KR20240054012A - 차량용 파워 모듈 및 이를 포함하는 모터 구동 장치 - Google Patents

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유명일
이현구
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 따르면 제1금속층이 마련된 회로기판; 회로기판의 중앙부에 배치되며, 복수의 반도체칩이 포함된 제1 스위칭부; 회로기판에서 제1 스위칭부의 외측으로 배치되며, 복수의 반도체칩이 포함된 제2 스위칭부; 회로기판에서 제1 스위칭부의 외측으로 배치되는 제3 스위칭부; 회로기판의 일측에 배치된 리드프레임; 및 회로기판의 타측에 배치된 시그널 리드;를 포함하는 차량용 파워 모듈이 소개된다.

Description

차량용 파워 모듈 및 이를 포함하는 모터 구동 장치{POWER MODULE FOR VEHICLE AND MOTOR DRIVE UNITS INCLUDING THEM}
본 발명은 차량용 파워 모듈 및 이를 포함하는 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부의 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있도록 설계된 차량용 파워 모듈 및 복수의 파워 모듈이 구비된 모터 구동 장치에 관한 것이다.
파워 모듈은 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동 시 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는데 사용되는 장치이다.
통상적으로 파워 모듈은 기판과, 기판에 접합되는 스위칭 소자인 반도체칩와 반도체칩에 전력을 인가하는 파워 리드 및 반도체칩에 제어 신호를 제공하는 신호 리드 등을 포함할 수 있다.
스위칭 소자인 파워 모듈은 지속적인 온/오프 동작을 반복하는데, 파워 모듈 내 파워 리드에 의한 내부 기생 인덕턴스로 인해 온/오프 동작 시 오버슈트 전압이 발생하게 되는 문제가 발생한다.
이 오버슈트 전압은 파워 모듈이 적용되는 시스템 전체의 전력 손실과 노이즈를 증가시키고 심각한 경우 반도체칩의 소손이 발생할 수도 있다.
파워 모듈 내 전류의 경로가 길어질 수록 파워 모듈의 내부 기생 인덕턴스도 증가하는 특성을 가지므로, 기생 인덕턴스 감소를 위해서는 파워 모듈 내 전류 경로를 감소시키는 것이 중요하다. 특히, 파워 모듈 내 반도체칩와 연결되는 파워 리드의 길이도 전류 경로에 큰 영향을 미친다.
그러나, 파워 모듈의 구조적 특징 상 파워 모듈 내부에 위치하는 파워 리드의 길이를 감소시키는 것은 한계가 있어 파워 리드 자체의 길이가 유지되는 상태에서도 파워 모듈 내부의 기생 인덕턴스를 감소시킬 수 있는 새로운 파워 모듈 구조가 요구되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0092750 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 파워 모듈 내의 서로 같은 전위차인 반도체 부품을 인접하게 배치함으로써 시그널 리드의 필요절연거리 이외의 절연거리를 삭제함으로써 회로기판의 크기가 최소화된 파워 모듈을 제공하고, 상기와 같이 설계된 파워 모듈이 복수개가 결합되어 형성된 차량용 모터의 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 차량용 파워 모듈은 제1금속층이 마련된 회로기판; 회로기판의 중앙부에 배치되며, 복수의 반도체칩이 포함된 제1 스위칭부; 회로기판에서 제1 스위칭부의 외측으로 배치되며, 복수의 반도체칩이 포함된 제2 스위칭부; 회로기판에서 제1 스위칭부의 외측으로 배치되는 제3 스위칭부; 회로기판의 일측에 배치된 리드프레임; 및 회로기판의 타측에 배치된 시그널 리드;를 포함한다.
제2 스위칭부는 제1 방향을 따라 일측에 배치된 제2-1 스위칭 소자와 일측과 대향하는 타측에 배치된 제2-2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
리드프레임은 제1 방향을 따라 N-P-N 또는 P-N-P 순서로 배치된 복수의 버스바를 포함할 수 있다.
N-P-N 또는 P-N-P에서 중앙의 버스바는 제1 스위칭부와 인접할 수 있다.
P 버스바는 제1 스위칭부와 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 적어도 일부가 중첩될 수 있다.
제3 스위칭부는 제2-1 스위칭 소자에 인접하게 배치될 수 있다.
제1 스위칭부는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 서로 이격되어 일측에 배치된 제1-1 스위칭 소자와 일측과 대향하는 타측에 배치된 제1-2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
회로기판에서 제1-1 스위칭 소자에 인접하게 배치되며 회로기판의 전류를 측정하는 전류측정부;를 더 포함할 수 있다.
제1 스위칭부 및 제3 스위칭부는 SIC칩으로 형성되고 제2 스위칭부는 SI칩으로 형성될 수 있다.
제1 스위칭부는 항시 작동하며, 제2 스위칭소자는 제3 스위칭부의 작동에 따라 제1스위칭소자와 함께 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치는 차량용 파워 모듈 세 개를 포함하고, 차량용 파워 모듈의 각각에서, 제1 스위칭부는 제1-1 스위칭 소자와 제1-2 스위칭 소자를 포함하되 제1 인버터의 하나의 레그에 대응되고, 제2 스위칭부는 제2-1 스위칭 소자 및 제2-2 스위칭 소자를 포함하되 제2 인버터의 하나의 레그에 대응되며, 제3 스위칭부의 일단은 제1-1 스위칭 소자와 제1-2 스위칭 소자 사이의 제1 노드와 제2-1 스위칭 소자 및 제2-2 스위칭 소자 사이의 제2 노드 사이에 연결되고, 절환스위치의 일부를 구성할 수 있다.
파워 모듈 각각은 복수의 리드프레임을 포함하고, 복수의 리드프레임 중 제3 스위칭부에 연결된 리드프레임은 파워 모듈 외부에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 파워 모듈은 파워 모듈 내의 서로 같은 전위차인 반도체 부품을 인접하게 배치함으로써 시그널 리드의 필요절연거리 이외의 절연거리를 삭제함으로써 회로기판의 크기가 최소화시킬 수 있다.
또한, 회로기판의 일측에 반도체칩과 연결되는 복수의 전극 인접하게 배치된 리드프레임을 연결시킴으로서 회로에서 발생되는 인덕턴스를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 파워 모듈의 평면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 파워 모듈의 측단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 파워 모듈의 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부기판의 전류의 흐름을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부기판의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시예들은 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 여러 가지 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.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 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 발명의 일 실시예에 따른 차량용 파워 모듈의 평면도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 파워 모듈의 측단면도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 파워 모듈의 회로도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부기판의 전류의 흐름을 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부기판의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
차량용 모터 구동 장치는 전기 차량에 마련된 고전압 배터리의 직류전류가 입력되고 입력된 직류전류를 교류전류로 변환하여 모터로 출력하여 모터를 작동시킬 수 있다.
이러한 모터 구동 장치에는 복수의 스위칭 소자가 포함된 인버터가 마련될 수 있으며, 모터의 구동을 효율적으로 작동하기 위해 2개의 인버터가 마련될 수 있다.
2개의 인버터 중 제1인버터는 항시 작동되고, 모터가 고출력이 필요할 경우에 제1인버터와 함께 제2인버터가 작동될 수 있다. 제1인버터와 제2인버터를 연결하고, 또한, 제1인버터만 작동될 경우 모터의 각상 권선간의 Y 결선을 제공하기 위해 ON되고, 제2인버터도 동작될 경우 OFF되는 절환스위치가 마련될 수 있다.
상술한 모터 구동 장치에서 3상 모터를 작동시키기 위해 제1인버터와 제2 인버터 각각에는 스위칭소자가 6개가 구비되며, 스위칭 소자는 탑상소자와 바텀상소자로 구분되고, 상호 직렬 연결된 탑상소자와 바텀상소자가 하나의 레그를 형성하며, 이러한 레그 3개가 각각 모터에 연결되어 모터를 작동시킬 수 있다.
모터 구동 장치는 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 복수의 파워 모듈의 조합을 통해 구성될 수 있는데, 각 파워 모듈은 그에 포함되는 스위칭 소자의 개수, 스위칭 소자의 개수에 따른 시그널 리드와 버스바의 개수에 큰 영향을 받는다. 즉, 단일 파워 모듈에 실장되는 스위칭 소자의 개수가 증가할수록, 역할이 상이한 스위칭 소자가 많을수록 시그널 리드와 버스바의 개수가 크게 증가한다. 또한, 스위칭 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)나 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구현되는데, 전동화 차량용 파워 모듈 스펙에서는 동작 제어를 위해 소스나 이미터를 기준으로 약 15V의 전위차를 갖는 시그널이 시그널 리드로 인가되는 것이 보통이다. 이때, 소스나 이미터를 기준으로 동일 전위에 있는 시그널 리드간에는 절연거리가 불필요하나, 전위차가 있는 시그널 리드간에는 최소 절연거리(예컨대, 약 4mm)를 만족하여야 한다. 결국, 파워 모듈의 크기는 시그널 리드간의 절연거리에 따라서도 영향을 받을 수밖에 없다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 제1인버터의 스위칭소자와 제2인버터의 스위칭소자 및 절환스위치의 스위칭소자를 하나의 회로기판에 시그널 리드의 절연거리를 최소화하도록 배치함으로써 모듈의 크기를 최소화시킴에 그 목적이 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 차량용 파워 모듈의 바람직한 실시예에 대해 알아보도록 한다.
본 발명에 따른 차량용 파워 모듈은 제1금속층이 마련된 회로기판(100); 회로기판(100)의 중앙부에 배치되며, 복수의 반도체칩(201,301)이 포함된 제1 스위칭부(200); 회로기판(100)에서 제1 스위칭부(200)의 외측으로 배치되며, 복수의 반도체칩(201,301)이 포함된 제2 스위칭부(300); 회로기판에서 제1 스위칭부(200)의 외측으로 배치된 제3 스위칭부(700); 회로기판(100)의 일측에 배치되된 리드프레임(400); 및 회로기판(100)의 타측에 배치된 시그널 리드(500);를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 회로기판(100)의 중앙부에는 복수개의 반도체칩(201)이 포함된 제1 스위칭부(200)가 배치될 수 있으며, 복수개의 반도체칩(301)이 포함된 제2 스위칭부(300)는 회로기판(100)에서 중앙부에 위치된 제1 스위칭부(200)의 외측으로 배치될 수 있다.
제1 스위칭부(200)는 도 3에 도시된 바와 같은 모터 구동 장치를 구성하여 모터(2)를 구동할 때 항시 작동되어 모터(2)로 전류를 입력시키며, 또한 제2 스위칭부(300)는 모터(2)가 고출력 모드로 작동시 제3 스위칭부(700)가 오프된 상태에서 제1 스위칭부(200)와 함께 전류가 입력되고 출력될 수 있다.
또한, 회로기판(100)의 일측에는 제1 스위칭부(200)의 반도체칩(201), 제2 스위칭부(300)의 반도체칩(301) 및 제3 스위칭부(700)와 전기적으로 연결되어 가 배치될 수 있고, 회로기판(100)의 타측에선 제어신호에 의해 작동되어 전류가 변경되어 외부에서 입력되거나 출력되는 리드프레임(400)이 배치될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 회로기판(100)은 서로 상하방향으로 이격되어 배치된 상부기판(110) 및 하부기판(120)이 포함되며, 제1 스위칭부(200), 제2 스위칭부(300) 및 제3 스위칭부(700)는 상부기판(110) 또는 하부기판(120) 중 일측 기판에 연결되고, 제1 스위칭부(200), 제2 스위칭부(300) 및 제3 스위칭부(700)를 타측 기판에 연결시키는 스페이서(610);를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 회로기판(100)은 상하방향으로 이격되어 배치된 하부기판(120)과 상부기판(110)을 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 스위칭부(200)의 반도체칩(201)과 제2 스위칭부(300)의 반도체칩(301)은 그 상면과 하면에 각각 전력 변환을 위한 전류가 입출력되는 전력 단자(미도시)가 구비될 수 있으며, 하면에 형성된 전력 단자는 하부기판(120)에 상면에 형성된 전력 단자는 상부기판(110)에 연결될 수 있다.
각각의 반도체칩(201,301)의 일측면이 하부기판(120) 또는 상부기판(110) 중 일측 기판에 연결되고, 타측면을 연결되지 않은 타측 기판에 연결하는 스페이서(610)가 마련되어 회로기판(100)의 전류가 흐를 수 있다.
하부기판(120)은 절연층과 절연층의 상하면에 각각 접합된 금속층으로 구성된 기판이 채용될 수 있다. 당 기술 분야에서 이러한 기판을 Double Bonded Copper(DBC) 기판이라 칭한다. 하부기판(120)의 제1금속층은 전기적 연결 관계를 형성하기 위한 패턴이 형성될 수 있으며 반도체칩(201,301)의 하면이 접합되어 반도체칩(201,301)의 일 전력 단자와 전기적 접촉을 형성할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 하부기판(120)의 제2금속층의 하면에는 파워 모듈의 냉각을 위한 냉각 채널이 접촉할 수 있다.
상부기판(110) 역시 절연층과 절연층 상하면에 각각 접합된 금속층으로 구성된 기판이 채용될 수 있다. 상부기판(110)의 제1금속층은 스페이서(610)를 통해 반도체칩(201,301)의 상면에 접합되어 반도체칩(201,301)의 타 전력 단자와 전기적 연결을 형성할 수 있다.
하부기판(120)의 제2금속층과 유사하게, 상부기판(110)의 제2금속층의 상면에는 파워 모듈의 냉각을 위한 냉각 채널이 접촉할 수 있다.
상부기판(110)의 제1금속층은 비아 스페이서(620)를 통해 하부기판(120)의 제1금속층과 전기적 연결이 형성될 수 있다. 물론, 반도체칩(201,301)의 하면에 형성된 전력 단자와 전기적으로 연결된 제1금속층의 일 영역과 비아 스페이서(620)를 통해 상부기판(110)의 제1금속층과 전기적으로 연결된 제1금속층의 일 영역은 상호 전기적인 절연이 형성되도록 제1금속층의 패턴이 형성될 수 있다.
제1금속층 중 반도체칩(201,301)의 하부 전력 단자와 연결된 영역과 제1금속층 중 비아 스페이서(620)를 통해 반도체칩(201,301)의 상부 전력 단자와 연결된 영역에는 리드프레임(400)이 전기적으로 접합될 수 있다.
리드프레임(400)에는 N형 전극(410), P형 전극(420) 및 출력 전극(430)이 포함될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 회로기판(100)에 연결된 리드프레임(400)에는 직류 전류가 입력되는 양극(P) 전극(410), 음극(N) 전극(420), 그리고 교류 전류가 출력되는 출력(O) 전극(430)과 같은 복수의 전극이 나란한 배치될 수 있다.
음극(N) 전극(420) 및 양극(P) 전극(410)은 배터리와 연결되며, 출력(O) 전극(430)은 모터(2)와 연결될 수 있다.
출력전극(430)은 3개가 마련되어 제1 스위칭부, 제2 스위칭부 및 제3 스위칭부에 대응될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 음극 전극(420)의 양측으로 양극 전극(410)이 배치됨으로써 회로의 인덕턴스를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 제1 스위칭부(200)에 포함된 복수의 반도체칩(201)은 차량의 모터(2)와 연결된 제1-1 스위칭 소자(210)와 제1-2 스위칭 소자(220)를 포함하고, 제2 스위칭부(300)에 포함된 복수의 반도체칩(301)은 차량의 모터(2)와 연결된 제2-1 스위칭 소자(310)와 제2-2 스위칭 소자(320)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 제1 스위칭부(200)의 제1-1 스위칭 소자(210)와 제1-2 스위칭 소자(220)는 회로기판(100)의 중앙부에서 상하방향으로 이격되어 배치될 수 있으며, 제2 스위칭부(300)의 제2-1 스위칭 소자(310)와 제2-2 스위칭 소자(320)는 서로 제1 스위칭부(200)의 외측으로 배치될 수 있다. 즉, 제2 스위칭부(300)는 제1 방향을 따라 일측에 배치된 제2-1 스위칭 소자(310)와 일측과 대향하는 타측에 배치된 제2-2 스위칭 소자(320)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 스위칭부(200)의 제1-2 스위칭 소자(220)와 제2 스위칭부(300)의 제2-2 스위칭 소자(320)가 서로 같은 전위차로 형성될 수 있으며, 제1 스위칭부(200)의 제1-2 스위칭 소자(220)와 제2 스위칭부(300)의 제2-2 스위칭 소자(320)를 인접하게 배치시킴으로써 시그널 리드(500)의 필요절연거리 이외의 절연거리를 제거하여 회로기판(100)의 크기를 감소시킬 수 있다.
제3 스위칭부(700)는 제2 스위칭부(300)의 제2-1 스위칭 소자(310)에 인접하게 배치될 수 있다.
제3 스위칭부(700)는 제2 스위칭부(300)의 제2-1 스위칭 소자(310)와 전위차가 같게 형성될 수 있으며, 제3 스위칭부(700)와 제2 스위칭부(300)의 제2-1 스위칭 소자(310)가 인접하게 배치됨에 따라 시그널 리드(500)의 필요절연거리 이외의 절연거리를 제거하여 회로기판(100)의 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
회로기판(100)에서 제1 스위칭부(200)의 제1-1 스위칭 소자(210)에 인접하게 배치되며 회로기판(100)의 전류를 측정하는 전류측정부(800);를 더 포함할 수 있다.
전류측정부(800)는 회로기판(100)에 연결되어 회로에 흐르는 전류를 측정할 수 있으며, 전류측정부(800)는 일반적으로 션트저항으로 형성됨으로써 회로의 특정 부분 혹은 장비의 특정 부분에 얼마나 전류가 흐르는지 확인할 수 있으며, 외부에 별물로 전류계를 마련하지 않고 회로의 전류를 측정할 수 있어 원가절감의 효과가 있다.
또한, 전류측정부(800)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 스위칭부(200)의 제1-2 스위칭 소자(220)와 전위차가 같음으로 제1 스위칭부(200)의 제1-2 스위칭 소자(220)와 인접한 위치에 시그널 리드를 배치함으로써 시그널 리드(500)의 필요절연거리 이외의 절연거리를 제거하여 회로기판(100)의 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
회로기판(100)에 연결된 제1 스위칭부(200) 및 제2 스위칭부(300)를 시그널 리드(500)와 연결시키는 와이어(900);를 더 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 회로기판(100)에 결합된 제1 스위칭부(200), 제2 스위칭부(300) 및 제3 스위칭부(700)는 외부로부터 제어 신호를 수신하기 위해 시그널 리드(500)와 연결되어야 하며, 와이어(900)는 시그널 리드(500)와 제1 스위칭부(200), 제2 스위칭부(300) 및 제3 스위칭부(700) 사이를 각각 연결시킬 수 있다.
시그널 리드(500)는 복수개가 회로기판(100)의 일측에 배치되며, 와이어(900)가 회로기판(100)에 절연거리 기준으로 배치된 제1 스위칭부(200) 및 제2 스위칭부(300)의 반도체칩(201,301)을 시그널 리드(500)에 연결함으로써 회로기판(100)의 크기를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
리드프레임(400)은 제1 방향을 따라 N-P-N 또는 P-N-P 순서로 배치된 복수의 버스바를 포함한다.
N버스바 및 P버스바는 직류단 단자로서 N버스바는 음의 직류단 단자이며, P버스바는 양의 직류단 단자이다. 또한 리드프레임에 포함된 O버스바는 교류단 출력 단자이다.
N-P-N 또는 P-N-P에서 중앙의 버스바는 제1 스위칭부(200)와 인접하게 배치될 수 있다.
P 버스바는 제1 스위칭부(200)와 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 적어도 일부가 중첩될 수 있다.
도 1 내지 도 3를 참조하여 본 발명에 따른 모터 구동 장치(1)의 바람직한 실시예에 대하여 알아보도록 한다.
본 발명에 따른 모터 구동 장치(1)는 차량용 파워 모듈 세 개를 포함하고, 차량용 파워 모듈의 각각은, 제1 스위칭부(200)는 제1-1 스위칭 소자(210)와 제1-2 스위칭 소자(220)를 포함하되 제1 인버터(10)의 하나의 레그에 대응되고, 제2 스위칭부(300)는 제2-1 스위칭 소자(310) 및 제2-2 스위칭 소자(320)를 포함하되 제2 인버터(20)의 하나의 레그에 대응되며, 제3 스위칭부(400)의 일단은 제1-1 스위칭 소자와 제1-2 스위칭 소자(220) 사이의 제1 노드와 제2-1 스위칭 소자(310) 및 제2-2 스위칭 소자(320) 사이의 제2 노드 사이에 연결되고, 절환스위치의 일부를 구성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모터 구동 장치(1)는 제1인버터(10) 및 제2인버터(20)를 포함하며, 제2인버터(20)와 연결되어 제2인버터(20)의 작동을 제어하는 절환스위치(30)로 구성될 수 있다.
제1인버터(10)는 모터(2)와 연결되어 항시 작동되며, 절환스위치(30)는 제2인버터(20)와 모터(2)를 연결하도록 작동되며, 절환스위치(30)는 차량의 운전자가 모터(2)를 고성능으로 작동시키도록 제어시 작동되어 모터(2)를 제1인버터(10) 및 제2인버터(20)가 동시에 연결되도록 작동하여 모터(2)가 고출력을 발생시킬 수 있다.
이때 모터 구동 장치(1)의 제1인버터(10)는 제1-1 스위칭 소자(210) 및 제1-2 스위칭 소자(220)가 포함된 제1 스위칭부(200)가 3개(200A,200B,200C)가 구비되어 제1인버터(10)를 형성하고, 제2인버터(20)는 제2-1 스위칭 소자(310) 및 제2-2 스위칭 소자(320)가 포함된 제2 스위칭부(300)가 3개(300A,300B,300C)가 구비되어 제2인버터(20)를 형성할 수 있으며, 절환스위치(30)는 제3 스위칭부(700) 3개가 구비되어 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 상기 차량용 파워 모듈에는 제1 스위칭부(200)가 1개, 제2 스위칭부(300)가 1개 및 제3 스위칭부(700)가 1개가 마련되어 구성되며, 본 발명에 따른 모터 구동 장치(1)는 상기 차량용 파워 모듈 3개를 조합하여 구현될 수 있으며, 상기 차량용 파워 모듈의 시그널 리드(500)의 절연거리를 최소화하도록 스위칭 소자를 배치하여 설계함으로써 본 발명에 따른 모터 구동 장치(1)는 종래의 모터 구동 장치(1)에 대비하여 크기가 최소화될 수 있는 효과가 있다.
차량용 파워 모듈 각각은 복수의 리드프레임(400)을 포함하고, 복수의 리드프레임(400) 중 제3 스위칭부(700)에 연결된 리드프레임(400)은 파워 모듈 외부에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 제3 스위칭부(700)의 일단은 모터(2)와 제2 스위칭부(300) 사이에 연결되고, 타단은 리드프레임(400)에 연결되어 파워 모듈 외부에서 상호 연결됨으로써 온(ON) 될 경우 모터(2)의 각 권선에 대한 Y-결선을 제공할 수 있다.
도 3의 모터 구동 장치 구성을 바탕으로, 이하 본 발명의 실시예에 따른 파워 모듈의 시그널 리드(500) 간의 그루핑을 보다 상세히 설명한다.
전술한 바와 같이, 도 1에 도시된 파워 모듈 세 개가 조합될 때, 도 3에 도시된 모터 구동 장치를 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 파워 모듈이 도 3에서 제1 인버터(10)의 제1 스위칭부(200) 중 하나의 레그(200A), 제2 인버터(20)의 제2 스위칭부(300) 중 하나의 레그(300A) 및 절환 스위치(30) 중 제1 스위치(700A)에 대응됨을 가정한다.
이때, 제1 스위칭부(200)의 레그(200A)에서 탑 스위치(220A)는 도 1의 제1-2 스위칭 소자(220)에 대응되고, 바텀 스위치(210A)는 도 1의 제1-1 스위칭 소자(210)에 대응된다. 또한, 제2 스위칭부(300)의 레그(300A)에서 탑 스위치(310A)는 도 1의 제2-1 스위칭 소자(310)에 대응되고, 바텀 스위치(320A)는 도 1의 제2-2 스위칭 소자(320)에 대응된다.
이러한 대응 관계 하에서, 모터 구동 장치 관점에서 전위차를 보면, 제2 스위칭부(300)의 레그(300A)에서 탑 스위치(310A)와 절환 스위치(30)의 제1 스위치(700A)는 동일 전위를 갖는다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 제2-1 스위칭 소자(310)와 제3 스위칭 소자(700)에 대한 시그널리드(500A)는 상호간 절연거리가 필요없어 상호 인접하게 배치될 수 있다.
또한, 제1 스위칭부(200)의 레그(200A)에서 탑 스위치(220A)와 션트(도 1의 800, 도 3에서는 레그(200A)와 모터(2)의 한 코일 사이에 배치됨) 간의 전위차는 같다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 제1-2 스위칭 소자(220)와 션트(800)에 대한 시그널리드(500B)는 상호간 절연거리가 필요없어 상호 인접하게 배치될 수 있다.
아울러, 제1 스위칭부(200)의 레그(200A)에서 바텀 스위치(210A)와 제2 스위칭부(300)의 레그(300A)에서 바텀 스위치(320A)는 동일 전위를 갖는다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 제1-1 스위칭 소자(210)와 제2-2 스위칭 소자(320)에 대한 시그널리드(500C)는 상호간 절연거리가 필요없어 상호 인접하게 배치될 수 있다.
결국, 전위차가 있는 시그널 리드끼리는 상호간 절연거리 확보를 위해 이격시키되(예컨대, 500A와 500B 사이, 500B와 500C 사이 등), 동전위에 있는 시그널리드는 그루핑하여 상호 인접하게 배치함으로써 파워 모듈의 크기(즉, 도 1 기준 가로 방향)를 축소시킬 수 있다.
이러한 시그널리드(500) 간의 그루핑은 파워 모듈 기판 상에서 칩간의 상대적 배치 위치를 도 1에 도시된 바와 같이 결정함으로써 각 칩과 시그널리드(500)에 대한 와이어링 지점 사이의 전기적 경로 확보가 용이하게 된다.
도 4 및 5를 함께 참조하여 이하에서는 전류 흐름을 설명한다. 도 4는 도 1에 도시된 파워 모듈과 실질적으로 동일하되, 도 4에서는 도 2를 기준으로 하부 기판(120)의 상면 형상을, 도 5는 하부 기판(120)의 상면 형상과 대면하는 상부 기판(110)의 하면 형상을 각각 나타낸 것이다. 따라서, 도 5의 상부 기판(110)을 좌우 방향으로 플립시켜 하부 기판(120) 상으로 배치하면 도 2의 구조가 된다.
도 4 및 도 5에서도 도 3의 설명과 유사하게, 도 4에 도시된 파워 모듈이 도 3에서 제1 인버터(10)의 제1 스위칭부(200) 중 하나의 레그(200A), 제2 인버터(20)의 제2 스위칭부(300) 중 하나의 레그(300A) 및 절환 스위치(30) 중 제1 스위치(700A)에 대응됨을 가정한다.
도 1 내지 도 5를 함께 참조하면, 하부 기판(120)의 P 버스바로 입력된 전류는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20) 각각의 한 레그 중 탑상 스위칭 소자(220, 310)로 향한다. 제1 인버터(10)의 탑상 소자(220)를 거친 전류는 중앙부의 스페이서(610)를 거쳐 상부 기판(110)을 통해 연결된 비아 스페이서(620)를 지나 다시 하부 기판(120)으로 내려온다. 하부 기판(120)의 중앙 상부에서 전류 경로는 제1 인버터(10)의 바텀상 소자(210)로 연결되거나, 션트(800)를 거쳐 O 버스바(OINV1)로 연결될 수 있다. 바텀상 소자(210)는 다시 그 상부의 스페이서(610)로 상부 기판(110)과 연결될 수 있으며, 상부 기판(110)의 전류 경로는 하단부 비아 스페이서(620)를 통해 하부 기판(120)과 연결되어 P 버스바 양측의 N 버스바로 연결된다. 제2 인버터(20)의 경우도 탑상 소자(310) 이후 절환 스위치(30)에 소자(700)를 거쳐 절환 O 버스바(O절환)로 연결되거나, 탑상 소자(310) 상부의 스페이서(610)로 상부 기판(110)에 연결되어 하부 기판(120) 우측 상단의 비아 스페이서(620)를 통해 바텀상 소자(320) 및 O버스바(OINV2)로 연결될 수 있다. 바텀상 소자(320)는 다시 그 상부의 스페이서(610)로 상부 기판(110)과 연결될 수 있으며, 상부 기판(110)의 전류 경로는 하단부 비아 스페이서(620)를 통해 하부 기판(120)과 연결되어 P 버스바 양측의 N 버스바로 연결된다.
제1 스위칭부(200) 및 제3 스위칭부(700)는 SIC칩으로 형성되고 제2 스위칭부(300)는 SI칩으로 형성될 수 있다. 이는 모터 구동을 위해 제1 인버터(10)만 동작할 경우 절환스위치(30)가 ON 되어야 하며, 이 경우 제3 스위칭부(700)의 동작과 함께 제1 스위칭부(200)만으로 펄스폭 변조 제어를 수행해야 함에 따라 해당 스위칭부(200, 700)가 상대적으로 고성능으로 구성되어야 한다.
이와 달리, 제2 스위칭부(300)는 고출력이 요구되는 상황에서 제1 스위칭부(200)와 함께 활성화되더라도 상대적으로 스위칭 속도와 사용 빈도가 낮아 비교적 저성능으로 구성될 수 있다.
이에 따라, 제1 스위칭부(200)는 고속 스위칭 상황 하에서 낮은 열저항을 가지는 SiC칩으로 구성될 수 있으며, 제2 스위칭부(300)는 제1 스위칭부(200) 대비 저성능인 Si칩으로 구성될 수 있다.
상술한 각 스위칭 소자의 반도체 타입은 본 발명에 따른 실시예로서, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 타입의 반도체가 적용될 수 있다.
발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였으나, 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.
1 : 모터 구동 장치 2 : 모터
10 : 제1인버터 20 : 제2인버터
30 : 절환스위치 100 : 회로기판
110 : 상부기판 120 : 하부기판
200 : 제1 스위칭부 201, 301 : 반도체칩
300 : 제2 스위칭부 400 : 리드프레임
410 : N형 전극 420 : P형 전극
430 : 출력 전극 500 : 시그널 리드
610 : 스페이서 620 : 비아 스페이서
700 : 제3 스위칭부 800 : 전류측정부
900 : 와이어

Claims (14)

  1. 제1금속층이 마련된 회로기판;
    회로기판의 중앙부에 배치되며, 복수의 반도체칩이 포함된 제1 스위칭부;
    회로기판에서 제1 스위칭부의 외측으로 배치되며, 복수의 반도체칩이 포함된 제2 스위칭부;
    회로기판에서 제1 스위칭부의 외측으로 배치되는 제3 스위칭부;
    회로기판의 일측에 배치된 리드프레임; 및
    회로기판의 타측에 배치된 시그널 리드;를 포함하는 차량용 파워 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제2 스위칭부는 제1 방향을 따라 일측에 배치된 제2-1 스위칭 소자와 일측과 대향하는 타측에 배치된 제2-2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서
    리드프레임은 제1 방향을 따라 N-P-N 또는 P-N-P 순서로 배치된 복수의 버스바를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    N-P-N 또는 P-N-P에서 중앙의 버스바는 제1 스위칭부와 인접한 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  5. 청구항 3에 있어서,
    P 버스바는 제1 스위칭부와 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 적어도 일부가 중첩되는 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  6. 청구항 2에 있어서,
    제3 스위칭부는 제2-1 스위칭 소자에 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제1 스위칭부는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 서로 이격되어 일측에 배치된 제1-1 스위칭 소자와 일측과 대향하는 타측에 배치된 제1-2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    회로기판에서 제1-1 스위칭 소자에 인접하게 배치되며 회로기판의 전류를 -측정하는 전류측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    제1 스위칭부 및 제3 스위칭부는 SIC칩으로 형성되고 제2 스위칭부는 SI칩으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서
    제1 스위칭부는 항시 작동하며, 제2 스위칭소자는 제3 스위칭부의 작동에 따라 제1스위칭소자와 함께 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 파워 모듈.

  11. 청구항 1의 차량용 파워 모듈 세 개를 포함하고,
    차량용 파워 모듈의 각각에서,
    제1 스위칭부는 제1-1 스위칭 소자와 제1-2 스위칭 소자를 포함하되 제1 인버터의 하나의 레그에 대응되고,
    제2 스위칭부는 제2-1 스위칭 소자 및 제2-2 스위칭 소자를 포함하되 제2 인버터의 하나의 레그에 대응되며,
    제3 스위칭부의 일단은 제1-1 스위칭 소자와 제1-2 스위칭 소자 사이의 제1 노드와 제2-1 스위칭 소자 및 제2-2 스위칭 소자 사이의 제2 노드 사이에 연결되고, 절환스위치의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    파워 모듈 각각은 복수의 리드프레임을 포함하고,
    복수의 리드프레임 중 제3 스위칭부에 연결된 리드프레임은 파워 모듈 외부에서 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    모터 구동 장치 내에서 동전위를 갖는 시그널 리드끼리는 각 차량용 파워 모듈에서 상호 인접하게 배치되는, 모터 구동 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    동전위를 갖는 시그널 리드는,
    절환스위치와 제2-1 스위칭 소자에 대응되는 시그널 리드; 및
    제1-1 스위칭 소자와 제2-2 스위칭 소자에 대응되는 시그널 리드를 포함하는, 모터 구동 장치.
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