KR20230146934A - 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈 - Google Patents

절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 변압기 내 고압부와 저압부 간 이격 거리를 확보하여 절연 성능을 높이는 한편, 반도체 변압기 내 일정 도전율 이상의 차폐막을 구비함으로써 코일에서 발생되는 자기장에 의한 유도가열을 방지할 수 있는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈에 관한 것이다.
본 발명의 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 고압 저주파 교류 전원을 고압 교류 전원으로 변환하는 고압부, 고압 교류 전원을 저압 교류 전원으로 변환하는 변압부, 및 저압 교류 전원을 저압 직류 전원으로 변환하는 저압부로 이루어진다.

Description

절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈{A single packaging type sub-module for semiconductor transformer with excellent insulation performance and induction heating prevention}
본 발명은 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈에 관한 것으로, 상세하게는, 반도체 변압기 내 고압부와 저압부 간 절연 성능을 향상시키는 한편, 반도체 변압기 내에서 발생되는 유도가열을 방지할 수 있는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈에 관한 것이다.
일반적으로 전기차의 차량 배터리를 충전하기 위해 60Hz, 22.9kV의 전압을 변압기로 강압하여 일정 크기의 DC 전압으로 변환해 충전하게 된다. 이러한 변압기와 AC/DC 컨버터는 많은 하중을 차지하며, 경량화 필요성이 큰 부품이다.
특히, 주 변압기는 60Hz의 낮은 주파수에서 동작하며, 이러한 저주파 변압기는 중량이 무겁고 부피가 크기 때문에 상대적으로 전력 밀도가 낮다.
이를 개선하기 위해 상용 주파수에서 동작하는 변압기와 AC/DC 컨버터의 경량화를 위한 많은 연구가 이뤄졌으며, 그 중 하나가 반도체 소자를 이용해 변압기의 동작 주파수를 60Hz 보다 상대적으로 높은 수 kHz에서 수십 kHz까지 주파수를 올려 변압기의 부피 및 무게를 줄이는 것이다.
이와 같이, 반도체 소자를 이용해 저주파, 고전압의 입력 전력을 고주파 전원으로 변환하여 MFT(Medium Frequency Transformer)를 거친 후 낮은 DC 전압으로 변환해 주는 장치를 반도체 변압기(Solid-state transformer; SST) 또는 지능형 변압기(Intelligent transformer)라 하며, 기존의 저주파 변압기에 비해 시스템의 크기 감소, 전력품질 보상, 단위역률 가능 등의 장점으로 인해 중요성이 부각되고 있다.
한편, 기존의 저주파 변압기에서는 22.9kV의 고압이 인가되는 경우 1차측과 2차측 권선 사이의 절연 문제가 발생할 수 있어 1차측과 2차측 권선 사이에 절연을 위한 이격 및 절연구조물을 배치 및 절연유 사용을 하고 있으며, 이로 인해 상용 주파수 변압기의 경우 무게 및 부피가 커지는 단점이 있다.
이러한 절연 문제는 기존의 상용주파수 변압기를 반도체 변압기로 대체한 경우에도 동일하게 발생한다. 즉, 반도체 변압기에 사용하는 MFT는 기존의 변압기 구조를 그대로 적용하고 있어 동일한 문제가 존재하며 동시에 고압부 및 저압부 구성품 간 절연 문제를 해결하려는 노력이 지속되어 왔다.
그 일례로, 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0048376호에서는 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈을 커패시터가 설치되는 제1하우징과 IGBT 스위치를 포함하는 나머지 구성품들이 설치되는 제2하우징으로 구성하고, 제1하우징을 제2하우징의 측면에 핫스왑(Hot Swap) 방식으로 탈착가능하게 설치함으로써, 서브모듈 커패시터의 교체를 포함한 유지보수를 보다 용이하게 함과 동시에 서브모듈 커패시터와 서브모듈 제어장치 사이에 충분한 절연내력을 확보할 수 있는 모듈러 멀티레벨 컨버터의 서브모듈을 제안하였다.
그러나 이 경우에도 저압측 코일에서 발생하는 유도 가열에 의한 온도 상승을 극복하기 어려운 단점이 있다. 반도체 변압기 내 코일을 고주파수 대역에서 운용함에 따라, 발생하는 자기장에 의해 주변 구조물들에 유도가열 현상이 발생하고, 이에 따라 반도체 변압기 내부의 온도가 상승하는 문제가 발생한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2020-0048376호(2020.05.08)
본 발명의 목적은, 반도체 변압기 내 고압부와 저압부 간 이격 거리를 확보하여 절연 성능을 높이는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 반도체 변압기 내 일정 도전율 이상의 차폐막을 적용함으로써, 코일에서 발생되는 자기장에 의한 유도가열을 방지할 수 있는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 고압 저주파 교류 전원을 정합하여 고주파 교류 전원으로 변환하는 고압부, 고압 교류 전원을 저압 교류 전원으로 변환하는 변압부, 및 저압 교류 전원을 저압 직류 전원으로 변환하는 저압부를 포함할 수 있다.
여기서, 변압부는 고압부와의 격벽과 저압부와의 격벽이 제거되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 변압부는 고압부 및 저압부에서 사용되는 전압에 따라서 또는 고압부와 저압부 간의 전위차에 따라서 변압부의 크기 가변이 용이한 구조로써 상기 변압부의 크기를 가변하여 고압부와 저압부 사이에 구비될 수 있다.
여기서, 변압부는 변압기의 크기와 같은 물리적 제약조건에 따라 변압부의 크기 가변이 용이한 구조로써 상기 변압부의 크기를 가변하여 고압부와 저압부 사이에 구비될 수 있다.
또한, 변압부는 에폭시 글라스로 이루어진 외함으로 둘러 쌓인 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 변압부의 측면커버에는 변압기에서 발생된 열을 외부로 방출하기 위한 벤트홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 변압부의 측면커버에서 고압부 측면의 부위에는 벤트홀이 구비되어 있지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 저압부는 저압 교류 전원을 정합하는 인덕터 및 인덕터로부터 일정 간격 이상 이격되어 인덕터를 둘러싸며, 일정 도전율 이상의 도체로 이루어진 차폐막을 포함할 수 있다.
또한, 일정 간격은 10mm 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 일정 도전율은 알루미늄의 도전율인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 반도체 변압기 내 고압부와 저압부 간 이격 거리를 확보하여 절연 성능을 높이는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 반도체 변압기 내 코일에서 발생되는 자기장에 의한 유도가열을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 고압부, 변압부, 및 저압부의 구성을 상세히 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 인덕터 및 차폐막의 유도가열 현상을 나타낸 시험결과이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈을 나타낸 사시도이며, 도 2 및 도 3은 도 1을 상세히 설명하기 위한 세부 사시도 및 시험결과이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 고압 저주파 교류 전원을 고압 교류 전원으로 변환하는 고압부(100), 고압 교류 전원을 저압 교류 전원으로 변환하는 변압부(Medium Frequency Transformer; MFT)(200), 및 저압 교류 전원을 저압 직류 전원으로 변환하는 저압부(300)로 이루어진다.
통상, AC 22.9kV 계통전압을 입력으로 하는 반도체 변압기는 높은 절연성능을 확보하기 위해 기구/전기적 절연을 고려한 서브모듈 구조 설계가 필요하다.
본 발명에 따른 반도체 변압기용 서브모듈은 변압부(200)를 중심으로 고압부(100)와 저압부(300)가 절연된 형태로 구성되며, 고압부(100), 변압부(200), 및 저압부(300) 각각의 함체가 차례로 연결된 패키징 구조로 이루어져 있다.
여기서, 변압부(200)는 고압부(100) 및 저압부(300)에서 사용되는 전압에 따라서 또는 고압부(100)와 저압부(300) 간의 전위차에 따라서 변압부(200)의 크기를 가변하여 고압부(100)와 저압부(300) 사이에 적용된다. 또한, 변압부(200)는 변압기와 같은 물리적 제약조건에 따라 변압부(200)의 크기 가변이 용이한 구조로써 변압부(200)의 크기를 가변하여 고압부(100)와 저압부(300) 사이에 구비될 수 있다.
즉, 본 발명에서는 변압부(200)의 크기를 조절하여 고압부(100)와 저압부(300)의 이격 거리를 용이하게 넓힐 수 있으며, 이를 통해 공기 중 이격거리 및 연면 거리를 확보하여 절연 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이때, 고압부(100) 및 저압부(300)에서 사용되는 전압에 따라 고압부(100)에서 사용하는 전압이 저압부(300) 내부에서 사용되는 전압 대비 상대적으로 클 경우에는 변압부(200)의 크기를 넓게 가변할 수 있으며, 또한 변압기의 크기가 작을수록 변압부(200)를 물리적으로 작게 하여 고압부(100)와 변압부(200)의 이격 거리를 작게 가변할 수 있다.
또한, 본 발명의 고압부(100), 변압부(200), 및 저압부(300)의 외함에는 벤트홀(400)을 구비하여 내부에서 발생되는 열을 외부로 방출할 수 있다.
이때, 변압부(200)의 측면커버에도 벤트홀이 구비되어 있는데, 구현예에 따라서는 변압부(200)의 측면커버에서 고압부(100) 측면의 부위에는 벤트홀이 구비되지 않도록 한다. 이와 같이 변압부(200)의 측면커버에서 고압부(100) 측면의 부위에는 벤트홀(400)을 구비하지 않음으로써, 고압부(100)와 저압부(300) 간 절연 성능을 더 높일 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 고압부(100) 및 저압부(300)에서 사용되는 전압과 변압기의 크기에 따라서 고압부(100)와 저압부(300)의 이격 거리를 용이하게 가변할 수 있어, 고압부(100)와 저압부(300)의 절연 성능을 유지함과 동시에 최적의 크기로 구비할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 도 1의 고압부(100), 변압부(200), 및 저압부(300)의 구성을 상세히 나타낸 사시도이다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 변압부(200)는 고압부(100)와의 격벽과 저압부(300)와의 격벽이 제거되어 있다.
본 발명에서는 변압부(200)의 고압부(100)와 저압부(300) 방향의 격벽을 제거함으로써, 서브모듈의 전체 무게와 크기를 줄이면서도 절연 성능을 향상시키는 효과를 거두고 있다.
상기 격벽들을 제거하고 부품 재배치를 통해 고압부(100)와 변압부(200) 간 거리를 20mm 내외 축소할 수 있고, 또한 변압부(200)와 저압부(300) 간 거리도 20mm 내외를 줄일 수 있어 서브모듈의 크기를 최소화할 수 있다.
이와 동시에, 시험 결과 상기 격벽들을 제거하기 전에는 절연 성능이 25kV에서 200[pC] 이하의 절연 성능을 보인 반면, 격벽들을 제거 후에는 48kV에서 동일한 절연 성능을 보여, 본 발명은 격벽들을 제거함으로써 절연 성능을 향상시키는 효과를 거두고 있다.
또한, 본 발명에서 변압부(200)는 절연 강도가 및 난연성능이 우수한 소재인 에폭시 글라스로 이루어진 외함으로 둘러 쌓인 구조로 이루어져 있으며, 이를 통해 본 발명은 고압부(100)와 저압부(300) 간 공기중 이격거리 및 연면거리를 확보하는 한편, 절연 성능을 증대시키고 있다.
한편, 통상적으로 반도체 변압기용 서브모듈의 저압부(300)에는 자성부품에서 발생하는 자기장에 의해 자성 부품 주변 구조물에 유도가열 현상이 발생하게 되며, 이로 인해 서브모듈 내 온도상승이 발생하여 이를 방지하기 위한 구조설계가 필요하다.
본 발명에서는, 저압부(300)의 저압 교류 전원을 정합하는 인덕터(310)에서 발생하는 자기장으로 인해 저압부(300) 내 구조물에 유도가열에 의한 온도 상승이 일어나는 것을 방지하기 위해, 인덕터(310)로부터 10mm 이상 이격되어 인덕터(310)를 둘러싸는 차폐막(320)을 구비하고 있다.
여기서, 차폐막(320)이 인덕터(310)에 가까이 설치될 경우에는 차폐막(320)에서의 유도 가열이 많이 발생하므로 일정 간격 이상 이격되도록 설치되어야 하며, 바람직하게는 10mm 이상 이격시키는 것이 좋다
또한, 본 발명에서는 상기 차폐막(320)의 소재로서 알루미늄 도전율 이상의 도체를 사용한다. 즉, 차폐막(320)은 외부로 자기장의 영향이 미치지 않도록 자기장으로 인한 와전류가 발생될 수 있는 일정 도전율 이상의 도체로 구비되어야 하며, 본 발명에서는 알루미늄을 기준으로 사용한다.
이러한 차폐막(320)은 인덕터(310)의 상하좌우를 모두 차폐하는 한편, 전후 방향으로는 버스바(bus bar) 연결을 위해 개방되도록 이루어져 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 인덕터(310)에서 발생하는 자기장으로 인한 유도가열을 최소화하기 위해 인덕터(310) 주변에 차폐막(320)을 구비하고 있으며, 이를 통해 저압부(300) 주변의 구조물에 대한 유도가열 현상을 제거하여 저압부(300) 내 온도상승을 방지할 수 있다.
도 3은 도 2의 인덕터(310) 및 차폐막(320)의 유도가열 현상을 나타낸 시험결과이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 인덕터(310) 주변에 차폐막(320)을 배치함으로써 인덕터(310)에서 발생하는 자기장이 차폐막(320)에 유도가열 현상을 발생시킴과 동시에, 차폐막(320) 외부로는 차폐막(320)이 자기장에 대한 차폐역할을 하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 인덕터(310) 주변에 차폐막(320)을 구비함으로써 저압부(300) 주변의 구조물에 대한 유도가열 현상을 제거하여 저압부(300) 내 온도상승을 방지하는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈은 반도체 변압기 내 고압부와 저압부 간 이격 거리를 확보하여 절연 성능을 높이는 한편, 반도체 변압기 내 일정 도전율 이상의 차폐막을 구비함으로써 코일에서 발생되는 자기장에 의한 유도가열을 방지할 수 있다.
상술한 것은 하나 이상의 실시예의 실례를 포함한다. 물론, 상술한 실시예들을 설명할 목적으로 컴포넌트들 또는 방법들의 가능한 모든 조합을 기술할 수 있는 것이 아니라, 당업자들은 다양한 실시예의 많은 추가 조합 및 치환할 수 있음을 인식할 수 있다. 따라서 설명한 실시예들은 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 개조를 포함하는 것이다.

Claims (10)

  1. 고압 저주파 교류 전원을 정합하여 고압 교류 전원으로 변환하는 고압부;
    상기 고압 교류 전원을 저압 교류 전원으로 변환하는 변압부; 및
    상기 저압 교류 전원을 저압 직류 전원으로 변환하는 저압부;를 포함하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변압부는,
    상기 고압부와의 격벽과 상기 저압부와의 격벽이 제거되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 변압부는,
    상기 고압부 및 상기 저압부에서 사용되는 전압에 따라서 또는 상기 고압부와 상기 저압부 간의 전위차에 따라서 상기 변압부의 크기를 가변하여 상기 고압부와 상기 저압부 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변압부는,
    상기 변압부에서 사용되는 변압기와 같은 물리적 제약조건에 따라 상기 변압부의 크기 가변이 용이한 구조로써 상기 변압부의 크기를 가변하여 상기 고압부와 상기 저압부 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 변압부는,
    에폭시 글라스로 이루어진 외함으로 둘러 쌓인 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 변압부의 측면커버에는 벤트홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 변압부의 측면커버에서 상기 고압부 측면의 부위에는 상기 벤트홀이 구비되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 저압부는,
    상기 저압 교류 전원을 정합하는 인덕터; 및
    상기 인덕터로부터 일정 간격 이상 이격되어 상기 인덕터를 둘러싸며, 일정 도전율 이상의 도체로 이루어진 차폐막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 일정 간격은 10mm 이상인 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 일정 도전율은 알루미늄의 도전율인 것을 특징으로 하는 절연 및 유도가열방지 성능이 우수한 단일 패키징 타입 반도체 변압기용 서브모듈.
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