KR20220089348A - 모터 구동 장치 - Google Patents

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switching
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KR1020200179875A
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이현구
박준희
신상철
정강호
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 모터 내 복수 상에 각각 대응되는 복수의 코일 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터와, 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 코일 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터 및 상기 제2 단에 각각 연결되어 상기 제2 단 사이의 전기적 연결을 개방 또는 차단하는 복수의 절환 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치가 개시된다. 상기 모터 구동 장치는, 상기 모터의 케이스의 회전축 방향 일측면에 배치된 커패시터; 상기 커패시터의 양측면에 각각 배치되어 냉각수가 내부로 공급되는 제1 냉각 채널 및 제2 냉각 채널; 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 일부 및 상기 절환 스위칭 소자의 일부를 각각 포함하는 복수의 제1 파워 모듈; 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자의 일부를 각각 포함하는 복수의 제2 파워 모듈을 포함한다. 상기 복수의 제1 파워 모듈 및 상기 복수의 제2 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널 중 하나에 각각 접촉하도록 배치되되, 상기 제1 냉각 채널에 접촉한 파워 모듈의 개수와 상기 제2 냉각 채널에 접촉한 파워 모듈의 개수는 상호 동일하다.

Description

모터 구동 장치{APPARATUS OF DRIVING MOTOR}
본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 인버터 회로를 이용하여 오픈 엔드 와인딩 방식 및 클로즈 엔드 와인딩 방식의 두 가지 방식으로 모터를 구동할 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다.
전동화 차량의 다상 모터를 구동하기 위해서는 복수의 스위칭 소자를 구비하는 인버터가 요구된다.
일반적으로, 인버터는 복수의 상에 각각 대응되는 한 쌍의 스위칭 소자를 포함하는 복수의 스위칭 소자를 구비한다. 예를 들어 삼상 모터의 경우 각 상마다 한 쌍의 스위칭 소자가 적용되어 총 여섯 개의 스위칭 소자가 적용될 수 있다. 각 상에 대응되는 두 스위칭 소자는 모터 구동 시 상호 상보 관계가 되도록 온/오프 되며 전체 스위칭 소자는 펄스폭 변조 방식에 의해 온/오프 제어됨으로써 모터 구동에 필요한 전력을 모터로 제공하게 된다.
통상 모터의 구동을 위해서는 하나의 인버터 회로가 적용되는 경우가 많으나, 모터의 출력을 향상시키고 구동 효율을 향상시키기 위해 모터 코일의 양단에 각각 인버터를 적용한 두 개의 인버터를 이용하는 방식이 알려져 있다.
하나의 인버터를 적용하는 경우 모터 코일의 일단이 서로 단락된 중성점을 형성하게 되므로 하나의 인버터를 이용하여 모터를 구동하는 방식을 클로즈 엔드 와인딩(Close End Winding) 방식이라고 한다. 반면, 두 개의 인버터를 이용하는 방식은 모터 코일의 양단에 각각 인버터를 연결하므로 모터 코일의 일단이 상호 단락되지 않으므로 이러한 방식을 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding) 방식이라고 한다.
한편, 오픈 엔드 와인딩 방식과 같이 모터 코일의 양단에 각각 인버터를 적용하고 모터 코일의 일단을 상호 단락/개방 하는 추가의 스위칭 소자를 구비하여 선택적으로 모터 코일의 일단을 상호 단락/개방 시켜 클로즈 엔드 와인딩 및 오픈 엔드 와인딩을 선택적으로 적용하여 모터를 구동하는 방식도 알려져 있다.
이러한 경우, 각각의 인버터를 구현하기 위한 스위칭 소자와 동작 방식을 선택하기 위한 스위칭 소자 등 다수의 스위칭 소자가 요구되므로, 냉각 성능 등을 고려하여 다수의 스위칭 소자를 효율적으로 모듈화 하여 모터 구동 장치를 구현할 필요가 있다.
상기의 배경기술로서 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 10-1803733 B1 KR 10-1885953 B1
이에 본 발명은, 오픈 엔드 와인딩 방식 및 클로즈 엔드 와인딩 방식의 두 가지 방식으로 모터를 구동하는 경우 모터 구동을 위해 요구되는 다수의 스위칭 소자를 적절히 모듈화 하여 모터 구동의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 모터 내 복수 상에 각각 대응되는 복수의 코일 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터와, 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 코일 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터 및 상기 제2 단에 각각 연결되어 상기 제2 단 사이의 전기적 연결을 개방 또는 차단하는 복수의 절환 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치에 있어서,
상기 모터의 케이스의 회전축 방향 일측면에 배치된 커패시터;
상기 커패시터의 양측면에 각각 배치되어 냉각수가 내부로 공급되는 제1 냉각 채널 및 제2 냉각 채널;
상기 복수의 제1 스위칭 소자의 일부 및 상기 절환 스위칭 소자의 일부를 각각 포함하는 복수의 제1 파워 모듈; 및
상기 복수의 제2 스위칭 소자의 일부를 각각 포함하는 복수의 제2 파워 모듈;을 포함하며,
상기 복수의 제1 파워 모듈 및 상기 복수의 제2 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널 중 하나에 각각 접촉하도록 배치되되, 상기 제1 냉각 채널에 접촉한 파워 모듈의 개수와 상기 제2 냉각 채널에 접촉한 파워 모듈의 개수는 상호 동일한 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 냉각 채널과 상기 제2 냉각 채널은 상호 연통되며 외부로부터 상기 제1 냉각 채널로 냉각수가 유입되어 상기 제2 냉각 채널로 전달되며 상기 제2 냉각 채널에서 냉각수가 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 제1 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되며 상기 복수의 제2 파워 모듈은 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 제1 파워 모듈 중 일부는 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치되고 그 나머지는 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되되, 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제1 파워 모듈의 개수가 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제1 파워 모듈의 개수 보다 많으며,
상기 복수의 제2 파워 모듈 중 일부는 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되고 그 나머지는 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치되되, 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제2 파워 모듈의 개수가 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제2 파워 모듈의 개수 보다 많을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 파워 모듈 각각은, 상기 모터의 코일 중 한 상의 코일의 제1 단에 연결된 한 쌍의 제1 스위칭 소자 및 해당 상의 코일의 제2 단에 연결된 하나의 절환 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제2 파워 모듈 각각은, 상기 모터의 코일 중 한 상의 코일의 제2 단에 연결된 한 쌍의 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
모터 내 삼상 코일 각각의 제1 단에 연결되며 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하는 제1 인버터와, 상기 삼상 코일 각각의 제2 단에 연결되며 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터 및 상기 제2 단에 각각 연결되어 상기 제2 단 사이의 전기적 연결을 개방 또는 차단하는 세 개의 절환 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치에 있어서,
상기 모터의 케이스의 회전축 방향 일측면에 배치된 커패시터;
상기 커패시터의 양측면에 각각 배치되어 냉각수가 내부로 공급되는 제1 냉각 채널 및 제2 냉각 채널;
상기 삼상 코일 중 하나의 제1 단에 연결된 한 쌍의 제1 스위칭 소자와 해당 삼상 코일의 제2 단에 연결된 절환 스위칭 소자 중 하나를 각각 포함하는 세 개의 제1 파워 모듈; 및
상기 삼상 코일 중 하나의 제2 단에 연결된 한 쌍의 제2 스위칭 소자를 각각 포함하는 세 개의 제2 파워 모듈;을 포함하며,
상기 제1 냉각 채널과 상기 제2 냉각 채널에는 각각 세 개씩 파워 모듈이 접촉하여 배치되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 냉각 채널과 상기 제2 냉각 채널은 상호 연통되며 외부로부터 상기 제1 냉각 채널로 냉각수가 유입되어 상기 제2 냉각 채널로 전달되며 상기 제2 냉각 채널에서 냉각수가 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 세 개의 제1 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되며 상기 세 개의 제2 파워 모듈은 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 냉각 채널에는 두 개의 제1 파워 모듈과 하나의 제2 파워 모듈이 접촉하도록 배치되며, 상기 제2 냉각 채널에는 두 개의 제2 파워 모듈과 하나의 제1 파워 모듈이 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 냉각 채널에는 두 개의 제1 파워 모듈 사이에 하나의 제2 파워 모듈이 접촉하도록 배치되며, 상기 제2 냉각 채널에는 두 개의 제2 파워 모듈 사이에 하나의 제1 파워 모듈이 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작을 수 있으며, 구체적으로, 상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT로 구현될 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 오픈 엔드 와인딩 방식 및 클로즈 엔드 와인딩 방식의 두 가지 방식으로 모터를 구동하기 위해, 제1 인버터 내 모터의 각 상에 대응되는 한 쌍의 스위칭 소자와 절환 스위칭 소자를 하나의 모듈로 제작한 제1 파워 모듈과 제2 인버터 내 모터의 각 상에 대응되는 한 쌍의 스위칭 소자를 하나의 모듈로 제작한 제2 파워 모듈을 적용함으로써, 전체 파워 모듈의 개수를 모터의 상의 개수의 2배가 되게 함으로써 커패시터의 양측에 동일한 개수로 대칭되도록 파워 모듈을 배치할 수 있어, 조립성을 향상시키고 냉각 시스템을 효율적으로 구성할 수 있게 한다.
특히, 상기 모터 구동 장치에 따르면, 오픈 엔드 와인딩 방식 및 클로즈 엔드 와인딩 방식의 두 가지 방식으로 모터를 구동하는 경우에 각 인버터에 포함된 파워 모듈의 발열 차이를 고려하여 각 냉각 채널에 접촉하도록 파워 모듈을 배치함으로써 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 커패시터, 냉각 채널 및 파워 모듈의 배치 구조의 여러 예를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용되는 제1 파워 모듈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 제1 파워 모듈의 측면도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(40)의 코일(C1-C3) 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(40)의 코일(C1-C3) 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(40)의 코일(C1-C3) 각각의 제2 단과 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 연결된 노드에 각각 그 일단이 연결되고 타단이 상호 접속된 절환 스위칭 소자(S31-S33)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(200)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(40)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(40)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(200)로 제공할 수 있다. 이러한 직류 전력과 교류 전력 사이의 변환은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 구비된 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어에 의해 수행될 수 있다.
제1 인버터(10)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(40)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 레그(11)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S11, S12)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(40) 내 한 상의 코일(C1)의 일단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(12)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S13, S14)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S13, S14)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(40) 내 한 상의 코일(C2)의 일단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(13)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S15, S16)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S15, S16)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(40) 내 한 상의 코일(C3)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 있다. 제2 인버터(20)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(21-23)를 포함할 수 있다. 각 레그(21-23)는 모터(40)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 레그(21)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S21, S22)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S21, S22)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(40) 내 한 상의 코일(C1)의 타단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(22)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S23, S24)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S23, S24)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(40) 내 한 상의 코일(C2)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(23)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S25, S26)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S25, S26)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(40) 내 한 상의 코일(C3)의 일단에 연결될 수 있다.
이러한 각 인버터(10, 20)에 포함된 스위칭 소자들 중 배터리(200)의 고전위 측(+ 단자)에 연결된 스위칭 소자를 탑(top)상 스위칭 소자라고 하고 저전위 측(- 단자)에 연결된 스위칭 소자를 바텀(bottom)상 스위칭 소자라 한다.
제1 인버터(10)는 모터(40)의 코일(C1-C3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(40)의 코일(C1-C3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(40)의 코일(C1-C3)의 양단은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 방식의 전기적 연결이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 절환 스위칭 소자(30)는 총 3개의 스위칭 소자(S31-S33)으로 구성될 수 있으며, 각 스위칭 소자(S31-S33)의 일단은 복수의 코일(C1-C3)과 제2 스위칭 소자가 연결되는 노드에 연결되고 각 스위칭 소자(S31-S33)의 타단은 상호 연결될 수 있다.
이러한 연결구조에서, 상기 절환 스위칭 소자(30)가 오프 되는 경우에 모터(40)의 코일(C1, C2, C3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되어 모터(40)를 오픈 엔드 와인딩 구조로 구동할 수 있다.
절환 스위칭 소자(30)가 온 되는 경우는 모터(40)의 코일(C1-C3)의 일단은 상호 접속되어 Y-결선을 형성하게 된다. 이 경우에는, 제2 인버터 회로(20)를 활용하지 않고 제1 인버터(10)만 구동하여 클로즈 엔드 와인딩 구조로 모터를 구동할 수 있다.
오픈 엔드 와인딩 구조는 두 개의 인버터를 이용하여 모터의 고출력 구동이 가능하며, 클로즈 엔드 와인딩 구조는 제1 인버터만 이용하여 모터의 고효율 구동이 가능하다. 클로즈 엔드 와인딩 구조에 적용되는 스위칭 소자는 고효율 스위칭 소자로서 SiC로 제작된 고자의 스위칭 소자일 수 있다. 오픈 엔드 와인딩 구조에서 동작하는 제2 인버터는 제1 인버터와 같이 SiC 등의 재료로 제작될 수도 있으나, 고출력 요구 시에만 선택적으로 작동하는 점을 고려하여 항시 동작하는 제1 인버터와는 달리 상대적으로 효율이 떨어지지만 저가로 제작가능한 Si 기반의 스위칭 소자로 구현될 수 있다.
절환 스위칭 소자(S31-S33)는 MOSFET 또는 IGBT 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 회로를 구현한 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치가 도 2 및 도 3에 도시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 사시도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 커패시터, 냉각 채널 및 파워 모듈의 배치 구조의 여러 예를 도시한 평면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 모터(40)의 케이스(100)의 회전축(110) 방향 일측면에 배치된 커패시터(200)와, 커패시터(200)의 양측면에 각각 배치되어 냉각수가 내부로 공급되는 제1 냉각 채널(410) 및 제2 냉각 채널(420)과, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)의 일부 및 절환 스위칭 소자(S31-S33)의 일부를 각각 포함하는 복수의 제1 모듈(610) 및 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 일부를 각각 포함하는 복수의 제2 파워 모듈(620)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시형태에서, 복수의 제1 파워 모듈(610) 및 복수의 제2 파워 모듈(620)은 제1 냉각 채널(410) 및 제2 냉각 채널(420) 중 하나에 각각 접촉하도록 배치되되, 제1 냉각 채널(410)에 접촉한 파워 모듈의 개수와 제2 냉각 채널(420)에 접촉한 파워 모듈의 개수는 상호 동일할 수 있다.
모터(40)의 케이스(100)는 그 내부에 모터(40)의 각 코일(C1-C3)를 포함하는 고정자와 영구자석이 배치된 회전자 등을 포함하는 모터(40)의 구성요소이다. 케이스(100)의 일 측면으로는 모터(40)의 회전축(110)이 케이스(100)의 외부로 돌출되어 노출될 수 있으며, 케이스(100)의 타 측면으로 모터 구동 장치를 구성하는 커패시터(200)와 냉각 채널(410, 420)과 파워 모듈(610, 620) 및 파워 모듈(610, 620) 내의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동회로가 구현된 회로 기판(500)이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 모터를 구동하기 위한 커패시터(200)와 냉각 채널(410, 420)과 파워 모듈(610, 620) 및 회로 기판(500)을 모터 케이스(100)의 측면부에 배치함으로써 모터 케이스(100)의 상부 공간을 활용할 수 있게 하여 모터 및 구동 장치가 차량 내 설치되는 경우 모터 케이스(100) 상부의 공간 활용도를 향상시킬 수 있다.
냉각 채널(410, 420)은 각각 커패시터(200)의 일측면과 그에 대향하는 타측면에 배치될 수 있으며, 냉각수 순환 경로 상에서 제1 냉각 채널(410)로는 냉각수가 유입되고 제2 냉각 채널(420)로는 냉각수가 배출될 수 있다. 도면 상에서는 제1 냉각 채널(410)과 제2 냉각 채널(420)의 연결 관계가 명확하게 도시되지 않으나, 별도의 튜브 등을 설치하여 두 냉각 채널(410, 420)을 연통 시킴으로써 냉각수가 제1 냉각 채널(410)에서 제2 냉각 채널(420)으로 흐를 수 있게 구현하는 것은 당 기술분야의 기술자가 용이하게 구현할 수 있다.
냉각 채널(410, 420)은 그 내부에 흐르는 냉각수에 의해 그와 접촉하는 커패시터(200) 및 파워 모듈(610, 620)에서 발생하는 열을 냉각 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 파워 모듈(610, 620)은 두가지의 형태로 제작될 수 있다.
각각의 파워 모듈(610, 620)은 복수의 스위칭 소자(S11-S16, S21-S26, S31-S33) 중 일부를 포함하는 모듈이다.
제1 파워 모듈(610)은 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16) 중 모터의 한 상의 코일과 연결되는 한 레그에 포함되는 한 쌍의 제1 스위칭 소자(S11 및 S12 쌍, S13 및 S14 쌍, S15 및 S16 쌍)와 해당 상에 연결된 하나의 절환 스위칭 소자(S31, S32, S33)를 포함할 수 있다.
제2 파워 모듈(620)은 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자(S21-S26) 중 모터의 한 상의 코일과 연결되는 한 레그에 포함되는 한 쌍의 제2 스위칭 소자(S21 및 S22 쌍, S23 및 S24 쌍, S25 및 S26 쌍)를 포함할 수 있다.
이러한, 파워 모듈(610, 620)에 의해 두 개의 인버터(10, 20)와 절환 스위칭 소자(S31, S32, S33)는 총 6 개의 파워 모듈(610, 620)으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 두 개의 냉각 채널(410, 420)에 동일한 개수의 파워 모듈이 접촉하도록 배치될 수 있다. 도시된 예에서는, 제1 냉각 채널(410) 및 제2 냉각 채널(420)에 각각 세 개의 파워 모듈이 접촉하도록 배치될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서는, 동일 개수의 파워 모듈을 분할 배치함으로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
오픈 엔드 와인딩 및 클로즈 엔드 와인딩 방식을 선택적으로 사용하는 본 발명의 일 실시형태에는 냉각 효율을 더욱 향상시키기 위해, 제1 인버터(10)에 포함된 제1 스위칭 소자(S11-S16)와 절환 스위칭 소자(S31-S33)를 구현한 제1 파워 모듈(610)이 냉각수가 유입 되는 제1 냉각 채널(410)에 접촉하도록 배치될 수 있고, 제2 인버터(20)에 포함된 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 구현한 제2 파워 모듈(620)이 제2 냉각 채널(420)에 접촉하도록 배치될 수 있다.
클로즈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시에는 제1 스위칭 소자(S11-S16)만 스위칭 되고 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시에는 제1 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 함께 스위칭 되므로, 제1 스위칭 소자(S11-S16)의 발열량이 더 클 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명의 일 실시형태에서는 냉각수가 유입되는 제1 냉각 채널(410)에 접촉하도록 제1 파워 모듈(610)을 배치하고 제1 냉각 채널(410)을 거쳐 냉각수가 유입되는 제2 냉각 채널(420)에 접촉하도록 제2 파워 모듈(620)을 배치할 수 있다.
다른 예로, 제1 냉각 채널(410)과 제2 냉각 채널(420)에 제1 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 서로 분배하여 배치할 수도 있다. 이 경우, 제1 냉각 채널(410)에 접촉하도록 배치되는 제1 파워 모듈(610)의 개수는 제2 스위칭 소자의 개수보다 많고 제2 냉각 채널(420)에 접촉하도록 배치되는 제2 파워 모듈(620)는 제1 파워 모듈(610)의 개수 보다 많을 수 있다.
이러한 배치 구조는 제1 냉각 채널(410)에 발열량이 많은 제1 파워 모듈(610)을 집중 배치하여 냉각수 온도가 상승하여 제2 냉각 채널(420)에 의한 냉각 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 배치 구조에서, 제1 냉각 채널(410)에 접촉하도록 배치되는 제2 파워 모듈(620)은 제1 파워 모듈(610) 사이에 배치되도록 하고, 제2 냉각 채널(420)에 접촉하도록 배치되는 제1 파워 모듈(610)의 제2 파워 모듈(620) 사이에 배치되도록 하여 발열 분포를 분산 시켜 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 이해를 돕기 위해 파워 모듈의 구조를 간략하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용되는 제1 파워 모듈의 일례를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 제1 파워 모듈의 측면도이다. 도 5 및 도 6에 기재된 참조부호는 제1 파워 모듈이 모터의 제1 상의 코일(C1)에 연결되는 경우를 가정한 것이나 이로부터 다른 상의 코일에 연결된 제1 파워 모듈의 구조 역시 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 도 5 및 도 6은 제1 파워 모듈을 도시한 것이나, 당 기술 분야의 기술자라면 도 5 및 도 6에 도시된 제1 파워 모듈 구조에서 절환 스위칭 소자 및 그에 연결된 기판 패턴이나 리드를 생략하는 경우 용이하게 제2 파워 모듈의 구조를 유추할 수 있을 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 파워 모듈(610)은 기판(617, 618)과 기판(617, 618)에 배치되는 제1 스위칭 소자(S11-1, S11-2, S12-1, S12-2)와 절환 스위칭 소자(S31)과 각 소자 간의 연결을 형성하고 외부와의 전기적 접속을 형성하는 복수의 리드(611-615)를 포함할 수 있다.
각각의 제1 스위칭 소자는 외부의 제어 신호에 의해 온/오프 되는 FET(S11-1, S12-1)와 각각의 FET의 소스와 드레인 사이에 연결된 역방향 다이오드(S11-2, S12-2)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 스위칭 소자(S11-1, S11-2, S12-1, S12-2)가 배치되는 기판(617)은 절연층과 절연층의 양면에 부착된 금속층(구리층)을 갖는 구조로 구현될 수 있다. 이경우 제1 스위칭 소자(S11-1, S11-2, S12-1, S12-2)에서 발생하는 열을 용이하게 배출하게 하기 위해 금속층의 두께를 두껍게 구현할 수 있다(예를 들어, 0.6t 이상).
또한, 두 개의 제1 스위칭 소자가 배치되는 기판을 개별적으로 구비하게 하여 두꺼운 금속층에 의한 기판 응력을 줄일 수 있다.
제1 스위칭 소자 중 탑 상에 해당하는 소자(S11-1, S11-2)는 배터리(200)의 고전위 단자와 연결되는 리드(611)와 전기적으로 연결될 수 있고, 제1 스위칭 소자 중 바텀 상에 해당하는 소자(S11-1, S11-2)는 배터리(200)의 저전위 단자와 연결되는 리드(612)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 탑 상에 해당하는 소자(S11-1, S1102)와 바텀 상에 해당하는 소자(S12-1, S12-2)의 연결 노드는 모터(40)의 제1 코일(C1)의 일단에 연결되는 리드(613)에 전기적으로 연결될 수 있다.
발열이 적은 절환 스위칭 소자(S31)가 배치되는 기판(618)은 얇은 두께의 금속층을 갖는 기판을 별도 적용하여 조립성과 원가를 절감할 수 있다.
절환 스위칭 소자(S31)은 모터(40)의 제1 코일(C1)의 타단에 연결되는 리드(614)에 전기적으로 연결될 수 있다.
절환 스위칭 소자가 배치되는 기판(618) 상에 전류 센서를 대체하는 션트 저항(616)이 배치될 수 있다. 센서를 대체하는 션트 저항(616)을 구비함으로써 조립성과 원가가 절감될 수 있고, 션트 저항(616)에 연결되는 신호 리드를 탑상 스위칭 소자(S11-1, S11-2)의 신호 리드와 인접 배치 시켜 신호 리드간 절연 거리를 두지 않도록 배치하여 사이즈를 감소시킬 수 있다.
이상에서, 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 오픈 엔드 와인딩 방식 및 클로즈 엔드 와인딩 방식의 두 가지 방식으로 모터를 구동하기 위해, 제1 인버터 내 모터의 각 상에 대응되는 한 쌍의 스위칭 소자와 절환 스위칭 소자를 하나의 모듈로 제작한 제1 파워 모듈과 제2 인버터 내 모터의 각 상에 대응되는 한 쌍의 스위칭 소자를 하나의 모듈로 제작한 제2 파워 모듈을 적용함으로써, 전체 파워 모듈의 개수를 모터의 상의 개수의 2배가 되게 함으로써 커패시터의 양측에 동일한 개수로 대칭되도록 파워 모듈을 배치할 수 있어, 조립성을 향상시키고 냉각 시스템을 효율적으로 구성할 수 있게 한다.
특히, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 오픈 엔드 와인딩 방식 및 클로즈 엔드 와인딩 방식의 두 가지 방식으로 모터를 구동하는 경우에 각 인버터에 포함된 파워 모듈의 발열 차이를 고려하여 각 냉각 채널에 접촉하도록 파워 모듈을 배치함으로써 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 제1 인버터 20: 제2 인버터
30: 제3 스위칭 소자 40: 모터
100: 모터 케이스 110: 모터 회전축
200: 배터리 300: 직류 링크 커패시터
410, 420: 냉각 채널 500: 회로 기판
610: 제1 파워 모듈 620: 제2 파워 모듈
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 C1-C3: 코일

Claims (14)

  1. 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 모터 내 복수 상에 각각 대응되는 복수의 코일 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터와, 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 코일 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터 및 상기 제2 단에 각각 연결되어 상기 제2 단 사이의 전기적 연결을 개방 또는 차단하는 복수의 절환 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치에 있어서,
    상기 모터의 케이스의 회전축 방향 일측면에 배치된 커패시터;
    상기 커패시터의 양측면에 각각 배치되어 냉각수가 내부로 공급되는 제1 냉각 채널 및 제2 냉각 채널;
    상기 복수의 제1 스위칭 소자의 일부 및 상기 절환 스위칭 소자의 일부를 각각 포함하는 복수의 제1 파워 모듈; 및
    상기 복수의 제2 스위칭 소자의 일부를 각각 포함하는 복수의 제2 파워 모듈;을 포함하며,
    상기 복수의 제1 파워 모듈 및 상기 복수의 제2 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널 중 하나에 각각 접촉하도록 배치되되, 상기 제1 냉각 채널에 접촉한 파워 모듈의 개수와 상기 제2 냉각 채널에 접촉한 파워 모듈의 개수는 상호 동일한 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널과 상기 제2 냉각 채널은 상호 연통되며 외부로부터 상기 제1 냉각 채널로 냉각수가 유입되어 상기 제2 냉각 채널로 전달되며 상기 제2 냉각 채널에서 냉각수가 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 제1 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되며 상기 복수의 제2 파워 모듈은 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 제1 파워 모듈 중 일부는 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치되고 그 나머지는 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되되, 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제1 파워 모듈의 개수가 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제1 파워 모듈의 개수 보다 많으며,
    상기 복수의 제2 파워 모듈 중 일부는 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되고 그 나머지는 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치되되, 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제2 파워 모듈의 개수가 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 제2 파워 모듈의 개수 보다 많은 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파워 모듈 각각은, 상기 모터의 코일 중 한 상의 코일의 제1 단에 연결된 한 쌍의 제1 스위칭 소자 및 해당 상의 코일의 제2 단에 연결된 하나의 절환 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 제2 파워 모듈 각각은, 상기 모터의 코일 중 한 상의 코일의 제2 단에 연결된 한 쌍의 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작은 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 모터 내 삼상 코일 각각의 제1 단에 연결되며 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하는 제1 인버터와, 상기 삼상 코일 각각의 제2 단에 연결되며 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터 및 상기 제2 단에 각각 연결되어 상기 제2 단 사이의 전기적 연결을 개방 또는 차단하는 세 개의 절환 스위칭 소자를 포함하는 모터 구동 장치에 있어서,
    상기 모터의 케이스의 회전축 방향 일측면에 배치된 커패시터;
    상기 커패시터의 양측면에 각각 배치되어 냉각수가 내부로 공급되는 제1 냉각 채널 및 제2 냉각 채널;
    상기 삼상 코일 중 하나의 제1 단에 연결된 한 쌍의 제1 스위칭 소자와 해당 삼상 코일의 제2 단에 연결된 절환 스위칭 소자 중 하나를 각각 포함하는 세 개의 제1 파워 모듈; 및
    상기 삼상 코일 중 하나의 제2 단에 연결된 한 쌍의 제2 스위칭 소자를 각각 포함하는 세 개의 제2 파워 모듈;을 포함하며,
    상기 제1 냉각 채널과 상기 제2 냉각 채널에는 각각 세 개씩 파워 모듈이 접촉하여 배치되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널과 상기 제2 냉각 채널은 상호 연통되며 외부로부터 상기 제1 냉각 채널로 냉각수가 유입되어 상기 제2 냉각 채널로 전달되며 상기 제2 냉각 채널에서 냉각수가 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 세 개의 제1 파워 모듈은 상기 제1 냉각 채널에 접촉하도록 배치되며 상기 세 개의 제2 파워 모듈은 상기 제2 냉각 채널에 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널에는 두 개의 제1 파워 모듈과 하나의 제2 파워 모듈이 접촉하도록 배치되며, 상기 제2 냉각 채널에는 두 개의 제2 파워 모듈과 하나의 제1 파워 모듈이 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널에는 두 개의 제1 파워 모듈 사이에 하나의 제2 파워 모듈이 접촉하도록 배치되며, 상기 제2 냉각 채널에는 두 개의 제2 파워 모듈 사이에 하나의 제1 파워 모듈이 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  13. 청구항 8 내지 청구항 12 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 손실은 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 손실보다 작은 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  14. 청구항 8 내지 청구항 12 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자는 SiC 소재의 FET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si 소재의 IGBT인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
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