KR101316571B1

KR101316571B1 - 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자

Info

Publication number: KR101316571B1
Application number: KR1020110115296A
Authority: KR
Inventors: 이홍섭; 원덕희
Original assignee: (주)하이브론
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-10-15
Also published as: KR20110136762A

Abstract

본 발명은 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 스위칭 반도체 소자의 패키지 내부의 버스 바(bus bar) 일부의 단면적을 여타의 부분에 대해 상대적으로 작게 형성한 전류 감지부의 저항값의 차이를 이용하여 전류를 검출하는 전류 감지 수단을 패키지 내부에 구비함으로써, 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없고, 또한 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공하는 것을 요지로 한다.

Description

전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자 {A power switching device comprising a current sensing mean}

본 발명은 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 스위칭 반도체 소자의 패키지 내부의 버스 바(bus bar) 상에 출력 전류를 감지하는 수단을 구비하여 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없고, 또한 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공한다.

전기 자동차, 모터 제어, 전기 용접 및 태양광, 풍력 발전 등의 전력제어에서 필수적인 전력 제어 회로로서 하프 브리지(half-bridge), 또는 풀 브리지(full-bridge) 방식의 인버터가 널리 사용되고 있다. 상기 전력 회로는 입력되는 전력을 스위칭하여 부하에 일정 전력을 제공하거나 일정 전류를 제공하는 방식이 주를 이루며 이를 위해서는 스위칭 회로로부터 부하에 공급되는 전류를 계측하는 수단이 필수적이다. 상기와 같은 전력 스위칭 회로에서 전류를 감지하고 측정하기 위한 전력 제어 기술은 다양한 구성으로 다수가 개시되어 있다.

본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자에 관한 배경 기술로서, 도면 제1도에 제시된 대한민국 공개특허공보 10-2002-0038230호의 모터 구동 장치 기술이 있다. 이 기술은, 모터와 근접한 양단에 설치된 버스바의 전류를 궤환 받아 입력 변수로 사용하여 모터를 제어함으로써, 모터를 보다 정확 및 정밀하게 제어할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것으로서, 모터의 양단에 각각 설치된 제 1 및 제 2 버스 바와, 제 1 버스 바와 제 2 버스 바에 의하여 분류된 전류를 각각 검출하는 제 1 및 제 2 전류 검출부와, 제 1 및 제 2 전류 검출부에 의하여 검출된 전류 값을 입력받아 두 전류값의 차를 신호 증폭하여 출력하는 차동 증폭부와, 모토 구동을 위한 검출 신호에 따라 모터를 정/역회전시키기 위한 제어 신호를 발생하는 중앙 제어부와, 차동 증폭부로부터 전달받은 궤환 전류 값을 입력 변수로 하여 중앙 제어부의 제어 신호에 따라 적정 듀티의 PWM 신호를 발생하는 PWM 전류 제어부와, PWM 신호를 모터에 연결된 복수의 스위칭 소자의 게이트에 인가하여 모터를 정/역회전시키는 게이트 구동부를 포함한다. 그러나 이 기술은, 모터(M)의 양단에 각각 설치된 제 1 및 제 2 버스 바로써, 모터(M)에 전자적인 특성을 유지하여 전원을 공급하며, 모터(M)의 정/역회전시에 모터(M)에 공급되는 전류 검출 수단으로써 사용되도록 구성되어 있어, PWM 인버터 외부에 전류 검출을 위한 버스 바를 별도로 설치해야 하고, 또한 버스 바 전체를 전류 검출 수단으로 이용하므로 전류 검출을 위해서는 일정 크기와 길이 이상의 버스 바가 필요하므로 시스템의 크기가 커지는 제약이 있다.

본 발명에 관한 다른 배경 기술로서, 도면 제2도에 제시된 대한민국 등록특허 제10-06896323호의 고정밀 전류센서 기술이 있다. 이 기술은, 전류 버스 바를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위한 것으로, 전류 버스 바가 소정간격을 갖고 통과하는 개구부를 구비한 자기코어 및 상기 전류 버스 바를 통과하는 전류에 의하여 발생된 상기 자기코어에서의 자속밀도를 검출하기 위한 제1자기센서를 포함하며, 자기코어는 제1갭(Ga1) 및 제2갭(Gb1)을 구비하고, 제 1자기센서는 제1갭(Ga1)에 배치되며 제2갭(Gb1)은 자기코어의 자기포화를 방지하도록 구성된 것을 특징으로 한다. 그러나 이 기술은 버스 바 주위에 유도되는 자기장에 의해 전류를 검출하는 수단을 별도로 설치하는 구조로 되어 있어 전력 스위칭 회로와의 전기적 절연 수단이 필요하고 버스 바의 전류량과 형상에 따라 각기 다른 전류센서를 구비해야하는 단점이 있다.

본 발명에 관한 또 다른 배경 기술로서, 도면 제3도에 제시된 미국 등록특허 US 7,583,072 B2호의 버스 바를 흐르는 전류를 계측하기 위한 전류 센서 기술이 있다. 이 기술은 버스 바를 'ㄷ'자로 가공하고 그 내부에 자기장을 검출하는 소자를 구비하여 약 3/4 turn의 버스 바에 의해 유도되는 자기장으로부터 전류를 검출하는 것을 특징으로 한다. 그러나 이 기술도 전류 검출 소자와 전류 검출을 위한 버스 바를 별도로 가공하여 설치해야 하고, 전력 스위칭 회로와의 전기적 절연 수단이 필요한 단점이 있다.

본 발명에 관한 다른 배경 기술로서, 도면 제4도에 제시된 미국 공개특허공보 US 2011/0187346 A1호의 전류 감지 소자 기술이 있다. 이 기술은 버스 바를 제1 고정부와 제2 고정부로써 전류 경로 상에 배치하여 버스 바 자체를 전류를 감지하기 위한 저항체로 이용하는 기술로써, 상기 버스 바를 흐르는 전류에 의한 전압 강하를 감지하는 것을 요지로 한다. 그러나 이 기술도, 전기 전도성이 우수한 통상의 도체를 사용하는 버스 바에 대해 상기 버스 바를 흐르는 전류에 의한 전압 강하를 감지하기 위해서는 일정 크기와 길이 이상의 버스 바가 필요하여 시스템의 규모가 커지고, 전력 제어회로 외부에 별도로 전류 감지를 위한 소자를 설치해야 하는 등의 단점을 극복하기 어려운 문제가 있다.

이상의 배경 기술들을 통해 알아본 바와 같이, 전력 제어회로에서 전류를 감지하고 측정하기 위한 종래의 기술은, 전력 제어회로 외부에 별도로 전류 감지를 위한 소자를 설치하거나 기존 구성을 가공해야하므로 전류량과 형상에 따라 각기 다른 전류센서를 구비해야 하며, 전력 스위칭 회로와의 전기적 절연 수단이 반드시 필요한 문제점을 가진다.

KR

10-2002-0038230

A

KR

10-0686323

B1

KR

10-2004-0006890

A

JP

52-140843

A

WO

2011-111526

A1

본 발명은, 전력 스위칭 반도체 소자의 패키지 내부의 버스 바(bus bar) 상에 출력 전류를 감지하는 수단을 구비하여 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한 본 발명은 전력 스위칭 반도체 소자의 패키지 내부의 버스 바(bus bar) 상에 출력 전류를 감지하는 수단을 구비하고, 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은, 방열판에 전력 스위칭 소자를 고정하여 발열을 냉각하기 위한 금속제 백 플레이트;와, 하이브리드 내지 모노리딕 구조의 펠릿(pellet)으로 구성되어 상기 백 플레이트 상에 고정되는 스위칭 회로;를 구비하고, 상기 스위칭 회로의 상면에는 외부 접속을 위한 전극이 형성되어 상기 전극에 대응하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착되며, 상기 버스 바들 중 하나 이상의 버스 바에 있어서, 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 버스 바를 가로지르는 하나 이상의 요홈을 형성하고 상기 요홈의 전후 부분에 전류 감지를 위한 전극을 형성한 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 과제의 해결 수단으로 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 버스 바들 중 하나 이상의 버스 바에 있어서, 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 버스 바를 가로지르는 하나 이상의 요홈을 형성하고 상기 요홈의 전후 부분에 전류 감지를 위한 전극을 형성하며, 적어도 상기 하나 이상의 요홈을 형성한 버스 바와 패키지를 밀봉(hermetic seal)하여 기계적인 지지를 확보함으로써, 상기 하나 이상의 요홈을 형성한 버스 바가 열에 의한 팽창을 하더라도 그 팽창에 의한 압력 P가 상기 버스 바에 형성된 요홈 사이에 구비된 전류 감지부에 집중되도록 구성함으로써, 열에 의한 팽창에 의해 전류 감지부의 상하측으로부터 받은 압력 P에 의해 전류 감지부의 단면적 Sa가 증가하여 전류 감지부의 저항값 Rs가 감소되며, 이에 따라 열에 의한 전류 감지부의 저항값의 증가와 상쇄되어, 전류 감지부의 저항값 Rs는 온도가 변하더라도 일정한 저항값을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 과제의 해결 수단으로 제공한다.

본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자에 의하면, 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공하는 기술적 효과가 있다.

또한 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공할 수 있는 작용효과가 있다.

도면 제1도는 본 발명에 관한 배경 기술로서, 모터 구동 장치 기술의 구성
도면 제2도는 본 발명에 관한 배경 기술로서, 고정밀 전류센서 기술의 구성
도면 제3도는 본 발명에 관한 배경 기술로서, 버스 바를 흐르는 전류를 계측하기 위한 전류 센서 기술
도면 제4도는 본 발명에 관한 배경 기술로서, 전류 감지 소자 기술의 구성
도면 제5도는 IGBT 전력 스위칭 소자의 구성과 외형의 일례
도면 제6도는 IGBT 전력 스위칭 소자의 세부 구조와 패키징의 일례
도면 제7도는 IGBT 전력 스위칭 소자의 버스 바 고정 구조와 패키징의 일례
도면 제8도는 IGBT 전력 스위칭 소자의 소신호 단자 구조의 일례
도면 제9도는 출력 전류를 감지하기 위한 저항 Rs를 출력 Vo와 부하 ZL 간에 구비한 예
도면 제10도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 기술적 사상에 따른 기본 회로
도면 제11도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 내부 구성의 일 실시예
도면 제12도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 전류 감지부 구성의 일 실시예
도면 제13도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 전류 감지부의 열에 대한 팽창 관계
도면 제14도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 회로와 구성 예

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 이에 따라 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 전력 스위칭 소자 또는 이와 유사한 개념으로 기재된 다양한 소자의 기능은 제시된 반도체 소자뿐만 아니라 적절한 전력 제어와 관련하여 전력을 스위칭하거나 선형 제어를 실행할 능력을 가진 소자의 사용으로 제공될 수 있다. 전력 스위칭 소자의 기능은 반도체 소자에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다. 또한, 전력 스위칭 소자, 트랜지스터 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 사용은 여타의 전력 제어 소자를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니 되고, 제한 없이 IGBT(insulated gate bipolar transister), FET(field effect transister), SCR(silicon controlled rectifier) 등을 포함하는 반도체 소자를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지 관용의 다른 소자들도 포함될 수 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 더욱 분명해 질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 IGBT(insulated gate bipolar transister)를 사용한 전력 스위칭 소자를 통해 상세히 설명한다.

도면 제5도는 IGBT(insulated gate bipolar transister)를 사용한 전력 스위칭 소자의 구성과 외형의 일례를 도시한 것이다. 도면의 전력 스위칭 소자는 Vcc-Vee 단자로 공급되는 전압에 대해, Vcc 전압을 콜렉터 단자로 제공받아 게이트 단자 b1으로 공급되는 제어 전압에 따라 Vcc 단자의 전압을 에미터 단자를 통해 출력 단자 Vo으로 스위칭하는 Tr1과, 상기 Tr1의 에미터 단자 측에 콜렉터 단자를 연결하고 Vee 전원으로 에미터 단자를 연결하여 게이트 단자 b2로 공급되는 제어 전압에 따라 Vo-Vee 단자의 전압을 콜렉터-에미터 단자를 통해 출력 단자 Vo으로 스위칭하는 Tr2로 구성된다. 상기 Tr1과 Tr2 각각의 콜렉터와 에미터 사이에는, 모터 등의 유도성 전력 부하로부터 발생될 수 있는 역기전력에 의해 상기 Tr1과 Tr2가 파괴되는 것을 방지하기 위한 보호 다이오드 D1 및 D2가 연결된다.

상기의 전력 스위칭 소자(100)는 하프 브리지(half-bridge)의 구성을 위한 기본 회로로 구성되어 하나의 패키지로 제공되며 풀 브리지(full-bridge) 방식의 인버터를 위해 복수의 전력 스위칭 소자를 하나의 패키지로 제조하기도 한다. 또한 상기 전력 스위칭 소자(100)는 스위칭 전력량을 커버하기 위해 충분한 면적을 가진 외부 전극을 구비하며 전술한 Vo, Vee, 및 Vcc 단자를 외부로 제공한다. 도면 제5도에는 도시되지 않았으나, 상기 전력 스위칭 소자(100)는 상기 Vo, Vee, 및Vcc 단자 이외에도 b1, b2의 IGBT(insulated gate bipolar transister) 스위칭 제어 입력 단자 및 Vo, Vee의 단자를 별도의 단자로 제공한다.

도면 제6도는 IGBT(insulated gate bipolar transister)를 사용한 전력 스위칭 소자의 세부 구조와 패키징의 일례를 도시한 것이다. 통상의 IGBT 전력 스위칭 소자(100)는 방열판에 고정하여 발열을 냉각하기 위해 열전도도가 우수한 금속제 백 플레이트(150)에 구성된다. 상기 백 플레이트(150) 상에는 도면 제5도에서 설명한 스위칭 회로(140)가 고정되며, 상기 스위칭 회로(140)는 하이브리드 내지 모노리딕 구조의 펠릿(pellet)으로 구비된다. 스위칭 회로(140)의 상면에는 외부 접속을 위한 전극이 형성되어 상기 전극에 대응하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착된다. 상기 스위칭 회로(140) 상면의 전극은 대전류 제어를 위해 넓은 면적으로 형성되며, 이에 연결된 버스 바(bus bar) 또한 충분한 전류를 제공하기 위해 일정 이상의 전극 면적에 걸쳐 고정 부착된다. 상기 버스 바는 일반적으로 Vcc를 제공하는 고전위 버스 바(130), Vee를 연결하는 저전위 버스 바(120), 및 스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110 : phase terminal 이하 '페이즈 버스 바'라 한다.)로 구비되며, 상기 스위칭 회로(140) 상면의 일측에는 외부 제어를 위한 소신호 단자가 구비된다. 상기 소신호 단자로서는 전술한 바와 같이 스위칭 소자 게이트 단자인 b1, b2의 IGBT(insulated gate bipolar transister) 스위칭 제어 입력 단자 및 Vo, Vee의 단자가 별도로 제공된다. 상기의 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120), 및 페이즈 버스 바(110)는 패키지(100a)를 통해 IGBT 전력 스위칭 소자(100)의 외부로 연결되며, 상기 패키지(100a)의 상부에 구비된 홀(holes)에 너트(nut)를 구비하고 상기 너트들을 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120), 및 페이즈 버스 바(110)가 각각 덮는 구조로 전극을 제공함으로써, 상기 버스 바의 결합공을 통해 너트에 볼트(bolt)로 외부 배선이 고정 결합되어 충분한 전류가 공급되도록 구성된다. 이때 상기 패키지(100a)는 백 플레이트(150)와 결합 고정되어 내부 스위칭 회로(140) 및 버스 바들을 기계적으로 보호하며, 필요에 따라서는 상기 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120), 및 페이즈 버스 바(110)와 패키지(100a)를 밀봉(hermetic seal)하여 외부 단자의 결합에 따라 기계적인 힘이 내부로 전달되는 것을 극소화하고 내부 버스 바들의 기계적인 지지를 확보한다.

도면 제7도는 IGBT(insulated gate bipolar transister)를 사용한 전력 스위칭 소자의 버스 바 고정 구조와 패키징의 일례를 도시한 것이다. 전술한 바와 같이 전력 스위칭 소자(100)는 백 플레이트(150)와, 상기 백 플레이트(150) 상에는 고정된 하이브리드 내지 모노리딕 구조의 스위칭 회로(140) 및 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120), 페이즈 버스 바(110)로 구성된다. 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 스위칭 회로(140) 상면의 일측에는 스위칭 소자 게이트 단자인 b1, b2의 IGBT(insulated gate bipolar transister) 스위칭 제어 입력 단자 및 Vo, Vee의 단자가 별도로 제공된다. 상기 스위칭 회로(140)는 백 플레이트(150)상에 열 저항을 극소화하고 기계적인 강도를 확보하기 위해 솔더링(soldering) 등으로 고정 부착되며, 상기 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120), 페이즈 버스 바(110)는 스위칭 회로(140) 상의 전극에 대해 솔더링, 초음파 용접 등의 방법으로 전기 저항을 최소화하며 충분한 전류를 흘릴 수 있는 구조로 접합된다.

도면 제8도는 IGBT(insulated gate bipolar transister)를 사용한 전력 스위칭 소자의 소신호 단자 구조의 일례를 도시한 것이다.

IGBT를 사용한 전력 스위칭 소자의 스위칭 회로(140) 상면의 일측에는 외부 제어를 위한 소신호 단자가 구비된다. 상기 소신호 단자로서는 도면 제5도에서 전술한 바와 같이, 스위칭 제어 입력 단자로서 b1, b2의 IGBT(insulated gate bipolar transister) 스위칭 소자 게이트 단자 및 Vo, Vee의 단자가 별도로 제공된다. 상기 소신호 단자들은 외부 제어 회로에 연결되어 전력 스위칭 제어를 수행한다.

도면 제9도는 IGBT(insulated gate bipolar transister)를 사용한 전력 스위칭 소자를 이용한 전력 제어 구조의 일실시예를 도시한다. 전력 스위칭 소자(100)는 Vcc-Vee 단자로 공급되는 전압에 대해, Vcc 전압을 콜렉터 단자로 제공받아 게이트 단자 b1으로 공급되는 제어 전압에 따라 Vcc 단자의 전압을 에미터 단자를 통해 출력 단자 Vo으로 스위칭하는 Tr1과, 상기 Tr1의 에미터 단자 측에 콜렉터 단자를 연결하고 Vee 전원으로 에미터 단자를 연결하여 게이트 단자 b2로 공급되는 제어 전압에 따라 Vo-Vee 단자의 전압을 콜렉터-에미터 단자를 통해 출력 단자 Vo으로 스위칭하는 Tr2로 구성된다. 상기 Tr1과 Tr2 각각의 콜렉터와 에미터 사이에는, 모터 등의 유도성 전력 부하로부터 발생될 수 있는 역기전력에 의해 상기 Tr1과 Tr2가 파괴되는 것을 방지하기 위한 보호 다이오드 D1 및 D2가 연결된다. 상기 전력 스위칭 소자(100)의 출력 Vo은 부하 ZL을 구동하며 상기 부하 ZL의 타단은 하프 브리지 회로인 경우에는 Vcc-Vee 전원 양단간의 중점 전위로 연결되며, 풀 브리지 회로에서는 상기 부하 ZL의 타단이 동일한 전력 스위칭 소자(100)로 구성된 다른 인버터의 출력으로 연결된다. 상기와 같은 전력 스위칭 회로에 있어서 출력 전력을 제어하는 방법으로는 PWM(pulse width modulation) 방법이나 전류 상한 제한에 의한 스위칭 방법을 사용하기 때문에 상기 전력 스위칭 소자(100)의 출력 전류를 감지하여 제어부에 제공하는 구성이 활용된다. 이때 전력 스위칭 소자(100)의 출력 전류는 본 명세서의 배경 기술에서 설명한 바와 같이 전력 스위칭 소자(100)의 외부에 별도로 전류 감지를 위한 소자를 구비하여야 한다.

도면 제9도의 예시는 전력 스위칭 소자(100)의 출력 전류를 감지하기 위한 저항 Rs를 출력 Vo와 부하 ZL 간에 구비하여 상기 저항 Rs를 통해 흐르는 전류에 따라 양단 간에 나타나는 전압 차를 이용한 예를 도시한다.

도면 제10도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 기술적 사상에 따른 기본 회로를 도시한다. 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자(100)는 전력 스위칭 소자(100)의 패키지 내부에 전류 감지 수단을 구비함으로써 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없고, 또한 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 전력 스위칭 소자(100)로 구성된 브리지 회로의 출력 Bo과 부하 ZL 간에 저항 성분으로서 Rs를 구비하여 상기 저항 Rs를 통해 흐르는 전류에 따라 양단 간에 나타나는 전압 차를 외부로 제공하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공한다.

그러나 도면 제9도에서 설명한 바와 같이 상기 저항 Rs를 통상의 저항으로 구성하는 경우, 대전력 저항이 필요하며 또한 전력 스위칭 소자(100)의 구성상의 특성으로 인해 패키지 내부에 상기 대전력 저항을 내장하는 것은 불가능하다. 예를 들어 2[Kw]- 10[A] 전력 제어인 경우 0.5[Ohm]의 저항 Rs를 통해 0~5 [Volt]의 전압으로 전류를 감지할 수 있다. 그러나 이때 상기 저항 Rs는 i²Rs의 전력을 소모하므로 50[Watt]급의 대전력 저항이 필요하다. 따라서 전류 감지를 위해 일반 저항 소자를 전력 스위칭 소자(100)의 내부에 구비하는 것은 불가능하다.

다음의 도면 제11도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 내부 구성의 일 실시예를 도시한다. 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자는, 방열판에 전력 스위칭 소자(100)를 고정하여 발열을 냉각하기 위한 금속제 백 플레이트(150)와, 하이브리드 내지 모노리딕 구조의 펠릿(pellet)으로 구성되어 상기 백 플레이트(150) 상에 고정되는 스위칭 회로(140)가 고정되며, 상기 스위칭 회로(140)의 상면에는 외부 접속을 위한 전극이 형성되어 상기 전극에 대응하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착된다. 상기 스위칭 회로(140) 상면의 전극은 대전류 제어를 위해 넓은 면적으로 형성되며, 이에 연결된 버스 바(bus bar) 또한 충분한 전류를 제공하기 위해 일정 이상의 전극 면적에 걸쳐 고정 부착된다. 상기 버스 바는 Vcc를 제공하는 고전위 버스 바(130), Vee를 연결하는 저전위 버스 바(120), 및 스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110)로 구비되며, 상기 스위칭 회로(140) 상면의 일측에는 외부 제어를 위한 소신호 단자가 구비된다. 도면에는 도시하지 않았으나 상기 고전위 버스 바(130)와 저전위 버스 바(120) 간에는 적절한 전기적 절연 수단을 게재한다.

본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자(100)는 상기 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120), 페이즈 버스 바(110) 들 중 어느 하나 이상의 버스 바에 있어서, 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 버스 바를 가로지르는 하나 이상의 요홈을 형성하고 상기 요홈의 전후 부분에 전류 감지를 위한 전극을 형성한 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 특징으로 한다.

이하 도면 제11도의 바람직한 일 실시예를 인용하여 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 내부 구성을 상세하게 설명한다. 도면의 실시예는 스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110)에 전류 감지 수단을 구비한 것으로서, 페이즈 버스 바(110)의 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 상기 페이즈 버스 바(110)를 가로지르는 2개의 요홈을 외주에서 내측으로 서로 대향하도록 형성하고 상기 요홈에 대해 스위칭 회로(140)측에 돌출된 형상의 브리지 스위칭 출력 Bo 단자를 구비하며, 또한 상기 요홈에 대해 페이즈 버스 바(110)의 부하측 출력측에 돌출된 형상의 스위칭 회로(140) 출력 Vo 단자를 구비한다. 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자에 있어서 출력 전류의 감지는 상기 요홈의 전후 부분에 구비된 브리지 스위칭 출력 Bo 단자와 스위칭 회로(140) 출력 Vo 단자간의 전압 강하를 측정함으로써 전류 감지를 달성한다. 이때 상기 페이즈 버스 바(110)에는 상기 요홈에 의해 형성된 전류 감지부(200)에 의해 상기 페이즈 버스 바(110)에 흐르는 전류가 전압으로 제공될 수 있다.

도면 제12도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 전류 감지부(200) 구성의 일 실시예를 도시한 것이다. 본 명세서의 배경 기술에서 설명된 바와 같이 일정한 단면적을 가지는 버스 바의 저항을 이용하여 흐르는 전류량을 전압으로 검출하기 위해서는 버스 바의 길이가 상대적으로 길어야하기 때문에 수[cm]에 불과한 전력 스위칭 소자(100) 패키지 내부의 버스 바에는 적용이 불가능하다. 이에 대한 해결책으로서 본 발명의 전류 감지부(200)는 버스 바 일부의 단면적을 여타의 부분에 대해 상대적으로 작게 형성한 전류 감지부(200)의 저항값의 차이를 이용하여 전류를 검출하므로, 패키지 내부에 구비될 수 있다.

본 발명의 전류 감지 수단은, 페이즈 버스 바(110)의 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 상기 페이즈 버스 바(110)를 가로지르는 2개의 요홈을 외주에서 내측으로 서로 대향하도록 형성한다. 아울러 상기 페이즈 버스 바(110)에 전류가 흐르는 방향에 대해 요홈을 중심으로 전후 측에 돌출된 형상의 전류 감지 단자 (110a)와 (110b)를 각각 구비하여, 상기 2개의 요홈 사이에 형성되는 전류 감지부(200)에 유기되는 전압을 외부에 제공함으로써 전류값을 감지할 수 있도록 구성한다. 이때 상기 전류 감지부(200)의 단면은 전력 스위칭 소자(100)의 최대 출력 전류를 흘릴 수 있도록 제한함으로써 부하에 공급되는 출력 전류에는 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.

임의의 도체에 있어서 비저항(resistivity)을 ρ[Ωm]라 할 때, 도체의 저항 R은 길이 L 에 비례하고, 단면적 A에 반비례한다. 도면 제12도의 페이즈 버스 바(110)는 전류가 흐르는 상하 방향으로 일정한 단면적으로 구성되어 있으나, 본 발명의 2개의 요홈 사이에 형성되는 전류 감지부(200)는 단면적이 다른 부분에 비하여 작다. 따라서 전류 감지부(200)의 저항값은 페이즈 버스 바(110)의 부분에 비해 상대적으로 큰 값을 가지므로 상기 전류 감지부(200)에는 페이즈 버스 바(110)를 흐르는 전류에 따른 전압이 나타난다.

도면 제13도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 전류 감지부(200)의 열에 대한 팽창 관계를 도시한다. 본 발명의 전류 감지부(200)는 버스 바 일부의 단면적을 여타의 부분에 대해 상대적으로 작게 형성한 전류 감지부(200)의 저항값의 차이를 이용하여 전류를 검출한다. 본 발명의 전류 감지부(200)는; 백 플레이트(150)와, 상기 백 플레이트(150) 상에 고정된 하이브리드 내지 모노리딕 구조의 스위칭 회로(140) 상의 전극에 대해 솔더링, 초음파 용접 등의 방법으로 전기 저항을 최소화하며 충분한 전류를 흘릴 수 있는 구조로 접합된 페이즈 버스 바(110)에 형성된다. 따라서 전력 스위칭 소자(100)로부터 발생되는 열이 페이즈 버스 바(110)에 전달되어 열에 의한 팽창을 야기할 수 있고, 이에 따라 전류 감지부(200)가 변형되어 검출 전류의 오차를 일으킬 수 있다.

버스 바를 구성하는 금속은 온도가 상승할수록 비저항이 증가하므로 주변 온도, 특히 스위칭 회로(140)로부터 발생되는 열에 의해 온도가 상승할수록 전류 감지부(200)의 저항값이 증가하여 검출되는 전류량이 변화된다. 이를 극복하기 위해 본 발명의 전력 스위칭 소자(100)는 페이즈 버스 바(110)와 패키지(100a)를 밀봉(hermetic seal)하여 외부 단자의 결합에 따라 기계적인 힘이 내부로 전달되는 것을 극소화하고 버스 바의 기계적인 지지를 확보한다. 도면 제13도에 도시된 것과 같이 페이즈 버스 바(110)의 외부 단자가 패키지(100a)와 밀봉(hermetic seal) 결합되면, 페이즈 버스 바(110)가 열에 의한 팽창을 하더라도 그 팽창에 의한 압력 P는 페이즈 버스 바(110)에 구비된 전류 감지부(200)에 집중된다. 상기 전류 감지부(200)는 상기 팽창에 의한 압력 P에 의해 변형이 일어나는데 결과적으로 상하측으로부터 받은 팽창 압력 P에 의해 전류 감지부(200)의 단면적 Sa가 증가하는 변형이 일어난다. 전술한 바와 같이 페이즈 버스 바(110), 특히 전류 감지부(200) 부분의 금속은 열에 의한 온도 변화에 비례하는 저항값의 증가를 가져오지만, 페이즈 버스 바(110)의 열 팽창에 의한 압력 P로 인해 전류 감지부(200)의 단면적 Sa가 증가하므로 전류 감지부(200)의 저항값 Rs는 감소하게 된다. 따라서 전류 감지부(200)의 저항값 Rs는 온도가 변하더라도 일정한 저항값을 가지도록 설계될 수 있다. 본 발명의 전류 감지부(200)의 최적 단면적은, 버스 바를 구성하는 금속의 비저항과 비저항 온도계수, 열팽창 계수 및 스위칭 회로(140)로부터 발생되는 열에 의한 온도 상승에 따라 실험적으로 결정될 수 있다.

도면 제14도는 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자의 회로와 구성 예를 도시한다. 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자(100)는 전력 스위칭 소자(100)의 패키지 내부에 전류 감지 수단을 구비함으로써 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없고, 또한 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 전력 스위칭 소자(100)로 구성된 브리지 회로의 출력 Bo과 부하 ZL 간에 저항 성분으로서, 페이즈 버스 바(110)에 전류가 흐르는 방향에 대해 요홈으로 구성되는 Rs를 구비하여 상기 저항 Rs를 통해 흐르는 전류에 따라 양단 간에 나타나는 전압 차를 외부로 제공함으로써 전류값을 감지할 수 있도록 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공한다.

이상과 같이 설명된 본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자는 IGBT를 실시예로 하였으나, FET(field effect transister), SCR(silicon controlled rectifier) 등을 포함하는 반도체 소자 전반에 걸쳐 버스 바의 일부를 가공하여 전류를 감지하도록 변형할 수 있다. 또한 본 발명의 전류 감지 수단은 페이즈 버스 바(110)에 전류가 흐르는 방향에 대해 요홈으로 구성되는 Rs를 구비하는 실시예로 설명되었으나, 필요에 따라 고전위 버스 바(130), 저전위 버스 바(120) 등에도 구비하여 각 부분의 전류를 감지하도록 구성할 수도 있다.

본 발명의 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자에 의하면, 별도의 전류 감지 수단을 외부에 설치할 필요가 없고, 또한 온도 변화에 따른 검출 전류의 오차를 극소화할 수 있는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자를 제공한다.

본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 전력 스위칭 소자 100a : 패키지
110 : 페이즈 버스 바 110a,b : 전류 감지 단자
120 : 저전위 버스 바 130 : 고전위 버스 바
140 : 스위칭 회로 150 : 백 플레이트
200 : 전류 감지부

Claims

전력 스위칭 소자로서,
방열판에 전력 스위칭 소자(100)를 고정하여 발열을 냉각하기 위한 금속제 백 플레이트(150);와,
하이브리드 내지 모노리딕 구조의 펠릿(pellet)으로 구성되어 상기 백 플레이트(150) 상에 고정되는 스위칭 회로(140);를 구비하고,
상기 스위칭 회로(140)의 상면에는 외부 접속을 위한 전극이 형성되어 상기 전극에 대응하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착되며,
상기 버스 바들 중 하나 이상의 버스 바에 있어서, 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 버스 바를 가로지르는 하나 이상의 요홈을 형성하고 상기 요홈의 전후 부분에 전류 감지를 위한 전극을 형성한 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제1항에 있어서 상기 버스 바(bus bar)들은,
Vcc를 제공하는 고전위 버스 바(130);
Vee를 연결하는 저전위 버스 바(120); 및
스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110);를
포함하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
전력 스위칭 소자로서,
방열판에 전력 스위칭 소자(100)를 고정하여 발열을 냉각하기 위한 금속제 백 플레이트(150);와,
하이브리드 내지 모노리딕 구조의 펠릿(pellet)으로 구성되어 상기 백 플레이트(150) 상에 고정되는 스위칭 회로(140);를 구비하고,
상기 스위칭 회로(140)의 상면에는 외부 접속을 위한 전극이 형성되어 상기 전극에 대응하여, Vcc를 제공하는 고전위 버스 바(130); Vee를 연결하는 저전위 버스 바(120); 및 스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110);를 포함하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착되며,
상기 페이즈 버스 바(110)의 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로
상기 페이즈 버스 바(110)를 가로지르는 2개의 요홈을 외주에서 내측으로 서로 대향하도록 형성하고,
상기 요홈에 대해 스위칭 회로(140)측에 돌출된 형상의 브리지 스위칭 출력 Bo 단자를 구비하며, 또한 상기 요홈에 대해 페이즈 버스 바(110)의 부하측 출력측에 돌출된 형상의 스위칭 회로(140) 출력 Vo 단자를 구비한 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제3항에 있어서 상기 전류 감지 수단은,
상기 페이즈 버스 바(110)를 가로지르는 2개의 요홈 사이에 형성되는 전류 감지부(200)에 유기되는 전압을 브리지 스위칭 출력 Bo 단자와 스위칭 회로(140) 출력 Vo 단자를 통해 외부에 제공함으로써 전류값을 감지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
전력 스위칭 소자로서,
방열판에 전력 스위칭 소자(100)를 고정하는 금속제 백 플레이트(150);와,
상기 백 플레이트(150) 상에 고정되는 스위칭 회로(140);를 구비하고,
상기 스위칭 회로(140)의 상면에는 Vcc를 제공하는 고전위 버스 바(130); Vee를 연결하는 저전위 버스 바(120); 및 스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110);를 포함하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착되며,
상기 페이즈 버스 바(110)의 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로
상기 페이즈 버스 바(110)를 가로지르는 2개의 요홈을 외주에서 내측으로 서로 대향하도록 형성하고,
상기 요홈에 대해 스위칭 회로(140)측에 돌출된 형상의 브리지 스위칭 출력 Bo 단자를 구비하며, 또한 상기 요홈에 대해 페이즈 버스 바(110)의 부하측 출력측에 돌출된 형상의 스위칭 회로(140) 출력 Vo 단자를 구비하며,
상기 페이즈 버스 바(110)와 패키지(100a)를 밀봉(hermetic seal)하여 기계적인 지지를 확보하고,
페이즈 버스 바(110)가 열에 의한 팽창을 하더라도 그 팽창에 의한 압력 P는 페이즈 버스 바(110)의 2개의 요홈 사이에 구비된 전류 감지부(200)에 집중되도록 구성한 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제5항에 있어서
상기 전류 감지부(200)는 상기 열에 의한 팽창에 의해 전류 감지부(200)의 상하측으로부터 받은 압력 P에 의해 전류 감지부(200)의 단면적 Sa가 증가함으로써, 전류 감지부(200)의 저항값 Rs가 감소되며,
이에 따라 열에 의한 전류 감지부(200)의 저항값의 증가와 상쇄되어, 전류 감지부(200)의 저항값 Rs는 온도가 변하더라도 일정한 저항값을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제6항에 있어서 상기 전류 감지부(200)의 단면적 Sa는,
버스 바를 구성하는 금속의 비저항과 비저항 온도계수, 열팽창 계수 및 스위칭 회로(140)로부터 발생되는 열에 의한 온도 상승에 따라 그 최적값이 결정되는 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
전력 스위칭 소자로서,
방열판에 전력 스위칭 소자(100)를 고정하여 발열을 냉각하기 위한 금속제 백 플레이트(150);와,
하이브리드 내지 모노리딕 구조의 펠릿(pellet)으로 구성되어 상기 백 플레이트(150) 상에 고정되는 스위칭 회로(140);를 구비하고,
상기 스위칭 회로(140)의 상면에는 외부 접속을 위한 전극이 형성되어 상기 전극에 대응하는 버스 바(bus bar)들이 고정 부착되며,
상기 버스 바들 중 하나 이상의 버스 바에 있어서, 전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 버스 바를 가로지르는 하나 이상의 요홈을 형성하고 상기 요홈의 전후 부분에 전류 감지를 위한 전극을 형성하며,
적어도 상기 하나 이상의 요홈을 형성한 버스 바와 패키지(100a)를 밀봉(hermetic seal)하여 기계적인 지지를 확보함으로써,
상기 하나 이상의 요홈을 형성한 버스 바가 열에 의한 팽창을 하더라도 그 팽창에 의한 압력 P가 상기 버스 바에 형성된 요홈 사이에 구비된 전류 감지부(200)에 집중되도록 구성한 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제8항에 있어서 상기 버스 바(bus bar)들은,
Vcc를 제공하는 고전위 버스 바(130);
Vee를 연결하는 저전위 버스 바(120); 및
스위칭된 출력이 제공되는 페이즈 버스 바(110);를
포함하는 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제8항에 있어서 상기 전류 감지 수단은,
전류가 흐르는 방향에 대해 수직 방향으로 버스 바를 가로지르는 하나 이상의 요홈을 형성하고, 상기 요홈의 전후 부분에 전류 감지를 위한 전극을 구비하여,
상기 요홈 사이에 형성되는 전류 감지부(200)에 유기되는 전압을 외부에 제공함으로써 전류값을 감지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제8항에 있어서 상기 상기 전류 감지부(200)는,
열에 의한 팽창에 의해 전류 감지부(200)의 상하측으로부터 받은 압력 P에 의해 전류 감지부(200)의 단면적 Sa가 증가함으로써, 전류 감지부(200)의 저항값 Rs가 감소되며,
이에 따라 열에 의한 전류 감지부(200)의 저항값의 증가와 상쇄되어, 전류 감지부(200)의 저항값 Rs는 온도가 변하더라도 일정한 저항값을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자
청구항 제11항에 있어서 상기 전류 감지부(200)의 단면적 Sa는,
버스 바를 구성하는 금속의 비저항과 비저항 온도계수, 열팽창 계수 및 스위칭 회로(140)로부터 발생되는 열에 의한 온도 상승에 따라 그 최적값이 결정되는 것을 특징으로 하는 전류 감지 수단을 구비한 전력 스위칭 소자