KR20140135522A

KR20140135522A - 완충 캐패시터가 내부에 형성되는 전력 제어 모듈

Info

Publication number: KR20140135522A
Application number: KR1020130055930A
Authority: KR
Inventors: 김은식; 원덕희
Original assignee: (주)하이브론
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-11-26

Abstract

본 발명은 전력 제어 모듈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전력 제어 모듈은 양극단자와 음극단자를 연결하는 배선 사이에 위치하고, 일단이 전력을 출력하는 출력단과 연결되는 반도체 스위치 소자; 및 일단은 상기 양극단자와 상기 반도체 스위치 소자가 연결되는 배선에서 분기되는 제1 배선에 의하여 연결되고, 타단은 상기 음극단자와 상기 반도체 스위치 소자가 연결되는 배선에서 분기되는 제2 배선에 의하여 연결되어 상기 반도체 스위치 모듈 내부에 형성되는 완충(snubber) 캐패시터를 포함하고, 상기 완충 캐패시터는 유전체를 사이에 두고 상기 제1 배선과 상기 제2 배선에 대응되는 버스바(bus bar)가 서로 이격 배치되어 형성되는 것을 특징으로 한다. 이를 통하여, 완충 캐패시터가 내장되어 스너버 효과를 극대화할 수 있고, 패키지의 소형화를 도모할 수 있다.

Description

완충 캐패시터가 내부에 형성되는 전력 제어 모듈{POWER CONTROL MODULE EMBEDDED SNUBBER CAPACITOR}

본 발명은 전력 제어 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전력 공급시 서지 전압의 완충 기능을 포함하는 전력 제어 모듈에 관한 것이다.

IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transitor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 반도체 소자를 이용하여 스위칭을 제어할 때, 서지(Surge) 전압이 발생할 수 있다. 서지 전압은 온-오프 스위칭의 짧은 시간에 심한 파형의 변화를 일으키는 과도적인 전압으로서 반도체 소자에 악영향을 미치므로 이를 완화하기 위한 스너버 회로(Subber circuit)가 요구된다.

스너버 회로는 캐패시터(Capacitor, C), 저항(Resistance, R), 또는 이들의 조합으로 구성할 수 있으며, 서지 전압을 흡수하여 전력 소자의 스위칭 손실을 줄여주고 회로의 성능을 향상시키므로 대부분의 전력 제어 모듈에서 채용되고 있다.

종래의 스너버 회로는 전력 제어 모듈 외부에 위치하는 것이 대부분이었다. 예컨대, 한국공개특허 제10-2005-0057132호의 스너버 모듈 및 전력 변환 장치를 그 예로 들 수 있다.

그러나, 이와 같이 스너버 회로가 모듈 외부에 위치하는 경우, 구현시 소형화가 어려울 뿐 아니라 배선의 길이가 길어짐에 따라 배선 인덕턴스가 증가하여 서지 전압을 억제하는 스너버 회로의 효과도 감소하는 문제점이 있다.

따라서, 스위칭 소자와 스너버 회로의 거리를 더욱 가깝게 하여 스너버 회로의 효과를 극대화하고, 이와 동시에 패키지의 소형화를 도모할 수 있는 전력 모듈 설계가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 서지 전압의 완충을 위한 스너버 캐패시터가 내장되는 전력 제어 모듈을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 전력을 제어하는 전력 제어 모듈에 있어서, 양극단자와 음극단자를 연결하는 배선 사이에 위치하고, 일단이 전력을 출력하는 출력단과 연결되는 반도체 스위치 소자; 및 일단은 상기 양극단자와 상기 반도체 스위치 소자가 연결되는 배선에서 분기되는 제1 배선에 의하여 연결되고, 타단은 상기 음극단자와 상기 반도체 스위치 소자가 연결되는 배선에서 분기되는 제2 배선에 의하여 연결되어 상기 반도체 스위치 모듈 내부에 형성되는 완충(snubber) 캐패시터를 포함하고, 상기 완충 캐패시터는 유전체를 사이에 두고 상기 제1 배선과 상기 제2 배선에 대응되는 버스바(bus bar)가 서로 이격 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 모듈에 의하여 달성될 수 있다.

한편, 상기 완충 캐패시터의 용량에 대응하여 상기 버스바의 겹쳐지는 영역의 면적을 달리 형성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 완충 캐패시터가 내장되어 스너버 효과를 극대화할 수 있고, 패키지의 소형화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈의 외관도의 일 예;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈의 회로도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈의 내부에 형성되는 완충 캐패시터의 구성을 나타낸 도면; 및
도 4는 캐패시터의 용량에 따른 버스바의 겹침영역의 변화를 설명하기 위한 완충 캐패시터의 측면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈의 외관도의 일 예이다.

도 1을 참조하면, 전력 제어 모듈은 몰드(mold)(11)로 외부가 둘러싸여 있으며, 외부로부터 전원을 인가받기 위한 입력단자(13), 외부로 전력을 출력하기 위한 출력단자(15), 전력 제어 모듈에 포함되는 반도체 스위치 소자들을 구동시키기 위한 스위치 구동용 단자(17)가 외부로 노출되도록 구성되어 있다. 스위치 구동용 단자(17)는 모듈 내부의 반도체 스위치 소자와 각각 접속되며, 스위치 구동용 단자(17)를 통하여 제어 신호를 인가함으로써 각각의 반도체 스위치 소자들의 스위칭 제어가 수행된다.

전력 제어 모듈은 상술된 입력단자(13), 출력단자(15), 스위치 구동용 단자(17)와 내부적으로 연결된 회로를 통하여 반도체 스위치가 제어되어 전력 제어를 수행하게 된다. 이하에서는 도 2의 회로도를 참조하여 전력 제어 모듈의 회로구성에 대하여 살펴본다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈의 개략적인 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈은 반도체 스위치 소자(110), 및 완충 캐패시터(snubber capacitor)(130)를 포함한다.

반도체 스위치 소자(110)는 외부의 스위치 구동용 신호에 대응하여 입력단(L1, L2)에 인가된 전원을 제어하여 출력단(L3)으로 출력한다. 이를 위하여, 반도체 스위치 소자(110)는 입력단의 양극단자(L1)와 음극단자(L2)를 연결하는 배선 사이에 위치하고, 일단은 전력을 출력하기 위한 출력단(L3)과 연결된다.

한편, 도 2에는 2개의 반도체 스위치 소자(110)를 가진 전력 제어 모듈을 예로 들었으나, 반도체 스위치 소자(110)들은 전력 제어 양태에 따라 가변적으로 그 구성이 변형될 수 있다. 예컨대, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 반도체 스위치 소자(110)들이 포함될 수 있으며, 직렬 또는 병렬로 연결된 반도체 스위치 소자(110)들이 이루는 스위치군을 복수 개 포함할 수도 있다.

또한, 반도체 스위치 소자(110)로는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터), IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor: 절연 게이트 양극성 트랜지스터), 사이리스터(Thyristor), GTO(Gate Turn-off Thyristor: 게이트 턴 오프 사이리스터) 등의 전력용 반도체 소자들이 이용될 수 있다.

완충 캐패시터(Snubber Capacitor)(130)는 반도체 스위치 소자(110)의 스위칭 동작시 발생하는 서지 전압을 완충하기 위한 것으로서, 전력 모듈 내부에 위치한다. 이때, 완충 캐패시터(130)의 일단은 입력단의 양극단자(L1)와 반도체 스위치 소자(110)가 연결되어 형성되는 노드(A)에서 분기되는 제1 배선에 의하여 연결되고, 타단은 음극단자(L2)와 반도체 스위치 소자(110)가 연결되어 형성되는 노드(B)에서 분기되는 제2 배선에 의하여 연결되어 완충 역할을 수행한다.

완충 캐패시터(130)는 전력 모듈 내부에 형성되는 버스바(Bus Bar)를 유전체(ε)를 사이에 두고 서로 이격 배치하여 형성한다. 버스바는 대용량의 전류 흐름을 위해 이용하는 도관으로서, 대체적으로 사각기둥이나 사각 모양의 바(bar)를 이용하여 형성된다. 이하에서 도 3을 참조하여 완충 캐패시터(130)의 구성을 살펴본다.

도 3을 참조하면, 버스바(B1, B2) 2개가 유전체(ε)를 사이에 두고 이격 배치되어 완충 캐패시터(130)를 형성하고 있다. 이와 같이 캐패시터의 전극 역할을 수행하는 버스바(B1, B2)는 입력단의 양극단자(L1)와 음극단자(L2)와 각각 연결되어 인가되는 전원을 전달하는 배선이다. 도 3에서 버스바(B1)는 양극단자(L1)와 연결되고, 버스바(B2)는 음극단자(L2)와 연결된 상태를 나타내고 있다.

버스바(B1, B2) 사이의 유전체(ε)는 캐패시터의 제조시 적용될 수 있는 다양한 공지의 물질을 이용할 수 있으며, 특별히 국한되지 않는다. 예컨대, 양 버스바(B1,B2) 사이에 폴리에스테르, 폴리스티롤, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 테플론 등의 물질을 유전체로 이용하여 완충 캐패시터(130)를 구성할 수 있다. 이와 같이 완충 캐패시터(130)는 플라스틱 필름을 유전체(ε)로 적용하므로 필름 캐패시터(Film Capacitor)의 형태를 가지게 된다.

한편, 완충 캐패시터(130)는 요구되는 용량에 대응하여 형성된다. 참고로, 캐패시터의 용량은 다음의 수식과 같이 결정된다.

여기서, C는 캐패시터의 용량(F)이고, ξ는 유전율, A는 캐패시터 전극의 면적, 및 I는 양 전극 사이의 거리를 의미한다.

이와 같이, 캐패시터의 용량은 전극의 면적(A)에 비례하므로, 요구되는 완충 캐패시터(130)의 용량에 대응하여 전극에 해당하는 버스바(B1, B2)의 서로 겹쳐지는 영역의 넓이를 변화시킬 수 있다.

도 4는 위와 같은 캐패시터의 용량에 따른 버스바(B1, B2)의 겹침영역의 변화를 설명하기 위한 완충 캐패시터(130)의 측면도이다.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 완충 캐패시터(130)의 2개의 버스바(B1, B2)가 유전체(ε)를 사이에 두고 완전히 겹쳐진 상태로 적층되어 있는 모습을 도시하고 있다. 이 경우에는 유전체(ε)의 종류, 버스바(B1, B2)의 거리 등 다른 요소가 동일하다고 가정할 때, 전극의 면적이 최대가 되므로 완충 캐패시터(130)의 용량이 최대가 된다. 반면에 도 4의 (b)는 버스바(B1, B2)가 어긋난 상태로 이격되어 있으므로 겹쳐지는 영역의 면적이 (a)의 경우보다 상대적으로 작아져 완충 캐패시터(130)의 용량도 이에 따라 감소하게 된다.

이와 같이, 요구되는 용량에 따라 완충 캐패시터(130)의 전극에 해당하는 버스바(B1, B2)의 겹쳐지는 면적을 달리하여 서로 다른 용량의 완충 캐패시터(130)를 구현할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 제어 모듈은 서지전압의 완충을 위한 완충 캐패시터(130)를 입력단(L1,L2)과 연결되는 버스바(B1,B2)를 이용하여 모듈 내부에 설치함으로써, 종래와 같이 모듈 외부에 설치하는 경우보다 배선의 길이가 짧아져 스너버 효과를 증대시킬 수 있다. 또한, 모듈 외부에 별도의 캐패시터를 장착할 때보다 소형화를 도모할 수 있다. 이는 전자 장치가 점차 소형화되고 있는 최근 추세에 부합하는 것으로 의미가 있다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예가 앞서 설명되었으나, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

예컨대, 상술한 바와 같이 반도체 스위치 소자(110)의 개수 및 연결 형태가 상황에 따라 적절히 변형될 수 있으며, 다만, 이때에도 완충 캐패시터(130)가 양극단자(L1)와 음극단자(L2)와 각각 연결되는 버스바(B1,B2)가 이격 배치되어 형성되고, 반도체 스위치 소자(110)와 병렬로 연결되는 것은 동일하다.

그러므로 본 발명의 보호범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 반도체 스위치 소자 130 : 완충 캐패시터
L1, L2 : 입력단 L3 : 출력단
B1, B2 : 버스바

Claims

전력을 제어하는 전력 제어 모듈에 있어서,
양극단자와 음극단자를 연결하는 배선 사이에 위치하고, 일단이 전력을 출력하는 출력단과 연결되는 반도체 스위치 소자; 및
일단은 상기 양극단자와 상기 반도체 스위치 소자가 연결되는 배선에서 분기되는 제1 배선에 의하여 연결되고, 타단은 상기 음극단자와 상기 반도체 스위치 소자가 연결되는 배선에서 분기되는 제2 배선에 의하여 연결되어 상기 반도체 스위치 모듈 내부에 형성되는 완충(snubber) 캐패시터를 포함하고,
상기 완충 캐패시터는 유전체를 사이에 두고 상기 제1 배선과 상기 제2 배선에 대응되는 버스바(bus bar)가 서로 이격 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 모듈.
제1항에 있어서,
상기 완충 캐패시터의 용량에 대응하여 상기 버스바의 겹쳐지는 영역의 면적을 달리 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 모듈.