하부 PCB(102) 층으로도 지칭될 수 있는 하단 PCB 층(102) 상에 배치된다. 냉각판 히트싱크(108a)는 이 히트싱크가 장착된 PCB(102)로부터 돌출된 구조를 포함하므로, 히트싱크(108a)의 구조가 커넥터(100)의 다른 구성요소를 방해하지 않고 PCB(102)로부터 필요한 만큼 연장되게 하도록 냉각판 히트싱크(108a)가 최하부 층 상에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
유사하게, 일부 양태에서, 도 3에 도시된 바와 같이, PCB(102) 층의 최상부 층 상에 자기 구성요소(106c)를 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 다시 말해서, 자기 구성요소(106c)는 냉각판 히트싱크(108a)로부터 가장 먼 PCB(102) 층 상에 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 고손실 구성요소(106c)는 최하부 PCB(102) 층 상에 배치되고, 자기 구성요소(106c)는 최상부 PCB(102) 층의 상부 표면 상에 배치된다. 저손실 구성요소(106a)는 중간 PCB(102) 층 상에 배치되고, 자기 구성요소(106c)와 고손실 구성요소(106b) 사이에 위치될 수 있다. 저손실 구성요소(106a)는 또한 최상부 PCB의 하단 표면 상에 배치될 수 있다.
도 3에 예시된 다중 PCB(102) 층은, 각각의 커넥터 로드(110)가 PCB(102) 층 각각에 부착되도록, 공통 커넥터 로드(110)를 통해 서로 연결될 수 있다. 다른 접근법에서, 커넥터 로드(110)는 PCB 층(102)의 일부를 함께 연결할 수 있고, 추가 커넥터 로드(110)는 체인형 연결에서와 같이 다른 층을 연결한다. 예를 들어, 커넥터 로드(110) 중 하나는 제1 및 제2 PCB(102) 층으로 지칭될 수 있는 하단 2개의 PCB(102)를 연결할 수 있고, 다른 연결 로드(110)는 제2 PCB(102) 층을 제3 PCB(102) 층에 연결할 수 있다. 따라서, 제3 PCB(102) 층은 제2 PCB(102) 층을 통해 하단/제1 PCB 층에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 연결 배열은 커넥터 로드(110)를 통해 다양한 수의 PCB(102)를 연결하도록 수정될 수 있음이 이해될 것이다.
일 양태에서, 고손실 구성요소(106c)는 반드시 미리 결정된 손실 범위 내에 속하는 구성요소일 필요는 없을 수 있다. 오히려, 고손실 구성요소(106c)는 구성요소(106)의 전체 컬렉션 내에서 가장 높은 손실을 갖는 구성요소(106)의 전체 컬렉션의 서브세트일 수 있다. 일 양태에서, 제1 PCB(102) 층(또는 최하부 PCB(102) 층) 상에 장착된 구성요소(106) 각각은 다른 PCB(102) 층의 구성요소(106)에 비교하여 더 크거나 동일한 양의 열 손실을 가질 수 있다.
일 양태에서, 구성요소(106)는 더 높은 손실을 갖는 구성요소(106)가 냉각판 히트싱크(108a)에 대해 가장 가까운 PCB(102) 층 상에 배열되고 더 낮은 손실을 갖는 구성요소가 히트싱크(108a)로부터 가장 먼 PCB(102) 층 상에 배열되도록 커넥터(100) 상에 배열될 수 있으며, 커넥터(100) 전체에 걸쳐 장착된 구성요소(106)의 손실은 냉각판 히트싱크(108a)에 대한 PCB(102) 층의 위치와 관련하여 대체로 감소하는 방식이다. 예를 들어, 제1 PCB 층(106) 상의 구성요소(106)는 제2 PCB(102) 층 상의 구성요소(106)보다 더 높은 손실을 가질 수 있고, 제2 PCB(102) 층 상의 구성요소(106)는 제3 PCB(102) 층 상의 구성요소(106)보다 더 높은 손실을 가질 수 있다.
다른 양태에서, 최하부 층이 아닌 각각의 PCB(102) 층 상의 구성요소(106)는 상부 층들 중 어느 하나에 배열될 수 있어, 가장 높은 손실 구성요소(106)가 하단 PCB(102) 층에 장착되지만 제3 층 상의 구성요소는 제2 층 상의 구성요소보다 높은 손실을 가질 수 있다. 냉각판 히트싱크(108a)가 하단 표면 상에 배치된 이 층으로 인해 최하부 PCB(102) 층에 더 높은 손실 구성요소(106b)가 배치되게 함으로써, 가장 큰 손실을 갖고 그로부터의 열 전달에 대한 요구가 더 높은 구성요소에 능동 냉각을 제공하는 것이 바람직하다. 고손실 구성요소(106)의 서브세트 내에 속하지 않는 구성요소는 다른 PCB(102) 층 상에 배열될 수 있고 수동 냉각을 받을 수 있으며, 따라서 직접 능동적으로 냉각되지 않는 나머지 구성요소(106)를 분류하거나 배열하는 것이 덜 유리할 수 있다.
가장 높은 손실의 구성요소(106)가 하단 PCB(102) 층 상에 배열되는 앞서 설명한 배열은 능동 냉각에 대한 직접 연결이 히트싱크(108a)에 의해 제공되도록 바람직하다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 더 높은 손실 구성요소(106)는 최하부 층 이외의 PCB(102) 층에 여전히 장착될 수 있고 커넥터(100)는 여전히 전반적으로 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 공간 상의 이유로, 특정 구성요소가 상부 층 중 하나에 장착되는 것이 바람직할 수 있고, 더 낮은 손실 구성요소(106)가 하단 PCB(102) 층에 장착될 수 있다. 하단 PCB(102) 층에 장착된 구성요소(106)는 여전히 히트싱크(108a)를 통해 능동 냉각을 받을 수 있다.
따라서, 앞서 설명된 바와 같이, IMLC 구조(104)의 구성요소(106)는 열 발생 및 구성요소 유형에 기초하여 분류 및 분포될 수 있다. 자기 구성요소는 코어 표면적이 크고 PCB(102) 설치 공간이 비교적 작기 때문에 수동 공기 냉각만 필요할 수 있다. 마찬가지로, 저손실 표면 장착 회로에는 수동 공기 냉각만 필요할 수 있다. 따라서, 이들 구성요소(106)는 IMLC 구조(104)의 상부 PCB 층 상에 배치될 수 있다. 고손실 표면 장착 구성요소(106)는 소형 패키지로부터 열을 멀리 전달하기 위해 능동 액체 냉각을 필요로 할 수 있다. IMLC 구조(104)에서, 이들 구성요소는 최하부 PCB(102) 층의 상단면 상에 배치된다. 구성요소(106)의 분배는 적절한 구성요소(106)의 수동 냉각 및 고손실 구성요소(106)의 능동 액체 냉각을 허용한다.
IMLC 구조(104)는 최하부 PCB(102) 층의 하단 표면에 부착된 냉각판 히트싱크(108a)를 통한 능동 액체 냉각을 통합한다. 하단측 표면은 이용 가능한 열 전달을 최대화하기 위해 히트싱크(108a)를 위해 독점적으로 예약될 수 있다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 일부 경우에는 패키징 또는 조립 상의 이유로 이 배열에서 벗어나는 것이 바람직할 수 있다.
도 4는 하단 층 PCB(102)의 하단면에 대한 냉각판 히트싱크(108a) 연결을 예시한다. 도 4는 최하부 PCB(102)의 상단면 상의 고손실 회로(106b)로부터 냉각판 히트싱크(108a)를 통과하고 이를 통해 유동하는 액체 냉각제까지의 열 유동 방향을 예시한다. 다른 능동 히트싱크 및 다른 수동 히트싱크를 비롯하여 다양한 다른 유형의 히트싱크가 또한 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 바람직하게는, 본 명세서에 도시된 냉각판 히트싱크(108a)와 같은 능동 히트싱크가 사용된다.
예시된 바와 같이, 냉각판 히트싱크(108a)는 하우징(108b), 입구(108c), 및 출구(108d)를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 냉각제는 입구(108c) 내로 유동할 수 있고 그 후에 하우징(108b)을 통해 순환될 수 있다. 고손실 구성요소(106b)로부터의 열은 구성요소(106)로부터 냉각제로 전달될 수 있다. 냉각제는 고손실 구성요소(106)보다 낮은 온도로 히트싱크(108a)에 진입하여, 열 전달이 발생하고, 열은 고손실 구성요소(106)로부터 히트싱크(108a)로 이동한다. 따라서, 고손실 구성요소(106b)의 온도는 감소할 것이고, 냉각제의 온도는 증가할 것이다. 냉각제는 히트싱크(108a)를 통해 순환하고 그 후에 더 높은 온도로 히트싱크(108a)로부터 빠져나갈 것이다. 그 후, 냉각제는 냉각제가 히트싱크(108a)에 재진입하기 전에 냉각제의 온도를 감소시키는 추가 냉각 시스템 구성요소를 통해 순환될 수 있다. 다른 능동 냉각 시스템도 사용될 수 있다.
앞서 설명한 컨버터(100)가 다중 PCB 층(102)을 갖는 것으로 설명되었지만, 냉각판 히트싱크(108a)의 능동 냉각은 단일 PCB(102) 층 배열, 예를 들어 단일 PCB(102) 층만이 사용되도록 제한된 수량의 구성요소를 포함하는 컨버터(100)에 이점을 제공할 수 있음이 이해될 것이다.
앞서 설명한 커넥터(100)는 구성요소의 원하는 레이아웃을 결정하고 커넥터(100)의 효율성을 개선하기 위해 모델링 및 테스트될 수 있다. 하나의 테스트 양태에서, IMLC 구조(104)의 열 시뮬레이션 및 분석이 수행되었다. FEA 열 분석은 IMLC 구조(104)의 열 성능을 시뮬레이션하는 데 사용되었다. 냉각판 히트싱크(108a)는 냉각판의 히트싱크로 인해 일정한 온도를 시뮬레이션하기 위해 22°C의 일정한 온도로 고정된다. 일 예에서, 시뮬레이션을 위해 선택된 전력 컨버터는 1.3 kW LLC 공진 컨버터이다. 2개의 PCB(102) 층이 이 예의 IMLC 구조(104)에서 사용되지만, 이 실험에서 모든 열 발생 구성요소(106)가 하단 PCB(102) 층에 고정되기 때문에 상단 PCB(102)는 열 발생에 역할을 하지 않는다. 따라서, 단순성을 위해 IMLC 구조(104)의 1층 열 시뮬레이션이 사용된다. 열 시뮬레이션의 결과는 도 5에 예시되어 있다.
도 5의 결과는 변압기(Tx), 직렬 인덕터(Lr), 병렬 인덕터(Lp), 1차측 정류기 질화갈륨(GaN) 스위치(GaN), 및 LLC 컨버터의 동기 정류기(SR)의 온도를 도시한다.
시뮬레이션에 추가하여, FEA와의 비교를 위해 실제 온도를 검출하도록 IMLC 구조(104)에 대해 실험적 테스트가 수행될 수도 있다. 일 양태에서, 열 테스트는 냉각판 히트싱크를 사용하여 단층 1.3 kW LLC 전력 컨버터에 대해 수행될 수 있다. 이 실험 설계는 냉각판(108a)과 고손실 구성요소(106)가 여전히 다층 IMLC 구조와 동일한 방식으로 연결되어 있기 때문에 IMLC(104) 설계의 히트싱크 능력에 대한 우수한 평가를 제공한다. 단일 PCB(102) 층 설계로, 컨버터(100)의 체적은 더 클 수 있지만, 단일 PCB(102) 층의 치수는 모든 구성요소를 수용하기 위해 더 커야 하기 때문이다. 따라서, 컨버터(100)의 체적은 더 크지만, 열 성능은 유사해야 한다.
액체 냉각 구성요소(108)는 컴퓨터 액체 냉각 구성요소를 포함할 수 있다. 액체 냉각 루프는 펌프, 저장조, 팬을 갖는 라디에이터, 냉각판 히트싱크(108a), 및 배관으로 구성될 수 있다. 도 6은 액체 및 팬 냉각을 갖는 단층 PCB(102) 프로토타입을 도시한다.
처음에는, 액체 냉각이 없는 단층 1.3 kW LLC 공진 컨버터에 대해 실험이 수행된다. 따라서, 유일한 냉각은 팬 냉각을 통한 것이다. 1.3 kW, 400 Vin, 14 Vout, 95 A 부하에서 SR의 온도는 도 7에 도시되어 있다.
다음 실험은 동일한 조건에서 냉각판 액체와 팬 냉각을 사용한다. 이 실험을 위한 설정은 도 6에 도시되어 있다. 열 테스트 결과는 도 8 내지 도 10에 나타낸다. 도 8은 GaN 스위치 온도를 예시한. 도 9는 SR 온도를 예시한다. 도 10은 변압기 온도를 예시한다. 도 8 내지 도 10은 400 Vin, 14 Vout, 95 A 부하에서 액체 및 팬 냉각을 갖는 1.3 kW LLC 전력 컨버터의 열 이미지를 예시한다.
따라서, 열 테스트의 결과는 능동 액체 냉각이 SR 온도를 46℃만큼 감소시키는 것을 보여준다. 따라서, IMLC 구조(104)의 액체 냉각(108a)은 패키지의 열 성능을 개선시킨다. 실제 액체 냉각 결과는 실험 결과가 시뮬레이션과 일치함을 나타낸다. 주요 온도 및 효율의 요약은 도 12의 표 1에 나타낸다.
실험적 액체 냉각 온도는 대체로 실험 테스트를 위한 팬 냉각 추가로 인해 시뮬레이션보다 더 낮다. 이는 특히 변압기의 온도 차이에서 공기에 의해 독점적으로 냉각되는 자기 구성요소(106c)에 해당된다.
예시적인 IMLC(104)의 전력 밀도는 3.12 kW/L인데 반해, 액체 냉각을 갖는 단층 LLC 공진 컨버터의 경우 2.38 kW/L이다. 따라서, IMLC는 단층 설계에 비교하여 총 패키지 전력 밀도를 31%만큼 개선시킨다. 표면적, 구성요소 크기, 및 히트싱크 구성은 단층에서 2층 설계로 변경되지 않으므로, 열 성능은 변경되지 않은 상태로 유지될 것으로 예상된다. 도 11은 동일한 전력 컨버터의 단층 설계(좌측)와 2층 IMLC 104 설계(우측)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 컨버터(100)의 전체 크기는 액체 냉각을 갖는 단층 설계에 비교하여 2층 IMLC 구조에서 크게 감소된다.
따라서, 새로운 통합형 다층 냉각(IMLC) 구조(104)가 다중 PCB(102) 층 및 통합형 액체 냉각 히트싱크(108)에 기초하여 전력 컨버터(100)에 제공된다. IMLC 구조(104)는 3가지 설계 원칙, 즉 3차원 공간을 보다 효율적으로 사용하기 위한 다중 수직 적층 PCB(102), 개선된 냉각을 위해 손실에 의한 구성요소(106) 분류, 및 열 소산을 위해 하단 장착된 냉각판(108)을 통한 통합형 액체 냉각에 기초하여 열 성능을 희생하지 않고 패키지 체적을 개선한다. FEA 열 모델링은 통합형 냉각판 액체 냉각을 갖는 1.3 kW LLC 전력 컨버터를 사용하여 수행된다. 통합형 액체 냉각을 갖는 단층 1.3 kW LLC 컨버터에 대한 실험 테스트는 IMLC 구조의 히트싱크 능력을 검증한다. 통합형 액체 냉각은 실험 결과에서 동기 정류기(SR) 온도를 46°C만큼 감소시킨다. 2층 IMLC LLC 전력 컨버터가 설계되었으며 테스트된 단층 설계에 비교하여 3.12 kW/L에서 31% 더 큰 전력 밀도를 달성한다. 히트싱크 구조가 변경되지 않았기 때문에 이 IMLC 설계의 열 성능은 변경되지 않은 상태로 유지될 것으로 예상된다.
명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변형이 상기 교시에 비추어 가능하고 첨부된 청구범위의 범위 내에서 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다. 이러한 선행 인용은 독창적인 신규성이 그 유용성을 행사하는 임의의 조합을 포함하도록 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 전력 컨버터로서,
    제1 PCB를 포함하는 적어도 하나의 인쇄 회로 보드(PCB);
    적어도 하나의 PCB에 장착된 복수의 회로 구성요소;
    제1 PCB에 장착된 액체 냉각 메커니즘을 포함하고;
    복수의 회로 구성요소는 고손실 회로 구성요소 및 저손실 회로 구성요소를 포함하며, 고손실 회로 구성요소는 저손실 회로 구성요소에 비교하여 더 높은 손실을 갖고, 고손실 회로 구성요소는 제1 PCB에 부착되며;
    액체 냉각 메커니즘은 적어도 제1 PCB에 장착된 고손실 회로 구성요소를 능동적으로 냉각하도록 작동 가능하고, 고손실 회로 구성요소는 액체 냉각 메커니즘에 관하여 PCB의 반대쪽에 장착되는, 전력 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 PCB는 제1 PCB에 부착된 제2 PCB를 더 포함하고, 제2 PCB는 제1 PCB에 관하여 수직으로 배치되는, 전력 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 저손실 회로 구성요소는 제2 PCB에 부착되는, 전력 컨버터.
  4. 제2항에 있어서, 제1 PCB를 제2 PCB에 연결하는 복수의 커넥터 로드를 더 포함하는, 전력 컨버터.
  5. 제4항에 있어서, 커넥터 로드는 구리이고 제1 PCB를 제2 PCB에 전기적으로 연결하는, 전력 컨버터.
  6. 제3항에 있어서, 제1 PCB는 최하부 PCB이고 제2 PCB는 최상부 PCB이며, 최하부 PCB는 최상부 PCB 아래에 배치되고, 액체 냉각 메커니즘은 최하부 PCB의 하단 표면에 부착되고 고손실 회로 구성요소는 최하부 PCB의 상부 표면에 부착되는, 전력 컨버터.
  7. 제6항에 있어서, 저손실 회로 구성요소는 최상부 PCB에 부착되는, 전력 컨버터.
  8. 제7항에 있어서, 최상부 PCB에 부착된 자기 구성요소를 더 포함하는, 전력 컨버터.
  9. 제8항에 있어서, 자기 구성요소는 최상부 PCB의 상부 표면에 부착되고 저손실 회로 구성요소는 최상부 PCB의 하부 표면에 부착되는, 전력 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 저손실 회로 구성요소는 최상부 PCB의 상부 및 하부 표면 모두에 부착되는, 전력 컨버터.
  11. 제6항에 있어서, 최상부 PCB와 최하부 PCB 사이에 배치된 적어도 하나의 중간 PCB를 더 포함하는, 전력 컨버터.
  12. 제11항에 있어서, 저손실 회로 구성요소는 중간 PCB의 상부 또는 하부 표면 중 적어도 하나에 부착되고, 자기 구성요소는 최상부 PCB의 상부 표면에 부착되는, 전력 컨버터.
  13. 제6항에 있어서, 액체 냉각 메커니즘은 냉각제를 순환시키고 고손실 회로 구성요소로부터 액체 냉각제로 열을 전달하도록 구성된 입구 및 출구를 갖는 냉각판 히트싱크인, 전력 컨버터.
  14. 전력 컨버터를 냉각하는 방법으로서,
    전력 컨버터를 작동시키는 단계로서, 전력 컨버터는:
    복수의 커넥터 로드를 통해 연결된 복수의 인쇄 회로 보드(PCB) - 복수의 PCB는 최하부 PCB 및 최상부 PCB를 포함함 -;
    최하부 PCB에 부착된 액체 냉각 메커니즘;
    최하부 PCB에 부착된 고손실 회로 구성요소;
    복수의 인쇄 회로 보드 중 하나에 부착된 저손실 회로 구성요소를 포함하는, 단계;
    액체 냉각 메커니즘을 통해 고손실 회로 구성요소를 능동적으로 냉각하는 단계; 및
    저손실 회로 구성요소를 수동적으로 냉각하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 고손실 회로 구성요소를 능동적으로 냉각하는 단계는 액체 냉각 메커니즘을 통해 냉각제를 순환시키고 고손실 회로 구성요소로부터 냉각제로 열을 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
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