WO2022164064A1 - 인버터 모듈 - Google Patents

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    • H05K2201/2045—Protection against vibrations

Definitions

  • the present invention relates to an inverter module, and more particularly, to an inverter module for controlling a driving of an electric motor.
  • an inverter is a type of power conversion device that converts a DC voltage into an AC voltage.
  • three-phase AC power is converted into DC through a rectifier, and DC power stored in a DC link (usually a capacitor) is converted into AC power using an inverter to drive the motor.
  • a DC link usually a capacitor
  • the inverter is a VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) system, and it controls the speed of the motor by varying the voltage and frequency input to the motor according to the pulse width modulation (PWM) output.
  • VVVF Very Voltage Variable Frequency
  • the inverter is a circuit composed of power semiconductors and is implemented on a typical PCB.
  • the power semiconductors that make up the inverter are diodes, thyristors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs, etc., and since high power is used, heat is generated, so a cooling device for heat dissipation is essential.
  • Patent No. 10-1777439 of the applicant of the present invention (registered on September 5, 2017, cooling device for inverter) describes a device for dissipating heat in an air-cooled manner in an inverter.
  • an air cooling type may be used as shown in Korean Patent Registration No. 10-1777439, and various methods such as a water cooling type may be used.
  • An inverter module may be understood as a combination of an inverter and a heat dissipation device.
  • Patent Registration No. 10-1800048 describes a structure in which a PCB and a cooling device are combined so that power devices are mounted on a PCB and the power devices are located in a housing in which a cooling fan is provided.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a conventional inverter module
  • FIG. 9 is a combination configuration diagram of the power module and the PCB in FIG. 8 .
  • a power module 300 is mounted on a PCB 100 , and a heat sink 220 is attached to the power module 300 .
  • the power module 300 and the heat sink 220 are bonded using a heat conductive adhesive such as thermal grease.
  • the heat sink 220 is located in the housing of the cooling device 200 , and has a configuration in which heat is radiated by forced convection by the cooling fan 210 .
  • a plurality of pins 310 protrude, and the pins 310 are coupled to the coupling hole of the PCB 100 .
  • the pin 310 is electrically connected to the PCB 100 by soldering.
  • the power module 300 enables electrical connection using the solder 110 to each of the pins 310 protruding from the opposite surface of the one surface of the PCB 100 to which the power module 300 is coupled.
  • the soldering method performs automatic soldering using a manual or automatic machine.
  • solder 110 may be formed using a known soldering method such as wave soldering in which the PCB 100 to which the power module 300 is coupled is moved while being in contact with the solder melt.
  • the physical coupling between the power module 300 and the PCB 100 is performed by a physical coupling means such as a bolt.
  • the coating layer 120 may be formed on a part of the PCB 100 to prevent damage that may occur due to inflow and attachment of foreign substances due to forced convection or the like.
  • the coating layer 120 is applied to at least the conductive part of the PCB 100 in order to prevent this.
  • the coating layer 120 cannot be applied between the PCB 100 and the power module 300 due to the bonding structure.
  • the pins 310 are exposed between the PCB 100 and the power module 300 , and there is no coating layer 120 on the surface of the PCB 100 and the conductive layers such as wiring are exposed.
  • the air layer is positioned between the PCB 100 and the power module 300 , the heat dissipation performance using the cooling device 200 is deteriorated.
  • the problem to be solved by the present invention in view of the above problems is to provide an inverter module capable of increasing dust-proof and heat-dissipation efficiency.
  • Another object to be solved by the present invention is to provide an inverter module capable of reducing the time required for an assembly process.
  • the inverter module of the present invention for solving the above technical problems, a power module coupled to a PCB, and is positioned between the PCB and the power module to prevent foreign matter from being attached to the PCB and the power module, and It may include a cooling device for cooling the power module, including a thermal pad that conducts heat, and a heat sink attached to the power module.
  • the PCB includes a conductive bushing terminal providing a through hole, and pins of the power module may be fitted to the bushing terminal.
  • each of the pins may include a bifurcated elastic structure in which a void is formed in the center of a portion inserted into the bushing terminal.
  • the thermal pad may include insertion holes through which the pins are inserted so that the pins do not interfere.
  • the thermal pad may have lower hardness and elasticity than the PCB and the power module.
  • one pin or a plurality of pins may be inserted into each of the insertion holes according to an interval between the pins.
  • the power module may include a support that protrudes from a surface from which the pins protrude to support the PCB.
  • the PCB may be coupled to the support by a coupling member.
  • the cooling device may be air-cooled or water-cooled.
  • the gap between the PCB and the power module includes a flat plate on which the power module coupled with the thermal pad is seated, and protrudes from the top of the flat plate to fix the edge of the PCB and adjust the height. It can be adjusted by possible external supports.
  • the present invention applies a thermal pad between the power module and the PCB to prevent the conductive foreign material from being attached to the pin or the PCB of the power module, thereby preventing the occurrence of a short circuit accident or insulation breakdown caused by the conductive foreign material. has the effect of preventing it from happening.
  • the present invention has the effect of increasing the heat dissipation effect by the application of the thermal pad.
  • the present invention can prevent deformation or damage to the thermal pad due to heat during the soldering process by not using soldering when the PCB, the thermal pad and the power module are combined, and improve the productivity by shortening the bonding process time. can have an effect.
  • FIG. 1 is a block diagram of an inverter module according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG. 1 ;
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of FIG. 2 ;
  • FIG. 5 is a plan view of a state in which the power module and the thermal pad are combined.
  • FIG. 6 is a state diagram of a coupling state between the power module and the PCB on which the thermal pad is seated.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram of a device for adjusting a gap between a PCB and a power module.
  • FIG. 8 is a block diagram of a conventional inverter module.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a coupling relationship between the PCB and the power module in FIG. 8 .
  • cooling fan 22 heat sink
  • FIG. 1 is a block diagram of an inverter module according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG.
  • the inverter module of the present invention is positioned between the power module 30 mounted on the PCB 10 and the power module 30 and the PCB 10 to conduct heat and
  • the thermal pad 40 for preventing the inflow of foreign matter, the heat sink 22 attached to the power module 30, and the heat sink 22 are accommodated therein, and by forced convection by the cooling fan 21 .
  • a cooling device unit 20 for cooling the heat sink 22 is accommodated therein, and by forced convection by the cooling fan 21 .
  • the cooling device unit 20 may dissipate heat from the heat sink 22 by forming forced convection using the cooling fan 21 .
  • Such a configuration of the cooling device unit 20 is an example, and a water cooling type cooling device unit having a cooling water pipe in contact with the heat sink 22 may be used, and in addition, a structure using a known cooling method of the heat sink 22 . can be applied.
  • the power module 30 attached to the heat sink 22 may be a power element constituting an inverter circuit or an assembly of power elements.
  • the power device may be a diode, a thyristor, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or a MOSFET.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the power module 30 is adhered to the heat sink 22 by a thermally conductive adhesive.
  • the power module 30 includes a metal housing and a plurality of pins 31 protruding outward from the metal housing.
  • the pin 31 of the power module 30 is electrically connected by being fitted to the PCB 10 , and this coupling method will be described in more detail later.
  • the present invention does not use a soldering process by fitting the pins 31 , and thus the time required for the assembling process can be shortened. The reduction of the process time contributes to the improvement of productivity.
  • the bushing terminal 11 which is a conductor, is inserted into the through hole in the PCB 10 .
  • the bushing terminal 11 may be electrically connected to the conductor wiring of the PCB 10 .
  • the bushing terminal 11 is to provide an electrical contact surface with the pin 31, and the shape or material may be variously changed and used.
  • the separation preventing portion 11A protruding outwardly may be formed on the upper and lower portions of the bushing terminal 11 .
  • the pin 31 includes a bifurcated elastic structure 33 in which a void 32 is formed in the center of a portion inserted into the bushing terminal 11 .
  • the portion where the elastic structure 33 is located forms a larger diameter portion with respect to the other regions of the pin 31 .
  • the gap between the elastic structures 33 is reduced in the direction in which the width of the gap 32 decreases, and the elastic structure 33 is in close contact with the bushing terminal 11 by the restoring force of the elastic structure 33. is firmly fixed in place.
  • the pin 31 passes through the thermal pad 40 , and thus, in a state in which the pin 31 is coupled to the bushing terminal 11 of the PCB 10 , the PCB 10 and the power module 30 A thermal pad 40 is positioned between them.
  • both sides of the thermal pad 40 are in close contact with the PCB 10 and the power module 30, respectively.
  • the coating layer 12 is formed on the entire surface of the PCB 10 except for the contact portion of the thermal pad 40 that is structurally difficult to form a coating layer.
  • the coating layer 12 prevents the conductor portion from being exposed to the outside, and serves as a means to prevent short circuit even when a conductive foreign material is attached.
  • the thermal pad 40 is fixed in close contact with a portion of the PCB 10 on which the coating layer 12 is not formed, it is possible to prevent foreign matter from adhering, and damage that may occur due to the attachment of the conductive foreign material; It has features that can prevent malfunctions and failures.
  • the thermal pad 40 prevents exposure of the side portion of the pin 31 and closely adheres to the protruding surface of the pin 31 of the power module 30 , so that a conductive foreign material is attached to the pin 31 or the power module 30 . It is possible to prevent adhesion, and it is possible to prevent damage such as insulation breakdown.
  • the thermal pad 40 can use thermally conductive silicone, thermally conductive resin, and thermally conductive rubber material, and uses relatively low hardness and elastic material compared to the PCB 10 and the power module 30, so that power according to external vibrations is used. There is a feature that can prevent damage to the module 30 and the PCB 10 and also prevent damage due to impact in the assembly process.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of FIG. 2 ;
  • the thermal pad 40 includes an insertion hole 41 into which at least one or more pins 31 are inserted.
  • planar shape of the insertion hole 41 is advantageous for the manufacturing and assembly process to have a rectangular structure, but is not necessarily limited to the rectangular structure.
  • the condition of the insertion hole 41 is that the diameter is larger than the diameter of the elastic structure 33, which is the large diameter portion of the pin 31, so that the pin 31 can be inserted without interference.
  • the region of the insertion hole 41 may be determined so that all the pins 31 concentrated in an area having a relatively narrow installation interval may penetrate through one insertion hole 41 .
  • the pin 31 positioned at a position significantly spaced apart from the other pins 31 may be inserted into one insertion hole 41 alone.
  • the pins 31 are inserted into the insertion hole 41 of the thermal pad 40, the elastic structure 33 is exposed to the upper side of the thermal pad 40, the conductivity of the PCB 10 in the subsequent process to be coupled to the bushing terminal 11 .
  • the coupling with the bushing terminal 11 can be easily understood from the description with reference to FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a front view of the power module 30 applied to the present invention.
  • the power module 30 includes a housing 35 and a plurality of pins 31 that are insulated from the housing 35 and protrude to the outside. It may be understood that the housing 35 is for protecting power elements inside the power module 30 , and the pin 31 is for supply and output of power.
  • the power module 30 applied to the present invention includes a support 36 protruding along the circumference of the housing 35 to support the PCB 10 .
  • the support 36 may have an independently protruding structure, and may be a continuous protruding portion along the circumference of one surface of the housing 35 .
  • the support 36 protrudes from the periphery of the protruding surface of the pin 31 , and the end of the protruding portion is a flat surface so that the PCB 10 can be seated.
  • the protruding height of the support 36 is the same as the height of the thermal pad 40 or lower than the height of the thermal pad 40 .
  • fastening holes may be formed in the support 36 vertically, and the PCB 10 may be fastened by a coupling member such as a bolt.
  • the distance between the power module 30 and the PCB 10 may be determined by the height of the support 36 .
  • FIG. 5 is a plan view of a state in which the thermal pad 40 is seated on the power module 30 of FIG. 4 .
  • a plurality of insertion holes 41 are formed in the thermal pad 40 , and a plurality of pins 31 are inserted into one insertion hole 41 or a single pin 31 . This can be inserted.
  • the size and shape of the insertion hole 41 is designed according to the installation position and spacing of the pins 31 .
  • the insertion hole 41 is designed to be larger than the diameter of the pin 31 so as not to interfere with the insertion of the pin 31 .
  • the coupled state is shown in FIG. 6 .
  • the PCB 10 is equipped with bushing terminals 11 at the insertion position of the pin 31 in advance, and the PCB 10 is aligned so that the elastic structure 33 is simultaneously coupled to each of the bushing terminals 11 , It can be tightened by applying downward pressure.
  • the thermal pad 40 is positioned between the PCB 10 and the power module 30 , so that heat can be conducted through the thermal pad 40 and thus the heat dissipation effect can be increased.
  • thermal pad 40 itself acts as a vibration-proof structure for the fin 31 and the area where the coating layer 12 of the PCB 10 is not formed and the one surface of the power module 30, so that the It has features to prevent damage.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of one embodiment of a jig for coupling of the present invention.
  • a combination of the power module 30 and the thermal pad 40 may be placed on the flat plate 50 , and the PCB 10 may be coupled to the pins 31 of the power module 30 .
  • the external support 60 is fixed to the upper part of the flat plate 50 , and the edge of the PCB 10 is fixed to the external support 60 to fix the height.
  • the power module 30 and the PCB 10 may be coupled while maintaining a gap.
  • the present invention relates to a technology for protecting a power module and a PCB of an inverter by using the laws of nature, and has potential industrial application.

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Abstract

본 발명은 인버터 모듈에 관한 것으로, PCB에 결합되는 파워 모듈과, 상기 PCB와 상기 파워 모듈의 사이에 위치하여 상기 PCB 및 상기 파워 모듈에 이물이 부착되는 것을 방지함과 아울러 열을 전도하는 서멀 패드와, 상기 파워 모듈에 부착되는 히트 싱크를 포함하여 상기 파워 모듈을 냉각시키는 냉각 장치를 포함할 수 있다.

Description

인버터 모듈
본 발명은 인버터 모듈에 관한 것으로, 더 상세하게는 전동기 구동 제어를 위한 인버터 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터(inverter)는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 전력변환장치의 일종이다.
통상 3상 교류전원을 정류기를 통해 직류로 변환하고, DC링크(통상 커패시터)에 저장된 직류전원을 인버터를 이용하여 교류전원으로 변환하여, 전동기를 구동한다.
인버터는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 시스템이며, 펄스폭 변조(PWM) 출력에 따라 전동기에 입력되는 전압과 주파수를 가변하여, 전동기의 속도를 제어하게 된다.
인버터는 전력 반도체들로 구성된 회로이며, 통상의 PCB 상에 구현된다.
인버터를 구성하는 전력 반도체들은 다이오드, 사이리스터(Thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 등이며, 고전력을 사용하기 때문에 열이 발생하기 때문에 방열을 위한 냉각장치가 필수적으로 마련되어야 한다.
본 발명의 출원인의 등록특허 10-1777439호(2017년 9월 5일 등록, 인버터용 냉각 장치)에는 인버터를 공냉식으로 방열시키는 장치에 대하여 기재되어 있다.
인버터의 방열을 위해, 등록특허 10-1777439호와 같이 공냉식을 사용할 수 있으며, 수냉식 등 다양한 방식을 사용할 수 있다.
인버터 모듈은 인버터와 방열 장치의 결합으로 이해될 수 있다.
다른 선행기술의 예로서 역시 본 발명의 출원인의 등록특허 10-1800048호(2017년 11월 15일 등록, 인버터용 냉각 장치)에는 냉각 장치가 결합된 인버터의 구조에 대하여 기재하고 있다.
등록특허 10-1800048호에는 PCB에 전력 소자들이 실장되고, 그 전력 소자들이 냉각 팬이 마련된 함체 내에 위치하도록 PCB와 냉각 장치를 결합한 구조에 대하여 기재되어 있다.
즉, 전력 소자들에 접촉되는 히트 싱크들이 냉각 장치 내에 위치하고, 냉각 팬을 이용하여 히트 싱크에서 열교환이 일어나도록 하는 방식을 사용하고 있다.
이상 설명한 종래 기술들에는 명확하게 기재되어 있지 않지만, 전력 소자 또는 전력 소자의 집합체인 파워 모듈(power module)을 PCB에 실장할 때, 냉각 장치의 결합 상태를 고려하여 다양한 처리를 하게 된다.
도 8은 종래 인버터 모듈의 개략적인 구성도이고, 도 9는 도 8에서 파워 모듈과 PCB의 결합 구성도이다.
도 8과 도 9를 각각 참조하면 종래 인버터 모듈은, PCB(100)에 파워 모듈300)이 실장되고, 파워 모듈(300)에는 히트 싱크(220)가 접착된다.
파워 모듈(300)과 히트 싱크(220)의 접착은 서멀 그리스(Thermal grease) 등의 열전도 접착제를 이용하여 접착된다.
상기 히트 싱크(220)는 냉각 장치(200)의 함체 내에 위치하며, 냉각 팬(210)에 의한 강제 대류에 의해 방열이 이루어지는 구성을 가진다.
이때, 파워 모듈(300)은 다수의 핀(310)이 돌출되어 있으며, PCB(100)의 결합공에 핀(310)이 결합된다.
상기 핀(310)은 솔더링(Soldering)에 의해 PCB(100)과 전기적으로 연결된다.
즉, 파워 모듈(300)이 결합되는 PCB(100)의 일면의 반대편 면에서 돌출되는 핀(310)들 각각에 대하여 솔더(110)를 이용하여 전기적인 연결을 가능하게 한다.
이때 솔더링 방법은 수동 또는 자동 기계를 이용한 오토 솔더링을 수행한다.
또한, 파워 모듈(300)이 결합된 PCB(100)를 이동시키면서, 솔더 융액에 접촉시키는 웨이브 솔더링 등 알려진 솔더링 방법을 이용하여 솔더(110)를 형성할 수 있다.
그러나 이러한 솔더링 방법들은 모두 열을 이용하는 것으로, 열에 의한 PCB 등 부품의 손상이나 변형이 발생할 염려가 있으며, 상대적으로 요구 작업 시간이 많이 필요하기 때문에 생산성이 낮다는 문제점이 있었다.
도면에는 도시하지 않았으나 파워 모듈(300)과 PCB(100)의 물리적인 결합은 볼트 등의 물리적인 결합수단에 의해 이루어진다.
상기 PCB(100)는 통상의 PCB이지만, 강제 대류 등에 의해 외부의 이물질이 유입되어 부착됨으로써 발생할 수 있는 피해를 방지하기 위하여 일부에 코팅층(120)이 형성된 것일 수 있다.
외부 이물질이 PCB(100)에 부착되어 전도성 이물질에 의한 단락 사고가 발생할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 적어도 PCB(100)의 도전부분에는 코팅층(120)을 적용한다.
그러나 결합 구조상 PCB(100)와 파워 모듈(300)의 사이에는 코팅층(120)이 적용될 수 없다.
즉, PCB(100)와 파워 모듈(300)의 사이에는 핀(310)이 노출되며, PCB(100)의 표면에 코팅층(120)이 없이 배선 등 도전층이 노출된 상태가 된다.
이와 같은 상태에서 전도성 이물이 PCB(100) 또는 노출된 핀(310)에 부착되는 경우, 절연 거리가 줄어들어 절연파괴가 발생하거나 단락 사고가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
또한, PCB(100)와 파워 모듈(300)의 사이에 공기층이 위치함으로써, 냉각 장치(200)를 사용하는 방열 성능이 저하되기 때문이다.
즉, PCB(100)와 파워 모듈(300) 사이의 열의 전달이 전도에 의해 이루어지지 않고, 공기의 대류에 의해 이루어지기 때문에 방열 효과가 감소하게 되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 방진 및 방열 효율을 높일 수 있는 인버터 모듈을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 조립 공정에 요구되는 시간을 줄일 수 있는 인버터 모듈을 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 인버터 모듈은, PCB에 결합되는 파워 모듈과, 상기 PCB와 상기 파워 모듈의 사이에 위치하여 상기 PCB 및 상기 파워 모듈에 이물이 부착되는 것을 방지함과 아울러 열을 전도하는 서멀 패드와, 상기 파워 모듈에 부착되는 히트 싱크를 포함하여 상기 파워 모듈을 냉각시키는 냉각 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 PCB는 통공을 제공하는 도전성의 부싱 단자를 포함하고, 상기 파워 모듈의 핀들이 상기 부싱 단자에 끼움 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 핀들 각각은, 상기 부싱 단자에 삽입되는 부분이 중앙에 공극이 형성되는 양갈래의 탄성 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 서멀 패드는, 상기 핀들이 간섭되지 않도록 관통 삽입되는 삽입홀들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 서멀 패드는, 상기 PCB 및 상기 파워 모듈에 비하여 경도가 낮으며, 탄성을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 삽입홀들 각각은, 상기 핀들의 간격에 따라 하나의 핀 또는 다수의 핀들이 삽입될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파워 모듈은, 상기 핀들이 돌출되는 면에서 돌출되어 상기 PCB를 지지하는 지지대를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 PCB는 상기 지지대에 결합부재에 의해 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 냉각 장치는, 공냉식 또는 수냉식일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 PCB와 상기 파워 모듈 사이의 간격은, 상기 서멀 패드와 결합된 파워 모듈이 안착되는 평판과, 상기 평판의 상부에서 돌출되어 상기 PCB의 가장자리를 고정하며 높이의 조정이 가능한 외부 지지대에 의해 조정될 수 있다.
본 발명은, 파워 모듈과 PCB의 사이에 서멀 패드(Thermal Pad)를 적용하여 전도성 이물이 파워 모듈의 핀이나 PCB에 부착되는 것을 방지함으로써, 전도성 이물에 의한 단락 사고의 발생 또는 절연 파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 서멀 패드의 적용에 의하여 방열 효과를 높일 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 PCB, 서멀 패드 및 파워 모듈이 결합에서, 솔더링을 사용하지 않음으로써, 솔더링 공정시 열에 의한 서멀 패드 등의 변형이나 손상을 방지할 수 있으며, 결합 공정 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터 모듈의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 주요 부분의 확대도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 파워 모듈의 정면도이다.
도 5는 파워 모듈과 서멀 패드가 결합된 상태의 평면도이다.
도 6은 서멀 패드가 안착된 파워 모듈과 PCB의 결합상태도이다.
도 7은 PCB와 파워 모듈의 간격 조정을 위한 장치의 예시도이다.
도 8은 종래 인버터 모듈의 구성도이다.
도 9는 도 8에서 PCB와 파워 모듈의 결합관계도이다.
- 부호의 설명 -
10:PCB 11:부싱 단자
11a:이탈 방지부 20:냉각 장치
21:냉각 팬 22:히트 싱크
30:파워 모듈 31:핀
32:공극 33:탄성 구조체
35:하우징 36:지지대
40:서멀 패드 41:삽입홀
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 모듈에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터 모듈의 구성도이고, 도 2는 도 1의 주요 부분 확대도이다.
도 1과 도 2를 각각 참조하면 본 발명 인버터 모듈은, PCB(10)에 실장되는 파워 모듈(30)과, 상기 파워 모듈(30)과 PCB(10)의 사이에 위치하여 열을 전도함과 아울러 이물의 유입을 방지하는 서멀 패드(40)와, 상기 파워 모듈(30)에 부착되는 히트 싱크(22)와, 상기 히트 싱크(22)가 수용되며 냉각 팬(21)에 의한 강제 대류에 의해 히트 싱크(22)를 냉각시키는 냉각 장치부(20)를 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 인버터 모듈의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 냉각 장치부(20)는 냉각 팬(21)을 사용하여 강제 대류를 형성함으로써, 히트 싱크(22)의 열을 방출할 수 있다.
이와 같은 냉각 장치부(20)의 구성은 하나의 예이며, 히트 싱크(22)에 접촉되는 냉각수관이 형성된 수냉식 냉각 장치부를 사용할 수 있으며, 이외에 알려진 히트 싱크(22)의 냉각 방식을 사용하는 구조를 적용할 수 있다.
상기 히트 싱크(22)에 접착되는 파워 모듈(30)은 인버터 회로를 구성하는 전력 소자 또는 전력 소자의 집합체일 수 있다.
예를 들어 전력 소자는 다이오드, 사이리스터(Thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 MOSFET일 수 있다.
파워 모듈(30)은 열전도 접착제에 의해 히트 싱크(22)에 접착된다.
파워 모듈(30)은 금속재 하우징과 그 금속재 하우징에서 외부로 돌출되는 다수의 핀(31)을 포함하여 구성된다.
파워 모듈(30)의 핀(31)은 PCB(10)에 끼움 결합됨으로써, 전기적으로 연결되는 것으로 이러한 결합 방식에 대해서는 이후에 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
핀(31)의 끼움 결합에 의해 본 발명에서는 솔더링 공정을 사용하지 않으며, 따라서 조립 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 공정 시간의 단축은 생산성의 향상에 기여한다.
또한, 열이 수반되는 솔더링 공정을 사용하지 않음으로써, PCB(10)의 변형 또는 손상을 방지할 수 있으며, 특히 이후에 설명할 서멀 패드(40)의 변형 또는 손상을 방지할 수 있다.
파워 모듈(30)과 PCB(10) 사이의 끼움 결합을 위하여 PCB(10)에는 도전체인 부싱 단자(11)가 통공에 삽입된 형태이다. 부싱 단자(11)는 PCB(10)의 도전체 배선과 전기적으로 연결되는 것으로 할 수 있다.
상기 부싱 단자(11)는 핀(31)과의 전기적인 접촉면을 제공하기 위한 것으로, 그 형태나 재질은 다양하게 변경하여 사용할 수 있다.
다만, 핀(31)이 부싱 단자(11) 내에 압입될 때, 부싱 단자(11)가 PCB(10)로부터 이탈하지 않도록 견고한 구조를 가지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 부싱 단자(11)의 상부와 하부에는 외측으로 돌출된 이탈방지부(11A)가 형성될 수 있다.
핀(31)은 상기 부싱 단자(11)에 삽입되는 부분이 중앙에 공극(32)이 형성된 양갈래의 탄성 구조체(33)를 포함한다. 탄성 구조체(33)가 위치하는 부분은 핀(31)의 다른 영역에 대하여 직경이 더 큰 대경부를 이룬다.
따라서 부싱 단자(11)에 압입할 때, 공극(32)의 폭이 줄어드는 방향으로 탄성 구조체(33)의 사이 간격이 줄어들게 되며, 탄성 구조체(33)의 복원력에 의해 부싱 단자(11)에 밀착된 상태로 견고하게 고정된다.
상기 핀(31)은 서멀 패드(40)를 관통하는 것이며, 따라서 핀(31)이 상기 PCB(10)의 부싱 단자(11)에 결합된 상태에서, PCB(10)와 파워 모듈(30)의 사이에는 서멀 패드(40)가 위치한다.
바람직하게 서멀 패드(40)의 양면은 각각 PCB(10)와 파워 모듈(30)에 밀착된다.
상기 PCB(10)는 구조적으로 코팅층의 형성이 어려운 상기 서멀 패드(40)의 접촉 부분을 제외한 전면에 코팅층(12)이 형성된 것이 바람직하다.
코팅층(12)은 도전체 부분이 외부에 노출되는 것을 방지하여, 도전성의 이물이 부착되는 경우에도 단락의 발생 등을 방지하는 수단이 된다.
또한, 코팅층(12)이 형성되지 않은 PCB(10)의 일부 영역에는 서멀 패드(40)가 밀착되어 고정되기 때문에 이물이 부착되는 것을 방지할 수 있어, 도전성 이물의 부착에 따라 발생할 수 있는 손상, 오작동 및 고장을 방지할 수 있는 특징이 있다.
아울러 서멀 패드(40)는 핀(31)의 측면부의 노출을 방지함과 아울러 파워 모듈(30)의 핀(31) 돌출면에 밀착됨으로써, 전도성 이물이 핀(31) 또는 파워 모듈(30)에 부착되는 것을 방지할 수 있어, 절연 파괴 등의 손상을 방지할 수 있게 된다.
서멀 패드(40)는 열전도성 실리콘, 열전도성 수지, 열전도성 고무재를 사용할 수 있으며, PCB(10) 및 파워 모듈(30)에 비하여 상대적으로 낮은 경도 및 탄성재를 사용함으로써 외부 진동에 따른 파워 모듈(30)과 PCB(10)의 손상을 방지함과 아울러 조립공정에서의 충격에 의한 손상을 방지할 수 있는 특징이 있다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면 서멀 패드(40)에는 적어도 하나 이상의 핀(31)들이 삽입되는 삽입홀(41)을 포함한다.
삽입홀(41)의 평면 형상은 사각형 구조인 것이 제작 및 조립공정에 유리하지만, 반드시 사각형 구조에 제한되는 것은 아니다.
삽입홀(41)의 조건은 직경이 상기 핀(31)의 대경부인 탄성 구조체(33)의 직경보다 큰 것으로 하여, 간섭 없이 핀(31)이 삽입될 수 있는 것이다.
따라서 설치 간격이 상대적으로 좁은 영역에 밀집된 핀(31)들은 하나의 삽입홀(41)을 통해 모두 관통할 수 있도록 삽입홀(41)의 영역을 결정할 수 있다.
만약 핀(31)이 삽입홀(41)에 삽입될 때 간섭이 발생한다면, 핀(31)의 휨이 발생하거나, 서멀 패드(40)를 파워 모듈(30)에 결합할 때 더 많은 주의를 기울여야 하는 등의 제작 공정상 어려움이 발생할 수 있다.
다른 핀(31)들과는 상당히 이격된 위치에 위치하는 핀(31)은 단독으로 하나의 삽입홀(41)에 삽입될 수 있다.
상기 핀(31)들은 서멀 패드(40)의 삽입홀(41)에 삽입된 상태에서 탄성 구조체(33)가 서멀 패드(40)의 상부측으로 노출되어, 이후의 과정에서 PCB(10)의 도전성인 부싱 단자(11)에 결합될 수 있도록 한다.
부싱 단자(11)와의 결합은 도 2를 참조한 설명으로부터 쉽게 이해될 수 있다.
도 4는 본 발명에 적용되는 파워 모듈(30)의 정면 구성도이다.
도 4를 참조하면 파워 모듈(30)은 하우징(35)과, 상기 하우징(35)과는 절연되며 외부로 돌출되는 다수의 핀(31)을 포함한다. 상기 하우징(35)은 파워 모듈(30) 내부의 전력 소자들을 보호하기 위한 것이며, 핀(31)은 전력의 공급 및 출력을 위한 것으로 이해될 수 있다.
본 발명에 적용되는 파워 모듈(30)은 하우징(35)의 둘레를 따라 돌출되어 PCB(10)를 지지하는 지지대(36)를 포함한다.
지지대(36)는 독립적으로 다수가 돌출된 구조일 수 있으며, 하우징(35)의 일면 둘레를 따라 연속적으로 돌출된 부분일 수 있다.
지지대(36)는 상기 핀(31)이 돌출되는 면의 둘레에서 돌출되는 것으로 하며, 돌출부분의 끝은 평탄한 면으로서, PCB(10)가 안착될 수 있도록 한다.
바람직하게 지지대(36)의 돌출높이는 상기 서멀 패드(40)의 높이와 동일하거나 서멀 패드(40)의 높이보다 낮은 것으로 한다.
보다 견고한 결합을 위하여 상기 지지대(36)에는 체결공이 상하로 형성된 것일 수 있으며, 볼트 등의 결합부재에 의해 PCB(10)가 체결되는 것으로 할 수 있다.
따라서 지지대(36)의 높이에 의하여 파워 모듈(30)과 PCB(10) 사이의 거리가 결정될 수 있다.
도 5는 도 4의 파워 모듈(30)에 서멀 패드(40)가 안착된 상태의 평면도이다.
도 5를 참조하면 앞서 설명한 바와 같이 서멀 패드(40)에는 다수의 삽입홀(41)이 형성되어 있으며, 하나의 삽입홀(41)에는 복수의 핀(31)들이 삽입되거나 하나의 핀(31)이 삽입될 수 있다.
삽입홀(41)의 크기 및 형상은 핀(31)들의 설치 위치와 간격에 따라 설계된다.
특히 삽입홀(41)은 핀(31)의 삽입시 간섭되지 않도록 핀(31)의 직경에 비하여 더 크게 설계된다.
상기 파워 모듈(30)에 삽입홀(41)을 가지는 서멀 패드(40)가 안착된 상태에서, 서멀 패드(40)의 상부로 핀(31)의 탄성 구조체(33)들이 노출된 상태에서, PCB(10)를 핀(31)에 결합한다.
도 6에 결합된 상태를 도시하였다.
즉, PCB(10)에는 미리 핀(31)의 삽입 위치에 부싱 단자(11)들이 장착되어 있으며, 부싱 단자(11)들 각각에 탄성 구조체(33)가 동시에 결합되도록 PCB(10)를 정렬하고 하향의 압력을 가하여 체결할 수 있다.
따라서 별도의 솔더링 공정이 요구되지 않으며, 조립 시간을 단축할 수 있다.
또한, 조립을 위한 열공정을 사용하지 않음으로써, 열에 의한 부품의 손상이나 변형을 방지할 수 있는 특징이 있다.
본 발명은 PCB(10)와 파워 모듈(30)의 사이에 서멀 패드(40)가 위치하여, 서멀 패드(40)를 통한 열의 전도가 가능하며 따라서 방열 효과를 높일 수 있다.
또한, 서멀 패드(40) 자체가 핀(31)과 PCB(10)의 코팅층(12)이 형성되지 않은 영역 및 파워 모듈(30)의 일면에 대하여 방진 구조로 작용함으로써, 도전성 이물의 부착에 따른 손상을 방지할 수 있는 특징이 있다.
도 7은 본 발명의 결합을 위한 지그의 일실시 구성도이다.
도 7을 참조하면 평판(50)의 상부에 파워 모듈(30)과 서멀 패드(40) 결합체를 올려두고, PCB(10)를 파워 모듈(30)의 핀(31)에 결합할 수 있다.
이때 평판(50)의 상부 일부에는 외부 지지대(60)를 고정시키고, 외부 지지대(60)에 PCB(10)의 가장자리를 고정하여 높이를 고정할 수 있다.
즉, 외부 지지대(60)를 이용하여 파워 모듈(30)과 PCB(10)의 간격을 유지하면서 결합할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
본 발명은 자연법칙을 이용하여 인버터의 파워 모듈과 PCB를 보호하는 기술에 관한 것으로, 산업상 이용 가능성이 있다.

Claims (10)

  1. PCB에 결합되는 파워 모듈;
    상기 PCB와 상기 파워 모듈의 사이에 위치하여 상기 PCB 및 상기 파워 모듈에 이물이 부착되는 것을 방지함과 아울러 열을 전도하는 서멀 패드; 및
    상기 파워 모듈에 부착되는 히트 싱크를 포함하여 상기 파워 모듈을 냉각시키는 냉각 장치를 포함하는 인버터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PCB는 통공을 제공하는 도전성의 부싱 단자를 포함하고,
    상기 파워 모듈의 핀들이 상기 부싱 단자에 끼움 결합되는 것을 특징으로 하는 인버터 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 핀들 각각은,
    상기 부싱 단자에 삽입되는 부분이 중앙에 공극이 형성되는 양갈래의 탄성 구조체를 포함하는 인버터 모듈.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 서멀 패드는,
    상기 핀들이 간섭되지 않도록 관통 삽입되는 삽입홀들을 포함하는 인버터 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 서멀 패드는,
    상기 PCB 및 상기 파워 모듈에 비하여 경도가 낮으며, 탄성을 가지는 것을 특징으로 하는 인버터 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 삽입홀들 각각은,
    상기 핀들의 간격에 따라 하나의 핀 또는 다수의 핀들이 삽입되는 것을 특징으로 하는 인버터 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 파워 모듈은,
    상기 핀들이 돌출되는 면에서 돌출되어 상기 PCB를 지지하는 지지대를 포함하는 인버터 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PCB는 상기 지지대에 결합부재에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 인버터 모듈.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    공냉식 또는 수냉식인 것을 특징으로 하는 인버터 모듈.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 PCB와 상기 파워 모듈 사이의 간격은,
    상기 서멀 패드와 결합된 파워 모듈이 안착되는 평판과, 상기 평판의 상부에서 돌출되어 상기 PCB의 가장자리를 고정하며 높이의 조정이 가능한 외부 지지대에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 인버터 모듈.
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