KR20230172344A - 파워 모듈 및 이를 이용한 모터 구동 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 절연 기판을 분리 구성함으로써 고온에서의 내구가 확보되고 신뢰성이 향상되며 내부의 기생 인덕턴스가 감소된다. 또한, 절연 기판을 분리 구성함에 따라 각각의 모듈로 분리되고, 분리된 각 모듈을 연결 스페이서를 통해 상호 연결함으로써 파워모듈이 최적화된다. 또한, 연결 스페이서를 통해 버스바가 공유됨에 따라 버스바가 감소되어, 파워모듈의 전체 크기가 축소되는 파워 모듈이 소개된다.

Description

파워 모듈 및 이를 이용한 모터 구동 시스템 {POWER MODULE AND MOTOR DRIVING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 복수의 인버터를 구성시 절연기판을 분리 구성하여 고온에서의 내구가 확보되고 신뢰성이 향상되며, 버스바의 배치 최적화를 통해 내부의 기생 인덕턴스가 감소되는 파워 모듈 및 이를 이용한 모터 구동 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 핵심 부품 중 하나인 전력 변환 장치(예를 들어, 인버터)는 친환경 차량의 주요 부품으로 많은 기술 개발이 이루어지고 있으며, 전력 변환 장치의 핵심 부품이자 가장 많은 원가를 차지하는 파워 모듈의 개발은 친환경 차량 분야의 핵심 기술이다.
양면냉각 파워 모듈의 경우 회로구성을 위하여 상부 기판과 하부 기판의 전기적인 연결이 필요하게 된다. 이때 비아 스페이서를 사용하여 상부 기판과 하부 기판의 전기적인 연결을 하는 역할을 담당한다.
한편, 파워모듈은 제작 비용이 크기 때문에 원가 절감이 요구되며, 고사양과 원가절감을 위해 시스템을 집적화하여 크기를 증대시키면 상부 기판과 하부 기판에 휨이 발생되어 악영향이 발생되는 문제가 있다.
즉, 고성능 파워모듈은 전력량을 커버하기 위해, 칩의 개수를 증가시키거나 칩의 사이즈를 증대시키게 되는데, 칩의 개수 및 사이즈를 증가시키는 경우 파워모듈을 이루는 각 기판의 크기도 함께 커져야 한다. 다만, 절연기판은 크기가 커질수록, 칩의 동작시 발생하는 고온에 의한 휨에 취약해져 내구 문제가 발생된다.
이렇게, 파워모듈의 절연기판은 사이즈가 큰 1개의 기판으로 이루어짐에 따라 칩이 동작됨에 따른 고온에서 휨이 크게 발생되기 때문에, 고성능을 확보함과 동시에 내구성을 확보하기 위한 방안이 요구된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0052143 A (2018.05.18)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 복수의 인버터를 구성시 절연기판을 분리 구성하여 고온에서의 내구가 확보되고 신뢰성이 향상되며, 버스바의 배치 최적화를 통해 내부의 기생 인덕턴스가 감소되는 파워 모듈 및 이를 이용한 모터 구동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파워 모듈은 제1 타입 반도체로 구성된 복수의 제1 스위칭 소자가 실장된 제1 기판; 제2 타입 반도체로 구성된 복수의 제2 스위칭 소자와, 제1 타입 반도체 또는 제2 타입 반도체로 구성된 하나의 제3 스위칭 소자가 실장된 제2 기판; 및 제1 기판과 제2 기판을 통전시키는 연결 스페이서;를 포함한다.
각각의 제1 스위칭 소자는 두 개의 칩을 포함하고, 각각의 제2 스위칭 소자는 두 개의 칩을 포함하며, 제3 스위칭 소자는 하나의 칩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 타입 반도체는 SiC로 구성되고, 제 2타입 반도체는 Si로 구성된 것을 특징으로 한다.
제3 스위칭 소자는 제1타입 반도체로 구성된 것을 특징으로 한다.
제1 기판은 제2 기판에 대비하여 상대적으로 높은 열전도율 특성을 가지도록 구성된 것을 특징으로 한다.
제1 기판은 제1 상부기판과 제1 하부기판으로 구성되고, 제1 상부기판의 하면과 제1 하부기판의 상면 사이에 제1 스위칭 소자가 배치되며, 제2 기판은 제2 상부기판과 제2 하부기판으로 구성되고, 제2 상부기판의 하면과 제2 하부기판의 상면 사이에 제2 스위칭 소자가 배치된 것을 특징으로 한다.
제1 상부기판, 제1 하부기판, 제2 상부기판, 제2 하부기판은 각각 상부 금속층 및 하부 금속층, 상부 금속측과 하부 금속층 사이에 개재된 절연체로 구성된 것을 특징으로 한다.
제1 스위칭 소자는 제1 HS FET과 제1 LS FET으로 구성되어 제1 기판에서 이격 배치되고, 제2 스위칭 소자는 제2 HS FET, 제2 LS FET으로 구성되어 제2 기판에서 이격 배치된 것을 특징으로 한다.
연결 스페이서는 제1 기판에서 제1 HS FET과 제2 기판에서 제2 HS FET에 통전되도록 연결된 것을 특징으로 한다.
제3 스위칭 소자는 제2 기판에서 제2 HS FET과 제2 LS FET 사이에 이격 배치된 것을 특징으로 한다.
제1 기판과 제2 기판에는 일측으로 복수의 버스바가 나란히 배치되고, 타측으로 복수의 제어핀이 나란히 배치된 것을 특징으로 한다.
제1 기판에는 P형 버스바, N형 버스바, 제1 출력 버스바가 구성되고, 제2 기판에는 P형 또는 N형 버스바, 제2 출력 버스바, 절환 버스바가 구성된 것을 특징으로 한다.
제1 기판에는 P형 버스바, 제1 N형 버스바, 제1 출력 버스바가 구성되고, 제2 기판에는 제2 N형 버스바, 제2 출력 버스바, 절환 버스바가 구성되며, 제1 기판과 제2 기판의 일측에는 제1 N형 버스바, P형 버스바, 제2 N형 버스바, 절환 버스바, 제2 출력 버스바가 나란히 배열된 것을 특징으로 한다.
제1 출력 버스바와 제2 출력 버스바는 제1 기판의 타측 및 제2 기판의 일측에서 대각 방향으로 가장 멀리 이격되게 배치된 것을 특징으로 한다.
제1 기판에는 제1 HS FET에 제어 신호를 제공하는 제1 제어핀, 제1 LS FET에 제어 신호를 제공하는 제2 제어핀이 구성되고, 제2 기판에는 제2 HS FET에 제어 신호를 제공하는 제3 제어핀, 제2 LS FET에 제어 신호를 제공하는 제4 제어핀이 구성되며, 제1 기판의 제1 제어핀, 제2 제어핀 및 제2 기판의 제3 제어핀, 제4 제어핀이 타측에서 서로 이격되도록 배열된 것을 특징으로 한다.
제1 기판, 제2 기판, 연결 스페이서는 일체로 몰딩된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 파워 모듈을 이용한 모터 구동 시스템은 세 개의 파워 모듈을 이용하여 제1 인버터, 제2 인버터 및 절환스위치를 구현하고, 세 개 중 제1 파워 모듈은 제1 인버터의 제1 레그, 제2 인버터의 제1 레그 및 절환 스위치부의 제1 스위치를 포함하며, 세 개 중 제2 파워 모듈은 제2 인버터의 제1 레그, 제2 인버터의 제2 레그 및 절환 스위치부의 제2 스위치를 포함하고, 세 개 중 제3 파워 모듈은 제3 인버터의 제1 레그, 제3 인버터의 제1 레그 및 절환 스위치부의 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 파워 모듈은 복수의 인버터를 구성시 절연기판을 분리 구성하여, 절연기판의 고온 내구가 확보되고 신뢰성이 향상된다.
또한, 복수의 인버터가 연결 스페이서에 의해 전기적으로 연결되어 각 인버터의 버스바 중 일부가 공유됨에 따라, 버스바의 개수가 감소되고, 버스바의 배치 구조에 의해 내부의 기생 인덕턱스가 감소된다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 모듈을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 파워 모듈을 설명하기 위한 회로도.
도 3은 도 1에 도시된 파워 모듈의 제1 기판 및 제 2 기판을 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 파워 모듈의 제1 기판 및 제2 기판의 하부에서 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 도 1에 도시된 파워 모듈의 제1 기판 및 제2 기판의 상부에서 전류 흐름을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파워 모듈에 대하여 살펴본다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 모듈을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 파워 모듈을 설명하기 위한 회로도이며, 도 3은 도 1에 도시된 파워 모듈의 제1 기판 및 제 2 기판을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 파워 모듈의 제1 기판 및 제2 기판의 하부에서 전류 흐름을 나타낸 도면이며, 도 5는 도 1에 도시된 파워 모듈의 제1 기판 및 제2 기판의 상부에서 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 파워 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 타입 반도체로 구성된 복수의 제1 스위칭 소자(110)가 실장된 제1 기판(100); 제2 타입 반도체로 구성된 복수의 제2 스위칭 소자(210)와, 제1 타입 반도체 또는 제2 타입 반도체로 구성된 하나의 제3 스위칭 소자(220)가 실장된 제2 기판(200); 및 제1 기판(100)과 제2 기판(200)을 통전시키는 연결 스페이서(300);를 포함한다.
이러한 제1 기판(100), 제2 기판(200), 연결 스페이서(300)는 일체로 몰딩될 수 있다.
여기서, 제1 기판(100)에는 제1 스위칭 소자(110)와 함께 스페이서가 더 포함되어 하나의 인버터로 구성되고, 제2 기판(200)에는 제2 스위칭 소자(210)와 함께 스페이서가 더 포함되어 다른 하나의 인버터로 구성될 수 있다. 특히, 인버터가 복수 구성되는 파워모듈(P)에 있어서, 절연 기판이 제1 기판(100)과 제2 기판(200)으로 분리 구성됨에 따라 전기적 연결 및 열교환을 위한 전체 기판의 사이즈가 축소되어 각각의 스위칭 소자에서 발생되는 고온에 의하여 각 기판의 휨 변형이 회피되고, 그에 따라 파워모듈(P)의 내구성 및 신뢰성이 향상되는데 특징이 있다.
즉, 파워모듈(P)의 고사양과 원가절감을 위하여 시스템을 집적화하고, 파워모듈(P)을 고성능화 함에 따라 전력량을 커버하기 위하여 칩의 갯수나 칩의 크기가 증가되어야 한다. 다만, 고성능 파워모듈(P)은 복수의 인버터를 구성시 칩 갯수나 칩 사이즈가 증가됨에 따라, 파워모듈(P)을 이루는 절연 기판의 크기가 증대되어야 한다. 그러나 종래에는 기판이 단일로 구성되고 각각의 칩을 커버하기 위해 기판의 크기가 증대됨에 따라 칩이 집적화 될수록 칩의 동작시 발생하는 고온에 의해 절연기판에 휨 변형이 발생되는 문제가 있다.
본 발명에서는 제1 스위칭 소자(110)에 실장되는 제1 기판(100)과, 제2 스위칭 소자(210)가 실장되는 제2 기판(200)으로 분리 구성함으로써, 각 기판의 전체 크기가 축소되어 각 기판의 휨 변형이 감소되고, 그에 따라 파워모듈(P)의 내구성 및 신뢰성이 향상되는데 특징이 있다.
이와 더불어, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 경우 연결 스페이서(300)를 통해 통전되도록 연결됨으로써, 외부로 전기적 연결을 위한 버스바 개수를 축소하고, 각 버스바(400)의 배치를 최적화하여 내부 기생 인덕턱스를 감소할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 파워 모듈은 제1 기판(100), 제2 기판(200), 연결 스페이서(300)가 일체로 몰딩될 수 있다. 즉, 파워모듈(P)은 제1 기판(100)에 해당되는 제1 인버터(INV 1)와 제2 기판(200)에 해당되는 제2 인버터(INV 2)로 구성되며, 각각의 인버터가 몰딩되어 일체화된다.
여기서, 각각의 제1 스위칭 소자(110)는 두 개의 칩을 포함하고, 각각의 제2 스위칭 소자(210)는 두 개의 칩을 포함하며, 제3 스위칭 소자(220)는 하나의 칩을 포함할 수 있다. 이를 통해, 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)가 각기 구성될 수 있으며, 제1 스위칭 소자(110)와 제2 스위칭 소자(210), 제3 스위칭 소자(220)는 각각의 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)에서 요구하는 사양에 따라 설치 개수가 결정될 수 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(M)을 갖는 모터로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(110)를 포함하며 모터의 권선(M) 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(INV 1)와, 복수의 제2 스위칭 소자(210)를 포함하며 모터의 권선(M) 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(INV 2)와, 모터의 권선(M) 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고 그 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자(220)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 스위칭 소자(110), 제2 스위칭 소자(210), 제3 스위칭 소자(220)는 각각 제어기(C)의 제어에 의해 온/오프 상태가 제어될 수 있다.
이러한 연결구조에서, 제3 스위칭 소자(220)가 온되는 경우 모터의 권선(M)의 타단은 상호 전기적인 접속을 형성하게 되어 모터는 중성점을 갖는 Y-결선된 권선(M) 구조를 갖게 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(220)가 온된 상태에서는 제2 스위칭 소자(210)가 모두 오프됨에 따라 제2 인버터(INV 2)가 비활성화되고, 제1 인버터(INV 1)의 제1 스위칭 소자(110)만 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터를 구동할 수 있다.
제3 스위칭 소자(220)가 오프되는 경우에 모터의 권선(M)의 양단은 각각 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)에 연결된 상태가 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(220)가 오프된 상태에서는 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)를 모두 활성화하여 제1 스위칭 소자(110) 및 제2 스위칭 소자(210)을 모두 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터를 구동할 수 있다.
이에 따라, 제3 스위칭 소자(220)는 절환 스위치라 칭할 수 있다.
한편, 제1 스위칭 소자(110)를 이루는 제1 타입 반도체는 SiC로 구성되고, 제2 스위칭 소자(210)를 이루는 제 2타입 반도체는 Si로 구성될 수 있다.
즉, 제1 스위칭 소자(110)는 제3 스위칭 소자(220)에 의해 제2 스위칭 소자(210)가 모두 온되는 경우 제1 스위칭 소자(110)만으로 펄스폭 변조 제어를 수행해야 함에 따라 상대적으로 고성능으로 구성되어야 한다.
또한, 제2 스위칭 소자(210)는 제3 스위칭 소자(220)에 의해 오프되는 경우 제1 스위칭 소자(110)와 함께 활성화되어 제1 스위칭 소자(110) 및 제2 스위칭 소자(210)가 모두 펄스폭 변조 제어를 수행한다. 이렇게, 제2 스위칭 소자(210)는 고출력이 요구되는 상황에서 제1 스위칭 소자(110)와 함께 활성화됨에 따라 상대적으로 저성능으로 구성될 수 있다.
이에 따라, 제1 스위칭 소자(110)는 고성능을 가지며 낮은 열저항을 가지는 SiC로 구성될 수 있으며, 제2 스위칭 소자(210)는 제1 스위칭 소자(110)에 대비하여 저성능을 이루어진 Si로 구성될 수 있다.
이와 더불어, 제3 스위칭 소자(220)는 제1타입 반도체로 구성될 수 있으며, 제1 스위칭 소자(110)와 동일한 고성능의 Si로 구성됨에 따라 제1 인버터(INV 1) 또는 제2 인버터(INV 2)의 연결 전환에 따른 신뢰성이 확보될 수 있다.
또한, 제1 기판(100)은 제2 기판(200)에 대비하여 상대적으로 높은 열전도율 특성을 가지도록 구성될 수 있다.
즉, 제1 기판(100)에 실장된 제1 스위칭 소자(110)는 제2 기판(200)에 실장된 제2 스위칭 소자(210)에 대비하여 고성능으로 이루어짐에 따라 발열량도 크기 때문에 제1 기판(100)은 제2 기판(200)에 비하여 열저항이 높은 특성을 가지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(100)은 SiN 또는 AIN 등의 고열전도율 재질로 제작될 수 있고, 제2 기판(200)은 AI2O3 등의 저열전도율 재질로 제작될 수 있다.
상술한 각 스위칭 소자의 반도체 타입은 본 발명에 따른 실시예로서, 다양한 타입의 반도체가 적용될 수 있다.
한편, 제1 기판(100)은 제1 상부기판(100a)과 제1 하부기판(100b)으로 구성되고, 제1 상부기판(100a)의 하면과 제1 하부기판(100b)의 상면 사이에 제1 스위칭 소자(110)가 배치되며, 제2 기판(200)은 제2 상부기판(200a)과 제2 하부기판(200b)으로 구성되고, 제2 상부기판(200a)의 하면과 제2 하부기판(200b)의 상면 사이에 제2 스위칭 소자(210)가 배치된다.
여기서, 제1 상부기판(100a), 제1 하부기판(100b), 제2 상부기판(200a), 제2 하부기판(200b)은 각각 상부 금속층(A1) 및 하부 금속층(A2), 상부 금속측과 하부 금속층(A2) 사이에 개재된 절연체(A3)로 구성될 수 있다.
또한, 제1 상부기판(100a)의 하부 금속층(A2)과 제1 하부기판(100b)의 상부 금속층(A1) 사이에는 제1 스위칭 소자(110)와 제1 스페이서(120)가 물리적/전기적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 상부기판(200a)의 하부 금속층(A2)과 제2 하부기판(200b)의 상부 금속층(A1) 사이에는 제2 스위칭 소자(210)와 제2 스페이서(230)가 물리적/전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 각각의 상부기판과 하부기판이 전기적으로 연결되고, 각각의 상부기판과 하부기판 사이에 공간이 확보될 수 있다.
한편, 제1 스위칭 소자(110)는 제1 HS FET(111)과 제1 LS FET(112)으로 구성되어 제1 기판(100)에서 이격 배치되고, 제2 스위칭 소자(210)는 제2 HS FET(211), 제2 LS FET(212)으로 구성되어 제2 기판(200)에서 이격 배치된다.
도 2를 참고하여 보면, 제1 스위칭 소자(110)를 이루는 제1 HS FET(111)과 제1 LS FET(112)에는 직류 전압이 인가되는 복수의 레그가 구성되며, 각 레그는 모터의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결을 형성함에 따라 제1 인버터(INV 1)를 구성한다.
또한, 제2 스위칭 소자(210)를 이루는 제2 HS FET(211)과 제2 LS FET(212)에는 직류 전압이 인가되는 복수의 레그가 구성되며, 각 레그는 모터의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결을 형성함에 따라 제2 인버터(INV 2)를 구성한다.
한편, 제3 스위칭 소자(220)는 모터에 포함된 복수의 권선(M) 각각에 연결된다.
이를 통해, 본 발명은 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)를 구성하고, 제3 스위칭 소자(220)의 온/오프에 따라 모터의 출력을 다양화할 수 있다.
여기서, 도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 제1 기판(100)에 실장되는 제1 HS FET(111)과 제1 LS FET(112)은 이격 배치되고, 제2 기판(200)에 실장되는 제2 HS FET(211)과 제2 LS FET(212)은 이격 배치됨으로써, 각각의 스위칭 소자 간의 쇼트가 방지되도록 한다.
한편, 연결 스페이서(300)는 제1 기판(100)에서 제1 HS FET(111)과 제2 기판(200)에서 제2 HS FET(211)에 통전되도록 연결된다. 즉, 직류 전력의 경우 안정적인 전력 활용을 위해 제1 스위칭 소자(110)와 제2 스위칭 소자(210)에서 각각의 HS FET 측에 전류가 전달된다. 이에 따라, 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)를 통전시키기 위한 연결 스페이서(300)의 경우 제1 기판(100)에서 제1 HS FET(111)과 제2 기판(200)에서 제2 HS FET(211)에 통전되도록 연결한다.
한편, 제3 스위칭 소자(220)는 제2 기판(200)에서 제2 HS FET(211)과 제2 LS FET(212) 사이에 이격 배치되도록 하여, 제3 스위칭 소자(220)의 온/오프 여부에 따라 제2 기판(200)의 제2 HS FET(211)과 제2 LS FET(212)에 전력이 선택적으로 인가되도록 한다. 또한, 제3 스위칭 소자(220)는 제2 HS FET(211)과 제2 LS FET(212)에 대해 이격되게 배치되어 쇼트가 방지되도록 한다.
한편, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)에는 일측으로 복수의 버스바(400)가 나란히 배치되고, 타측으로 복수의 제어핀(500)이 나란히 배치된다. 여기서, 버스바(400)는 각 스위칭 소자에 전력을 인가하도록 구성되고, 제어핀(500)은 각 스위칭 소자에 제어 신호를 제공하도록 구성된다.
여기서, 제1 기판(100)에는 P형 버스바와 N형 버스바가 구성되고, 제2 기판(200)에는 P형 버스바 또는 N형 버스바 중 어느 하나가 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서는 제1 기판(100)에 P형 버스바(410), 제1 N형 버스바(420)가 구성되고, 제2 기판(200)에는 제2 N형 버스바(440)가 구성된다.
또한, 제1 기판(100)에는 제1 출력 버스바(430)가 구성될 수 있고, 제2 기판(200)에는 제2 출력 버스바(450), 절환 버스바(460)가 구성될 수 있다.
즉, 제1 기판(100)과 제2 기판(200) 별로 P형, N형 버스바가 마련되고, 출력 버스바가 각기 마련되며, 절환 버스바가 구성되는 경우 총 7개의 버스바가 필요하게 된다. 그러나 본 발명은 제1 기판(100)과 제2 기판(200)에 연결 스페이서(300)가 연결됨으로써, 제2 기판(200)으로 전류가 입력되는 P형 버스바(410)를 연결 스페이서(300)가 대체하여 P형 버스바(410)가 감소됨에 따라 총 6개의 버스바만으로 파워 모듈(P)을 구성할 수 있다.
또한, 파워 모듈(P)은 각 스위칭 소자의 지속적인 온/오프 동작에 의해 버스바(400)에 의한 내부 기생 인덕던스로 오버슈트 전압이 발생된다. 이러한 오버슈트 전압은 파워 모듈이 적용되는 시스템 전체의 전력 손실과 노이즈를 증가시키고 심각한 경우 전력 반도체 소자의 소손이 발생할 수도 있다. 이는, 파워 모듈 내 전류의 경로가 길어질수록 파워 모듈의 내부 기생 인덕턴스도 증가하는 특성을 가지므로, 기생 인덕턴스 감소를 위해서는 파워 모듈 내 전류 경로를 감소시키는 것이 중요하다. 특히, 파워 모듈 내 전력 반도체 소자와 연결되는 파워 리드의 길이도 전류 경로에 큰 영향을 미친다. 본 발명은 제1 기판(100)과 제2 기판(200)에 연결 스페이서(300)의 연결을 통해 버스바(400)의 개수가 감소됨으로써 버스바(400)의 크기 및 절연거리 만큼의 파워모듈(P)의 크기가 감소되고, 버스바(400)의 배치에 따른 기생 인덕턴스 감소 효과가 발생된다.
이러한 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)에 적용되는 N형, P형, N형 버스바 연결 구조는 P형, N형, P형 버스바 연결 구조로 변경 가능하지만, N형, P형, N형 버스바 연결 구조의 기생 인덕턴스 감소 효과가 더 높기 때문에, 본 발명은 제1 기판(100)에 P형 버스바(410), 제1 N형 버스바(420)를 구성하고, 제2 기판(200)에는 제2 N형 버스바(440)가 구성되도록 한다.
한편, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 일측에는 제1 N형 버스바(420), P형 버스바(410), 제2 N형 버스바(440), 절환 버스바(460), 제2 출력 버스바(450)가 나란히 배열될 수 있다. 특히, 제1 N형 버스바(420), P형 버스바(410), 제2 N형 버스바(440), 절환 버스바(460), 제2 출력 버스바(450)는 각각 절연 거리를 가지고 이격되게 배치되어 버스바(400) 간의 쇼트가 방지되도록 한다.
특히, 제1 출력 버스바(430)와 제2 출력 버스바(450)는 제1 기판(100)의 타측 및 제2 기판(200)의 일측에서 대각 방향으로 가장 멀리 이격되게 배치된다. 이렇게, 제1출력 버스바(400)와 제2 출력 버스바(450)의 경우 가장 멀리 이격되게 배치함으로써, 제1 출력 버스바(430)와 제2 출력 버스바(450)를 통해 출력되는 전류에 의한 쇼트 위험성이 최소화되어 파워 모듈의 운용이 안정화된다.
한편, 제1 기판(100)에는 제1 HS FET(111)에 제어 신호를 제공하는 제1 제어핀(510), 제1 LS FET(112)에 제어 신호를 제공하는 제2 제어핀(520)이 구성되고, 제2 기판(200)에는 제2 HS FET(211)에 제어 신호를 제공하는 제3 제어핀(530), 제2 LS FET(212)에 제어 신호를 제공하는 제4 제어핀(540)이 구성되며, 제1 기판(100)의 제1 제어핀(510), 제2 제어핀(520) 및 제2 기판(200)의 제3 제어핀(530), 제4 제어핀(540)이 타측에서 서로 이격되도록 배열될 수 있다.
각각의 제어핀(500)은 각각의 스위칭 소자에 명령 신호를 입력하기 위한 것이며, 각각의 제어핀(500)은 서로 이격되도록 배치되어 신호 전달시 발생되는 오류가 방지되도록 한다.
상술한 복수의 버스바(400)와 제어핀(500)은 각각 필요 절연 거리에 따라 이격되게 배치될 수 있다.
이에 따른 일실시예로서, 도 4 내지 5에 도시된 바와 같이, 제1 기판(100)과 제2 기판(200)으로 전류가 흐를 수 있다. 여기서, 도 4는 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 하부기판에 해당되고, 도 5는 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 상부 기판에 해당되는 것으로, 제1 기판(100)의 P형 버스바(410)에 전류가 인가되면, 제1 기판(100)의 상부기판 및 하부기판의 회로에 따라 제1 스위칭 소자(110)에 전류 흐름이 형성된다. 특히, 제1 기판(100)의 P형 버스바(410)에 인가된 전류는 연결 스페이서(300)를 통해 제2 기판(200)의 제2 스위칭 소자(210)로 이동되어 제2 기판(200)의 상부기판 및 하부기판의 회로에 따라 제2 스위칭 소자(210)에 전류 흐름이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 스위칭 소자(110), 제2 스위칭 소자(210), 제3 스위칭 소자(220)는 제어기(C)의 제어에 의해 온오프가 전환되어, 제1 인버터(INV 1)와 제2 인버터(INV 2)의 선택적인 활용이 수행된다.
상술한 파워 모듈을 이용한 모터 구동 시스템은 세 개의 파워 모듈을 이용하여 제1 인버터(INV 1), 제2 인버터(INV 2) 및 절환스위치를 구현할 수 있다. 일실시예로서, 세 개 중 제1 파워 모듈은 제1 인버터(INV 1)의 제1 레그, 제2 인버터(INV 2)의 제1 레그 및 절환 스위치부의 제1 스위치를 포함하며, 세 개 중 제2 파워 모듈은 제2 인버터(INV 2)의 제1 레그, 제2 인버터(INV 2)의 제2 레그 및 절환 스위치부의 제2 스위치를 포함하고, 세 개 중 제3 파워 모듈은 제3 인버터의 제1 레그, 제3 인버터의 제1 레그 및 절환 스위치부의 제3 스위치를 포함함으로써, 전체 파워모듈(P)을 구성할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 파워 모듈은 복수의 인버터를 구성시 절연기판을 분리 구성하여, 절연기판의 고온 내구가 확보되고 신뢰성이 향상된다.
또한, 복수의 인버터가 연결 스페이서(300)에 의해 전기적으로 연결되어 각 인버터의 버스바(400) 중 일부가 공유됨에 따라, 버스바(400)의 개수가 감소되고, 버스바(400)의 배치 구조에 의해 내부의 기생 인덕턱스가 감소된다.
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 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:제1 기판 100a:제1 상부기판
100b:제1 하부기판 110:제1 스위칭 소자
111:제1 HS FET 112:제1 LS FET
120:제1 스페이서 200:제2 기판
200a:제2 상부기판 200b:제2 하부기판
210:제2 스위칭 소자 211:제2 HS FET
212:제2 LS FET 220:제3 스위칭 소자
230:제2 스페이서 300:연결 스페이서
400:버스바 410:P형 버스바
420:제1 N형 버스바 430:제1 출력 버스바
440:제2 N형 버스바 450:제2 출력 버스바
460:절환 버스바 500:제어핀
510:제1 제어핀 520:제2 제어핀
530:제3 제어핀 540:제4 제어핀
A1:상부 금속층 A2:하부 금속층
A3:절연체 P:파워모듈
INV 1:제1 인버터 INV 2:제2 인버터
C:제어기 M:권선

Claims (17)

  1. 제1 타입 반도체로 구성된 복수의 제1 스위칭 소자가 실장된 제1 기판;
    제2 타입 반도체로 구성된 복수의 제2 스위칭 소자와, 제1 타입 반도체 또는 제2 타입 반도체로 구성된 하나의 제3 스위칭 소자가 실장된 제2 기판; 및
    제1 기판과 제2 기판을 통전시키는 연결 스페이서;를 포함하는 파워 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 제1 스위칭 소자는 두 개의 칩을 포함하고, 각각의 제2 스위칭 소자는 두 개의 칩을 포함하며, 제3 스위칭 소자는 하나의 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 타입 반도체는 SiC로 구성되고, 제 2타입 반도체는 Si로 구성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제3 스위칭 소자는 제1타입 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  5. 청구항 3에 있어서,
    제1 기판은 제2 기판에 대비하여 상대적으로 높은 열전도율 특성을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 기판은 제1 상부기판과 제1 하부기판으로 구성되고, 제1 상부기판의 하면과 제1 하부기판의 상면 사이에 제1 스위칭 소자가 배치되며,
    제2 기판은 제2 상부기판과 제2 하부기판으로 구성되고, 제2 상부기판의 하면과 제2 하부기판의 상면 사이에 제2 스위칭 소자가 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제1 상부기판, 제1 하부기판, 제2 상부기판, 제2 하부기판은 각각 상부 금속층 및 하부 금속층, 상부 금속측과 하부 금속층 사이에 개재된 절연체로 구성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제1 스위칭 소자는 제1 HS FET과 제1 LS FET으로 구성되어 제1 기판에서 이격 배치되고,
    제2 스위칭 소자는 제2 HS FET, 제2 LS FET으로 구성되어 제2 기판에서 이격 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    연결 스페이서는 제1 기판에서 제1 HS FET과 제2 기판에서 제2 HS FET에 통전되도록 연결된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  10. 청구항 8에 있어서,
    제3 스위칭 소자는 제2 기판에서 제2 HS FET과 제2 LS FET 사이에 이격 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  11. 청구항 8에 있어서,
    제1 기판과 제2 기판에는 일측으로 복수의 버스바가 나란히 배치되고, 타측으로 복수의 제어핀이 나란히 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제1 기판에는 P형 버스바, N형 버스바, 제1 출력 버스바가 구성되고,
    제2 기판에는 P형 또는 N형 버스바, 제2 출력 버스바, 절환 버스바가 구성된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  13. 청구항 11에 있어서,
    제1 기판에는 P형 버스바, 제1 N형 버스바, 제1 출력 버스바가 구성되고,
    제2 기판에는 제2 N형 버스바, 제2 출력 버스바, 절환 버스바가 구성되며,
    제1 기판과 제2 기판의 일측에는 제1 N형 버스바, P형 버스바, 제2 N형 버스바, 절환 버스바, 제2 출력 버스바가 나란히 배열된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  14. 청구항 12에 있어서,
    제1 출력 버스바와 제2 출력 버스바는 제1 기판의 타측 및 제2 기판의 일측에서 대각 방향으로 가장 멀리 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  15. 청구항 11에 있어서,
    제1 기판에는 제1 HS FET에 제어 신호를 제공하는 제1 제어핀, 제1 LS FET에 제어 신호를 제공하는 제2 제어핀이 구성되고,
    제2 기판에는 제2 HS FET에 제어 신호를 제공하는 제3 제어핀, 제2 LS FET에 제어 신호를 제공하는 제4 제어핀이 구성되며,
    제1 기판의 제1 제어핀, 제2 제어핀 및 제2 기판의 제3 제어핀, 제4 제어핀이 타측에서 서로 이격되도록 배열된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  16. 청구항 1에 있어서,
    제1 기판, 제2 기판, 연결 스페이서는 일체로 몰딩된 것을 특징으로 하는 파워 모듈.
  17. 청구항 1에 따른 파워 모듈을 이용한 모터 구동 시스템에 있어서,
    세 개의 파워 모듈을 이용하여 제1 인버터, 제2 인버터 및 절환스위치를 구현하고,
    세 개 중 제1 파워 모듈은 제1 인버터의 제1 레그, 제2 인버터의 제1 레그 및 절환 스위치부의 제1 스위치를 포함하며,
    세 개 중 제2 파워 모듈은 제2 인버터의 제1 레그, 제2 인버터의 제2 레그 및 절환 스위치부의 제2 스위치를 포함하고,
    세 개 중 제3 파워 모듈은 제3 인버터의 제1 레그, 제3 인버터의 제1 레그 및 절환 스위치부의 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
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