KR20230024476A - 차량용 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

냉각기가 양측에 노출되도록 파워모듈과 냉각기가 중첩되어 이루어진 파워모듈조립체; 상기 파워모듈조립체의 양측에서 상기 파워모듈조립체를 가압하는 상태로 결합되는 커패시터와 LDC(Low voltage DC-DC Converter)를 포함하여 구성된다.

Description

차량용 전력 변환 장치{POWER CONVERTER APPARATUS FOR VEHICLE}

본 발명은 친환경 차량에 사용되는 인버터를 구현하는 파워모듈, 커패시터, LDC 등을 하나의 어셈블리 형태로 구현한 차량용 전력 변환 장치에 관한 것이다.

친환경 차량은 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 전동 회전 기구인 모터를 구동함으로써 동력을 생성하는 차량이다.

상기와 같은 친환경 차량은 배터리의 직류 전력을 모터 구동에 요구되는 복수의 상을 갖는 교류 전력으로 변환하기 위해 스위칭 소자를 갖는 인버터와, 모터 구동을 위해 배터리에 저장된 고전압 전력을 전장 부하 전원을 위한 저전압 전력으로 변환하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter) 등을 구비한다.

인버터는 배터리로부터 입력되는 전력을 필터링하는 고용량의 커패시터를 구비한다. 또한, 인버터의 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 FET(Field Effective Transistor) 및 다이오드 등을 패키지화 한 파워모듈의 형태로 구현된다.

이와 같이 인버터를 구성하는 부품인 커패시터와 파워모듈 및 LDC 등은 각각 개별 장치로 분리된 구조로 차량에 구비될 수도 있으나, 차량 내 타 부품 들의 배치 공간을 확보하고 각 부품의 효율적인 냉각을 위해 하나의 어셈블리 형태로 통합되는 것이 바람직하다.

당 기술 분야에서는, 커패시터, 파워모듈 및 LDC 등과 같이 차량에 요구되는 전력 변환을 위한 부품들은 하나의 어셈블리 형태로 통합하고, 각 개별 부품에 대한 효율적인 냉각을 통해 각 부품의 성능을 최대화할 수 있는 새로운 구조의 차량용 전력 변환 장치가 요구되고 있다.

상기 발명의 배경이 되는 기술로서 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 10-0998810 B1 KR 10-2019-0105913 A

본 발명은 커패시터, 파워모듈 및 LDC 등과 같이 친환경 차량에 요구되는 전력 변환용 부품들을 하나의 어셈블리 형태로 컴팩트하게 통합하여 효과적인 냉각이 가능하고 차량 탑재성이 향상되며, 각 부품간의 견고하고 용이한 연결구조로 작동 안정성과 조립성을 향상시키고, 크기와 중량을 저감시키면서도 출력밀도를 향상시킬 수 있도록 한 차량용 전력 변환 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량용 전력 변환 장치는,

냉각기가 양측에 노출되도록 파워모듈과 냉각기가 중첩되어 이루어진 파워모듈조립체;

상기 파워모듈조립체의 양측에서 상기 파워모듈조립체를 가압하는 상태로 결합되는 커패시터와 LDC(Low voltage DC-DC Converter);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 LDC와 파워모듈조립체 사이에는 상기 LDC에서 발생되는 전자파를 차폐하고 LDC의 발열부와 상기 파워모듈조립체의 냉각기 사이의 열교환을 용이하게 하는 LDC조립플레이트가 개재될 수 있다.

상기 파워모듈조립체는 상기 LDC와 파워모듈조립체 및 커패시터를 관통하여 체결되는 체결요소에 의해, 상기 LDC와 커패시터가 상기 파워모듈조립체를 가압하는 상태로 결합될 수 있다.

상기 파워모듈조립체와 커패시터의 하측에는 상기 파워모듈을 구동하는 게이트보드가 배치되고;

상기 LDC와 게이트보드의 하측에는 상기 게이트보드를 제어하는 제어보드가 배치될 수 있다.

상기 커패시터와 게이트보드는 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성하도록 결합되고;

상기 파워모듈조립체의 파워모듈은 상기 게이트보드에 전기적 연결관계를 형성하면서 기계적 연결관계를 형성하도록 결합될 수 있다.

상기 LDC와 제어보드 및 상기 게이트보드와 제어보드는 각각 Board to Board Connector로 결합될 수 있다.

상기 LDC와 제어보드 및 상기 게이트보드와 제어보드는 각각 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성하도록 결합될 수 있다.

상기 제어보드와 게이트보드는 서로 평행하게 이격되어 배치되고;

상기 LDC와 파워모듈은 상기 제어보드 및 게이트보드에 대해 수직하게 배치될 수 있다.

상기 파워모듈조립체는 상기 파워모듈을 중심으로 양측에 상기 냉각기가 복수개 중첩 배치되어 구성될 수 있다.

상기 파워모듈조립체는 상기 파워모듈과 냉각기가 서로 교번하여 다수회 중첩되어 구성될 수 있다.

본 발명은 커패시터, 파워모듈 및 LDC 등과 같이 친환경 차량에 요구되는 전력 변환용 부품들을 하나의 어셈블리 형태로 컴팩트하게 통합하여 효과적인 냉각이 가능하고 차량 탑재성이 향상되도록 하며, 각 부품간의 견고하고 용이한 연결구조로 작동 안정성과 조립성을 향상시키고, 크기와 중량을 저감시키면서도 차량용 전력 변환 장치의 출력밀도를 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 전력 변환 장치의 제1실시예를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 파워모듈조립체의 분해사시도,
도 3은 도 1의 LDC와 제어보드 및 게이트보드를 도시한 도면,
도 4는 도 3의 정면도로서, LDC와 제어보드 및 게이트보드와 제어보드가 각각 Board to Board Connector로 결합된 것을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 전력 변환 장치의 제2실시예를 설명한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 전력 변환 장치의 제3실시예를 설명한 도면이다.

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.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 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 설시된 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 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명 차량용 전력 변환 장치의 실시예들은 공통적으로, 냉각기(1)가 양측에 노출되도록 파워모듈(3)과 냉각기(1)가 중첩되어 이루어진 파워모듈조립체(5); 상기 파워모듈조립체(5)의 양측에서 상기 파워모듈조립체(5)를 가압하는 상태로 결합되는 커패시터(7)와 LDC(Low voltage DC-DC Converter; 9)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명은 파워모듈(3)과 냉각기(1)를 중첩하여 상기 파워모듈조립체(5)를 형성하고, 상기와 같은 파워모듈조립체(5)의 양측에서 커패시터(7)와 LDC(9)가 가압하는 상태로 결합된 것이다.

특히, 상기 파워모듈조립체(5)는 파워모듈(3)과 냉각기(1)가 중첩되되, 냉각기(1)가 양측에 노출되는 상태로 중첩되어, 상기와 같이 파워모듈(3)의 양측을 커패시터(7)와 LDC(9)가 가압하는 상태로 결합하면, 상기 커패시터(7)와 LDC(9)도 각각 상기 파워모듈조립체(5)의 냉각기(1)에 면접촉하여 냉각이 이루어지게 된다.

참고로, 본 실시예에서, 상기 냉각기(1)는 내부에 냉매가 유동하는 다수의 통로를 구비하면서 양측에 냉각평면을 형성하는 튜브 형태의 것을 사용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 양측에 냉각평면을 형성하는 평판 형태의 모든 냉각기가 사용될 수 있을 것이다.

본 실시예에서, 상기 LDC(9)와 파워모듈조립체(5) 사이에는 도 2에서 확인할 수 있듯이, 상기 LDC(9)에서 발생되는 전자파를 차폐하고 LDC(9)의 발열부와 상기 파워모듈조립체(5)의 냉각기(1) 사이의 열교환을 용이하게 하는 LDC조립플레이트(11)가 개재되어 있다.

따라서, 상기 LDC(9)에서 발생하는 전자파를 차폐하기 위한 별도의 차폐판을 구비하지 않아도 되며, LDC(9)의 발열부가 상기 냉각기(1)와 보다 용이한 열교환이 이루어지도록 하여, 차량용 전력 변환 장치를 경량화하고 컴팩트하게 함은 물론, 안정된 작동성 확보 및 유지가 가능하다.

상기 파워모듈조립체(5)는 상기 LDC(9)와 파워모듈조립체(5) 및 커패시터(7)를 관통하여 체결되는 체결요소에 의해, 상기 LDC와 커패시터(7)가 상기 파워모듈조립체(5)를 가압하는 상태로 결합된다.

여기서, 상기 체결요소는 볼트, 리벳, 핀 등과 같은 것으로서, 결합 대상물체들의 상대적인 위치관계를 구속할 수 있는 것들을 의미한다.

또한, 상기 체결요소가 커패시터(7)를 관통하여 체결된다는 것은, 실질적으로 커패시터(7) 자체를 관통하는 것이 아니라, 커패시터(7)를 내부에 수용한 커패시터 하우징, 커버, 또는 커패시터(7)에 일체로 형성된 구조물 등과 같이 커패시터(7)와 기계적으로 단일체를 형성하는 부품을 관통하는 것으로 이해되어야 한다.

상기 파워모듈조립체(5)와 커패시터(7)의 하측에는 상기 파워모듈(3)을 구동하는 게이트보드(13)가 배치되고; 상기 LDC와 게이트보드(13)의 하측에는 상기 게이트보드(13)를 제어하는 제어보드(15)가 배치된다.

즉, 상기 제어보드(15)의 상측에 상기 게이트보드(13)가 배치되고, 상기 게이트보드(13)의 상측에 상기 파워모듈(3)이 배치되어, 상기 제어보드(15)가 상기 게이트보드(13)를 제어하고, 상기 게이트보드(13)가 상기 파워모듈(3)을 구동하도록 전기적 연결관계를 순차적으로 구성할 수 있도록 된 것이다.

상기 제어보드(15)와 게이트보드(13)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 평행하게 이격되어 배치된다. 또한, 상기 LDC(9)와 파워모듈(3)은 상기 제어보드(15) 및 게이트보드(13)에 대해 수직하게 배치된다.

따라서, 상기 LDC(9)로부터의 전자파를 차폐하기 위한 별도의 차폐판을 추가로 장착할 필요 없이, 상기 제어보드(15) 및 게이트보드(13)의 안정된 작동성을 확보할 수 있다.

상기 LDC와 제어보드(15) 및 상기 게이트보드(13)와 제어보드(15)는 각각 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성하도록 결합된다.

여기서, 상기 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성한다는 것은, 두 물체를 상호 구속되도록 연결하여, 서로 상대 운동이 발생하지 않도록 고정한다는 것으로서, 예컨대, 상기 제어보드(15)와 게이트보드(13) 사이에 스페이서 등을 개재한 상태에서 볼트 등과 같은 체결요소로 체결하여, 상기 제어보드(15)와 게이트보드(13)의 이격 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 것이다.

참고로, 도 1에서 양단에 원형점으로 연결된 직선은 각각 상기한 바와 같은 체결요소에 의한 기계적 연결관계가 형성된 것을 의미한다.

상기 커패시터(7)와 게이트보드(13)는 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성하도록 결합되고; 상기 파워모듈조립체(5)의 파워모듈(3)은 상기 게이트보드(13)에 전기적 연결관계를 형성하면서 기계적 연결관계를 형성하도록 결합된다.

여기서, 상기 파워모듈(3)이 상기 게이트보드(13)에 전기적 연결관계를 형성하면서 기계적 연결관계를 형성한다는 것은, 예컨대, 상기 파워모듈(3)의 단자핀이 상기 게이트보드(13)에 납땜 등과 같은 방법으로 고정되어, 상기 단자핀을 통한 상기 게이트보드(13)와 파워모듈(3) 사이의 전기적 연결관계가 형성됨과 동시에, 상기 단자핀이 제공하는 기계적인 강성에 의해 상기 파워모듈(3)과 게이트보드(13) 사이의 상대운동이 억제되는 기계적 연결관계가 형성되는 것을 의미한다.

상기 LDC와 제어보드(15) 및 상기 게이트보드(13)와 제어보드(15)는 각각 Board to Board Connector(17)로 결합된다.

즉, 상기 LDC와 제어보드(15) 및 상기 게이트보드(13)와 제어보드(15)는 상술한 바와 같이 체결요소에 의한 기계적 연결관계의 형성 이외에, 상기 Board to Board Connector(17)에 의한 전기적 연결관계가 아울러 형성되는 것이다.

상기와 같이 상기 LDC와 제어보드(15) 사이 및 상기 게이트보드(13)와 제어보드(15) 사이를 상기 Board to Board Connector(17)로 연결하면, 이들 사이를 와이어링 하네스로 연결하는 것에 비해, 우수한 조립성과 작동 안정성을 확보할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같이 차량용 전력 변환 장치를 구성하는 전장부품들이 자체적으로 기계적인 연결관계에 의해 상호 구속됨에 따라, 별도의 구조적 강성 확보를 위한 하우징 등이 요구되지 않아, 차량용 전력 변환 장치의 크기와 중량을 축소할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2실시예를 도시한 것으로서, 상기 파워모듈조립체(5)는 상기 파워모듈(3)을 중심으로 양측에 상기 냉각기(1)가 복수개 중첩 배치되어 구성된다.

즉, 상기 파워모듈(3), LDC(9), 및 커패시터(7) 등의 발열량이 도 1의 제1실시예에 비해 더 높아 추가적인 냉각성능이 요구되는 경우, 제2실시예와 같이 냉각기(1)를 복수개 중첩하여 구성함으로써, 요구되는 냉각성능을 충족시켜 줄 수 있도록 하는 것이다.

도 6은 본 발명의 제3실시예를 도시한 것으로서, 상기 파워모듈조립체(5)는 상기 파워모듈(3)과 냉각기(1)가 서로 교번하여 다수회 중첩되어 구성된다.

즉, 상기 파워모듈(3)의 수량이 증가되는 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 파워모듈(3)과 냉각기(1)를 교번하여 다수회 중첩한 형태로 상기 파워모듈조립체(5)를 구성하여 대응할 수 있는 것이다.

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 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1; 냉각기
3; 파워모듈
5; 파워모듈조립체
7; 커패시터
9; LDC
11; LDC조립플레이트
13; 게이트보드
15; 제어보드
17; Board to Board Connector

Claims (10)

1. 냉각기가 양측에 노출되도록 파워모듈과 냉각기가 중첩되어 이루어진 파워모듈조립체;
   상기 파워모듈조립체의 양측에서 상기 파워모듈조립체를 가압하는 상태로 결합되는 커패시터와 LDC(Low voltage DC-DC Converter);
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 LDC와 파워모듈조립체 사이에는 상기 LDC에서 발생되는 전자파를 차폐하고 LDC의 발열부와 상기 파워모듈조립체의 냉각기 사이의 열교환을 용이하게 하는 LDC조립플레이트가 개재된 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 파워모듈조립체는 상기 LDC와 파워모듈조립체 및 커패시터를 관통하여 체결되는 체결요소에 의해, 상기 LDC와 커패시터가 상기 파워모듈조립체를 가압하는 상태로 결합되는 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 파워모듈조립체와 커패시터의 하측에는 상기 파워모듈을 구동하는 게이트보드가 배치되고;
   상기 LDC와 게이트보드의 하측에는 상기 게이트보드를 제어하는 제어보드가 배치된 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 커패시터와 게이트보드는 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성하도록 결합되고;
   상기 파워모듈조립체의 파워모듈은 상기 게이트보드에 전기적 연결관계를 형성하면서 기계적 연결관계를 형성하도록 결합된 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 LDC와 제어보드 및 상기 게이트보드와 제어보드는 각각 Board to Board Connector로 결합되는 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 LDC와 제어보드 및 상기 게이트보드와 제어보드는 각각 체결요소에 의해 기계적 연결관계를 형성하도록 결합된 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 제어보드와 게이트보드는 서로 평행하게 이격되어 배치되고;
   상기 LDC와 파워모듈은 상기 제어보드 및 게이트보드에 대해 수직하게 배치되는 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 파워모듈조립체는 상기 파워모듈을 중심으로 양측에 상기 냉각기가 복수개 중첩 배치되어 구성된 것
   을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워모듈조립체는 상기 파워모듈과 냉각기가 서로 교번하여 다수회 중첩되어 구성된 것
    을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 장치.
    

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