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KR-102961020-B1 - POWER CONVERSION DEVICE INCLUDING IMMERSION COOLED PASSIVE COMPONENT MODULE

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Abstract

본 발명은 인덕터, 저항, EMC 필터 등으로 구성된 수동 소자 모듈 전체를 유전성 냉각유에 직접 침지시켜 냉각함으로써, 수동 소자들의 냉각 성능을 극대화하고, 제조 비용을 절감하며, 전력변환장치 전체의 성능 및 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치를 제공한다. 본 발명에 따른 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력 변환 장치는, 인가되는 전원에 의해 발열하는 발열 부품이 배치된 수동 소자 모듈; 상기 수동 소자 모듈을 수용되는 액침 냉각 탱크; 및 상기 수동 소자 모듈 내에 배치되며, 상기 액침 냉각 탱크로 유입되는 냉각유가 상기 발열 부품을 경유하도록 유동 경로를 유도하는 유동 유도 구조부를 포함한다.

Inventors

  • 안치선
  • 김현일
  • 유동균
  • 김기완

Assignees

  • 데스틴파워 주식회사
  • 에스케이온 주식회사
  • 에스케이이노베이션 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250703

Claims (9)

  1. 인가되는 전원에 의해 발열하는 인덕터, EMC 필터, 댐핑 저항 또는 캐패시터 중 적어도 하나 이상을 포함하는 발열 부품이 배치된 수동 소자 모듈; 상기 수동 소자 모듈을 수용하는 액침 냉각 탱크; 상기 수동 소자 모듈 내에 배치되며, 상기 액침 냉각 탱크로 유입되는 냉각유가 상기 발열 부품을 경유하도록 유동 경로를 유도하는 유동 유도 구조부; 상기 액침 냉각 탱크에 구성되는 냉각유의 온도, 유위 또는 압력을 감지하는 센서; 및 상기 센서로부터 수신된 데이터에 기초하여 외부 쿨런트 펌프의 작동을 제어하되, 상기 액침 냉각 탱크 내부 공기 온도와 공기온도기준값을 비교하여, 상기 액침 냉각 탱크 내부 공기 온도가 상기 공기온도기준값을 초과하면 냉각유 유량을 증가시키되, 상기 액침 냉각 탱크 내부 공기 온도와 상기 공기온도기준값의 차이가 커질수록 냉각유 유량의 증가 강도를 증폭시키도록 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 인덕터, EMC 필터, 댐핑 저항 또는 캐패시터 중 적어도 하나는 함침이나 에폭시 몰딩 공정 없이 상기 냉각유에 직접 침지되어 절연 성능과 진동 억제 효과가 제공되는 것을 특징으로 하는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유동 유도 구조부는 상기 냉각유가 유입되는 측으로부터 상기 발열 부품 방향으로 흐르도록 배치되는 것을 특징으로 하는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력 변환 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 유동 유도 구조부는 상기 수동 소자 모듈의 상단부에 배치되는 발열 부품을 거쳐 상기 수동 소자 모듈의 하단부를 지나도록 하는 격벽 또는 채널 형성 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력 변환 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 액침 냉각 탱크는 냉각유의 유입을 제어하는 유입제어밸브; 및 냉각유의 유출을 제어하는 유출제어밸브 를 더 포함하는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력 변환 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 제어부는, 상기 액침 냉각 탱크에 대해 측정된 압력값 및 유위값을 압력기준값 및 유위기준값과 각각 비교하여, 상기 압력값이 상기 압력기준값보다 낮거나 상기 유위값이 상기 유위기준값보다 낮으면 경고를 발생시키거나 상기 수동 소자 모듈의 일부 또는 전체 동작을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력 변환 장치.

Description

액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치{POWER CONVERSION DEVICE INCLUDING IMMERSION COOLED PASSIVE COMPONENT MODULE} 본 발명은 전력변환장치의 냉각 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력변환장치에 사용되는 수동 소자 모듈을 냉각유 탱크에 침지시켜 냉각하는 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치에 관한 것이다. 최근 전력전자 기술의 발전으로 고효율, 고밀도 전력변환장치 개발이 가속화되고 있다. 이러한 전력변환장치에는 인버터, 컨버터 등 핵심 전력반도체 소자뿐만 아니라 인덕터, 저항, EMC 필터와 같은 다양한 수동 소자들이 필수적으로 사용된다. 이 수동 소자들은 전력 변환 및 스위칭 노이즈 제거 과정에서 필연적으로 상당한 양의 열을 발생시킨다. 특히 고주파 스위칭 환경에서는 인덕터의 코어 손실 및 권선 저항 손실, 저항의 줄 발열, EMC 필터의 내부 손실 등이 증가하여 높은 발열 밀도를 가지게 된다. 이러한 수동 소자들의 과도한 발열은 다음과 같은 문제점을 야기한다. 첫째, 온도가 상승하면 인덕터의 인덕턴스 값 변화, 저항의 저항값 변화 등 고유 특성이 변질되어 전력변환장치 전체의 성능 저하 및 불안정한 동작을 유발한다. 예를 들어, 인덕터의 코어 온도가 특정 온도를 초과하면 포화 현상이 심화되어 인덕턴스 값이 급격히 감소하고 효율이 떨어질 수 있다. 둘째, 고온은 소자의 절연 재료 열화를 가속화하고, 와이어 피로도 증가, 접합부의 열응력 발생 등을 유발하여 수명을 단축시킨다. 셋째, 과열로 인한 소자 손상은 시스템의 잦은 트립 또는 영구적인 고장으로 이어져 시스템의 연속 가동률 및 생산 효율을 크게 저해한다. 넷째, 기존 냉각 방식으로는 발열 제어에 한계가 있어, 고출력 시스템에서는 소자를 크게 설계하거나 추가적인 방열 공간을 확보해야 하므로 전력변환장치의 소형화 및 고밀도화에 제약을 초래한다. 한편, 기존 수동 소자 냉각 방식 중 하나인 공랭식은 다음과 같은 문제가 있다. 즉, 팬을 이용해 공기를 순환시켜 열을 식히는 방식은 구조가 비교적 간단하나, 열 밀도가 높은 수동 소자에는 냉각 성능이 부족하다. 높은 열 밀도 공간에서 효율이 저하되고, 소자 전체를 균일하게 냉각하기 어렵다. 또한, 주변 환경(온도, 먼지, 습도)에 따른 효율 변동이 크고, 먼지나 이물질 축적으로 인해 절연 성능 저하 및 고장 위험이 있다. 특히, 공랭식은 인덕터의 권선, 코어, 저항 소자 전체에 걸친 균일한 냉각이 어렵고, EMC 필터와 같이 여러 소자가 집약된 모듈의 경우 효과적인 냉각에 한계가 명확하다. 또한, 기존 수동 소자 냉각 방식 중 다른 하나인 간접 수랭식(콜드 플레이트 방식)의 경우, 일부 고출력 시스템에서는 수동 소자에도 간접 수랭식을 적용하기도 하지만, 이는 복잡한 설계와 높은 비용을 요구하며, 소자의 복잡한 형상으로 인해 콜드 플레이트와의 완벽한 열 접촉을 확보하기 어렵다는 한계가 있다. 또한, 냉각수 누수 위험, 복잡한 열 배관 등의 문제점도 여전히 존재한다. 나아가, 고전력 인덕터 및 EMC 필터의 경우, 발열 관리 외에도 다음과 같은 추가적인 문제점들이 발생한다. 기존 공랭식 인덕터는 권선의 진동 및 소음을 방지하고 절연 성능을 향상시키기 위해 에폭시 수지 등으로 함침하는 공정이 필수적이다. 이 함침 공정은 시간과 비용이 많이 들고, 인덕터의 열 전달 효율을 저해하며, 수지 경화 시 발생하는 열팽창 계수 차이로 인해 내부 응력을 유발할 수 있다. 특히, AC 3상 전력변환장치에서 사용되는 EMC 필터는 고전압 부스바가 코어를 관통하는 구조를 가지는 경우가 많으며, 이때 부스바 간의 충분한 절연 거리 확보와 공기 중의 습기나 오염물질로부터의 보호를 위해 에폭시 몰딩이 필수적으로 적용된다. 이 몰딩 공정 역시 생산성 저하, 추가적인 비용 발생, 그리고 열 방출 방해라는 문제점을 가진다. 그리고 고전류가 흐르는 인덕터 및 EMC 필터는 전자력에 의해 권선이 진동하며 소음을 발생시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 방진 고무와 같은 추가적인 물리적 지지 구조가 필요하며, 이는 조립 복잡성을 증가시키고 공간을 차지한다. 또한 EMC 필터는 고주파 노이즈를 감쇠시키는 역할을 하지만, 동시에 전력 계통의 고조파 성분에 의해 필터 내부, 특히 인덕터 코어와 권선에서 추가적인 발열이 발생할 수 있다. 기존 공랭 방식으로는 이러한 고조파에 의한 발열을 효과적으로 억제하기 어렵다. 이러한 기존 냉각 방식의 문제점들을 해결하기 위해, 발열 부품을 전기적으로 절연된 냉각 유체에 직접 담가 냉각하는 방식인 이머전 냉각(Immersion Cooling)이 대안으로 부상하고 있다. 이머전 냉각은 열 전달 저항이 낮고 부품 온도 편차를 최소화하며, 냉각 유체가 열을 효율적으로 흡수하고 열교환기를 통해 온도를 낮추는 순환 과정을 거친다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치의 블록 다이어그램이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인덕터 모듈 구성품을 나타낸 이미지이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인덕터 모듈 및 탱크를 나타낸 이미지이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인덕터 모듈이 수용된 액침 냉각 탱크 이미지이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각 탱크 내 냉각유 흐름을 보이는 예시도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치의 냉각 동작 흐름도이다. 도 7은 본 발명에서의 부하에 따른 인덕터 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치의 블록 다이어그램이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인덕터 모듈 구성품을 나타낸 이미지이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인덕터 모듈 및 탱크를 나타낸 이미지이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인덕터 모듈이 수용된 액침 냉각 탱크 이미지이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각 탱크 내 냉각유 흐름을 보이는 예시도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각형 수동 소자 모듈을 포함하는 전력변환장치는 액침 냉각 탱크(100) 및 수동 소자 모듈(200)로 이루어진다. 본 발명의 일실시예에 따른 액침 냉각 탱크(100)는 유전성 냉각 유체를 저장하고 수동 소자 모듈을 담그는 용기이다. 탱크는 침지될 모든 구성품을 완전히 잠그는 데 필요한 유체량을 확보하도록 설계된다. 밀폐형 구조로 외부 환경으로부터 오염을 방지한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 유입제어밸브(110)는 액침 냉각 탱크(100)의 일측 외표면 상단부에 배치될 수 있고, 유출제어밸브(120)는 액침 냉각 탱크(100)의 일측 외표면 하단부에 배치될 수 있다. 유입제어밸브(110)는 미도시된 쿨런트 분배 장치(Coolant Distribution Unit)로부터 유입관로를 통해 유입되는 유전성 냉각유를 단속하고, 유출제어밸브(120)는 유출관로를 통해 미도시된 쿨런트 분배 장치(Coolant Distribution Unit)로 유출되는 유전성 냉각유를 단속한다. 여기서, 도면 부호 130은 액침 냉각 탱크에 채워진 냉각유이다. 한편, 도면 부호 140은 수동 소자 모듈(200) 내 소정 프레임에 고정되어 배치되는 유동 유도 구조부를 나타낸다. 유동 유도 구조부(140)는 액침 냉각 탱크(100)의 내부 공간을 분할하고, 유입되는 냉각유(110)의 흐름 경로를 안내하도록 배치된다. 구체적으로, 유동 유도 구조부(140)는 액침 냉각 탱크(100) 내에서 캐패시터(250)와 EMC 필터(230) 사이에 위치하며, 냉각유(110)가 유입되는 측으로부터 인덕터1(210) 및 인덕터2(220) 방향으로 유체가 효율적으로 흐르도록 배치된다. 유동 유도 구조부(140)는 액침 냉각 탱크(100)의 내벽과 일정 간격을 유지하며, 그 형상은 유체가 특정 발열 부품들(예: 캐패시터(250), 인덕터1(210), 인덕터2(220), EMC 필터(230))의 표면을 충분히 접촉하며 흐르도록 유도하는 형상으로 구성될 수 있다. 일례로, 유동 유도 구조부(140)는 냉각유가 캐패시터(250)와 EMC 필터(230)를 거쳐 인덕터1(21