KR102114717B1 - SiC INVERTER DEVICE - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SiC(silicon carbide) 인버터 장치에 관한 것으로, SiC 스위칭 모듈, 상기 SiC 스위칭 모듈의 상부에 배치되는 DC link 커패시터, 상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에 배치되는 게이트 드라이버, 상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 커패시터를 직접 연결하는 DC link 버스바 및 상기 게이트 드라이버를 상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에 고정시키기 위한 고정 브라켓을 포함한다. 따라서, 본 발명은 스위칭 속도를 고속화하고 스위칭 손실을 최소화하는 SiC 인버터의 성능을 최대한 활용할 수 있는 구조를 제안한다.The present invention relates to a silicon carbide (SiC) inverter device, a SiC switching module, a DC link capacitor disposed on the top of the SiC switching module, a gate driver disposed on the side of the SiC switching module, the SiC switching module and the DC It includes a DC link busbar directly connecting the link capacitor and a fixing bracket for fixing the gate driver to the side of the SiC switching module. Therefore, the present invention proposes a structure capable of maximizing the performance of a SiC inverter that speeds up switching speed and minimizes switching losses.
Description
본 발명은 SiC(Silicon Carbide) 인버터 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭 속도를 고속화하고 스위칭 손실을 최소화하는 SiC 인버터의 성능을 최대한 활용할 수 있는 구조를 가지는 SiC 인버터 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon carbide (SiC) inverter technology, and more particularly, to a SiC inverter device having a structure capable of maximizing the performance of a SiC inverter that speeds up switching speed and minimizes switching loss.
SiC(Silicon Carbide: 실리콘카바이드) 반도체는 소자 제작에 일반적으로 사용되고 있는 실리콘(Si)과 비교하여 내열성 및 내전압성이 뛰어나 인버터 기기나 가정용 파워 모듈, 자동차용 파워 반도체 소자 등의 고성능화 및 저소비 전력화를 실현할 수 있는 유망 재료로 기대를 모으고 있다. 실리콘카바이드는 반도체 재료로 가장 널리 알려져 있는 실리콘과 탄소가 1:1로 결합되어 있는 재료로서 강한 공유결합성에 의해 경도가 다이아몬드 다음으로 커, 19세기 후반부터 사포의 재료로 사용되어 왔다. 실리콘카바이드는 자연에서 발견되기 이전에 합성으로 먼저 제조되었으며 자연에서는 아주 희귀하게 관찰된다. 반도체로서의 실리콘카바이드는 1950년대에 들어 실리콘, 게르마늄과 더불어 초창기 반도체 연구단계에서 많은 연구들이 진행되었으나, 현재의 실리콘 반도체처럼 대형의 단결정 및 웨이퍼로의 생산이 어려워 한동안 주목받지 못하였다. 따라서 근년에 이르기까지 반도체 재료로서의 응용보다는 고강도 재료 제조를 위한 소결체로 더 많이 이용되어 왔다. 1980년대 이후 반도체 소자의 제조가 가능한 수준의 단결정 성장방법이 개발되어 차세대 반도체재료로서 각광받고 있다. 탄화규소는 기존의 실리콘에 비해 전기적, 기계적 열적 특성이 우수하며 화학적 기계적 안정성도 뛰어나 차세대 반도체 재료, 특히 고전압, 고출력, 고온 반도체 재료로서 가장 응용 가능성이 뛰어난 재료이다. SiC는 종류에 따라 밴드갭이 2.2eV~3.3eV까지 분포하며, 주로 사용되는 4H-SiC, 6H-SiC는 3.0eV~3.3eV로 Si의 3배에 달하여 GaN, ZnO, AlN 등과 같이 와이드 밴드갭 재료에 해당된다. 또한 임계전계가 Si의 10배, 열전도도가 3배이다. 이 밖에도 화학적으로 안정하고, 방사능등에 대한 내성이 강하여 특수한 환경에서 작동하는 반도체 소자 제조에 아주 적합하다. 높은 임계전계값 및 열전도도로 인해 1kV~100kV에 달하는 고출력 전력소자로서 적합하며, 넓은 밴드 갭과 높은 열전도 특성으로 인해 고온(500~700℃까지 작동가능)용 전력소자로서 최적의 재료이다.SiC (Silicon Carbide) semiconductors are superior in heat resistance and withstand voltage compared to silicon (Si), which is commonly used in device fabrication, to realize high performance and low power consumption for inverter devices, household power modules, and automotive power semiconductor devices. We are raising expectations with promising ingredients that we can. Silicon carbide, the most widely known semiconductor material, is a material in which silicon and carbon are combined in a 1: 1 ratio, and its hardness is second to diamond due to its strong covalent bond, and has been used as a sandpaper material since the late 19th century. Silicon carbide was first prepared synthetically before being found in nature, and is very rarely observed in nature. Silicon carbide as a semiconductor, in the 1950's, silicon and germanium, along with many studies have been conducted in the early stages of semiconductor research, but it is difficult to produce large single crystals and wafers, such as silicon semiconductors, and has not been noticed for a while. Therefore, until recent years, it has been used more as a sintered body for manufacturing high-strength materials than in applications as semiconductor materials. Since the 1980s, a single crystal growth method capable of manufacturing semiconductor devices has been developed, and has been spotlighted as a next-generation semiconductor material. Silicon carbide has superior electrical and mechanical thermal properties and superior chemical and mechanical stability compared to conventional silicon, making it the most applicable material for next-generation semiconductor materials, especially high-voltage, high-power, and high-temperature semiconductor materials. Depending on the type of SiC, the band gap is distributed from 2.2eV to 3.3eV, and mainly used 4H-SiC and 6H-SiC are 3.0eV to 3.3eV, which is three times that of Si, and wide band gap such as GaN, ZnO, AlN, etc. Corresponds to the material. In addition, the critical electric field is 10 times that of Si and the thermal conductivity is 3 times. In addition, it is chemically stable and resistant to radiation, making it suitable for manufacturing semiconductor devices that operate in special environments. It is suitable as a high output power device ranging from 1 kV to 100 kV due to its high critical electric field value and thermal conductivity, and is an optimal material as a power device for high temperature (operable up to 500 to 700 ° C) due to its wide band gap and high thermal conductivity characteristics.
SiC 스위칭 소자는 차세대 전력소자로서 저손실, 고속 스위칭 등을 그 특징으로 한다. 다만, 고속 스위칭은 전력 변환장치의 구조에 따라 기생 인덕턴스 성분을 증가시키고 출력 전압의 스파이크 전압을 증가시켜 스파이크 전압이 모듈의 항복 전압 이상으로 증가하면 스위칭 소자가 소손될 수 있다.The SiC switching device is a next-generation power device characterized by low loss and high speed switching. However, high-speed switching increases the parasitic inductance component and increases the spike voltage of the output voltage according to the structure of the power converter, so that the switching element may be burned out if the spike voltage exceeds the breakdown voltage of the module.
한국공개특허 제10-2015-0121988 (2015.10.30)호는 베이스 플레이트, 베이스 플레이트 상면에 접합되는 DBC(Direct Bonded Copper) 기판, DBC 기판 상면에 접합되는 확장 실리콘카바이드(SiC) 칩 및 DBC 기판과 확장 실리콘카바이드 칩을 전기적으로 연결하는 본딩 와이어를 포함하며, 확장 실리콘카바이드 칩은 적어도 4개의 단위 칩이 정방형의 형태로 간격 없이 서로 접합되어 있으며, 단위 칩 각각은 소스, 드레인, 게이트를 개별적으로 가진다.Korean Patent Publication No. 10-2015-0121988 (2015.10.30) includes a base plate, a direct bonded copper (DBC) substrate bonded to the base plate, an extended silicon carbide (SiC) chip bonded to the top of the DBC substrate, and a DBC substrate. It includes a bonding wire that electrically connects the expanded silicon carbide chip. In the expanded silicon carbide chip, at least four unit chips are bonded to each other in a square shape without gaps, and each unit chip has a source, a drain, and a gate individually. .
한국공개특허 제10-2011-0078962 (2011.07.07)호는 직류전원을 필터링하는 LC 필터부(110)가 구비된다. 그리고 상기 필터링된 직류전원을 교류전원으로 변환하기 위해 스위칭 동작하는 풀-브릿지 방식의 스위칭 소자(sw1 ~ sw4)로 이루어진 인버터부(120)가 구비된다. 상기 스위칭 소자(sw1 ~ sw4)는 트랜지스터 및 다이오드가 병렬 구성된 구조이다. 여기서, 상기 다이오드는 상기 스위칭 소자(sw1 ~ sw4)의 스위칭시에 발생하는 과도전압보다 더 큰 용량의 다이오드로서, 실리콘 카바이드(Silicon Carbide; SiC) 쇼트키 바리어 다이오드로 구성된다. 그와 같은 본 발명에 따르면, 상기 실리콘 카바이드 쇼트키 바리어 다이오드가 상기 스위칭 소자(sw1 ~ sw4)의 스위칭시에 발생하는 노이즈에 의해 트랜지스터가 열화되거나 파손되는 것을 보호할 수 있어, 종래 인버터 장치에 구성되었던 스너버 회로를 제거할 수 있게 된다. 따라서 인버터 장치의 회로 간소화 및 전력 소모가 개선되어 효율이 향상되는 이점이 있다.Korean Patent Publication No. 10-2011-0078962 (2011.07.07) is provided with an
본 발명의 일 실시예는 스위칭 속도를 고속화하고 스위칭 손실을 최소화하는 SiC 인버터의 성능을 최대한 활용할 수 있는 구조를 가지는 SiC 인버터 장치를 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a SiC inverter device having a structure that can maximize the performance of the SiC inverter to speed up the switching speed and minimize the switching loss.
본 발명의 일 실시예는 SiC 스위칭 모듈과 DC link 커패시타 사이에 발생하는 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있는 구조를 가지는 SiC 인버터 장치를 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a SiC inverter device having a structure capable of minimizing the parasitic inductance generated between the SiC switching module and the DC link capacitor.
본 발명의 일 실시예는 스너버 회로를 포함하여 스파이크 전압을 저감시키고, 동시에 스너버 회로 자체의 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있는 구조를 가지는 SiC 인버터 장치를 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a SiC inverter device having a structure capable of reducing a spike voltage including a snubber circuit and simultaneously minimizing parasitic inductance of the snubber circuit itself.
실시예들 중에서, SiC 인버터 장치는 SiC 스위칭 모듈, 상기 SiC 스위칭 모듈의 상부에 배치되는 DC link 커패시터, 상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에 배치되는 게이트 드라이버, 상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 커패시터를 직접 연결하는 DC link 버스바 및 상기 게이트 드라이버를 상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에 고정시키기 위한 고정 브라켓을 포함한다.Among the embodiments, the SiC inverter device includes a SiC switching module, a DC link capacitor disposed on the SiC switching module, a gate driver disposed on the side of the SiC switching module, and a direct connection between the SiC switching module and the DC link capacitor. It includes a DC link bus bar and a fixing bracket for fixing the gate driver to the side of the SiC switching module.
상기 DC link 버스바는 제1 체결부재를 통해 상기 SiC 스위칭 모듈의 상면에 결합되는 제1 체결부, 제2 체결부재를 통해 상기 DC link 커패시터의 하면에 연결되는 제2 체결부 및 상기 제1 체결부와 제2 체결부를 연결하고 상기 SiC 스위칭 모듈과 DC link 커패시터를 일정간격 이하로 이격시키는 연결부로 구성될 수 있다. The DC link busbar includes a first fastening part coupled to an upper surface of the SiC switching module through a first fastening member, a second fastening part connected to a lower surface of the DC link capacitor through a second fastening member, and the first fastening It may be configured as a connecting portion connecting the second fastening portion and the SiC switching module and the DC link capacitor spaced below a predetermined interval.
상기 고정 브라켓은 상기 SiC 스위칭 모듈에서 상기 게이트 드라이버를 일정간격 이하로 이격시킬 수 있다.The fixing bracket may separate the gate driver from the SiC switching module to a predetermined interval or less.
실시예들 중에서, SiC 인버터 장치는 상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 커패시터 사이에 발생하는 기생 인덕턴스에 의한 스파이크 전압을 저감하기 위한 스너버 회로를 더 포함할 수 있다.In embodiments, the SiC inverter device may further include a snubber circuit for reducing a spike voltage caused by parasitic inductance between the SiC switching module and the DC link capacitor.
상기 스너버 회로는 상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 버스바의 상기 제1 체결부 사이에 배치되고, 상기 SiC 스위칭 모듈 및 상기 DC link 버스바와 상기 제1 체결부재를 통해 함께 결합될 수 있다.The snubber circuit is disposed between the SiC switching module and the first fastening portion of the DC link busbar, and can be coupled together through the SiC switching module and the DC link busbar and the first fastening member.
상기 DC link 버스바는 상기 DC link 커패시터의 플러스단 및 마이너스단과 각각 연결되는 플러스 및 마이너스 DC link 버스바들로 구성되고, 상기 스너버 회로는 상기 플러스 DC link 버스바와 상기 마이너스 DC link 버스바 사이에 배치될 수 있다.The DC link busbar is composed of positive and negative DC link busbars respectively connected to positive and negative terminals of the DC link capacitor, and the snubber circuit is disposed between the positive DC link busbar and the negative DC link busbar. Can be.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology can have the following effects. However, since the specific embodiment does not mean that all of the following effects should be included or only the following effects are included, the scope of rights of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.
본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치는 스위칭 속도를 고속화하고 스위칭 손실을 최소화하는 SiC 인버터의 성능을 최대한 활용할 수 있는 구조를 가질 수 있다.The SiC inverter device according to an embodiment of the present invention may have a structure capable of maximizing the performance of a SiC inverter that speeds up switching speed and minimizes switching loss.
본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치는 SiC 스위칭 모듈과 DC link 커패시타 사이에 발생하는 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.SiC inverter device according to an embodiment of the present invention may be formed of a structure that can minimize the parasitic inductance generated between the SiC switching module and the DC link capacitor.
본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치는 스너버 회로를 포함하여 스파이크 전압을 저감시키고, 동시에 스너버 회로 자체의 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.SiC inverter device according to an embodiment of the present invention can be formed of a structure that can reduce the spike voltage, including a snubber circuit, and at the same time minimize the parasitic inductance of the snubber circuit itself.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 DC link 버스바를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 게이트 드라이버 및 고정 브라켓의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치의 DC 입력부 구성을 보여주는 도면이다.1 is a view showing a SiC inverter device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a DC link bus bar in FIG. 1.
3 is a view showing the structure of the gate driver and the fixing bracket in FIG.
4 is a view showing a coupling structure of a snubber circuit according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a DC input unit configuration of a SiC inverter device according to an embodiment.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Since the description of the present invention is merely an example for structural or functional description, the scope of the present invention should not be interpreted as being limited by the examples described in the text. That is, since the embodiments can be variously modified and have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing technical ideas. In addition, the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such an effect, and the scope of the present invention should not be understood as being limited thereby.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of terms described in the present application should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as "first" and "second" are for distinguishing one component from other components, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected" to another component, it may be understood that other components may exist in the middle, although they may be directly connected to the other component. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. On the other hand, other expressions describing the relationship between the components, that is, "between" and "immediately between" or "neighboring to" and "directly neighboring to" should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions are to be understood as including plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as “comprises” or “have” are used features, numbers, steps, actions, components, parts or the like. It is to be understood that a combination is intended to be present, and should not be understood as pre-excluding the existence or addition possibility of one or more other features or numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, the identification code (for example, a, b, c, etc.) is used for convenience of explanation. The identification code does not describe the order of each step, and each step clearly identifies a specific order in context. Unless stated, it may occur in a different order than specified. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium, and the computer readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data readable by a computer system is stored. . Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disks, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable recording medium can be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as generally understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains, unless otherwise defined. The terms defined in the commonly used dictionary should be interpreted as being consistent with the meanings in the context of the related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a SiC inverter device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, SiC 인버터 장치(100)는 SiC 스위칭 모듈(10), DC link 커패시터(20), 게이트 드라이버(30), DC link 버스바(110) 및 고정 브라켓(120)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the
SiC(Silicon Carbide, 탄화규소) 인버터 장치(100)는 SiC 스위칭모듈(10)을 이용한 인버터에 해당하고, 기존의 Si(Silicon, 규소) 파워디바이스를 이용한 인버터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)에 비하여 전력손실이 적고, 스위칭 속도가 빠르다. 보다 구체적으로, SiC 인버터 장치(100)는 20kHz 이상의 고속 스위칭이 가능하고, 스위칭 상태 천이 시간이 빨라 스위칭 손실이 적으며, 가청 주파수 이상의 스위칭으로 소음이 적은 장점을 가질 수 있다.The SiC (Silicon Carbide)
SiC 스위칭 모듈(10)은 언급한 것과 같이 스위칭이 빠르고, 스위칭에 의한 전력 손실이 적은 장점을 가진다. 예를 들어, SiC 스위칭 모듈(10)은 SiC-MOSFET으로 구성될 수 있다. 다만, SiC 스위칭 모듈(10)은 빠른 스위칭 천이 시간 때문에 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20) 사이에 기생하고 있는 기생 인덕턴스 성분에 의한 큰 스파이크 전압을 발생시키고 이에 따라, 30MHz 대역의 전자파 간섭(EMI) 노이즈를 발생시킬 수 있다. 이러한 전자파 간섭 노이즈 성분은 전도성 또는 방사성으로 발생하여 주변 장치의 오작동 문제를 초래할 수 있다. 전자파 간섭 노이즈 성분은 EMI(Electromagnetic Interference) 필터와 차폐물을 적용하여 해결이 가능할 수 있지만, 스파이크 전압은 손실을 최소화하기 위해 스너버 회로를 사용하거나, SiC 인버터의 구조를 변경하여 해결할 수 있다. 본 발명은 상기의 기생 인덕턴스와 스파이크 전압의 문제를 해결하기 위한 구조를 가지는 SiC 인버터 장치(100)를 개시한다.The
DC link 커패시터(20)는 SiC 인버터 장치(100)에서 전력 변환시 일정한 전압을 공급할 수 있게 전압을 유지시키는 역할을 한다. 일 실시예에서, DC link 커패시터(20)는 SiC 스위칭 모듈(10)의 상부에 배치될 수 있다.The
게이트 드라이버(30)는 스위칭 모듈(10)의 측면에 배치될 수 있다. 여기에서, 게이트 드라이버(30)는 저전력 입력을 받아 SiC 스위칭 모듈(10)과 같은 고전력 트랜지스터의 게이트에 고전류 드라이브 입력을 생성하는 전력 증폭기에 해당할 수 있다.The
DC link 버스바(110)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20)를 직접 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 SiC 스위칭 모듈(10)의 상부에 DC link 커패시터(20)를 배치시켜 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20)간 거리를 최소화시킬 수 있다.The DC
고정 브라켓(120)은 게이트 드라이버(30)를 SiC 스위칭 모듈(10)의 측면에 고정시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 고정 브라켓(120)은 게이트 드라이버(30)를 스위칭 모듈(10)의 측면에 최대한 근접하게 배치하여 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있다.The fixing
도 2는 도 1에 있는 DC link 버스바를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a view showing a DC link bus bar in FIG. 1.
DC link 버스바(110)는 DC link 커패시터(20)의 플러스단과 연결된 플러스 DC link 버스바(110b)와 DC link 커패시터(20)의 마이너스단과 연결된 마이너스 DC link 버스바(110a)들로 구성될 수 있다.The DC
일 실시예에서, DC link 버스바(110)는 제1 체결부재를 통해 SiC 스위칭 모듈(10)의 상면에 결합되는 제1 체결부(112)를 포함할 수 있다. 여기에서, 버스바(Bus Bar)는 전차, 차량, 항공기 등에서 전기적으로 연결을 가능하도록 하는 막대형 전도체를 의미할 수 있다. DC link 버스바(110)는 DC link 커패시터(20)를 SiC 스위칭 모듈(10)과 전기적으로 연결하는 막대형 전도체에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 체결부(112)는 나사 형태의 제1 체결부재가 관통할 수 있는 체결 홀(hole)의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, DC link 버스바(110)는 제1 체결부(112)를 관통하여 SiC 스위칭 모듈(10)에 고정되는 제1 체결부재를 통해서 SiC 스위칭 모듈(10)의 상면에 DC link 버스바(110)의 일측을 결합시킬 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, DC link 버스바(110)는 제2 체결부재를 통해 DC link 커패시터(20)의 하면에 연결되는 제2 체결부(114)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 체결부(114)는, 제1 체결부(112)와 마찬가지로, 나사 형태의 제2 체결부재를 관통시키는 체결 홀의 형태로 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 제2 체결부(114)를 관통하고 DC link 커패시터(20)에 고정되는 제2 체결부재를 통해서 DC link 커패시터(20)의 하면에 DC link 버스바(110)의 반대측을 고정시킬 수 있다.In one embodiment, the DC
일 실시예에서, DC link 버스바(110)는 제1 체결부(112)와 제2 체결부(114)를 연결하는 연결부(116)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 막대형으로 형성되어 SiC 스위칭 모듈의 평면과 평행하게 형성된 제1 체결부(112), 제1 체결부에서 곡면을 따라 수직으로 구부러져서 연장되는 연결부(116) 및 연결부(116)에서 다시 곡면을 따라 제1 체결부(112)와 반대방향을 향해 수직으로 구부러져 DC link 커패시터(20)의 평면과 평행하게 형성되는 제2 체결부(114)를 포함할 수 있다. 예를 들어, DC link 버스바(110)는 누워있는 의자 모양으로 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 SiC 스위칭 모듈(10)의 상부에 DC link 커패시터(20)를 일정거리만큼 이격되게 배치시킬 수 있다.In one embodiment, the DC
일 실시예에서, DC link 버스바(110)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20)를 일정간격 이하로 이격시킬 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 DC link 커패시터(20)와 SiC 스위칭 모듈(10)간 이격시켜 접촉에 의한 간섭을 피하고, 이격에 따라 발생하는 기생 인덕턴스에 의한 스위칭 전력 손실을 최소화 하기위해 이격 간격을 일정거리 이하로 결정할 수 있다. 예를 들어, DC link 버스바(110)는 연결부(116)의 길이를 최소화하여 기생 인덕턴스를 최소화할 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20) 사이의 간격을 기생 인덕턴스를 주로 발생시키는 일정간격보다 짧게 형성할 수 있다. 일 실시예에서, DC link 버스바(110)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20) 사이에 발생하는 기생 인덕턴스의 크기에 따라 연결부(116)의 길이를 가변시킬 수 있다. 예를 들어, DC link 버스바(110)는 연결부(116)를 길이 조절이 가능한 형태로 형성할 수 있고, 필요에 따라 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20) 사이에 발생하는 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 연결부(116)의 길이를 조절할 수 있다. 일 실시예에서, DC link 버스바(110)는 자체 센서를 통해 기생 인덕턴스를 크기를 검출하고 연결부(116)의 길이를 검출된 기생 인덕턴스의 크기를 최소화하는 길이로 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, DC link 버스바(110)는 연결부(116)의 길이를 통해 SiC 스위칭 모듈(110)과 DC link 커패시터간 간격을 일정간격 이하로 형성하여 기생 인덕턴스를 최소화시킬 수 있다.In one embodiment, the
도 3은 도 1에 있는 게이트 드라이버 및 고정 브라켓의 구조를 나타내는 도면이다.3 is a view showing the structure of the gate driver and the fixing bracket in FIG.
게이트 드라이버(30)는 SiC 스위칭 모듈(10)의 온/오프를 제어하는 역할을 할 수 있다. 게이트 드라이버(30)와 SiC 스위칭 모듈(10)간 거리가 일정거리 이상 멀어지면 DC link 커패시터(20)와의 관계와 마찬가지로 기생 인덕턴스 성분이 발생하여 SiC 스위칭 모듈(10)의 온/오프를 정확하게 유지하지 못하게 될 수 있다. 따라서, SiC 인버터 장치(100)는 게이트 드라이버(30)를 SiC 스위칭 모듈(10)과 최대한 근접하게 배치시키기 위해 고정 브라켓(120)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 고정 브라켓(120)은 게이트 드라이버(30)를 SiC 스위칭 모듈(10)에서 일정간격 이하로 이격시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 고정 브라켓(120)은 게이트 드라이버(30)를 SiC 스위칭 모듈(10)의 측면에 일정 간격 이하로 이격되게 고정시킬 수 있다. 일 실시예에서, 고정 브라켓(120)은 SiC 스위칭 모듈(10)과 게이트 드라이버(30)간 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 SiC 스위칭 모듈(10)의 근접 측면에 최대한 가깝게 게이트 드라이버(30)를 고정할 수 있다. 보다 구체적으로, 고정 브라켓(120)은 게이트 드라이버(30)와 SiC 스위칭 모듈(10)의 이격된 일정간격에 따라 발생하는 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 게이트 드라이버(30)를 SiC 스위칭 모듈(10)에서 일정간격 이하로 이격시킬 수 있다. 즉, 고정 브라켓(120)은 게이트 드라이버(30)를 SiC 스위칭 모듈(10)에서 최소한의 거리로 이격되게 배치할 수 있다.The
일 실시예에서, 상기 일정간격은 아래 수학식으로부터 구할 수 있다.In one embodiment, the predetermined interval can be obtained from the following equation.
[수학식][Mathematics]
여기에서, g는 일정간격에, k는 비례상수에, A는 기생 인덕턴스 수치에, B는 스파이크 전압 수치에 해당할 수 있다.Here, g may correspond to a constant interval, k to a proportional constant, A to a parasitic inductance value, and B to a spike voltage value.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스너버 회로의 결합 구조를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a coupling structure of a snubber circuit according to an embodiment of the present invention.
도 4에서, SiC 인버터 장치(100)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20) 사이에 발생하는 기생 인덕턴스에 의한 스파이크 전압을 저감하기 위해 스너버 회로(130)를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 스너버 회로(130)는 전원의 온/오프시에 발생하는 급격한 변화를 누그러뜨리고, 입력 신호에서 원하지 않는 노이즈 등을 제거하기 위해 사용하는 완충 회로에 해당할 수 있다. 스너버 회로(130)는 스파이크 전압을 저감하여 SiC 인버터 장치(100)의 소손을 방지할 수 있지만, 스너버 회로 자체가 가지는 기생 인덕턴스성분 또는 저항성분에 의해 스위칭 손실을 증가시킬 수 있다. 따라서, SiC 인버터 장치(100)는 스너버 회로(130)를 SiC 스위칭 모듈(10)의 상면에 직접 결착되도록 배치하여 기생 인덕턴스 성분을 최소화할 수 있다. In FIG. 4, the
일 실시예에서, 스너버 회로(130)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 버스바(110)의 제1 체결부(112) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 스너버 회로(130)는 SiC 스위칭 모듈(10)의 상면에 직접 놓여 SiC 스위칭 모듈(10)과 최단거리로 배치되고, 그 위에 DC link 버스바(110)를 고정시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 스너버 회로(130)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 버스바(110)의 사이에 배치되고, 제1 체결부(112) 및 스너버 회로(130)를 관통하여 SiC 스위칭 모듈(10)에 고정되는 제1 체결부재를 통해 SiC 스위칭 모듈(10) 및 DC link 버스바(110)와 함께 결합될 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 스너버 회로(130)는 플러스 DC link 버스바와 마이너스 DC link 버스바 사이에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 스너버 회로(130)는 자체적으로 발생하는 손실을 최소화하기 위해 SiC 스위칭 모듈(10)과 최단거리로 직접 결합할 수 있고, 이를 위해 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20)를 최단거리로 결합하는 플러스 및 마이너스 DC link 버스바들 사이에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 스너버 회로(130)는 등가 직렬저항(ESR, Equivalent Serial Resistance)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL, Equivalent Series Inductance)가 매우 적은 커패시터를 사용할 수 있다. 스너버 회로(130)는 SiC 스위칭 모듈(10)과 DC link 커패시터(20)의 사이에 최단거리로 배치되어 스너버 회로(130) 자체에서 발생하는 손실을 저감하며 기생 인덕턴스 성분을 최소화하고 스파이크 전압에 의한 장치의 소손을 방지할 수 있다.In one embodiment,
도 5는 일 실시예에 따른 SiC 인버터 장치의 DC 입력부 구성을 보여주는 도면이다.5 is a view showing a DC input unit configuration of a SiC inverter device according to an embodiment.
일 실시예에서, SiC 인버터 장치(100)는 DC 입력부(40)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, SiC 인버터 장치(100)는 SiC 스위칭 모듈(10)에서부터 SiC 인버터 장치(100)의 외부로 돌출되는 DC 입력부(40)를 통해 다른 장치 또는 시스템과 연결될 수 있다. 예를 들어, DC 입력부(40)는 배터리 관리 시스템 또는 에너지 저장 장치 등과 같은 직류 전원을 출력으로 하는 시스템과 연결될 때 사용될 수 있고, 교류 전원을 직류 전원으로 만들어주는 컨버터 시스템과 모듈 형태로 결합될 수 있다.In one embodiment, the
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You can understand that you can.
10: SiC 스위칭 모듈
20: DC link 커패시터
30: 게이트 드라이버
40: DC 입력부
100: SiC 인버터장치
110: DC link 버스바 112: 제1 체결부
114: 제2 체결부 116: 연결부
120: 고정 브라켓
130: 스너버 회로10: SiC switching module
20: DC link capacitor
30: gate driver
40: DC input
100: SiC inverter device
110: DC link bus bar 112: first connection
114: second fastening portion 116: connecting portion
120: fixed bracket
130: snubber circuit
Claims (6)
상기 SiC 스위칭 모듈의 상부에 배치되는 DC link 커패시터;
상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에 배치되는 게이트 드라이버;
상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 커패시터를 직접 연결하는 DC link 버스바;
상기 게이트 드라이버를 상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에 고정시키기 위한 고정 브라켓; 및
상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 커패시터 사이에 발생하는 기생 인덕턴스에 의한 스파이크 전압을 저감하기 위한 스너버 회로를 포함하되,
상기 고정 브라켓은 상기 게이트 드라이버를 상기 SiC 스위칭 모듈의 측면에서 일정간격 이하로 이격시키고,
상기 DC link 버스바는 양단이 체결부들과 각각 연결된 연결부를 포함하는 모듈형 연결 부재로 구현되어 상기 DC link 커패시터의 플러스단 및 마이너스단과 각각 독립적으로 연결된 결과 상기 플러스단 및 마이너스단 사이에서 상호 대칭으로 배치되는 플러스 및 마이너스 DC link 버스바들을 형성하고,
상기 스너버 회로는 상기 SiC 스위칭 모듈의 상면과 상기 체결부 사이에 배치되는 사각 보드에 의해 지지되어 결합된 결과 상기 플러스 및 마이너스 DC link 버스바들 사이의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 SiC 인버터 장치.
SiC switching module;
A DC link capacitor disposed on the SiC switching module;
A gate driver disposed on a side of the SiC switching module;
A DC link bus bar directly connecting the SiC switching module and the DC link capacitor;
A fixing bracket for fixing the gate driver to the side of the SiC switching module; And
It includes a snubber circuit for reducing the spike voltage due to the parasitic inductance generated between the SiC switching module and the DC link capacitor,
The fixed bracket spaces the gate driver at a predetermined interval or less from the side of the SiC switching module,
The DC link busbar is implemented as a modular connecting member having both ends connected to each of the fastening parts, so that the positive and negative ends of the DC link capacitor are independently connected to each other. Forming positive and negative DC link busbars being deployed,
The snubber circuit is characterized by being arranged in a space between the plus and minus DC link busbars as a result of being supported and combined by a square board disposed between the upper surface of the SiC switching module and the fastening unit. SiC inverter device.
제1 체결부재를 통해 상기 SiC 스위칭 모듈의 상면에 결합되는 제1 체결부, 제2 체결부재를 통해 상기 DC link 커패시터의 하면에 연결되는 제2 체결부 및 상기 제1 체결부와 제2 체결부를 연결하고 상기 SiC 스위칭 모듈과 DC link 커패시터를 일정간격 이하로 이격시키는 연결부로 구성되는 것을 특징으로 하는 SiC 인버터 장치.
According to claim 1, The DC link bus bar
A first fastening part coupled to an upper surface of the SiC switching module through a first fastening member, a second fastening part connected to a lower surface of the DC link capacitor through a second fastening member, and the first fastening part and the second fastening part SiC inverter device characterized in that it comprises a connecting portion for connecting and spaced apart the predetermined distance or less between the SiC switching module and the DC link capacitor.
상기 SiC 스위칭 모듈과 상기 DC link 버스바의 상기 제1 체결부 사이에 배치되고, 상기 SiC 스위칭 모듈 및 상기 DC link 버스바와 상기 제1 체결부재를 통해 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 SiC 인버터 장치.
The snubber circuit according to claim 2, wherein
SiC switching device is arranged between the SiC switching module and the first fastening portion of the DC link busbar, the SiC switching module and the DC link busbar and the SiC inverter device, characterized in that coupled together through the first fastening member.
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