KR20250053473A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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김성군
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Abstract

본 실시예들에 의하면, 냉각 효율이 향상되며 효율 및 성능이 증대되고 내부 소자의 사용기한이 증대될 수 있으며, 화재 위험이 감소될 수 있다.

Description

전력 변환 장치{CONVERTER}
본 실시예들은 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 효율이 향상되며 효율 및 성능이 증대되고 내부 소자의 사용기한이 증대될 수 있으며, 화재 위험이 감소되는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전기차는 기존의 화석 연료가 아닌 전기 에너지를 이용하는 자동차를 의미하며, 최근 화석 연료의 고갈 및 친환경 자동차 개발 경향에 부응하여 관련 기술들이 빠르게 발전하고 있다.
전기를 에너지원으로 사용하는 전기차에는 고전압 배터리가 필수적으로 장착되며, 고전압 배터리는 차량 운행 중에 충/방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다. 그리고, 배터리에서 공급되는 고전압의 전력을 차량에서 사용하는 계통의 저전압으로 변환하기 위한 전력 변환 장치가 구비된다.
고전압, 고전류의 전력을 변환하는 과정에서 전력 변환 장치의 고온, 고열 상태가 지속되며, 이는 화재의 원인이 될 수 있어 전력 변환 장치의 방열 성능이 중요하다. 또한, 전력 변환 장치의 방열 성능은 전력 변환의 효율, 성능뿐만 아니라 장치의 수명에도 영향을 미치므로, 중요도가 더욱 높다.
본 실시예들은 전술한 배경에서 안출된 것으로서, 냉각 효율이 향상되며 효율 및 성능이 증대되고 내부 소자의 사용기한이 증대될 수 있으며, 화재 위험이 감소되는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
본 실시예들에 의하면, 커패시터 및 버스바를 수용하는 수용부를 포함하며, 알루미늄 재질로 형성되는 하우징, 수용부에 충진되는 충진재를 포함하는 전력 변환 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예들에 의하면, 커패시터 및 버스바를 수용하는 수용부를 포함하는 하우징, 수용부에 충진되는 실리콘 재질의 열 전달 물질을 포함하는 전력 변환 장치가 제공될 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 냉각 효율이 향상되며 효율 및 성능이 증대되고 내부 소자의 사용기한이 증대될 수 있으며, 화재 위험이 감소될 수 있다.
도 1은 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 사시도이다.
도 2는 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 개략도이다.
도 3은 종래의 전력 변환 장치와 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 방열 성능을 비교하기 위한 표이다.
도 4는 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 개략도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 사시도, 도 2는 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 개략도, 도 3은 종래의 전력 변환 장치와 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 방열 성능을 비교하기 위한 표, 도 4는 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 개략도이다.
본 실시예들에 의하면, 커패시터(120) 및 버스바(130)를 수용하는 수용부(111)를 포함하며, 알루미늄 재질로 형성되는 하우징(110), 수용부(111)에 충진되는 충진재(210)를 포함하는 전력 변환 장치(100)가 제공될 수 있다.
도 1 내지 도 2를 참고하여 살펴보면, 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치(100)는 하우징(110) 및 하우징(110)의 내부에 수용되는 전자부품들을 포함한다. 하우징(110)의 수용부(111)에는 커패시터(120), 버스바(130), 반도체모듈, 인덕터 등이 수용된다. 반도체모듈의 반도체소자는 배터리로부터 인가되는 고전압 전류를 저전압 전류로 변환하며, 반도체소자가 변환한 전력은 커패시터(120) 및 인덕터에 에너지로 저장될 수 있다. 반도체소자, 커패시터, 인덕터 등 주요 발열소자에서 발생되는 열이 효과적으로 방출되지 못하면 전력 변환의 성능 및 효율이 저하된다.
수용부(111)에 수용되는 커패시터(120) 등 발열소자에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위해, 수용부(111)에는 충진재(210)가 충진된다. 충진재(210)를 매개로 수용부(111)에 수용되는 커패시터(120) 등 발열소자와 하우징(110)이 열적으로 연결되며, 발생된 열이 충진재(210) 및 하우징(110)을 통해 외부로 방출된다. 즉, 발열소자에서 발생된 열을 하우징(110)을 통해 방출되는데, 종래의 전력 변환 장치는 절연을 위해 열전도율이 낮은 플라스틱, 특히 PPS계 플라스틱 재질로 하우징을 형성하여 방열성능이 낮은 문제가 있었다. 이에, 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치(100)는 높은 열전도율을 가지는 알루미늄 재질로 하우징(110)을 형성함으로써 방열 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 구체적으로, PPS 계 플라스틱은 0.2~0.5 W/mK의 낮은 열전도율을 가지는데 반해, 알루미늄은 96 W/mK의 매우 높은 열전도율을 가진다. 한편, 하우징(110)을 알루미늄 재질로 형성함에 따라 버스바(130)와 하우징(110) 사이에는 절연 클립(140)이 위치될 수 있다. 이러한 절연 클립(140)은 예를 들어 PPS 계 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 하우징(110)에는 냉각수가 흐르는 유로(221)가 형성될 수 있다. 하우징(110)의 외측면에는 유로(221)가 형성되고, 유로(221)를 커버하는 커버(222)가 하우징(110)에 결합될 수 있다. 커패시터(120) 등 발열소자에서 발생된 열은 충진재(210)를 통해 하우징(110)으로 전달되고, 유로(221)의 냉각수가 열을 회수하며 냉각이 수행될 수 있다. 또한, 일 실시예에 의하면, 하우징(110)에는 다수의 방열핀이 형성될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 충진재(210)는 에폭시일 수 있다. 또는, 일 실시예에 의하면, 충진재(210)는 실리콘 재질의 열 전달 물질일 수 있다. 충진재(210)는 커패시터(120) 등 발열소자와 하우징(110)을 열적으로 연결하는 구성이다. 다만, 에폭시의 열전도율은 0.6 W/mK인데 반해 실리콘의 열전도율은 약 3.2 W/mK로서, 충진재(210)로는 열 전도율이 높은 실리콘 재질의 열 전달 물질을 사용하는 것이 보다 방열성능이 높다.
실리콘 재질의 열 전달 물질은 열 계면 물질(Thermal Interface Material; TIM)에 속하는 물질로서, 보다 구체적으로는 실리콘 재질 기반의 열전도성 캡슐화 소재(Thermally Conductive Encapsulants)이다. 열 계면 물질은 열 전도를 위해 두 구성요소 사이를 열적으로 연결하는 물질로서, 높은 열 전도성을 가진다. 열 전달 물질의 종류는 써멀 그리스(Thermal Grease), 써멀 페이스트(Thermal Paste), 써멀 접착제(Thermal Adhesive), 써멀 갭 필러(Thermal Gap Filler), 써멀 패드(Thermal Pad), 써멀 테이프(Thermal Tape) 등이 있다. 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치의 충진재는 실리콘 재질의 열 전달 물질로서, 실리콘 재질 기반의 써멀 그리스(Thermal Grease)일 수 있다. 실리콘 재질의 열 전달 물질은 에폭시 대비 높은 열 전도성을 가져 동일한 부피 내에서 더 많은 열을 전도하며, 넓은 온도 범위에서도 유연성을 유지하며, 고온 안정성이 높아 넓은 온도 범위에서 사용이 가능하며, 또한 우수한 전기적 절연성을 가져 전력 변환 장치에 적합하다.
도 3은 충진재로서 에폭시를 사용한 경우와 실리콘 재질의 열 전달 물질을 사용한 경우 커패시터와 버스바의 최고 온도를 비교하여 나타낸다. 수용부(111)에 수용된 2개의 입력 커패시터 및 6개의 출력 커패시터와, 3개의 버스바의 온도를 비교하였다. 평균적으로 커패시터들의 온도는 2.76℃ 낮아져 방열 성능이 향상된 것을 것을 확인할 수 있다. 또한, 가장 높은 온도를 가지는 입력단 버스바(11번)의 온도 대비 입력 커패시터(1번)의 온도 차이를 살펴보면, 에폭시를 사용하는 경우 31.6℃ 차이인데 반해 실리콘 재질의 열 전달 물질을 사용하는 경우는 34.9℃ 차이로서 커패시터의 온도가 더욱 낮아져 방열 성능이 향상된 것을 확인할 수 있다.
충진재(210)는 하우징(110)의 수용부(111)에 전력소자들이 배치된 후에 충진될 수 있다.
도 4를 참고하여 살펴보면, 일 실시예에 의하면, 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치(100)는 수용부(111)에 위치되며 커패시터(120)가 수용되는 케이스(410)를 더 포함할 수 있다. 케이스(410)는 수용부(111)에 수용되는 전력소자 중 커패시터(120)를 수용하고, 나머지 전력소자는 케이스(410)의 외부에서 수용부(111)에 수용될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 케이스(410)는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 케이스(410)도 하우징(110)과 마찬가지로 높은 열전도율을 가지며, 버스바(130)와의 절연을 위해 절연 클립이 배치될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 충진재(210)는 케이스(410)의 내부에 충진될 수 있다. 즉, 충진재(210)는 케이스(410)의 내부 및 수용부(111)에 충진될 수 있다. 케이스(410)는 수용부(111)와 결합되며 직접 접촉되어 열적으로 연결될 수 있으며, 또는 케이스(410)의 외측면과 하우징(110)의 내측면 사이에 충진재(210)가 충진될 수 있다. 커패시터(120) 등 발열소자는 충진재(210)를 통해 케이스(410)와 열적으로 연결된다.
본 실시예들에 의하면, 커패시터(120) 및 버스바(130)를 수용하는 수용부(111)를 포함하는 하우징(110), 수용부(111)에 충진되는 실리콘 재질의 열 전달 물질을 포함하는 전력 변환 장치가 제공될 수 있다. 전술한 실시예들과 동일한 사항에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하며 설명을 간략히 하고, 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
종래에는 에폭시를 충진하여 커패시터 등 발열소자와 하우징을 열적으로 연결하였으나, 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치는 에폭시보다 높은 열전도율을 가지는 실리콘 재질의 열 전달 물질을 이용함으로써 방열 성능이 향상된다(도 3 참조).
수용부(111)에 수용되는 커패시터(120), 버스바(130) 등 발열소자에서 발생되는 열은 실리콘 재질의 열 전달 물질을 통해 하우징(110)으로 전달되고 방출된다. 일 실시예에 의하면, 하우징(110)에는 냉각수가 흐르는 유로가 형성되어, 발열소자에서 발생되는 열이 방출될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본 실시예들에 의한 전력 변환 장치는 수용부(111)에 위치되며 커패시터(120)가 수용되는 케이스(410)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 구조를 가지는 전력 변환 장치에 의하면, 냉각 효율이 향상되며 효율 및 성능이 증대되고 내부 소자의 사용기한이 증대될 수 있으며, 화재 위험이 감소될 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 커패시터 및 버스바를 수용하는 수용부를 포함하며, 알루미늄 재질로 형성되는 하우징;
    상기 수용부에 충진되는 충진재;
    를 포함하는 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징에는 냉각수가 흐르는 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 에폭시인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재는 실리콘 재질의 열 전달 물질인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수용부에 위치되며 상기 커패시터가 수용되는 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 케이스는 알루미늄 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 충진재는 상기 케이스의 내부에 충진되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 커패시터 및 버스바를 수용하는 수용부를 포함하는 하우징;
    상기 수용부에 충진되는 실리콘 재질의 열 전달 물질;
    을 포함하는 전력 변환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징에는 냉각수가 흐르는 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수용부에 위치되며 상기 커패시터가 수용되는 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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