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KR20190040194A - 전력 반도체 모듈, 스너버 회로, 및 유도 가열 전력 공급 장치 - Google Patents

전력 반도체 모듈, 스너버 회로, 및 유도 가열 전력 공급 장치 Download PDF

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KR20190040194A
KR20190040194A KR1020197004001A KR20197004001A KR20190040194A KR 20190040194 A KR20190040194 A KR 20190040194A KR 1020197004001 A KR1020197004001 A KR 1020197004001A KR 20197004001 A KR20197004001 A KR 20197004001A KR 20190040194 A KR20190040194 A KR 20190040194A
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KR
South Korea
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power semiconductor
casing
circuit board
conductor layer
semiconductor module
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Ceased
Application number
KR1020197004001A
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English (en)
Inventor
타카히코 카나이
마사토 수기모토
하루키 요쉬다
Original Assignee
고오슈우하네쓰렌 가부시기가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2016161885A external-priority patent/JP6397861B2/ja
Priority claimed from JP2016190345A external-priority patent/JP6360865B2/ja
Application filed by 고오슈우하네쓰렌 가부시기가이샤 filed Critical 고오슈우하네쓰렌 가부시기가이샤
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Abstract

전력 반도체 모듈, 전력 반도체 모듈용 스너버 회로, 및 전력 반도체 모듈을 갖는 유도 가열 전력 공급 장치가 제공된다. 전력 반도체 모듈은 스위칭 동작을 수행하도록 구성되는 전력 반도체 디바이스, 전력 반도체 디바이스가 내부에 제공되는 케이싱, 케이싱의 상부면의 상단 상에 제공되는 제어 회로 보드, 케이싱의 상부면 상에 제공되고 제어 회로 보드에 연결되는 전력 반도체 디바이스용 제어 단자, 및 제어 회로 보드와 케이싱의 상부면 사이에 배치되어 케이싱의 상부면을 커버하고 케이싱의 적어도 일 측면을 커버하는 차폐판을 포함한다.

Description

전력 반도체 모듈, 스너버 회로, 및 유도 가열 전력 공급 장치
본 발명은 전력 반도체 모듈, 전력 반도체 모듈용 스너버 회로, 및 유도 가열 전력 공급 장치에 관한 것이다.
유도 가열은 강철 공작물(steel work)의 열처리에서 공작물 가열 방법으로 사용되고 있다. 유도 가열에서, AC 전력은 가열 코일에 공급되고 공작물은 가열 코일에 의해 형성되는 자기 필드에 배치되는 공작물에 의해 유도되는 유도 전류에 의해 가열된다.
AC 전력을 가열 코일에 공급하기 위한 전력 공급 장치는 일반적으로 컨버터에 의해 상용 전원의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 커패시터에 의해 DC 전력의 맥동 전류를 평활화하고, 인버터에 의해 평활화된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 가열 코일에 공급될 고주파 AC 전력을 생성한다(예를 들어, JP 2009-277577A 참조).
인버터는 일반적으로 병렬로 연결되는 복수의 아암들을 갖는 풀 브리지 회로로 구성되며, 각각의 아암은 스위칭 동작들을 수행하고 직렬로 연결될 수 있는 2개의 전력 반도체 디바이스들을 갖는다. 인버터는 전력 반도체 디바이스들의 고속 스위칭 동작에 의해 고주파 AC 전력을 생성한다. 전형적으로, 브리지 회로를 형성하는 아암들 각각은 모듈로서 개별적으로 구성된다.
아암에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 포지티브 및 네가티브 DC 입력 단자들은 관련 기술에 따라 전력 반도체 모듈의 상부면(전력 반도체 디바이스들이 내부에 제공되는 케이싱의 상부면) 상에 인접하여 제공되고, 출력 단자들은 또한 모듈의 상부면 상에 제공된다(예를 들어, JPH8-33346A 참조). 다른 관련 기술에 따른 전력 반도체 모듈에서, 한 쌍의 DC 입력 단자들은 모듈의 일 측면(케이싱의 일 측면) 상에 인접하여 제공되고, 출력 단자들은 모듈의 대향 측면(케이싱의 대향 측면) 상에 제공된다(예를 들어, JP 2004-135444A 참조).
입력 및 출력 단자들이 케이싱의 측면들 상에 제공되는 전력 반도체 모듈에서, 케이싱의 상부면은 입력 및 출력 단자들에 연결되는 버스 바들 등의 배선 부재들에 의해 폐쇄되지 않는다. 이러한 이유 때문에, 전력 반도체 디바이스들의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 회로가 실장되는 제어 회로 보드는 전력 반도체 디바이스들에 전기적으로 연결되는 제어 단자들이 제어 회로 보드에 직접 연결될 수 있도록 케이싱의 상부면의 상단 상에 제공될 수 있다(예를 들어, JP 2006-100327A 참조).
전력 반도체 디바이스들 각각의 고속 스위칭 동작은 전력 반도체 디바이스에 가해지는 전압 및 전력 반도체 디바이스로 유입되는 전류를 급격하게 변화시킨다. 전압 및 전류의 급격한 변화로 인하여, 잡음은 전력 반도체 디바이스의 주변부에서 발생한다. 잡음이 제어 회로 보드에 실장되는 제어 회로 또는 제어 회로 보드로부터 연장되는 제어 라인들 상에 나타나는 경우, 전력 반도체 디바이스의 스위칭 동작이 방해될 수 있는 우려가 있다.
제어 회로 보드가 케이싱의 상부면의 상단 상에 제공되는 경우, 제어 라인들은 단축될 수 있다. 따라서, 잡음이 제어 라인들 상에 나타날 수 있는 가능성은 감소될 수 있다. 반면에, 전력 반도체 디바이스의 부근에 배치되는 제어 회로는 잡음에 쉽게 노출된다. 따라서, JP 2006-100327A에 따른 전력 반도체 모듈에서, 차폐판(shield plate)은 케이싱의 상부면과 제어 회로 보드 사이에 배치된다.
여기서, 잡음은 인접한 도체들 사이의 표류 정전기 용량(stray electrostatic capacitance)을 통해 이동하는 정전기 유도 잡음, 및 인접한 인덕터들 사이의 전자기 유도에 의해 유도되는 전자기 유도 잡음을 포함한다. 케이싱의 상부면을 커버하도록 케이싱의 상부면과 제어 회로 보드 사이에 배치되는 차폐판은 정전기 유도 잡음에 대하여 상대적으로 높은 차폐 효과를 가할 수 있도록 접지된다. 그러나, 전자기 유도를 생성하는 자속들(magnetic fluxes)이 배회할 수 있음으로써 전자기 유도 잡음에 대한 만족스러운 차폐 효과가 케이싱의 상부면만을 커버하는 차폐판에 의해 획득될 수 없다는 우려가 있다.
전력 반도체 디바이스의 고속 스위칭 동작에 의해 야기되는 전류 변화(di/dt)는 전력 반도체 디바이스와 전압 소스 사이의 전기 전도 경로의 기생 인덕턴스(L)로 인해 전력 반도체 디바이스의 대향 단부들 사이에 서지 전압(L×di/dt)을 생성한다. 과도한 서지 전압이 전력 반도체 디바이스를 손상시킬 수 있다는 우려가 있다. 전력 반도체 디바이스를 보호하기 위해, 서지 전압을 흡수하기 위한 스너버 회로(snubber circuit)가 전력 반도체 모듈에 추가될 수 있다(예를 들어, JPH8-33346A 참조).
JPH8-33346A에 따른 전력 반도체 모듈용 스너버 회로는 한 쌍의 포지티브 및 네가티브 DC 입력 단자들 사이에 연결되고 전력 반도체 모듈에 포함되는 2개의 전력 반도체 디바이스들용 패키지로 제공되는 단순 패키지 스너버이다. 스너버 회로에서, 커패시터 및 커패시터에 연결되는 한 쌍의 단자들의 부분들은 수지에 의해 몰딩되어 모듈로 형성되고, 한 쌍의 단자들은 전력 반도체 모듈의 상부면 상에 인접하여 제공되는 한 쌍의 포지티브 및 네가티브 DC 입력 단자들에 직접 연결된다. 단순 패키지 스너버 이외에, 전력 반도체 모듈의 DC 입력 단자들과 출력 단자들 사이에 연결되고 전력 반도체 디바이스들 각각 대해 제공되는 개별 스너버들이 스너버 회로로서 사용될 수 있다.
한 쌍의 포지티브 및 네가티브 DC 입력 단자들이 모듈의 일 측면 상에 인접하여 제공되고 출력 단자들이 모듈의 대향 측면 상에 제공되는 전력 반도체 모듈에서, 커패시터와 같은 전자 부품 및 단자들의 부분들이 수지에 의해 몰딩되는 기존 스너버 모듈은 단자들 사이의 간격으로 인해 DC 입력 단자들 및 출력 단자들에 직접 연결될 수 없다. 기존 스너버 모듈은 전력 반도체 모듈을 위한 이러한 타입의 개별 스너버들로서 사용하기에 적합하지 않다.
게다가, 스너버 회로에서, 커패시터와 같은 전자 부품의 상수(constant)는 각각의 전력 반도체 디바이스의 스위칭 주파수 등에 따라 선택될 수 있다. 그러나, 전자 부품이 수지에 의해 몰딩되는 기존 스너버 모듈의 전자 부품을 변경하는 것은 실질적으로 불가능하다. 따라서, 전자 부품이 수지에 의해 몰딩되는 스너버 모듈은 전력 반도체 디바이스의 스위칭 주파수의 변화와 같은 인버터의 설계의 변화가 있을 때마다 설계 및 제조되어야 한다. 기존 스너버 모듈을 몰딩하기 위한 몰드가 그대로 사용되는 경우, 설계에 대한 자유도가 제한된다. 새로운 몰드가 제조되는 경우, 몰드를 제조하기 위한 비용이 증가한다.
게다가, 전자 부품이 수지에 의해 몰딩되는 스너버 모듈에서, 전자 부품에 의해 생성되는 열의 소산이 방해될 수 있다는 우려가 있다. 따라서, 열로 의한 전자 부품의 열화가 문제가 된다.
본 발명의 예시적 양태들은 제어 회로용 차폐가 동작 안정성을 개선하기 위해 향상될 수 있는 전력 반도체 모듈 및 유도 가열 전력 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적 양태들에 따르면, 전력 반도체 모듈은 스위칭 동작을 수행하도록 구성되는 전력 반도체 디바이스, 전력 반도체 디바이스가 내부에 제공되는 케이싱, 케이싱의 상부면의 상단 상에 제공되는 제어 회로 보드, 케이싱의 상부면 상에 제공되고 제어 회로 보드에 연결되는 전력 반도체 디바이스용 제어 단자, 및 제어 회로 보드와 케이싱의 상부면 사이에 배치되어 케이싱의 상부면을 커버하고 케이싱의 적어도 일 측면을 커버하는 차폐판을 포함한다.
본 발명의 예시적 양태들은 또한 제1 측면 상에 제공되는 한 쌍의 포지티브 및 네가티브 DC 입력 단자들, 및 제1 측면에 대향하는 측 상의 제2 측면 상에 제공되는 출력 단자를 갖는 전력 반도체 모듈에 적합하게 사용될 수 있고 범용 속성들 및 내구성에서 뛰어난 스너버 회로를 제공하고, 스너버 회로가 전력 반도체 디바이스들의 보호를 향상시키기 위해 사용되는 전력 반도체 모듈 및 유도 가열 전력 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적 양태에 따르면,
본 발명의 예시적 양태에 따르면,
본 발명의 예시적 양태에 따르면,
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 전력 공급 장치의 일 예를 예시하는 회로도이다.
도 2는 도 1의 유도 가열 전력 공급 장치의 인버터에 제공되는 전력 반도체 모듈의 일 예의 사시도이다.
도 3은 도 2의 전력 반도체 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 전력 공급 장치의 일 예를 예시하는 회로도이다.
도 5는 도 4의 유도 가열 전력 공급 장치의 인버터에 제공되는 전력 반도체 모듈의 일 예의 사시도이다.
도 6은 도 5의 전력 반도체 모듈의 스너버 회로의 일 예의 단면도이다.
도 7은 스너버 회로의 다른 예의 단면도이다.
도 8은 스너버 회로의 다른 예의 단면도이다.
도 9는 스너버 회로의 다른 예의 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 가열 전력 공급 장치(100)를 예시한다.
유도 가열 전력 공급 장치(100)는 DC 전력 공급 섹션(4), 평활 섹션(5), 및 인버터(106)를 갖는다. DC 전력 공급 섹션(4)은 상용 AC 전원(2)으로부터 공급되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 컨버터부(3)를 포함한다. 평활 섹션(5)은 DC 전력 공급 섹션(4)으로부터 출력되는 DC 전력의 맥동 전류를 평활화한다. 인버터(106)는 평활 섹션(5)에 의해 평활화되는 DC 전력을 고주파 AC 전력으로 변환한다.
인버터(106)는 제1 아암 및 제2 아암을 포함하는 풀 브리지 회로로서 구성된다. 제1 아암은 직렬로 연결되는 2개의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)을 포함한다. 제2 아암은 직렬로 연결되는 2개의 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4)을 포함한다. 제1 아암 및 제2 아암은 평활 섹션(5)에 연결되고 병렬이다. 풀 브리지 회로에서, 제1 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 사이의 직렬 연결 포인트(P1) 및 제2 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4) 사이의 직렬 연결 포인트(P2)는 출력 단부들로서 사용된다. 가열 코일(7)은 변압기(8)를 통해 직렬 연결 포인트들(P1, P2) 사이에 연결된다. 프리휠링(freewheeling) 다이오드들은 전력 반도체 디바이스들 각각과 역병렬로 연결된다.
예를 들어, 스위칭 동작을 수행할 수 있는 다양한 전력 반도체 디바이스들, 예컨대 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)는 전력 반도체 디바이스들 각각으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 실리콘(Si)을 사용하는 재료 및 탄화 규소(SiC)를 사용하는 재료는 반도체 재료로서 사용될 수 있다.
제1 아암 및 제2 아암 각각에서, 평활 섹션(5)의 포지티브 측에 연결되는 측은 하이 측(high side)으로 설정되고, 평활 섹션(5)의 네가티브 측에 연결되는 측은 로우 측(low side)으로 설정된다. 제1 아암의 하이 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q1) 및 제2 아암의 로우 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q4)는 동기식으로 턴 온 및 오프된다. 제1 아암의 로우 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q2) 및 제2 아암의 하이 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q3)는 동기식으로 턴 온 및 오프된다. 전력 반도체 디바이스들(Q1 및 Q4) 및 전력 반도체 디바이스들(Q2, Q3)이 교대로 턴 온될 때, 고주파 전력이 가열 코일(7)에 공급된다.
제1 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 및 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)용 프리휠링 다이오드들은 몰드 수지로 밀봉되어 모듈로 형성된다. 제2 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4) 및 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4)용 프리휠링 다이오드들은 또한 몰드 수지로 밀봉되어 모듈로 형성된다.
제1 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)를 포함하는 전력 반도체 모듈, 및 제2 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4)을 포함하는 전력 반도체 모듈은 동일한 구성을 갖는다. 제1 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)을 포함하는 전력 반도체 모듈은 도 2 및 도 3을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
도 2 및 도 3은 전력 반도체 모듈(110)의 구성 예를 도시한다.
전력 반도체 모듈(110)은 외부 연결 단자들로서, 한 쌍의 포지티브 측 DC 입력 단자(11a) 및 네가티브 측 DC 입력 단자(11b), 출력 단자들(12a, 12b), 및 제어 단자들(13a, 13b)을 갖는다. 외부 연결 단자들은 케이싱(14)의 외부에 노출되도록 제공된다. 케이싱(14)은 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 및 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)용 프리휠링 다이오드들이 밀봉되는 몰드 수지로 이루어진다.
포지티브 측 DC 입력 단자(11a) 및 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)는 케이싱(14)의 제1 측면(14a) 상에 제공된다. 케이싱(14)은 실질적으로 직육면체형의 형상으로 형성된다. 포지티브 측 DC 입력 단자(11a)는 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)을 포함하는 제1 아암의 전력 반도체 디바이스(Q1) 측 단부에 전기적으로 연결된다. 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)는 제1 아암의 전력 반도체 디바이스(Q2) 측 단부에 전기적으로 연결된다. 포지티브 측 DC 입력 단자(11a)는 버스 바 등으로 이루어지는 배선 부재를 사용하여 평활 섹션(5)의 포지티브 측에 연결된다. 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)는 버스 바 등으로 이루어지는 배선 부재를 사용하여 평활 섹션(5)의 네가티브 측에 연결된다.
출력 단자들(12a, 12b)은 제1 측면(14a)에 대향하는 측 상의 케이싱(14)의 제2 측면(14b) 상에 제공된다. 출력 단자들(12a, 12b) 둘 다는 제1 아암의 출력 단부인 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 사이의 직렬 연결 포인트(P1)(도 1 참조)에 전기적으로 연결된다. 출력 단자들(12a, 12b)은 하나로 결합될 수 있다. 출력 단자들(12a, 12b)은 버스 바 등으로 이루어지는 배선 부재를 사용하여 가열 코일(7)의 일 단부에 연결된다.
제어 단자들(13a, 13b)은 케이싱(14)의 상부면(14e) 상에 제공된다. 제어 단자(13a)는 전력 반도체 디바이스(Q1)의 게이트에 전기적으로 연결된다. 제어 단자(13b)는 전력 반도체 디바이스(Q2)의 게이트에 전기적으로 연결된다. 예시된 예에서, 제어 단자(13a)는 케이싱(14)의 제3 측면(14c)이 연결되는 상부면(14e)의 에지부 상에 배치되고, 제어 단자(13b)는 케이싱(14)의 제4 측면(14d)이 연결되는 상부면(14e)의 에지부 상에 배치된다.
방열판(18)은 케이싱(14)의 하부면 측 상에 배치된다. 방열판(18)에 고정되는 케이싱 고정부들(20)은 케이싱(14)의 제1 측면(14a) 및 제2 측면(14b) 상에 제공된다. 삽입 홀들은 케이싱 고정부들(20)을 방열판에 고정시키기 위한 패스너들의 예들인 나사들(21)이 삽입 홀들을 통해 삽입될 수 있도록 케이싱 고정부들(20)에 형성된다. 링형 와셔들(washers)(22)은 삽입 홀들로 피팅된다. 케이싱 고정부들(20)은 나사들(21) 각각에 의해 방열판(18)에 고정된다. 방열판(18)은 케이싱(14)의 하부면과 밀착 접촉한다.
전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 및 케이싱(14) 내부에 제공되는 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)용 프리휠링 다이오드들에 의해 생성되는 열은 케이싱(14)을 형성하는 몰드 수지를 통해 방열판(18)에 전달된다. 그 다음, 열은 방열판(18)에 의해 소산된다. 방열판(18)은 잡음 저항 및 안전의 관점들로부터 방열판(18)을 지지하는 유도 가열 전력 공급 장치(100)의 하우징 프레임 등을 통해 접지된다.
전력 반도체 모듈(110)은 제어 회로 보드(16) 및 차폐판(17)을 더 포함한다.
전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 스위치 동작을 제어하기 위한 제어 회로는 제어 회로 보드(16)에 실장된다. 제어 회로 보드(16)가 부착되는 부착부들의 역할을 하는 나사형 홀들(24)은 케이싱(14)의 상부면(14e)의 4개의 코너들에 각각 제공된다. 제어 회로 보드(16)를 부착시키기 위한 피팅들(fittings)의 역할을 하는 스페이서들(25)은 나사형 홀들(24)로 나사 고정된다. 제어 회로 보드(16)는 갭이 제어 회로 보드(16)와 상부면(14e) 사이에 형성된 채 상부면(14e)의 상단 상에 제공되도록 스페이서들(25) 상에 지지된다. 제어 회로 보드(16)는 케이싱(14)에 부착될 스페이서들(25)에 나사 고정된다.
케이싱(14)의 상부면(14e) 상에 제공되는 제어 단자들(13a, 13b)은 상부면(14e) 위에 제공되는 제어 회로 보드(16)의 스루 홀들(through holes)을 통해 각각 제어 회로 보드(16)에 솔더링된다.
차폐판(17)은 금속과 같은 도체로 이루어진다. 차폐판(17)은 케이싱(14)의 상부면(14e)과 상부면(14e) 위에 제공되는 제어 회로 보드(16) 사이에 배치된다. 따라서, 차폐판(17)은 상부면(14e)을 커버한다. 또한, 차폐판(17)은 제3 측면(14c) 및 제4 측면(14d)을 커버한다. 제3 측면(14c)은 제어 단자(13a)가 제공되는 상부면(14e)의 에지부에 연결된다. 제4 측면(14d)은 제어 단자(13b)가 제공되는 상부면(14e)의 에지부에 연결된다. 제어 단자들(13a, 13b)은 차폐판(17)의 적절한 위치들에 형성되는 윈도우들(27a 및 27b)을 통해 각각 노출된다.
차폐판(17)은 제어 회로 보드(16)를 부착시키기 위한 피팅들의 역할을 하는 스페이서들(25)에 의해 케이싱(14)에 고정된다. 케이싱(14)의 상부면(14e)의 4개의 코너들에서 나사형 홀들(24)과 중첩하는 스루 홀들(28) 각각은 차폐판(17)에 형성된다. 스페이서들(25)은 스루 홀들(28)을 통해 나사형 홀들(24)로 나사 고정된다. 스루 홀들(28)을 둘러싸는 차폐판(17)의 에지부들은 나사형 홀들(24)을 둘러싸는 상부면(14e)의 에지부들과 스페이서들(25) 사이에 개재된다. 따라서, 차폐판(17)은 케이싱(14)에 고정된다.
차폐판(17)은 케이싱(14) 내부에 제공되는 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 주위들에서 생성되는 잡음으로부터, 제어 회로 보드(16)에 실장되는 제어 회로 및 제어 회로 보드(16)로부터 연장되는 제어 라인들을 차폐한다. 제어 라인들은 제어 회로 보드(16)에 직접 연결되는 제어 단자들(13a, 13b)을 의미한다.
제어 회로 보드(16)는 케이싱(14)의 상부면(14e)의 상단 상에 제공된다. 제어 단자들(13a, 13b)은 또한 상부면(14e) 상에 제공된다. 상부면(14e)을 커버하는 차폐판(17)은 제어 단자들(13a, 13b)에 의해 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)과 제어 회로 보드(16) 사이에 개재된다. 따라서, 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 주위들에서 발생하는 정전기 유도 잡음은 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)과 차폐판(17) 사이의 표류 정전기 용량을 통해 차폐판(17)으로 유입된다.
정전기 유도 잡음에 대한 차폐판(17)의 차폐 효과의 향상의 관점으로부터, 차폐판(17)이 접지되는 것이 바람직하다. 예에 있어서, 케이싱(14)의 하부면을 밀착 접촉하는 방열판(18)은 접지되고, 차폐판(17)은 방열판(18)을 통해 접지된다. 차폐판 고정부(29)가 차폐판(17)에 제공된다. 차폐판 고정부(29)는 방열판(18)에 고정되는 케이싱(14)의 케이싱 고정부들(20) 중 대응하는 하나 상에 중첩된다. 차폐판 고정부(29)는 대응하는 케이싱 고정부(20)와 대응하는 케이싱 고정부들(20)을 방열판(18)에 고정시키는 나사들(21) 중 대응하는 하나 사이에 개재된다. 와셔들(22)은 나사들(21)이 삽입되는 케이싱 고정부들(20)의 삽입 홀들에 피팅된다. 차폐판 고정부(29)는 와셔들(22) 중 대응하는 하나 및 대응하는 나사(21)를 통해 방열판(18)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 차폐판(17)은 방열판(18)을 통해 접지된다. 접지되는 차폐판(17)으로 인해, 제어 회로 보드(16)에 실장되는 제어 회로 및 제어 라인들의 역할을 하는 제어 단자들(13a, 13b)은 정전기 유도 잡음으로부터 차폐된다.
또한, 차폐판(17)에 의해, 제어 회로 보드(16)에 실장되는 제어 회로 및 제어 라인들의 역할을 하는 제어 단자들(13a, 13b)은 또한 케이싱(14) 내부에 제공되는 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 주위들에서 생성되는 전자기 유도 잡음으로부터 차폐된다.
전자기 유도를 생성하는 자속들은 케이싱(14)의 상부면(14e)으로부터 뿐만 아니라 케이싱(14)의 측면들로부터 방사된다. 측면들로부터 방사되는 자속들은 배회하도록 배열된다. 그 결과, 자속들은 제어 회로 및 제어 단자들(13a, 13b)과 상호연결되어 그것에 의해 전자기 유도를 생성한다. 케이싱(14)의 측면들로부터 방사되고 이와 같이 배회하는 자속들에 대항하여, 차폐판(17)은 케이싱(14)의 상부면(14e)뿐만 아니라 제3 측면(14c) 및 제4 측면(14d)을 커버한다. 상부면(14e)으로부터 방사되는 자속에 더하여 제3 측면(14c) 및 제4 측면(14d)으로부터 방사되는 자속들은 차폐판(17)에 의해 차단된다. 따라서, 제어 회로 및 제어 단자들(13a, 13b)에 의해 유도되는 전자기 유도 잡음이 감소될 수 있다.
특히, 예에 있어서, 제어 단자들(13a, 13b)은 케이싱(14)의 상부면(14e)의 에지부들 상에 제공되고, 에지부들에 연결되는 케이싱(14)의 제3 측면(14c) 및 제4 측면(14d)은 차폐판(17)으로 커버된다. 따라서, 제어 단자들(13a, 13b)에 의해 유도되는 전자기 유도 잡음이 효과적으로 감소될 수 있다.
차폐판(17)의 판 두께는 전자기 유도로 인하여 차폐판(17)으로 유입되는 와전류의 침투 깊이에 기초하여 설정될 수 있다. 교번 필드(alternating field)에 배치되는 도체로 유입되는 와전류는 도체의 전기 저항으로 인해 열로 변환된다. 교번 필드의 에너지는 열로 변환되고 차폐판(17)에 의해 소비되고 그것에 의해 전자기 유도 잡음에 대한 차폐판(17)의 차폐 효과를 발생시킨다. 와전류의 대부분은 표피 효과로 인하여 도체의 전면(front surface)으로 유입된다. 침투 깊이는 전면으로부터의 깊이를 의미하며, 여기서 전류 밀도는 전면의 전류 밀도의 0.37배 높이가 되도록 감소한다. 침투 깊이는 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure pct00001
여기서, δ: 침투 깊이(m), ρ: 도체의 체적 저항률(×10-8 Wm), μ: 도체의 비투자율(relative permeability), f: 주파수(Hz)
예를 들어, 차폐판(17)이 구리(체적 저항률 ρ = 1.55, 비투자율 μ = 1)로 이루어지고, 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 각각의 스위칭 동작의 주파수(f)가 200 kHz라고 가정한다. 이러한 경우, 침투 깊이(δ)는 전술한 식에 기초하여 0.14 mm와 동일하다. 자기 필드 강도는 침투 깊이(δ)의 3배 크기인 판 두께에서 26 db(95%)만큼 감쇠된다는 것이 공지되어 있다. 따라서, 차폐판(17)의 판 두께는 0.42 mm 내지 0.70 mm로 설정될 수 있으며, 이는 침투 깊이(δ)의 3배 내지 5배 크기이다.
이러한 방식으로, 제어 회로 보드(16)가 놓여지고 제어 단자들(13a, 13b)이 제공되는 상단 상의 케이싱(14)의 상부면(14e)뿐만 아니라, 케이싱(14)의 측면들 중 적어도 일부는 차폐판(17)으로 커버된다. 따라서, 제어 회로 및 제어 라인들의 역할을 하는 제어 단자들(13a, 13b)에 대한 차폐가 향상될 수 있어서 전력 반도체 모듈(110) 및 유도 가열 전력 공급 장치(100)의 안정성은 개선될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 전력 공급 장치(200)를 도시한다. 이하의 설명에 있어서, 도 1의 유도 가열 전력 공급 장치(100)의 구성 요소들과 유사한 또는 동일한 구성 요소들은 대응하여 각각 동일한 부호들로 언급될 것이고, 그 중복 설명은 생략될 것이다.
유도 가열 전력 공급 장치(200)는 유도 가열 전력 공급 장치(100)의 인버터(106)와 상이한 인버터(206)를 갖는다.
전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2, Q3, Q4) 각각의 고속 스위칭 동작은 전력 반도체 디바이스(Q1, Q2, Q3, Q4)로 유입되는 전류를 급격하게 변화시킨다. 전력 반도체 디바이스(Q1, Q2, Q3, Q4)와 전압 소스의 역할을 하는 평활 섹션(5) 사이의 전기 전도 경로의 기생 인덕턴스로 인하여, 서지 전압은 전력 반도체 디바이스(Q1, Q2, Q3, Q4)의 대향 단부들 사이에 생성된다. 서지 전압을 흡수하기 위해, 대응하는 스너버 회로(SC1, SC2, SC3, SC4)가 인버터(206)의 전력 반도체 디바이스(Q1, Q2, Q3, Q4)에 대해 개별적으로 제공된다.
스너버 회로(SC1, SC2, SC3, SC4)는 도 4에 예시된 예에서 저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)를 포함하도록 구성되는 소위 비방전(non-discharge) 타입 RCD 스너버 회로이다.
제1 아암의 하이 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q1)용 스너버 회로(SC1)에서, 커패시터(C) 및 다이오드(D)는 전력 반도체 디바이스(Q1)의 대향 단부들 사이에(전력 반도체 디바이스(Q1)가 IGBT인 경우에 콜렉터와 이미터 사이에 또는 전력 반도체 디바이스(Q1)가 MOSFET인 경우에 드레인과 소스 사이에) 직렬로 연결되고, 저항(R)은 커패시터(C)와 다이오드(D) 사이의 직력 연결 포인트와 평활 섹션(5)의 네가티브 측 사이에 연결된다.
게다가, 제1 아암의 로우 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q2)용 스너버 회로(SC2)에서, 커패시터(C) 및 다이오드(D)는 전력 반도체 디바이스(Q2)의 대향 단부들 사이에 직렬로 연결되고, 저항(R)은 커패시터(C)와 다이오드(D) 사이의 직렬 연결 포인트와 평활 섹션(5)의 포지티브 측 사이에 연결된다.
제2 아암의 하이 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q3)용 스너버 회로(SC3)는 스너버 회로(SC1)와 유사하게 구성된다. 제2 아암의 로우 측 상의 전력 반도체 디바이스(Q4)용 스너버 회로(SC4)는 스너버 회로(SC2)와 유사하게 구성된다.
각각의 스너버 회로들(SC1, SC2, SC3, SC4)은 상기 설명된 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 각각의 스너버 회로(SC1, SC2, SC3, SC4)는 전력 반도체 디바이스에 대한 커패시터(C) 및 다이오드(D)의 배열이 예시된 예의 배열과 반대이고 저항(R)이 다이오드(D)와 병렬로 연결되는 소위 충방전(charge-discharge) 타입 RCD 스너버 회로이거나, 저항(R) 및 커패시터(C)가 전력 반도체 디바이스의 대향 단부들 사이에 직렬로 연결되는 소위 RC 스너버 회로일 수 있다.
제1 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 및 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)용 프리휠링 다이오드들은 케이싱 내부에 제공되어 모듈로 형성된다. 스너버 회로들(SC1, SC2)은 외부 연결 단자들에 연결되고 케이싱 외부에 배치된다. 외부 연결 단자들은 케이싱의 외부에 노출되도록 제공된다. 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 및 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)용 프리휠링 다이오드들이 내부에 제공되는 케이싱은 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2) 및 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)용 프리휠링 다이오드들이 몰드 수지로 밀봉될 수 있도록 몰드 수지로 충전될 수 있다. 유사하게, 제2 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4) 및 전력 반도체 디바이스들(Q3, Q4)용 프리휠링 다이오드들은 또한 케이싱 내부에 제공되어 모듈로 형성된다. 스너버 회로들(SC3, SC4)은 외부 연결 단자들에 연결되고 케이싱 외부에 배치된다. 외부 연결 단자들은 케이싱의 외부에 노출되도록 제공된다.
도 5는 제1 아암의 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)을 포함하는 전력 반도체 모듈(210)의 구성 예를 도시한다. 이하의 설명에 있어서, 도 3의 전력 반도체 모듈(110)의 구성 요소들과 유사한 또는 동일한 구성 요소들은 대응하여 각각 동일한 부호들로 언급될 것이고, 그 중복 설명은 생략될 것이다.
전력 반도체 모듈(110)과 유사하게, 전력 반도체 모듈(210)은 입력 단자들(11a, 11b), 출력 단자들(12a, 12b), 및 복수의 제어 단자들(13)을 갖는다.
입력 단자들(11a, 11b)은 전력 반도체 모듈(210)의 제1 측면(14a) 상에 배치된다. 포지티브 측 DC 입력 단자(11a)는 버스 바 등으로 이루어지는 배선 부재(15a)를 사용하여 평활 섹션(5)의 포지티브 측에 연결된다. 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)는 배선 부재(15b)를 사용하여 평활 섹션(5)의 네가티브 측에 연결된다.
출력 단자들(12a, 12b)은 제1 측면(14a)에 대향하는 측 상의 전력 반도체 모듈(210)의 제2 측면(14b) 상에 배치된다. 출력 단자들(12a, 12b)은 배선 부재(15)를 사용하여 변압기(8)(도 4 참조)에 연결된다.
복수의 제어 단자들(13)은 전력 반도체 모듈(210)의 상부면(14e) 상에 배치된다. 제어 단자들(13)의 일 부분이 전력 반도체 디바이스(Q1)의 게이트에 전기적으로 연결되지만, 제어 단자들(13)의 다른 부분은 전력 반도체 디바이스(Q2)의 게이트에 전기적으로 연결된다. 제어 단자들(13)은 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로(16a)에 연결된다. 예에 있어서, 제어 회로(16a)는 전력 반도체 모듈(210)의 상부면(14e) 상에 위치 및 배치되고, 제어 단자들(13)은 제어 회로(16a)의 회로 보드에 형성되는 스루 홀들을 통해 제어 회로(16a)에 솔더링된다.
전력 반도체 디바이스(Q1)용 스너버 회로(SC1)는 상기 설명된 바와 같이 저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)를 갖는다. 게다가, 스너버 회로(SC1)는 전자 부품들(R, C, D)이 노출된 방식으로 실장되는 회로 보드(30)를 더 갖는다. 회로 보드(30)는 절연 베이스(31) 및 도체 층(32)을 갖는다.
절연 베이스(31)는 전력 반도체 모듈(210)의 제1 측면(14a), 전력 반도체 모듈(210)의 제2 측면(14b) 및 전력 반도체 모듈(210)의 제3 측면(14c)을 따라 연장하여, 포지티브 측 DC 입력 단자(11a)와 출력 단자(12a) 사이를 브리징한다. 한 쌍의 포지티브 측 및 네가티브 측 DC 입력 단자들(11a, 11b)은 제1 측면(14a) 상에 제공된다. 2개의 출력 단자들(12a, 12b)은 제2 측면(14b) 상에 제공된다. 제3 측면(14c)은 제1 측면(14a)과 제2 측면(14b) 사이에 배치된다.
도체 층(32)은 저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)가 배치되는 절연 베이스(31)의 상부면 상에 제공된다. 도체 층(32)은 포지티브 측 DC 입력 단자(11a) 및 출력 단자(12a) 각각에 연결되는 회로 패턴을 형성한다.
도체 층(32)은 전형적으로 구리 포일로 형성된다. 예를 들어, 다양한 재료들 예컨대 베이클라이트(Bakelite), 페이퍼가 페놀 수지로 고형화되는 페이퍼 페놀(paper phenol), 및 유리 섬유들이 에폭시 수지로 고형화되는 유리 에폭시가 절연 베이스(31)로서 사용될 수 있다. 그러나, 구리보다 단위 두께 당 굽힘 강도에서 더 높은 재료가 바람직하다. 열거된 재료들 중에서, 유리 에폭시가 적합하다.
저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)가 각각 부착되는 전자 부품 실장부들은 회로 패턴에 따라 회로 보드(30)의 적절한 위치들에 제공된다. 전자 부품 실장부들 각각은 대응하는 전자 부품의 형태에 따라 형성될 수 있다.
도 6은 스너버 회로(SC1)의 구성을 예시한다.
도 6에 예시된 예에 있어서, 커패시터(C)는 리드 타입(lead-type) 커패시터이다. 커패시터(C)에 대응하는 전자 부품 실장부들(33a, 33b)은 스루 홀들로서 형성된다. 커패시터(C)의 2개의 리드들(34a, 34b)은 전자 부품 실장부들(33a, 33b) 각각으로 삽입되고 도체 층(32)으로 이루어지는 랜드들(lands)에 솔더링된다.
저항(R)은 또한 리드 타입 저항이다. 저항(R)에 대응하는 전자 부품 실장부(35)는 스루 홀로서 형성된다. 저항(R)의 하나의 리드(36a)는 전자 부품 실장부(35)로 삽입되고 도체 층(32)으로 이루어지는 랜드에 솔더링된다.
다이오드(D)는 핀들(37a, 37b) 및 프레임(37c)을 갖는다. 핀들(37a, 37b)은 몰드 수지로 밀봉되는 다이오드 칩의 단부에 전기적으로 연결된다. 프레임(37c)은 다이오드 칩의 다른 단부에 전기적으로 연결되고 패키지의 후방 표면에서 노출된다. 핀들(37a, 37b)에 대응하는 전자 부품 실장부들(38a, 38b)은 스루 홀들로서 형성된다. 핀들(37a, 37b)은 전자 부품 실장부들(38a, 38b) 각각에 삽입되고 도체 층(32)으로 이루어지는 랜드들에 솔더링된다. 게다가, 프레임(37c)에 대응하는 전자 부품 실장부(38c)는 또한 스루 홀로서 형성된다. 그러나, 도체 층(32)으로 이루어지는 랜드와 접촉하는 프레임(37c)은 전자 부품 실장부(38c)에 나사 고정된다.
저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D) 그리고 상기 설명된 각각의 전자 부품 실장부들의 구성들은 단지 예들이고 적절하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 나사 클램프 타입 저항은 저항(R)으로서 사용될 수 있고 나사 클램프 타입 커패시터는 커패시터(C)로서 사용될 수 있다. 게다가, 핀들에 의해 제공되는 모든 전기 연결 부분들을 갖는 풀 몰드 패키지 타입 다이오드 또는 리드 타입 다이오드는 다이오드(D)로서 사용될 수 있다. 또한, 표면 실장 타입의 것은 저항(R), 커패시터(C) 또는 다이오드(D)로서 사용될 수 있다. 이러한 경우, 스루 홀들은 회로 보드(30)의 전자 부품 실장부들로서 패드들로 대체될 수 있다. 또한, 예시된 예에서, 저항(R), 커패시터(C) 또는 다이오드(D)는 솔더링 또는 스크루잉(screwing) 등에 의해 회로 보드(30)에 직접 부착되고 그 상에 실장된다. 그러나, 저항(R), 커패시터(C) 또는 다이오드(D)는 회로 보드(30)에 전기적으로 연결될 수 있거나 연결 단자 또는 배선 재료를 통해 회로 보드(30) 상에 실장될 수 있다. 예를 들어, 저항(R)은 다음과 같이 회로 보드(30) 상에 실장될 수 있다. 즉, 연결 단자는 저항(R)의 리드(36a)에 크림핑되고, 연결 단자들은 또한 배선 재료의 2개의 단부들에 크림핑된다. 배선 재료의 연결 단자들 중 하나는 저항(R)의 연결 단자에 연결되고, 배선 재료의 다른 연결 단자는 전자 부품 실장부(35)에 나사 고정된다. 따라서, 저항(R)은 회로 보드(30) 상에 실장된다.
상기 설명된 바와 같이 구성되는 스너버 회로(SC1)에서, 회로 보드(30)의 일 단부 부분은 나사에 의해 포지티브 측 DC 입력 단자(11a)에, 배선 부재(15a)와 함께 접합 고정되고, 회로 보드(30)의 다른 단부 부분은 나사에 의해 출력 단자(12a)에, 배선 부재(15)와 함께 접합 고정된다. 게다가, 저항(R)의 리드(36b)는 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)에 전기적으로 연결되고 전력 반도체 모듈(210) 상에 실장된다.
도 5를 다시 참조한다. 전력 반도체 디바이스(Q2)용 스너버 회로(SC2)는 상기 설명된 바와 같이 저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)를 갖는다. 게다가, 스너버 회로(SC2)는 전자 부품들(R, C, D)이 실장되는 회로 보드(40)를 더 갖는다.
스너버 회로(SC1)의 회로 보드(30)와 유사하게, 회로 보드(40)는 절연 베이스(41) 및 도체 층(42)을 갖는다. 절연 베이스(41)는 전력 반도체 모듈(210)의 제1 측면(14a), 제2 측면(14b) 및 제4 측면(14d)을 따라 연장하여, 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)와 출력 단자(12b) 사이를 브리징한다. 제4 측면(14d)은 제1 측면(14a)과 제2 측면(14b) 사이에 배치된다.
도체 층(42)은 절연 베이스(41)의 상부면 상에 제공된다. 도체 층(42)은 각각 네가티브 측 DC 입력 단자(11b) 및 출력 단자(12b)에 연결되는 회로 패턴을 형성한다. 저항(R), 커패시터(C), 및 다이오드(D)가 각각 부착되는 전자 부품 실장부들은 회로 패턴에 따라 회로 보드(40)의 적절한 위치들에 제공된다.
상기 설명된 바와 같이 구성되는 스너버 회로(SC2)에서, 회로 보드(40)의 일 단부 부분은 나사에 의해 네가티브 측 DC 입력 단자(11b)에, 배선 부재(15b)와 함께 접합 고정되고, 회로 보드(40)의 다른 단부 부분은 나사에 의해 출력 단자(12b)에, 배선 부재(15)와 함께 접합 고정된다. 게다가, 저항(R)의 하나의 리드는 포지티브 측 DC 입력 단자(11a)에 전기적으로 연결되고 전력 반도체 모듈(210) 상에 실장된다.
전술한 전력 반도체 모듈(210)에 따르면, 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 스위칭 동작에 따라 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)의 대향 단부들 사이에 발생하는 서지 전압은 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)에 대해 개별적으로 제공되는 스너버 회로들(SC1, SC2)에 의해 각각 흡수된다. 따라서, 전력 반도체 디바이스들(Q1, Q2)은 서지 전압으로 인해 손상되는 것으로부터 억제될 수 있다.
스너버 회로(SC1)에 포함되는 저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)는 노출된 방식으로 회로 보드(30) 상에 실장된다. 스너버 회로(SC2)에 포함되는 저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)는 또한 노출된 방식으로 회로 보드(40) 상에 실장된다. 전자 부품들(R, C, D)은 용이하게 변경될 수 있다. 따라서, 회로 보드(30, 40)는 전력 반도체 디바이스(Q1, Q2)의 스위칭 주파수의 변경과 같은 인버터(206)의 설계 변경을 위해 일반화될 수 있고, 적절한 상수들을 갖는 전자 부품들은 서지 전압을 효과적으로 흡수하기 위해 회로 보드(30, 40) 상에 실장되는 전자 부품들(R, C, D)로서 사용될 수 있다.
저항(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)는 노출된 방식으로 회로 보드(30, 40) 상에 실장된다. 따라서, 스너버 회로는 전자 부품들(R, C, D)에 의해 생성되는 열의 소산에 뛰어남으로써 열에 의해 야기되는 전자 부품들(R, C, D)의 열화가 억제될 수 있다. 따라서, 스너버 회로의 내구성은 향상될 수 있다.
또한, 배선 인덕턴스는 또한 스너버 회로 자체에 존재한다. 스너버 회로(SC1)의 회로 보드(30)는 전력 반도체 모듈(210)의 제1 측면(14a), 제3 측면(14c) 및 제2 측면(14b)을 따라 연장되도록 제공된다. 회로 보드(30)는 제1 측면(14a) 상에 제공되는 포지티브 측 DC 입력 단자(11a), 및 제1 측면(14a)에 대향하는 측 상의 제2 측면(14b) 상에 제공되는 출력 단자(12a)에 직접 연결된다. 따라서, 스너버 회로(SC1)의 전기 전도 경로의 길이는 가능한 한 짧게 이루어질 수 있다. 따라서, 스너버 회로(SC1)의 인덕턴스는 서지 전압을 억제하기 위해 감소될 수 있음으로써, 스너버 회로(SC1)로 유입되는 서지 전류로 인하여 방사되는 잡음이 억제될 수 있다.
스너버 회로(SC1)의 회로 보드(30)는 전력 반도체 모듈(210)의 제1 측면(14a), 제3 측면(14c) 및 제2 측면(14b)을 따라 연장된다. 따라서, 회로 보드(30)는 두께 방향으로 굽혀진 부분을 갖지 않은 평탄한 판과 같이 형상화된다. 따라서, 도체 층(32)은 절연 베이스(31) 상에 용이하게 형성될 수 있다.
유사하게, 스너버 회로(SC2)의 회로 보드(40)는 또한 전력 반도체 모듈(210)의 제1 측면(14a), 제4 측면(14d) 및 제2 측면(14b)을 따라 연장하도록 제공된다. 회로 보드(40)는 제1 측면(14a) 상에 제공되는 네가티브 측 DC 입력 단자(11b), 및 제1 측면(14a) 상의 대향하는 측 상의 제2 측면(14b) 상에 제공되는 출력 단자(12b)에 직접 연결된다. 스너버 회로(SC2)의 전기 전도 경로의 길이는 인덕턴스가 감소될 수 있도록 가능한 한 짧게 이루어질 수 있다. 게다가, 회로 보드(40)는 도체 층(42)이 절연 베이스(41) 상에 용이하게 형성될 수 있도록 평탄한 판 형상으로 형성된다.
스너버 회로(SC1, SC2)의 인덕턴스의 감소의 관점으로부터, 회로 보드(30, 40)의 도체 층(32, 42)의 두께는 증가될 수 있거나, 도체 층은 각각 회로 보드(30, 40)의 절연 베이스(31, 41)의 대향하는 상부면 및 하부면 상에 제공될 수 있다.
도 7은 스너버 회로(SC1)의 다른 예를 예시한다.
도 7에 도시된 예에서, 도체 층들(32a, 32b)은 각각 절연 베이스(31)의 대향하는 상부면 및 하부면 상에 제공된다. 서로 동일한 회로 패턴들이 절연 베이스(31)의 상부면 측 상의 도체 층(32a) 및 절연 베이스(31)의 하부면 측 상의 도체 층(32b)에 형성된다. 커패시터(C)와 같은 전자 부품들은 도체 층(32a) 상에 배치된다.
절연 베이스(31)의 상부면 상의 도체 층(32a) 및 절연 베이스(31)의 하부면 상의 도체 층(32b)은 스루 홀들로서 형성되는 전자 부품 실장부들(33a, 33b, 35, 38a, 38b, 38c)을 통해 서로 전기적 및 열적으로 연결된다.
절연 베이스(31)의 대향하는 상부면 및 하부면 상에 서로 동일한 패턴들을 갖고 스루 홀들을 통해 서로 전기적으로 연결되는 도체 층들(32a, 32b)의 제공으로, 회로 보드(30)의 전기 전도 경로의 단면적은 더 크게 이루어질 수 있고 스너버 회로(SC1)의 인덕턴스는 도체 층(32)이 절연 베이스(31)의 상부면 상에만 제공되는 경우의 것들보다 더 작게 이루어질 수 있다. 또한, 도체 층들(32a, 32b)은 또한 스루 홀들을 통해 서로 열적으로 연결된다. 따라서, 열 방사의 영역은 또한 도체 층(32)이 절연 베이스(31)의 상부면에만 제공되는 경우의 것보다 더 크게 이루어질 수 있다. 따라서, 커패시터(C)와 같은 전자 부품들에 의해 생성되는 열의 소산은 열에 의해 야기되는 전자 부품들의 열화가 억제될 수 있도록 가속화될 수 있다. 따라서, 스너버 회로(SC1)의 내구성은 더욱 크게 향상될 수 있다.
스너버 회로(SC1)의 인덕턴스의 감소의 관점으로부터, 도체 층 또는 층들의 총 두께, 즉, 도체 층(32)이 절연 베이스(31)의 상부면에만 제공되는 경우의 도체 층(32)의 두께, 또는 도체 층들(32a, 32b)이 절연 베이스(31)의 대향하는 상부 및 하부면들 상에 제공되는 경우의 도체 층들(32a, 32b)의 총 두께는 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다. 회로 보드(30)가 평탄한 판 형상으로 형성되므로, 도체 층 또는 층들은 도체 층 또는 층들이 비교적 두꺼운 경우에도 절연 베이스(31) 상에 용이하게 형성될 수 있다.
게다가, 커패시터(C)의 리드들(34a, 34b) 등이 도체 층들로 이루어지는 랜드들에 수동으로 솔더링되는 것을 가정한다. 이러한 경우에 있어서, 도체 층들의 총 두께가 지나치게 큰 경우, 랜드들의 각각의 온도를 솔더링 아이언(soldering iron)에 의해 솔더 용융 온도로 증가시키기 위해 시간이 걸린다. 따라서, 도체 층들의 총 두께는 솔더링 실행 가능성을 고려해 볼 때 2.0 mm보다 더 작은 것이 바람직하다.
도 8은 스너버 회로(SC1)의 다른 예를 예시한다.
도 8에 도시된 예에서, 솔더 레지스트 필름들(39)은 도체 층(32)의 전면 상에 그리고 커패시터(C)와 같은 부품들이 솔더링되는 회로 보드(30)의 전자 부품 실장부들(33a, 33b, 35, 38a, 38b)의 주위에 형성된다.
상기 설명된 바와 같이, 커패시터(C)의 리드들(34a, 34b)은 각각 전자 부품 실장부들(33a, 33b)로 삽입되고 도체 층(32)으로 이루어지는 랜드들에 솔더링된다. 전자 부품 실장부들(33a, 33b) 각각은 스루 홀로서 형성된다. 대응하는 솔더 레지스트 필름들(39)은 리드들(34a, 34b)이 솔더링되는 랜드들을 둘러싸기 위해 도체 층(32)의 전면 상에 환형으로 형성된다.
유사하게, 대응하는 환형 솔더 레지스트 필름들(39)은 도체 층(32)의 전면 그리고 또한 저항(R)의 리드(36a)가 솔더링되는 전자 부품 실장부(35)의 주변부, 및 다이오드(D)의 핀들(37a, 37b)이 솔더링되는 전자 부품 실장부들(38a, 38b)의 주위들에 형성된다.
이러한 방식으로, 솔더 레지스트 필름들(39)은 도체 층(32)의 전면 상에 그리고 부품들이 솔더링되는 전자 부품 실장부들(33a, 33b, 35, 38a, 38b)의 주위들에 미리 형성된다. 따라서, 열은 전자 부품 실장부들의 주위들에서 도체 층(32)의 전면으로부터 방사되는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 도체 층(32)의 두께가 증가되는 경우에도, 전자 부품 실장부들(33a, 33b, 35, 38a, 38b) 각각에 대한 랜드의 온도는 수동 설더링 작업의 효율성이 개선될 수 있도록 솔더 아이언(solder iron)에 의해 효율적으로 증가될 수 있다.
도체 층(32)은 도 8에 도시된 예에서 절연 베이스(31)의 상부면 상에만 제공된다. 그러나, 도체 층들(32a, 32b)이 도 7에 도시된 바와 같이 절연 베이스(31)의 대향하는 상부면 및 하부면 상에 제공되는 경우, 솔더 레지스트 필름들(39)은 절연 베이스(31)의 상부면 측 상의 도체 층들(32a)의 전면 및 절연 베이스(31)의 하부면 측 상의 도체 층(32b)의 전면 각각 상에 그리고 전자 부품 실장부들(33a, 33b, 35, 38a, 38b)의 주위들에 형성될 수 있다.
도 9는 스너버 회로(SC1)의 다른 예를 예시한다.
도 9에 도시된 예에서, 솔더 레지스트 필름(39)은 커패시터(C)와 같은 전자 부품들이 부착되는 회로 보드(30)의 전자 부품 실장부들(33a, 33b, 35, 38a, 38b, 38c) 이외의 도체 층의 전면에 걸쳐 모두 형성된다. 이러한 경우, 커패시터(C)와 같은 솔더링될 부품들이 실장되는 회로 보드(30)는 수동 솔더링 대신에 솔더 탱크에 침지될 수 있고 부품들은 집합적으로 솔더링될 수 있다. 따라서, 스너버 회로(SC1)의 생산성이 개선될 수 있다.
본 출원은 2016년 8월 22일자로 출원된 일본 특허 출원 번호 제2016-161885호 및 2016년 9월 28일자로 출원된 일본 특허 출원 번호 제2016-190345에 기초하며, 그 전체 내용들은 참조로 본원에 통합된다.

Claims (13)

  1. 전력 반도체 모듈로서,
    스위칭 동작을 수행하도록 구성되는 전력 반도체 디바이스 ;
    상기 전력 반도체 디바이스가 내부에 제공되는 케이싱;
    상기 케이싱의 상부면의 상단 상에 제공되는 제어 회로 보드, 상기 케이싱의 상기 상부면 상에 제공되고 상기 제어 회로 보드에 연결되는 상기 전력 반도체 디바이스용 제어 단자; 및
    상기 제어 회로 보드와 상기 케이싱의 상기 상부면 사이에 배치되어 상기 케이싱의 상기 상부면을 커버하고 상기 케이싱의 적어도 일 측면을 커버하는 차폐판을 포함하는 전력 반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 단자는 상기 케이싱의 상기 상부면의 에지부 상에 제공되고,
    상기 차폐판은 상기 케이싱의 상기 상부면의 상기 에지부에 연결되는 상기 케이싱의 적어도 일 측면을 커버하는 전력 반도체 모듈 .
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차폐판은 상기 케이싱에 고정되도록 구성되는 차폐판 고정부를 가짐으로써, 상기 차폐판 고정부가 상기 케이싱에 고정되는 경우, 상기 차폐판이 접지되는 전력 반도체 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 케이싱의 하부면을 밀착 접촉하고 접지되는 방열판을 더 포함하며,
    상기 차폐판 고정부는 상기 차폐판 고정부가 상기 케이싱에 고정될 때 상기 방열판에 전기적으로 연결되는 전력 반도체 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 케이싱은 상기 방열판에 고정되도록 구성되는 케이싱 고정부를 갖고,
    상기 차폐판 고정부는 상기 차폐판 고정부가 상기 케이싱 고정부 중 적어도 하나 및 상기 케이싱 고정부를 상기 방열판에 고정시키는 패스너(fastener)를 통해 상기 방열판에 전기적으로 연결되도록 상기 케이싱 고정부의 상단 상에 제공되는 전력 반도체 모듈.
  6. DC 전력을 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 인버터를 포함하는 유도 가열 전력 공급 장치로서,
    상기 인버터는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 복수의 상호연결된 전력 반도체 모듈들을 포함하는 브리지 회로로서 구성되는 유도 가열 전력 공급 장치.
  7. 전력 반도체 모듈용 스너버 회로로서,
    상기 전력 반도체 모듈은 스위칭 동작들을 수행할 수 있고 직렬로 연결되는 2개의 전력 반도체 디바이스들을 가지며,
    상기 전력 반도체 모듈은 아암에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 포지티브 측 및 네가티브 측 DC 입력 단자들 및 출력 단자들을 가지며, 상기 한 쌍의 포지티브 측 및 네가티브 측 DC 입력 단자들은 상기 전력 반도체 모듈의 제1 측면 상에 제공되고, 상기 출력 단자들은 상기 제1 측면에 대향하는 측 상의 상기 전력 반도체 모듈의 제2 측면 상에 제공되며,
    상기 스너버 회로는:
    절연 베이스 및 도체 층을 포함하는 회로 보드 - 상기 절연 베이스는 상기 전력 반도체 모듈의 일 측면을 따라 연장되고 상기 DC 입력 단자들 중 대응하는 하나와 상기 출력 단자들 중 대응하는 하나 사이를 브리징하고, 상기 도체 층은 상기 절연 베이스의 상부면 및 하부면 중 적어도 하나 상에 제공되고 상기 대응하는 DC 입력 단자 및 상기 대응하는 출력 단자 각각에 연결되는 회로 패턴을 형성함 -; 및
    노출된 방식으로 상기 회로 보드 상에 실장되는 전자 부품을 포함하는 스너버 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도체 층은 상기 절연 베이스의 상기 상부면 및 상기 하부면 각각 상에 제공되고, 상기 절연 베이스의 상기 상부면 측 상의 상기 도체 층 및 상기 절연 베이스의 상기 하부면 측 상의 상기 도체 층 각각은 동일한 회로 패턴을 형성하고,
    상기 회로 보드의 전자 부품 실장부는 스루 홀로서 구성됨으로써 상기 절연 베이스의 상기 상부면 측 상의 상기 도체 층 및 상기 절연 베이스의 상기 하부면 측 상의 상기 도체 층은 상기 스루 홀을 통해 서로 전기적 및 열적으로 연결되는 스너버 회로.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 도체 층의 총 두께는 0.1 mm 이상이지만 2.0 mm보다 더 작은 스너버 회로.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 부품은 솔더링된 부품을 포함하고,
    솔더 레지스트 필름은 상기 도체 층의 전면 상에 그리고 상기 솔더링된 부품이 솔더링되는 상기 회로 보드의 상기 전자 부품 실장부의 주변부에 형성되는 스너버 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 솔더 레지스트 필름은 상기 회로 보드의 상기 전자 부품 실장부 이외에 상기 도체 층의 전면 상에 형성되는 스너버 회로.
  12. 전력 반도체 모듈로서,
    스위칭 동작들을 수행할 수 있고 직렬로 연결되는 2개의 전력 반도체 디바이스들을 포함하는 아암;
    상기 아암에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 포지티브 측 및 네가티브 측 DC 입력 단자들과 출력 단자들; 및
    상기 DC 입력 단자들과 상기 출력 단자들 사이에 각각 연결되는 스너버 회로들을 포함하며,
    상기 한 쌍의 포지티브 측 및 네가티브 측 DC 입력 단자들은 상기 전력 반도체 모듈의 제1 측면 상에 제공되고 상기 출력 단자들은 상기 제1 측면에 대향하는 측 상의 상기 전력 반도체 모듈의 제2 측면 상에 제공되고,
    상기 스너버 회로들 각각은 회로 보드 및 전자 부품을 포함하며, 상기 회로 보드는 절연 베이스 및 도체 층을 포함하되, 상기 절연 베이스는 상기 전력 반도체 모듈의 측면을 따라 연장되고 상기 입력 단자들 중 대응하는 하나와 상기 출력 단자들 중 대응하는 하나 사이를 브리징하며, 상기 도체 층은 상기 절연 베이스의 상부면 및 하부면 중 적어도 하나 상에 제공되고 상기 대응하는 DC 입력 단자 및 상기 대응하는 출력 단자 각각에 연결되는 회로 패턴을 형성하고, 상기 전자 부품은 노출된 방식으로 상기 회로 보드 상에 실장되는 전력 반도체 모듈.
  13. DC 전력을 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 인버터를 포함하는 유도 가열 전력 공급 장치로서,
    상기 인버터는 제12항에 따른 복수의 병렬 연결된 전력 반도체 모듈들을 갖는 브리지 회로로서 구성되는 유도 가열 전력 공급 장치.
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