KR20240048369A

KR20240048369A - 전기자동차용 인버터모듈

Info

Publication number: KR20240048369A
Application number: KR1020220128068A
Authority: KR
Inventors: 김영도; 장동근; 최대운
Original assignee: 주식회사 세미파워렉스
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2022-10-06
Publication date: 2024-04-15

Abstract

본 발명은 전기자동차의 모터 구동을 제어하는 전기자동차용 인버터모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 부피를 최소화하고 구조를 간결, 단순화할 수 있는 전기자동차용 인버터모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 전기자동차용 인버터모듈에 있어서, 스위칭소자가 구비된 반도체 모듈; 상기 반도체 모듈과 근접하여 배치되는 DC-링크 커패시터; 및 상기 반도체 모듈과 상기 DC-링크 커패시터를 냉각하는 냉각부;를 포함하고, 상기 DC-링크 커패시터는 고전압용 세라믹칩 커패시터가 상하로 적층되어 인접하여 배치된 복수의 커패시터적층체로 구성되고, 상기 복수의 커패시터적층체가 배열되어 고정되는 커패시터고정부재가 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차용 인버터모듈{INVERTER MODULE FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차의 모터 구동을 제어하는 전기자동차용 인버터모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 부피를 최소화하고 구조를 간결, 단순화할 수 있는 전기자동차용 인버터모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 전기 자동차는 회전력을 발생시키는 모터, 모터에 전원을 제공하는 배터리, 모터의 구동을 제어하기 위한 인버터모듈, 배터리에 전기를 축전하기 위한 충전기 및 차량용 12V 전원을 발생하기 위한 로우 DC 컨버터를 등을 구비한다.

인버터모듈은 통상 양면냉각 파워 모듈 등으로 호칭되는 양면냉각 반도체 모듈, 전압 리플에 따른 전기소자의 악영향을 감쇠하는 DC-링크 커패시터(LINK CAPACITOR), 게이트구동드라이브, 양면냉각 반도체 모듈 및 DC-링크 커패시터를 냉각하는 냉각부 등을 구비한다.

양면냉각 반도체 모듈은 모터를 구동시키기 위해 고전압, 고전류를 필요로 하고 모터를 구동시키기 위해서 양면냉각 반도체 모듈에 내장되는 스위칭소자(IGBT/MOSFET)가 고전압, 고전류에서 동작을 계속하게 되고 IGBT 칩의 온도가 상승됨에 따라 양면냉각 반도체 모듈의 온도가 함께 올라가게 되면서 작동의 안정성 결여, 오작동 등이 유발되고 내구성이 저하되므로 이를 방지하기 위해서는 효율적인 냉각이 매우 중요하다.

DC-링크 커패시터는 주로 필름 커패시터가 사용되고 있고 있으며, 전기 자동차의 구동 모터를 제어하는 인버터에 적용되는 경우 직류 입력 전압단의 전압 맥동 성분을 제거하기 위한 평활 및 스위칭에 의한 고주파 리플 전류를 흡수하기 위하여 필름 커패시터를 인버터의 스위치에 가깝게 위치시켜 직류 입력단에 사용한다. 하지만 전술한 종래 DC-링크 커패시터는 필름 커패시터로 구성됨에 따라 부피가 지나치게 커서 인버터모듈의 전체적인 부피 증가를 수반하게 되므로 전기자동차 설계에 악영향을 초래하고, 중량의 상승으로 전기소모량(연비)를 증가시키는 단점이 있다. 예컨대, 필름 커패시터를 이용하여 900V 내압에 용량이 500uF인 범용 DC-링크 커패시터( DC-link film capacitor)를 구성할 경우 1,940,675㎣(237 x 159 x 51.5) 정도의 큰 부피를 가지므로 이를 개선할 필요가 있다.

종래 DC-링크 커패시터는 다층으로 적층된 필름 커패시터가 다열에 배치된 상태에서 그 외부에 합성수지 케이스가 결합된 구조로 형성되므로 사용 중 고주파 리플 전류 등에 의해 필름 커패시터가 발열하게 될 경우 방열 불량으로 필름 커패시터의 내부 온도를 상승시켜 수명을 단축시키고, 결국 전체 인버터 시스템의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

그리고, DC-링크 커패시터의 방열을 위해 수냉식 냉각부를 설치하더라도 합성수지 케이스에 접촉시키는 방식으로 설치할 수 밖에 없는 구조이므로 필름 커패시터의 냉각 작용을 직접적으로 수행할 수 없어서 만족할 만한 냉각효과를 기대할 수 없는 한계점이 있다.

한국공개특허 제10-2016-0101289호 "방열 구조를 갖는 DC-링크 커패시터 모듈" 한국공개특허 제10-2015-0000741호 "차량용 전력전자 커패시터 모듈" 한국공개특허 제10-2016-0062447호 "차량용 인버터의 필름 커패시터 모듈"

본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 부피를 최소화하고 구조를 간결, 단순화할 수 있도록 한 전기자동차용 인버터모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 전기자동차용 인버터모듈에 있어서, 스위칭소자가 구비된 반도체 모듈; 상기 반도체 모듈과 근접하여 배치되는 DC-링크 커패시터; 및 상기 반도체 모듈과 상기 DC-링크 커패시터를 냉각하는 냉각부;를 포함하고, 상기 DC-링크 커패시터는 고전압용 세라믹칩 커패시터가 상하로 적층되어 인접하여 배치된 복수의 커패시터적층체로 구성되고, 상기 복수의 커패시터적층체가 배열되어 고정되는 커패시터고정부재가 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 냉각부는, 일측에 냉각수유입구가 형성되고 타측에 냉각수배출구가 형성되며 내부에 제1 유동공간이 마련된 제1 냉각부재; 상기 제1 냉각부재의 저부에 기밀적으로 결합되고 일측에 제1 냉각수이동공이 천공되고 타측에 제4 냉각수이동공이 천공되며 내면에 다수의 제1 냉각핀이 돌출된 제2 냉각부재; 상기 제2 냉각부재의 저부에 기밀적으로 결합되고 일측에 상기 제1 냉각수이동공과 연통되는 제2 냉각수이동공이 천공되고 타측에 상기 제4 냉각수이동공과 연통되는 제3 냉각수이동공이 천공되며 내면에 다수의 제2 냉각핀이 돌출된 제3 냉각부재; 및 상기 제3 냉각부재의 저부에 기밀적으로 결합되고 내부에 제2 유동공간이 마련된 제4 냉각부재;를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 상기 반도체 모듈의 냉각을 위해, 상기 제2 냉각부재의 하면과 상기 제3 냉각부재의 상면 사이에 상기 반도체 모듈이 삽입되어 안착되는 반도체모듈삽입틈새가 형성되고, 상기 커패시터적층체의 냉각을 위해 상기 커패시터적층체의 상면이 상기 제4 냉각부재의 하면에 밀착되도록 상기 커패시터고정부재에 상기 제4 냉각부재가 고정되고, 상기 제1 내지 제4 냉각부재의 사이에 기밀을 유지하기 위해 구성되는 기밀수단을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게 상기 제2 냉각부재는 상기 반도체모듈삽입틈새가 형성되도록 상기 제1 냉각수이동공 형성부위 저면에 돌출되는 제1 간격형성돌출부와, 상기 제4 냉각수이동공 형성부위 저면에 돌출되는 제2 간격형성돌출부를 구비할 수 있다.

상기 기밀수단은 상기 제1 냉각수이동공과 상기 제2 냉각수이동공 사이의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 제1 기밀부재; 상기 제1 기밀부재가 삽입되도록 상기 제1 냉각수이동공의 하측 둘레에 요입되는 제1 기밀부재삽입홈; 상기 제4 냉각수이동공과 상기 제3 냉각수이동공 사이의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 제2 기밀부재; 및 상기 제2 기밀부재가 삽입되도록 상기 제4 냉각수이동공의 하측 둘레에 요입되는 제2 기밀부재삽입홈;을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 기밀수단은, 상기 제1 냉각부재의 제1 유동공간 가장자리 둘레에 요입되는 제3 기밀부재삽입홈; 상기 제1 냉각부재와 상기 제2 냉각부재 사이의 기밀을 유지하기 위해 상기 제3 기밀부재삽입홈에 삽입되는 제3 기밀부재; 상기 제4 냉각부재의 제2 유동공간 가장자리 둘레에 요입되는 제4 기밀부재삽입홈; 및 상기 제3 냉각부재와 상기 제4 냉각부재 사이의 기밀을 유지하기 위해 상기 제4 기밀부재삽입홈에 삽입되는 제4 기밀부재;을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 상기 제1 내지 제4 냉각부재를 서로 결속하도록 상기 제1 내지 제3 냉각부재의 둘레에 서로 대향되게 이격, 돌출되고 체결부재삽입공이 형성된 복수의 제1 고정돌부, 상기 제1 고정돌부의 체결부재삽입공에 삽입되는 제1 체결부재, 상기 제1 고정돌부를 통해 삽입된 상기 제1 체결부재가 체결되도록 상기 제4 냉각부재에 형성된 제1 체결공을 포함하는 제1 냉각부재결속부를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 상기 제1 내지 제4 냉각부재를 상기 커패시터고정부재에 결합하기 위해 상기 제1 내지 제4 냉각부재의 둘레에 서로 대향되게 이격, 돌출되고 체결부재삽입공이 형성된 복수의 제2 고정돌부, 상기 제2 고정돌부의 체결부재삽입공에 삽입되는 제2 체결부재, 상기 제2 고정돌부를 통해 삽입된 상기 제2 체결부재가 체결되도록 대향되는 상기 커패시터고정부재에 형성되는 제2 체결부재체결공을 포함하는 제2 냉각부재결속부를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 고전압용 세라믹칩 커패시터는 사각 형상을 갖는 몸체에 걸림홈이 요입된 커패시터본체, 상기 커패시터본체에 접속되는 단자몸체에 단자홀이 천공된 음극단자 및 양극단자가 구비되는 단자부를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 커패시터고정부재는, 상기 복수의 커패시터적층체가 올려지는 지지판, 상기 지지판에 이격되게 직립되고 상기 걸림홈에 삽입되는 걸림돌부가 형성된 복수의 커패시터지지부재, 상기 지지판의 일측 및 타측에 형성되어 상기 제4 냉각부재가 결합되고 상기 걸림홈에 삽입되는 걸림돌부가 형성된 냉각부지지부재를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 커패시터고정부재는 냉각수가 유동되도록 상기 지지판 및 상기 냉각부지지부재에 서로 연통되게 형성되는 커패시터냉각라인을 구비한 커패시터보조냉각부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈에 의하면, 반도체 모듈이 냉각부에 마련된 반도체모듈삽입틈새(t)에 삽입되어 반도체 모듈의 상면과 하면이 동시에 냉각되므로 반도체 모듈에 내장된 스위칭소자의 동작을 계속하게 되더라도 온도가 상승되지 않아서 오작동 등을 미연에 방지하여 작동의 안정성을 확보할 수 있고 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 냉각부가 반도체 모듈 뿐만 아니라 DC-링크 커패시터의 냉각작용을 동시에 수행하므로 구조를 간결, 단순화할 수 있고 DC-링크 커패시터의 수명을 연장시킬 수 있고 오작동 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 DC-링크 커패시터가 고전압용 세라믹칩 커패시터를 상하로 적층하여 구성함에 따라 부피와 중량을 감소할 수 있고 구조를 간결, 단순화할 수 있으므로 전기자동차의 설계에 악영향을 끼치지 않고 자동차의 주행거리를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈를 나타낸 사시도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈를 주요 구성요소를 분리하여 나타낸 분리사시도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 반도체 모듈을 나타낸 사시도,
도4a 및 도4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 DC-링크 커패시터 및 커패시터고정부를 설명하기 위한 도면으로서, 도4a는 장착상태를 나타낸 사시도, 도4b는 분리된 상태를 나타낸 분리사시도이다.
도5a 내지 도5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 냉각부를 설명하기 위한 도면으로서 도5a는 전체 분리사시도, 도5b는 일측을 확대한 분리사시도, 도5b는 타측을 확대한 분리사시도이다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈을 설명하기 위한 종단면도로서, 도6a는 전체 단면을, 도6b는 도6a의 일측 부분을 확대한 것이고, 도6c는 도6a의 일측 부분을 확대한 것이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 커패시터고정부재를 나타낸 사시도,
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 작용을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도1 내지 도8에 의거하여 상세히 설명하되, 도1 내지 도8에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여하여 설명하도록 한다.

한편, 각각의 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 상세한 설명은 간략히 하거나 생략한다. 또한, 본 발명이 전기자동차용 인버터모듈에 특징을 갖는 것이므로 이와 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하고 나머지 부분에 대한 설명은 간략화하거나 생략하도록 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈를 나타낸 사시도, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈를 주요 구성요소를 분리하여 나타낸 분리사시도, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 반도체 모듈을 나타낸 사시도, 도4a 및 도4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 DC-링크 커패시터 및 커패시터고정부를 설명하기 위한 도면으로서, 도4a는 장착상태를 나타낸 사시도, 도4b는 분리된 상태를 나타낸 분리사시도이다. 도5a 내지 도5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 냉각부를 설명하기 위한 도면으로서 도5a는 전체 분리사시도, 도5b는 일측을 확대한 분리사시도, 도5b는 타측을 확대한 분리사시도이다. 도6a 내지 도6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈을 설명하기 위한 종단면도로서, 도6a는 전체 단면을, 도6b는 도6a의 일측 부분을 확대한 것이고, 도6c는 도6a의 일측 부분을 확대한 것이다.

도1 내지 도6c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 반도체 모듈(1), DC-링크 커패시터(2), 냉각부(3) 및 커패시터고정부재(4)를 구비한 것으로 반도체 모듈(1) 및 DC-링크 커패시터(2)의 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 인버터모듈의 전체 부피를 최소화하여 간결, 단순화할 수 있도록 구성한 점에 특징이 있다.

반도체 모듈(1)은 통상 양면냉각 반도체 모듈로 호칭되는 것으로 주지된 바와 같이 상부기판(11), 하부기판(12), 스위칭소자(미도시), 다이스페이서(미도시), 입력단자(13), 및 출력단자(14) 및 상기한 주요 구성요소를 둘러싸도록 성형되는 몰드(15)를 구비한다.

DC-링크 커패시터(2)는 직류 입력 전압단의 전압 맥동 성분을 제거하기 위한 평활 및 스위칭에 의한 고주파 리플 전류를 흡수하는 등의 기능을 수행하는 것으로서 반도체 모듈(1)과 근접하여 배치되되, 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)가 상하로 적층된 복수의 커패시터적층체(2a)가 인접, 배치되어 있다.

고전압용 세라믹칩 커패시터(21)는 도4b에 도시된 바와 같이 주지된 세라믹칩 커패시터(Ceramic Chip Capacitor)를 이용하여 구성하되, 사각 형상을 갖는 몸체에 걸림홈(21b)이 요입된 커패시터본체(211), 커패시터본체(211)에 접속되는 단자몸체에 단자홀이 천공된 음극단자(213) 및 양극단자(214)가 구비되는 단자부(212)를 구비한다. 예컨대, 커패시터본체는 소성체(미도시)의 내부에 배치되는 복수의 내부전극(미도시)과, 이 내부전극의 외부에 연결되는 외부전극을 구비한다.

그리고, 커패시터적층체(2a)를 구성하는 다수의 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)는 음극단자(213) 및 양극단자(214) 사이에 끼워지는 부시(215)와, 부시에 삽입되는 볼트(216) 및 너트(217)와 같은 체결부재에 의해 전기적으로 연결되어 있다.

냉각부(3)는 반도체 모듈(1)과 DC-링크 커패시터(2)를 냉각하는 구성요소로서, 제1 냉각부재(31), 제2 냉각부재(32), 제3 냉각부재(33) 및 제4 냉각부재(34)에 의해 냉각수가 복수의 냉각유로를 따라 이동하도록 구성된 특징을 갖는다.

이를 위해 제1 냉각부재(31)는 대략 직사각 판재 형태로 형성된 몸체(311)의 저면 내부에 제1 유동공간(312)이 요입된 것으로서 상면 일측에 냉각수유입구(313)가 형성되고 타측에 냉각수배출구(314)가 형성되어 있다.

제2 냉각부재(32)는 제1 냉각부재(31)의 저부에 기밀적으로 결합되는 구성으로 제1 냉각부재(31)와 대응되게 형성된 몸체(321)의 일측에 제1 냉각수이동공(323)이 천공되어 있고 타측에 제4 냉각수이동공(324)이 천공되어 있는 한편 제1 및 제2 냉각수이동공(323,324) 사이에 해당되는 상면에 제1 유동공간(312)으로 삽입 위치하는 다수의 제1 냉각핀(322)이 돌출되어 있다.

제3 냉각부재(33)는 제2 냉각부재(32)의 저부에 기밀적으로 결합되는 구성으로 제1 냉각부재(31)와 대응되게 형성된 몸체(331)의 일측에 제1 냉각수이동공(323)과 연통되는 제2 냉각수이동공(333)이 천공되어 있고 타측에 제4 냉각수이동공(324)과 연통되는 제3 냉각수이동공(334)이 천공되어 있는 한편 내면에 다수의 제2 냉각핀(332)이 돌출되어 있다.

제4 냉각부재(34)는 제3 냉각부재(33)의 저부에 기밀적으로 결합되도록 대응되게 형성된 몸체(341)의 내부에 제2 냉각핀(332)이 삽입되어 위치하는 제2 유동공간(342)이 요입되어 있다.

한편, 냉각부(3)는 도5a 내지 도6c에 도시된 바와 같이 제1 내지 제4 냉각부재의 사이에 기밀을 유지하기 위한 기밀수단이 구비되어 있다.

기밀수단은 제1 냉각수이동공(323)과 제2 냉각수이동공(333) 사이의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 제1 기밀부재(35)와, 제1 기밀부재(35)가 삽입되도록 제1 냉각수이동공(323)의 하측 둘레에 요입되는 제1 기밀부재삽입홈(325)과, 제1 냉각부재(31)의 제1 유동공간(312) 가장자리 둘레에 요입되는 제3 기밀부재삽입홈(315)와, 제3 기밀부재삽입홈(315)에 삽입되는 제3 기밀부재(36)가 구비되어 있다.

그리고, 상기 기밀수단은 제4 냉각수이동공(324)과 제3 냉각수이동공(334) 사이의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 제2 기밀부재(37)와, 제2 기밀부재(37)가 삽입되도록 제4 냉각수이동공(324)의 하측 둘레에 요입되는 제2 기밀부재삽입홈(326)이 구비되어 있는 한편, 제4 냉각부재(34)의 제2 유동공간(342) 가장자리 둘레에 요입되는 제4 기밀부재삽입홈(345)과, 제3 냉각부재(33)와 제4 냉각부재(34) 사이의 기밀을 유지하기 위해 제4 기밀부재삽입홈(345)에 삽입되는 제4 기밀부재(38)가 구비되어 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 반도체 모듈(1)의 효과적인 냉각을 위해 제2 냉각부재(32)의 하면과 제3 냉각부재(33)의 상면 사이에 반도체 모듈(1)이 삽입되어 안착되는 반도체모듈삽입틈새(t)가 형성되도록 구성되어 있는 한편, DC-링크 커패시터(2)의 효과적인 냉각을 위해 커패시터적층체의 상면이 제4 냉각부재(34)의 하면에 밀착되도록 커패시터고정부재(4)에 제4 냉각부재(34)가 고정되어 있다.

이를 위해 제2 냉각부재(32)는 반도체모듈삽입틈새(t)가 형성되도록 제1 냉각수이동공(323) 형성부위 저면에 돌출되는 제1 간격형성돌출부(327)와, 제4 냉각수이동공(324) 형성부위 저면에 돌출되는 제2 간격형성돌출부(328)가 형성되어 있다.

제1 간격형성돌출부(327) 및 제2 간격형성돌출부(328)는 도5b 및 도5c에 도시된 바와 같이 제1 냉각핀(322)이 형성되는 영역에 비해 제1 및 제4냉각수이동공(323,324)이 형성되는 영역 부위의 두께를 두껍게 하는 방식으로 형성한다.

한편, 냉각부(3)에는 제1 내지 제4 냉각부재(31,32,33,34)를 서로 견고하게 결속하기 위해 제1 냉각부재결속부(5)와, 제1 내지 제4 냉각부재를 커패시터고정부재(4)에 견고하게 결합하기 위해 제2 냉각부재결속부(6)가 구비되어 있다.

제1 냉각부재결속부(5)는 제1 내지 제3 냉각부재(31,32,33)의 양측 둘레에 서로 대향되게 이격, 돌출되고 체결부재삽입공이 형성된 복수의 제1 고정돌부(51), 제1 고정돌부(51)의 체결부재삽입공에 삽입되도록 볼트로 구성된 제1 체결부재(52), 제1 고정돌부(51)를 통해 삽입된 제1 체결부재(52)가 체결되도록 제4 냉각부재(34)에 형성된 제1 체결공(53)을 구비한다.

제2 냉각부재결속부(6)는 제1 내지 제4 냉각부재(31,32,33,34)의 중앙 부분 둘레에 서로 대향되게 이격, 돌출되고 체결부재삽입공이 형성된 복수의 제2 고정돌부(61), 제2 고정돌부(61)의 체결부재삽입공에 삽입되도록 볼트로 구성된 제2 체결부재(62), 제2 고정돌부(61)를 통해 삽입된 제2 체결부재(62)가 체결되도록 대향되는 커패시터고정부재(4)에 형성되는 제2 체결부재체결공(63)을 구비한다.

첨부도면 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 커패시터고정부재를 나타낸 사시도이다.

도7을 참조하면, 커패시터고정부재(4)는 복수의 커패시터적층체(2a)가 배열되어 고정되는 구성요소로서, 복수의 커패시터적층체를 배열할 수 있고 냉각부(3)를 용이하게 고정할 수 있다면 특별한 제한 없이 구성할 수 있지만 본 실시예에서는 지지판(41), 커패시터지지부재(42) 및 냉각부지지부재(43)를 구비한다.

지지판(41)은 복수의 커패시터적층체(2a)가 올려지도록 대략 직사각판 형상의 부재가 횡방향으로 배열되어 있다.

커패시터지지부재(42)는 커패시터적층체(2a) 사이에 위치하도록 복수 개가 이격, 구성된 것으로 지지판(41)에 판상부재가 직립되게 형성되고 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)의 걸림홈(21b)에 삽입되는 걸림돌부(422)가 형성되어 있다.

냉각부지지부재(43)는 커패시터적층체(2a) 양쪽 측면 부위를 지지하도록 지지판(41)의 일측 단부와 타측 단부에 판상부재가 직립되게 형성된 것으로서, 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)의 걸림홈(21b)에 삽입되는 걸림돌부(432)가 내측에 형성되어 있고, 상부에 제4 냉각부재(34)가 결합되도록 구성되어 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 DC-링크 커패시터(2)로 구성된 복수의 커패시터적층체(2a)를 보다 효과적으로 냉각할 수 있도록 커패시터보조냉각부(미도시)를 구비할 수 있다.

커패시터보조냉각부(미도시)는 구체적인 도면을 첨부하지는 않았으나 커패시터고정부재(4)를 구성하는 일측 냉각부지지부재(43), 지지판(41) 및 타측 냉각부지지부재(43)를 경유하여 냉각수가 유동되도록 지지판(41) 및 냉각부지지부재(43)에 서로 연통되는 커패시터냉각라인을 형성하는 방식으로 구성할 수 있다.

그리고, 제4 냉각부재(34)는 커패시터냉각라인으로 냉각수의 유입 및 냉각과정을 거친 냉각수의 배출이 가능하도록 제2 유동공간(342)과 연통되는 보조냉각수유입공(미도시)과 보조냉각수배출공(미도시)이 형성되어 오-링(O-ring)과 같은 기밀부재에 의해 커패시터냉각라인과 기밀적으로 연결될 수 있다.

보조냉각수유입공(미도시)은 제2 냉각수이동공(333)을 통해 제4 냉각부재(34)의 제2 유동공간(342)으로 유입된 냉각수가 일측 냉각부지지부재(43)로 유입되도록 대응하는 제4 냉각부재(34)에 형성될 수 있고, 보조냉각수배출공(미도시)은 타측 냉각부지지부재(43)에 형성된 커패시터냉각라인과 연통되게 제4 냉각부재(34)에 형성될 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 작용을 간략하게 설명한다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 작용을 설명하기 위한 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이 다수의 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)를 적층하고 부시(215), 볼트(216) 및 너트(217)를 이용하여 커패시터적층체(2a)로 조립한다.

이와 같이 조립된 커패시터적층체(2a)를 커패시터고정부재(4)에 배치하고, 제1 내지 제4 냉각부재(31,32,33,34)를 차례로 조립하는 한편 반도체 모듈(1)을 제2 냉각부재(32)의 하면과 제3 냉각부재(33)의 상면 사이에 형성된 반도체모듈삽입틈새(t)에 삽입한다. 이러한 상태에서 제1 냉각부재결속부(5)를 이용하여 제1 내지 제4 냉각부재(31,32,33,34)를 서로 견고하게 결속하고, 제2 냉각부재결속부(6)에 의해 제1 내지 제4 냉각부재를 커패시터고정부재(4)에 견고하게 결합한다.

이후 전술한 전기자동차용 인버터모듈을 전기자동차의 설치부위에 장착하고, 냉각수유입구(313)에 연결된 냉각수공급라인(미도시)를 통해 냉각수를 공급하게 되면 제1 유동공간(312)을 따라 이동하게 되고 이러한 과정에서 제2 냉각부재(32)의 다수의 제1 냉각핀(322)과의 열교환 과정을 수행한 후 타측 냉각수배출구(314)로 배출된다. 전술한 바와 같이 제1 냉각핀(322)의 열교환 작용으로 제2 냉각부재의 표면이 냉각되므로 그 저면에 접촉된 반도체 모듈(1)의 상면에 냉각작용을 수행하게 된다.

이와 동시에 냉각수유입구(313)로 유입된 냉각수는 제1 냉각수이동공(323) 및 제2 냉각수이동공(333)을 통해 진입하여 제4 냉각부재(34)의 제2 유동공간(342)을 따라 이동하게 된다. 이러한 과정에서 제3 냉각부재(33)에 형성된 다수의 제2 냉각핀(332)과의 열교환 과정을 수행한 다음 제3 냉각수이동공(334) 및 제4 냉각수이동공(324)을 통해 상부로 이동하고 연이어 냉각수배출구(314)로 배출된다. 전술한 바와 같이 제2 냉각핀(332)의 열교환 작용으로 제3 냉각부재(33)의 표면이 냉각되므로 그 상면에 접촉된 반도체 모듈(1)의 하면에 냉각작용을 수행하게 된다.

전술한 바와 같이 반도체 모듈(1)이 반도체모듈삽입틈새(t)에 삽입되어 제2 냉각부재(32)에 의해 상면이 냉각되고 제3 냉각부재(33)에 의해 하면이 동시에 냉각되므로 스위칭소자(미도시)가 고전압, 고전류에서 동작을 계속하게 되더라도 온도가 상승되지 않아서 오작동 등을 미연에 방지하여 작동의 안정성을 확보할 수 있고 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 제4 냉각부재(34)의 하면은 커패시터적층체(2a)의 상면과 접촉되어 있으므로 제4 냉각부재(34)의 제2 유동공간(342)으로 이동되는 냉각수에 의한 냉각작용이 수행되므로 구성품인 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)를 냉각할 수 있어서 수명을 연장시킬 수 있고 오작동 등을 방지할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 전기자동차용 인버터모듈은 고전압용 세라믹칩 커패시터(21)를 상하로 적층한 복수의 커패시터적층체(2a)로 구성하여 1000V 내압에 500uF 용량의 DC-링크 커패시터(2, DC-link capacitor)로 구성한 결과, 전체 부피가 773,799 ㎣(235.2 x 93.2 x 35.3)로 나타남을 확인할 수 있다. 이에 따르면 필름 커패시터를 이용하여 900V 내압에 용량이 500uF인 범용 DC-링크 커패시터의 부피( 1,940,675㎣, 배경기술 참조)에 비해 60% 정도로 감소하여 현저히 부피를 줄일 수 있고 간결, 단순화할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 인버터모듈의 구성 및 동작에 대해서 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예의 일부를 치환 및 변형하는 것이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물에 미치는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1:반도체 모듈 2:DC-링크 커패시터
2a:커패시터적층체 21:고전압용 세라믹칩 커패시터
3:냉각부 31:제1 냉각부재
32:제2 냉각부재 33:제3 냉각부재
34:제4 냉각부재 35:제1 기밀부재
36:제3 기밀부재 37:제2 기밀부재
38:제4 기밀부재 4:커패시터고정부재
41:지지판 42:커패시터지지부재
43:냉각부지지부재 5:제1 냉각부재결속부
6:제2 냉각부재결속부

Claims

전기자동차용 인버터모듈에 있어서,
스위칭소자가 구비된 반도체 모듈;
상기 반도체 모듈과 근접하여 배치되는 DC-링크 커패시터; 및
상기 반도체 모듈과 상기 DC-링크 커패시터를 냉각하는 냉각부;를 포함하고,
상기 DC-링크 커패시터는 고전압용 세라믹칩 커패시터가 상하로 적층되어 인접하여 배치된 복수의 커패시터적층체로 구성되고,
상기 복수의 커패시터적층체가 배열되어 고정되는 커패시터고정부재가 구성된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제1항에 있어서,
상기 냉각부는,
일측에 냉각수유입구가 형성되고 타측에 냉각수배출구가 형성되며 내부에 제1 유동공간이 마련된 제1 냉각부재;
상기 제1 냉각부재의 저부에 기밀적으로 결합되고 일측에 제1 냉각수이동공이 천공되고 타측에 제4 냉각수이동공이 천공되며 내면에 다수의 제1 냉각핀이 돌출된 제2 냉각부재;
상기 제2 냉각부재의 저부에 기밀적으로 결합되고 일측에 상기 제1 냉각수이동공과 연통되는 제2 냉각수이동공이 천공되고 타측에 상기 제4 냉각수이동공과 연통되는 제3 냉각수이동공이 천공되며 내면에 다수의 제2 냉각핀이 돌출된 제3 냉각부재; 및
상기 제3 냉각부재의 저부에 기밀적으로 결합되고 내부에 제2 유동공간이 마련된 제4 냉각부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제3항에 있어서,
상기 반도체 모듈의 냉각을 위해, 상기 제2 냉각부재의 하면과 상기 제3 냉각부재의 상면 사이에 상기 반도체 모듈이 삽입되어 안착되는 반도체모듈삽입틈새가 형성되고,
상기 커패시터적층체의 냉각을 위해 상기 커패시터적층체의 상면이 상기 제4 냉각부재의 하면에 밀착되도록 상기 커패시터고정부재에 상기 제4 냉각부재가 고정되고,
상기 제1 내지 제4 냉각부재의 사이에 기밀을 유지하기 위해 구성되는 기밀수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제3항에 있어서,
상기 제2 냉각부재는 상기 반도체모듈삽입틈새가 형성되도록 상기 제1 냉각수이동공 형성부위 저면에 돌출되는 제1 간격형성돌출부와, 상기 제4 냉각수이동공 형성부위 저면에 돌출되는 제2 간격형성돌출부를 구비하고,
상기 기밀수단은 상기 제1 냉각수이동공과 상기 제2 냉각수이동공 사이의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 제1 기밀부재; 상기 제1 기밀부재가 삽입되도록 상기 제1 냉각수이동공의 하측 둘레에 요입되는 제1 기밀부재삽입홈; 상기 제4 냉각수이동공과 상기 제3 냉각수이동공 사이의 기밀을 유지하기 위해 설치되는 제2 기밀부재; 및 상기 제2 기밀부재가 삽입되도록 상기 제4 냉각수이동공의 하측 둘레에 요입되는 제2 기밀부재삽입홈;을 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제3항에 있어서,
상기 기밀수단은,
상기 제1 냉각부재의 제1 유동공간 가장자리 둘레에 요입되는 제3 기밀부재삽입홈;
상기 제1 냉각부재와 상기 제2 냉각부재 사이의 기밀을 유지하기 위해 상기 제3 기밀부재삽입홈에 삽입되는 제3 기밀부재;
상기 제4 냉각부재의 제2 유동공간 가장자리 둘레에 요입되는 제4 기밀부재삽입홈; 및
상기 제3 냉각부재와 상기 제4 냉각부재 사이의 기밀을 유지하기 위해 상기 제4 기밀부재삽입홈에 삽입되는 제4 기밀부재;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 냉각부재를 서로 결속하도록 상기 제1 내지 제3 냉각부재의 둘레에 서로 대향되게 이격, 돌출되고 체결부재삽입공이 형성된 복수의 제1 고정돌부, 상기 제1 고정돌부의 체결부재삽입공에 삽입되는 제1 체결부재, 상기 제1 고정돌부를 통해 삽입된 상기 제1 체결부재가 체결되도록 상기 제4 냉각부재에 형성된 제1 체결공을 포함하는 제1 냉각부재결속부; 및
상기 제1 내지 제4 냉각부재를 상기 커패시터고정부재에 결합하기 위해 상기 제1 내지 제4 냉각부재의 둘레에 서로 대향되게 이격, 돌출되고 체결부재삽입공이 형성된 복수의 제2 고정돌부, 상기 제2 고정돌부의 체결부재삽입공에 삽입되는 제2 체결부재, 상기 제2 고정돌부를 통해 삽입된 상기 제2 체결부재가 체결되도록 대향되는 상기 커패시터고정부재에 형성되는 제2 체결부재체결공을 포함하는 제2 냉각부재결속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고전압용 세라믹칩 커패시터는 사각 형상을 갖는 몸체에 걸림홈이 요입된 커패시터본체, 상기 커패시터본체에 접속되는 단자몸체에 단자홀이 천공된 음극단자 및 양극단자가 구비되는 단자부를 포함하고,
상기 커패시터고정부재는, 상기 복수의 커패시터적층체가 올려지는 지지판, 상기 지지판에 이격되게 직립되고 상기 걸림홈에 삽입되는 걸림돌부가 형성된 복수의 커패시터지지부재, 상기 지지판의 일측 및 타측에 형성되어 상기 제4 냉각부재가 결합되고 상기 걸림홈에 삽입되는 걸림돌부가 형성된 냉각부지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.
제7항에 있어서,
상기 커패시터고정부재는 냉각수가 유동되도록 상기 지지판 및 상기 냉각부지지부재에 서로 연통되게 형성되는 커패시터냉각라인을 구비한 커패시터보조냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 인버터모듈.