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KR102440583B1 - 파워 유닛, 및 이를 구비한 전력변환장치 - Google Patents

파워 유닛, 및 이를 구비한 전력변환장치 Download PDF

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KR102440583B1
KR102440583B1 KR1020160156018A KR20160156018A KR102440583B1 KR 102440583 B1 KR102440583 B1 KR 102440583B1 KR 1020160156018 A KR1020160156018 A KR 1020160156018A KR 20160156018 A KR20160156018 A KR 20160156018A KR 102440583 B1 KR102440583 B1 KR 102440583B1
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South Korea
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power
bus bar
cooling
cooling water
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KR1020160156018A
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박형준
김민지
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛은, 전력변환 스위칭 소자로 구성되고, 일측에는 보드에 연결되는 게이트 핀이 연결되고, 타측에는 메인버스바가 연결된 파워 모듈, 상기 파워 모듈의 양측면에 각각 배치되는 냉각 모듈, 상기 냉각 모듈의 외측면에 각각 배치되고, 연결버스바를 통해서 상기 메인버스바와 각각 전기적으로 연결되는 캐패시터가 배치되는 캐패시터모듈, 및 상기 냉각 모듈의 일단부와 연결되어 상기 냉각 모듈로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급파이프와 상기 냉각 모듈의 타단부와 연결되어 상기 냉각 모듈에서 배출되는 냉각수가 배출되는 냉각수 배출파이프를 포함할 수 있다.

Description

파워 유닛, 및 이를 구비한 전력변환장치{POWER UNIT, AND POWER TRANSFORMATIN DEVICE}
본 발명은 파워 모듈과 캐패시터 모듈의 조립 구조를 개선한 파워 유닛, 및 이를 구비한 전력변환장치에 관한 것이다.
최근 녹색 에너지에 대한 관심 속에 내연기관 자동차를 대신할 미래형 자동차로 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료 전지 자동차 등이 각광받고 있다.
이러한 하이브리드 자동차와 전기/연료 전지 자동차들은 동력원으로서 엔진과 고출력 모터가 적용되고 있다.
그리고 하이브리드 자동차와 전기/연료 전지 자동차들은 내부적으로 생산된 전기 에너지를 충/방전하기 위해 배터리 또는 연료 전지에서 발생하는 고전압의 직류 전원을 U, V, W 상의 3상 교류 전원으로 변환시키는 인버터 시스템을 채용하고 있다.
인버터 시스템은 전력변환 스위칭 소자(Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT)로 이루어진 파워 모듈과, 파워 모듈의 전력용 반도체 스위칭 소자의 스위칭에 의한 리플 전류(Ripple Current)를 흡수하는 캐패시터 모듈을 구비하고 있다.
이와 같은 캐패시터 모듈은 버스 바를 통해 인버터의 입력단인 고전압 DC 입력단 및 파워 모듈과 전기적으로 연결되어 있다.
한편, 인버터의 파워 모듈을 설계하는 데 있어서, 가장 중요한 부분은 냉각구조이며, 이러한 냉각성능이 출력성능을 결정할 수 있기 때문이다.
따라서, 파워 모듈, 캐패시터, 버스바, 및 냉각수유로를 하나의 패키지로 구성하여 냉각효율을 향상시키고, 사이즈를 축소하며, 다양한 사양을 만족시킬 수 있는 인버터 유닛에 위한 연구가 진행되고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
공개번호 10-2010-0042905 공개번호 10-2013-0017225
본 발명의 목적은 냉각효율을 향상시키고, 사이즈를 축소시키며, 구조를 간단하게 하며, 다양한 용량을 갖는 라인업에 대응할 수 있는 파워 유닛, 및 이를 구비한 전력변환장치를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛은, 전력변환 스위칭 소자로 구성되고, 일측에는 보드에 연결되는 게이트 핀이 연결되고, 타측에는 메인버스바가 연결된 파워 모듈, 상기 파워 모듈의 양측면에 각각 배치되는 냉각 모듈, 상기 냉각 모듈의 외측면에 각각 배치되고, 연결버스바를 통해서 상기 메인버스바와 각각 전기적으로 연결되는 캐패시터가 배치되는 캐패시터모듈, 및 상기 냉각 모듈의 일단부와 연결되어 상기 냉각 모듈로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급파이프와 상기 냉각 모듈의 타단부와 연결되어 상기 냉각 모듈에서 배출되는 냉각수가 배출되는 냉각수 배출파이프를 포함할 수 있다.
상기 냉각 모듈에는 상기 냉각수 공급파이프에서 상기 냉각수 배출파이프로 연결되는 냉각수채널들이 형성되고, 상기 냉각수채널을 지나는 냉각수는 상기 파워 모듈에서 발생되는 열을 흡수할 수 있다.
상기 냉각수 공급파이프와 상기 냉각수 배출파이프는 상기 파워 모듈의 양측에서 나란하게 연장될 수 있다.
상기 캐패시터모듈은, 상기 냉각 모듈의 일면에 배치되는 기판, 상기 기판에서 상기 냉각 모듈과 접하는 면의 반대면에 배치되고, 상기 연결버스바를 통해서 상기 메인버스바와 전기적으로 연결된 캐패시터, 및 상기 기판의 가장자리 외측을 따라서 형성되고, 상기 기판과 상기 캐패시터가 내측에 배치되며, 상기 냉각 모듈과 접하는 캐패시터 하우징을 포함할 수 있다.
상기 캐패시터 하우징과 상기 냉각 모듈은 서로 접합될 수 있다.
상기 캐패시터 하우징은 부도체 재질로 만들어질 수 있다.
상기 메인버스바와 상기 캐패시터는 상기 연결버스바를 통해서 전기적으로 연결되고, 상기 연결버스바는 상기 캐패시터 하우징에서 상기 냉각 모듈과 마주하는 내면의 반대측의 외면을 따라서 형성되어 상기 메인버스바와 상기 캐패시터를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 캐패시터 하우징에서 상기 파워 모듈의 일면에 대응하여 배치되는 상기 캐패시터 하우징의 외면 일측에는 돌기가 형성되고, 상기 파워 모듈의 타면에 대응하여 배치되는 상기 캐패시터 하우징의 외면 일측에는 상기 돌기와 대응하는 형태와 위치를 갖는 홈이 형성될 수 있다.
상기 파워 모듈과 상기 냉각 모듈은 서로 접합될 수 있다.
상기 메인버스바는 직류 + 전원과 연결되는 DC버스바+, 직류 - 전원 연결되는 DC버스바-, 및 상기 DC버스바+,-와 설정된 간격을 두고 배치되는 상버스바를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는 파워 유닛을 직렬로 적층하여, 서로 인접한 상기 캐패시터모듈의 상기 연결버스바가 서로 접촉되도록 하고, 상기 냉각수 공급파이프와 상기 냉각수 배출파이프를 각각 한 축을 따라서 연결할 수 있다.
상기 파워 유닛들이 서로 적층된 상태에서, 이들이 적층된 상태를 유지하도록 양단에서 탄성적으로 지지하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터구동시스템은 전력변환장치, 상기 파워 모듈로 전원을 공급하는 배터리, 상기 파워 모듈의 게이트 핀으로 제어신호를 전송하는 보드, 및 상기 파워 모듈에서 공급되는 전원을 이용하여 회전력을 발생시키는 모터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 자동차는 모터구동시스템, 및 상기 모터와 함께 회전력을 발생시키는 내연기관 엔진을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차는 모터구동시스템, 및 상기 배터리와 전기적으로 연결되고, 화학적인 반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차는 모터구동시스템으로부터 발생되는 회전력을 이용하여 차량을 움직일 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 파워 모듈과 캐패시터 사이로 냉각수유로를 형성하여 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 사이즈를 줄일 수 있다.
또한, 파워 모듈에 캐패시터가 장착되어, 인덕턴스를 줄일 수 있고, 적층된 구조를 통해서 다양한 용량을 갖는 라인업에 효과적으로 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 분해 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 파워 유닛(100)은 DC버스바+(106), 상버스바(104), DC버스바-(102), 캐패시터 하우징(150), 파워 모듈(115), 냉각 모듈(120), 냉각수 공급파이프(125), 게이트 핀(130), 보드(135), 캐패시터모듈, 및 냉각수 배출파이프(127)를 포함하고, 상기 캐패시터모듈은 기판(140), 캐패시터(145), 및 캐패시터 하우징(150)을 포함한다.
상기 파워 모듈(115)은 전력 변환 스위칭 소자로 구성되고, 상기 파워 모듈(115)의 하부에는 모서리를 따라서 설정된 간격을 두고 상기 보드(135)와 전기적으로 연결되는 게이트 핀(130)이 배치되고, 상기 파워 모듈(115)의 상부에는 모서리를 따라서 설정된 간격을 두고 메인버스바가 배치된다.
상기 메인버스바는 가운데에 배치되는 상버스바(104)와 상기 상버스바(104)를 사이에 두고 양측에 형성되는 DC버스바+(106)와 DC버스바-(102)를 포함한다.
상기 파워 모듈(115)의 양면에는 상기 냉각 모듈(120)이 각각 배치되고, 상기 냉각 모듈(120)의 일단부에는 상기 냉각수 공급파이프(125)가 연결되고, 타단부에는 상기 냉각수 배출파이프(127)가 연결되고, 상기 냉각수 공급파이프(125)와 상기 냉각수 배출파이프(127)는 서로 나란하게 배치된다.
본 발명의 실시예에서, 냉각수가 상기 냉각 모듈(120)을 흐르면서 상기 파워 모듈(115)에서 발생되는 열을 흡수할 수 있고, 상기 냉각 모듈(120)은 냉각수가 지나는 튜브와, 상기 튜브 안에 배치되는 핀을 포함할 수 있고, 이러한 냉각 모듈(120)의 구조에 대해서는 공지기술을 참조한다.
상기 파워 모듈(115)의 양면에 상기 냉각 모듈이 각각 접하고, 상기 냉각 모듈(120)의 양 외측면에는 상기 캐패시터모듈이 배치된다. 상기 캐패시터모듈은 상기 기판(140), 상기 캐패시터(145), 상기 캐패시터 하우징(150), 및 상기 연결버스바(151, 152)를 포함한다.
상기 기판(140)은 상기 냉각 모듈(120)의 각 외측면에 접하도록 배치되고, 상기 캐패시터 하우징(150)은 상기 기판(140)의 외측 가장자리를 따라서 사각의 틀 형태로 형성된다. 그리고, 상기 기판(140)의 각 외측면에는 4개의 상기 캐패시터(145)들이 설정된 간격을 두고 형성된다. 상기 캐패시터(145)들은 MLCC(multi-layered ceramic capacitor)일 수 있다.
상기 캐패시터(145)들 중 일부는 제1 연결버스바(151)를 통해서 상기 DC버스바+(106)와 연결되고, 나머지는 제2 연결버스바(152)를 통해서 상기 DC버스바-(102)와 연결된다.
상기 파워 모듈(115)을 기준으로 양측에 상기 냉각 모듈(120), 및 상기 캐패시터모듈이 배치되는데, 일측에 배치된 상기 캐패시터모듈의 상기 캐패시터 하우징(150)의 외측면 상부에 상기 제1,2연결버스바(151, 152)가 배치되고, 외측면 하부에는 돌기(200)가 형성된다.
아울러, 상기 파워 모듈(115)의 타측에 배치된 상기 캐패시터모듈의 상기 캐패시터 하우징(150)의 외측면 상부에 상기 제1,2연결버스바(151, 152)가 배치되고, 외측면 하부에는 상기 돌기(200)와 대응하여 홈(201)이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛(100)(도 1의 구성)를 직렬로 연결하는 경우에, 상기 돌기(200)와 상기 홈(201)이 서로 대응하도록 상기 캐패시터모듈을 체결하여 여러 개의 파워 모듈(115)을 직접 연결할 수 있다. 따라서, 전체적인 용량을 용이하게 가변시키고 조절할 수 있다.
또한, 도 4와 같이, 상기 냉각 모듈(120)과 연결된 상기 냉각수 공급파이프(125)와 상기 냉각수 배출파이프(127)를 접합하고 실링하여 냉각수 공급파이프(125)가 하나의 축을 따라서 연결되어 하나의 파이프로 구성되고, 냉각수 배출파이프(127)가 하나의 축을 따라서 연결되어 하나의 파이프로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 파워 유닛(100)에서 제1 연결버스바(151)는 상기 캐패시터(145)와 상기 DC버스바+(106)를 전기적으로 연결하고, 제2 연결버스바(152)는 상기 캐패시터(145)와 상기 DC버스바-(102)를 전기적으로 연결한다.
그리고, 상기 제1,2연결버스바(151, 152)는 각각 상기 캐패시터 하우징(150)의 외측면을 따라서 형성된다. 따라서, 도 1의 구성을 갖는 파워 유닛(100)들이 직렬로 연결되어 도 4와 같이 구성될 경우에, 상기 제1,2연결버스바(151, 152)는 서로 접촉되어 전기적으로 연결되는 구조를 갖는다.
상기 냉각 모듈(120) 안에는 냉각수가 지나는 채널들이 각각 형성되고, 상기 채널들을 지나는 냉각수는 상기 기판(140)과 상기 파워 모듈(115)에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 배출시킨다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파워 유닛의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 도 1의 파워 유닛(100)을 직렬로 적층하여 배열한다. 여기서, 인접한 캐패시터모듈의 캐패시터 하우징(150)이 서로 접촉하며, 냉각수 공급파이프(125)들과 냉각수 배출파이프(127)들은 연결된다. 여기서, 상기 캐패시터 하우징(150)의 돌기(200)와 홈(201)이 서로 체결된다.
그리고, 양단부에는 탄성부재(400)가 배치되고, 상기 탄성부재(400)는 전체 인버터들을 양측에서 탄성적으로 지지하여, 적층된 인버터들의 적층 구조가 안정적으로 유지된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 파워 모듈(115)은 연료전지 또는 배터리 등으로부터 직류 전원을 인가 받아서, 3삼 교류전원을 생성하고, 생성된 교류 전원은 모터로 인가되어 회전력을 발생시킨다.
상기 모터는 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 또는 전기자동차의 회전력소스로서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 캐패시터 하우징과 상기 냉각 모듈은 서로 접합될 수 있고, 상기 캐패시터 하우징은 부도체 재질로 만들어질 수 있으며, 상기 파워 모듈과 상기 냉각 모듈은 서로 접합될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 파워 유닛 102: DC버스바-
106: DC버스바+ 104: 상버스바
115: 파워 모듈 120: 냉각 모듈
125: 냉각수 공급파이프 127: 냉각수 배출파이프
130: 게이트 핀 135: 보드
140: 기판 145: 캐패시터
150: 캐패시터 하우징 151: 제1 연결버스바
152: 제2 연결버스바 200: 돌기
201: 홈

Claims (16)

  1. 전력변환 스위칭 소자로 구성되고, 일측에는 보드에 연결되는 게이트 핀이 연결되고, 타측에는 메인버스바가 연결된 파워 모듈;
    상기 파워 모듈의 양측면에 각각 배치되는 냉각 모듈;
    상기 냉각 모듈의 외측면에 각각 배치되고, 연결버스바를 통해서 상기 메인버스바와 각각 전기적으로 연결되는 캐패시터가 배치되는 캐패시터모듈; 및
    상기 냉각 모듈의 일단부와 연결되어 상기 냉각 모듈로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급파이프와 상기 냉각 모듈의 타단부와 연결되어 상기 냉각 모듈에서 배출되는 냉각수가 배출되는 냉각수 배출파이프;를 포함하고,
    상기 캐패시터모듈은, 상기 냉각 모듈의 일면에 배치되는 기판과, 상기 기판에서 상기 냉각 모듈과 접하는 면의 반대면에 배치되고, 상기 연결버스바를 통해서 상기 메인버스바와 전기적으로 연결된 캐패시터와, 상기 기판의 가장자리 외측을 따라서 형성되고, 상기 기판과 상기 캐패시터가 내측에 배치되며, 상기 냉각 모듈과 접하는 캐패시터 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각 모듈에는 상기 냉각수 공급파이프에서 상기 냉각수 배출파이프로 연결되는 냉각수채널들이 형성되고,
    상기 냉각수채널을 지나는 냉각수는 상기 파워 모듈에서 발생되는 열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  3. 제2항에서,
    상기 냉각수 공급파이프와 상기 냉각수 배출파이프는 상기 파워 모듈의 양측에서 나란하게 연장된 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 캐패시터 하우징과 상기 냉각 모듈은 서로 접합된 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  6. 제1항에서,
    상기 캐패시터 하우징은 부도체 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  7. 제1항에서,
    상기 메인버스바와 상기 캐패시터는 상기 연결버스바를 통해서 전기적으로 연결되고,
    상기 연결버스바는 상기 캐패시터 하우징에서 상기 냉각 모듈과 마주하는 내면의 반대측의 외면을 따라서 형성되어 상기 메인버스바와 상기 캐패시터를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  8. 제1항에서,
    상기 캐패시터 하우징에서 상기 파워 모듈의 일면에 대응하여 배치되는 상기 캐패시터 하우징의 외면 일측에는 돌기가 형성되고,
    상기 파워 모듈의 타면에 대응하여 배치되는 상기 캐패시터 하우징의 외면 일측에는 상기 돌기와 대응하는 형태와 위치를 갖는 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  9. 제1항에서,
    상기 파워 모듈과 상기 냉각 모듈은 서로 접합된 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  10. 제1항에서,
    상기 메인버스바는
    직류 + 전원과 연결되는 DC버스바+;
    직류 - 전원 연결되는 DC버스바-; 및
    상기 DC버스바+,-와 설정된 간격을 두고 배치되는 상버스바;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 유닛.
  11. 제1항에 따른 파워 유닛을 직렬로 적층하여, 서로 인접한 상기 캐패시터모듈의 상기 연결버스바가 서로 접촉되도록 하고, 상기 냉각수 공급파이프와 상기 냉각수 배출파이프를 각각 한 축을 따라서 연결한 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파워 유닛들이 서로 적층된 상태에서, 이들이 적층된 상태를 유지하도록 양단에서 탄성적으로 지지하는 탄성부재;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  13. 제11항에 따른 전력변환장치;
    상기 파워 모듈로 전원을 공급하는 배터리;
    상기 파워 모듈의 게이트 핀으로 제어신호를 전송하는 보드; 및
    상기 파워 모듈에서 공급되는 전원을 이용하여 회전력을 발생시키는 모터;
    를 포함하는 모터구동시스템.
  14. 제13항에 따른 모터구동시스템; 및
    상기 모터와 함께 회전력을 발생시키는 내연기관 엔진; 을 포함하는 하이브리드 자동차.
  15. 제13항에 따른 모터구동시스템; 및
    상기 배터리와 전기적으로 연결되고, 화학적인 반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지; 를 포함하는 연료전지 자동차.
  16. 제13항에 따른 모터구동시스템으로부터 발생되는 회전력을 이용하여 차량을 움직이는 전기 자동차.
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