(57)【要約】高電流電気スイッチの方法とシステムが開示されている。このスイッチは、モジュールまたはアセンブリごとに１乃至１０００アンペアの範囲の直流電流の切替、整流、遮断が可能である。このような高効率は比較的微々たる熱を生成するが、伝導または放熱による冷却が殆どまたはまったく必要ない。プロセス中に発生する比較的小さな熱は、デバイスに接続された電気ケーブルにより非常に効率よく放出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電流電気スイッチであって、
第１の一次導電体と、
第２の一次導電体と、
前記第１の一次導電体と第２の一次導電体を電気的に接続し、前記第１の一次導電体と第２の一次導電体の間に物理的に挟まれた１またはそれ以上のスイッチング素子のアレイとを具え、
前記スイッチング素子のアレイの抵抗が、約５００マイクロオーム以下であることを特徴とするスイッチ。
【請求項２】
請求項１のスイッチにおいて、各導電体の有効抵抗が２０マイクロオーム以下であることを特徴とするスイッチ。
【請求項３】
請求項１のスイッチにおいて、さらに、前記スイッチング素子のアレイの実質的に周囲に配置された印刷回路基板を具えることを特徴とするスイッチ。
【請求項４】
請求項３のスイッチにおいて、前記印刷回路基板が、前記スイッチング素子を制御する回路を具えることを特徴とするスイッチ。
【請求項５】
請求項１のスイッチにおいて、前記スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴであることを特徴とするスイッチ。
【請求項６】
請求項５のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン線が前記第１の一次導電体に直接接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項７】
請求項５のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのソース線が前記第２の一次導電体に直接接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項８】
請求項５のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート線が印刷回路基板に直接接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項９】
請求項８のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのソース線が、金属片を介して前記第２の一次導電体に接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項１０】
請求項９のスイッチにおいて、前記金属片が、前記ＭＯＳＦＥＴのソース線に延びるタブを具えることを特徴とするスイッチ。
【請求項１１】
高電流電気スイッチであって、
第１の一次導電体と、
第２の一次導電体と、
前記第１の一次導電体と第２の一次導電体を電気的に接続し、前記第１の一次導電体と第２の一次導電体の間に挟まれた少なくとも１のスイッチング素子のアレイとを具え、
各導電素子の断面積に対する有効長の比が約４０以下であることを特徴とするスイッチ。
【請求項１２】
請求項１１のスイッチにおいて、各導電体の有効抵抗が２０マイクロオーム以下であることを特徴とするスイッチ。
【請求項１３】
請求項１１のスイッチにおいて、さらに、前記スイッチング素子のアレイの実質的に周囲に配置された印刷回路基板を具えることを特徴とするスイッチ。
【請求項１４】
請求項１３のスイッチにおいて、前記印刷回路基板が、前記スイッチング素子を制御する回路を具えることを特徴とするスイッチ。
【請求項１５】
請求項１１のスイッチにおいて、前記スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴであることを特徴とするスイッチ。
【請求項１６】
請求項１５のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン線が前記第１の一次導電体に直接接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項１７】
請求項１５のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのソース線が前記第２の一次導電体に直接接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項１８】
請求項１５のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート線が印刷回路基板に直接接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項１９】
請求項１８のスイッチにおいて、前記ＭＯＳＦＥＴのソース線が、金属片を介して前記第２の一次導電体に接続されていることを特徴とするスイッチ。
【請求項２０】
請求項１９のスイッチにおいて、前記金属片が、前記ＭＯＳＦＥＴのソース線に延びるタブを具えることを特徴とするスイッチ。
【請求項２１】
高電流のスイッチング方法であって、
第１の導電体と第２の導電体の間に並列接続されたスイッチング素子のアレイを用意するステップと、
前記スイッチング素子のアレイを前記第１の導電体と第２の導電体の間に配置するステップと、
各スイッチング素子からのゲート線を互いに電気的に接続するステップと、
前記ゲート線を介して前記スイッチング素子を制御して、スイッチング素子を閉じて電流が前記第１の導電体から第２の導電体へと流れるようにするか、前記スイッチング素子を開いて前記第１の導電体から第２の導電体への電流が流れないようにするステップとを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に高電流電気スイッチとその製造方法に関する。より具体的には、多くのアプリケーションでヒートシンクの必要性を減らすかなくした高電流電気スイッチおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この章に含まれる情報は本発明の背景技術に関するが、このような背景技術が従来技術を構成するか否かについて承認するものではない。
【０００３】
一般に、５０乃至５００アンペアの範囲の直流電流を必要とするアプリケーションは、システム内で１０乃至１００ボルトの電圧で運用されている。この電力領域は、乗用車、トラック、ボート、航空機、レクリエーションビークル、テレコムシステム、光起電力システム、風力発電システム、海洋ブイ等で見られる。
【発明の開示】
【０００４】
近年、冗長の電力システムおよび／またはバッテリとサーバ、メモリ、および／またはネットワークなどのコンピュータシステムとを組み合わせたＭＯＳＦＥＴスイッチがコンピュータシステムで多く用いられている。多くのアプリケーションでの制限要素は、デバイスがオンにされたときのドレインからソースへのデバイス内抵抗あるいはＲｄｓ（ｏｎ）要素である。この要素は、近年ではＭＯＳＦＥＴ製造者により１オーム以下からミリオームへと確実に低減されている。現在では、電圧レートが３０乃至５０ボルトのデバイスのＲｄｓ（ｏｎ）は１．５乃至２０ミリオームと低くなっている。このパラメータが１ミリオームレベルに漸近するようになったため、全体の抵抗（リードフレーム、ワイヤボンド等）の制限は大きく改善された。これらの高導電デバイスのアプリケーションでは、外部抵抗がＭＯＳＦＥＴで得られる改善を圧倒（swamp）し始める。Ｒｄｓ（ｏｎ）は、高電流を流す際にデバイス温度が上がるとかなり増大する（摂氏１度ごとに１パーセント）。
【０００５】
この温度増加を放散させるべく、ＭＯＳＦＥＴを高コストなヒートシンク上に配置し、電圧降下の結果として導かれる熱を取り除くようにしている。これらのヒートシンクがＭＯＳＦＥＴの余剰の熱を避けるのに適切でなければ、ＭＯＳＦＥＴは損壊してしまう。ＭＯＳＦＥＴと電源および負荷との間の抵抗を低減するのに共通する試みは、ヒートシンクシステムの限界内で、パッドサイズ、配線幅、配線厚さ、およびワイヤゲージを大きくする一方で、配線長さ、ワイヤ長さ、およびコネクタ抵抗を減らすことである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
ここにおいて一般的に記載され図面に示されている実施例の要素は、広く多様な異なる構成として調整および設計されてもよいことを理解されたい。したがって、図面に示されているような本発明のシステム、要素、方法の実施例のより詳細な説明は、クレームにある本発明の範囲を限定するものではなく、単に本発明の実施例の代表例である。
【０００７】
高電流電気スイッチの方法とシステムが開示されている。このスイッチは、モジュールまたはアセンブリごとに１乃至１０００アンペアの範囲の直流電流の切替、整流、遮断が可能である。このような高効率は比較的微々たる熱を生成するが、伝導または放熱による冷却が殆どまたはまったく必要ない。プロセス中に発生する比較的小さな熱は、デバイスに接続された電気ケーブルにより非常に効率よく放出される。
【０００８】
開示される本発明の実施例によると、第１の一次伝導体と、第２の一次伝導体と、スイッチング素子アレイとを具える高電流電気スイッチシステムおよび方法が提供される。このスイッチング素子は、前記第１の一次導電体と第２の一次導電体を電気的に接続するとともに、前記第１の一次伝導体と第２の一次伝導体の間に物理的に挟まれている。前記スイッチング素子アレイの抵抗は、約５００マイクロオーム以下である。
【０００９】
開示される本発明の実施例の別の態様によると、第１の導電体と第２の導電体の間に並列に接続されたスイッチング素子アレイの提供に関し、これは各スイッチング素子から延びるゲートを互いに電気的に接続し、ゲートを介して前記スイッチング素子を制御して、スイッチング素子を閉じて電流が前記第１の導電体から第２の導電体へと流れるようにするか、前記スイッチング素子を開いて前記第１の導電体から第２の導電体への電流が流れないようにする。このスイッチング素子アレイは、前記第１の導電体と第２の導電体の間に挟まれている。
【００１０】
図１−４に示すように、２×６のスイッチング素子アレイを用いる高電流電気スイッチが、全体として符号１０で示されている。このスイッチ１０は、矩形バーとして形成された第１の一次導電体と、矩形バーとして形成された第２の一次導電体と、スイッチング素子３４のアレイ１６と、印刷回路基板１８とを具える。リングターミナル３０，３２で終端するケーブル２６，２８が、固定具２０，２２で、それぞれ第１の矩形バー１２および第２の矩形バー１４に取り付けられている。
【００１１】
アレイ１６は、例えばInternational RectifierのＩＲＦ２８０４Ｓ−７Ｐ  ＭＯＳＦＥＴまたは他のスイッチングデバイスといったスイッチング素子３４を１２具える。他の数のスイッチング素子および他の構成のスイッチング素子を用いてもよい。各スイッチング素子３４は、当該スイッチング素子３４の底面にドレイン線（図示せず）を具えてもよい。このドレイン線は、第２の矩形バー１４の表面に直接半田付けされる。
【００１２】
各スイッチング素子はさらに、スイッチングデバイス３４の一端から延びる複数の導線を具えてもよい。各スイッチング素子３４からの複数のソース線３６が、スイッチングデバイス３４の本体から金属片４０を介して第１の矩形バー１２へと隣接する地点に接続されている。金属片４０は、直接あるいはそうでなくとも第１の矩形バー１２の側部に半田付けされており、ソース線３６へ延びて半田付けされている多数のタブ４２を具える。各スイッチング素子３４のゲート線３８は、印刷回路基板１８に接続されている。
【００１３】
図２Ａを参照すると、スイッチ１０の端部断面図が示されている。金属片４０は、第１の矩形バー１２をスイッチングデバイス３４のソース線３６へ接続する。金属片４０のタブ４２は、実質的に第１の矩形バー１２の底部からソース線３６へつながって（depend）いる。タブ４２は、スイッチングデバイス３４本体に隣接するソース線に直接接続されている。タブ４２の高さに対するこれらの断面積の割合は可能な限り低く抑えられ、金属片４０によりスイッチ１０に加わる抵抗量を低減し、ソース線３６から第１の矩形バー１２への熱伝導を改善するようにしている。タブ４２の高さは、実質的に第１の矩形バー１２からソース線３６の頂部までの距離である。ソース線３６は、機械的な相互通信目的から印刷回路基板１８に接続されている。
【００１４】
印刷回路基板１８の形状は矩形であり、スイッチング素子３４のアレイ１４のサイズより僅かに大きい矩形の内側切り欠きを有する。他の形状および構成を適用してもよい。各ゲート線３８は、印刷回路基板１８上に一緒に電気的に接続されており、図５に示すように制御回路３２により制御される。この制御回路３２は、回路や音声および／または視覚表示を提供する印刷回路基板上の追加の回路およびデバイスとともに配置されている。この印刷回路基板は、スイッチ１０の制御を提供する外部コネクタ３３を具えてもよい。また各ソース線３６は、ともに印刷回路基板１８上に一緒に電気的に接続されてもよい。
【００１５】
図５を参照すると、高電流電気スイッチ１０の電気的概略図が示されている。アレイ１６は、バー１２とバー１４間に並列接続された複数のスイッチングデバイス３４を具える。各スイッチング素子３４のドレイン線３５は、バー１４に直接接続される。各スイッチング素子３４のソース線３６は、バー１２に直接接続される。各スイッチング素子３４のゲート線３８は、外部入力４４により制御される制御回路３２に接続される。外部入力４４により制御回路３２にゲート線３８を介してスイッチング素子３４を閉じるよう命令が入ると、ケーブル２４内の電流はバー１２、スイッチング素子３４、そしてバー１４を通りケーブル２６へと流れる。外部入力４４により制御回路３２がスイッチング素子３４を開くよう命令が入ると、ケーブル２４からの電流はケーブル２６へと流れない。
【００１６】
図６−８を参照すると、高電流電気スイッチの第２実施例が、全体として符号５０として示されている。このスイッチ５０は、第１の一次導電体５２と、第２の一次導電体５４と、スイッチング素子５８のアレイ５６と、印刷回路基板６０とを具える。導電体５２、５４は、スイッチング素子５８と接続する溝付き平坦部７４，７６を有するほぼ筒状に構成される。導電体５２，５４は、電源ケーブルと接続するための固定部６６，６８を有するネジ部６２，６４を具える。
【００１７】
アレイ５６は、例えばInternational RectifierのＤｉｒｅｃｔＦＥＴ（商標）ＭＯＳＦＥＴまたはダイ形成された他のスイッチングデバイスといったスイッチング素子５８を２４個具える。他の数および他の構成のスイッチング素子を用いてもよい。各スイッチング素子５８は、当該スイッチング素子５８の上面にドレイン領域（図示せず）を具えてもよい。このドレイン領域は、導電体５４の平坦部７６に半田付けされるか、そうでなくても直接電気的に接続される。各スイッチング素子５８は、当該スイッチング素子５８の底面にソース領域７０とゲート領域７２の組を具える。ソース領域７０は、導電体５２の平坦部７４に半田付けされるか、そうでなくても直接電気的に接続される。ゲート領域７２は、印刷回路基板６０に半田付けされるか、そうでなくても直接電気的に接続される。
【００１８】
印刷回路基板６０の形状は矩形であり、幅が導電体５２の直径より僅かに大きく長さがスイッチング素子５８のアレイ５６の長さより僅かに大きい矩形の内側切り欠き部を有する。他の形状および構成を適用してもよい。各ゲート領域７２は、印刷回路基板６０上に一緒に電気的に接続されており、制御回路により制御される。この制御回路は、音声および／または視覚表示を提供する追加の回路およびデバイスとともに配置されている。この印刷回路基板は、スイッチ５０の制御を提供する外部コネクタを具えてもよい。
【００１９】
デバイスの構造は、抵抗を極小にするか少なくとも大いに減少させ、ここでは最大電流が流れるケーブルの周辺温度より摂氏１０度高くするのに必要なものより電力消失が小さくなる。このため、殆どのアプリケーションでコスト高なヒートシンクの必要性が大幅に減少するか、完全に消失する。
【００２０】
多くのアプリケーションで、本発明に基づいて構成された高電流電力スイッチが、電力マネジメントシステムにおいて現在利用可能な製品と比べ約５倍から約１００倍良好なパフォーマンスを導く。ここに開示されたスイッチは、１またはそれ以上（典型的には６乃至２４）の現在入手可能なＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子とするアレイを用いる。本発明の実施例のスイッチで用いるスイッチング素子は多様な数や構成となりうる。
【００２１】
スイッチング素子のアレイは、多くのアプリケーションで長さに対する断面積の割合をできるだけ大きくとったアレイを有する一次導電体で挟まれている。このアレイ領域の外形は多くのアプリケーションで正方形であるが、連結性や他のＭＯＳＦＥＴが本来有する物理的な輪郭などの他の要素により、スイッチング素子は長方形や他の構成であってもよい。２×６のアレイでなるユニットは、３×３や４×４のほぼ正方形のアレイと非常に似た動作となる。逆に、ＭＯＳＦＥＴの単一行でなるアレイは、推奨される外形よりも性能が落ちる。
【００２２】
パッケージの外形により、アレイの型すなわちパッケージ長さと幅の割合が左右される。例えば、ＭＯＳＦＥＴパッケージが正方形の場合、多くのアプリケーションで正方形のアレイが最も効果的となる。しかしながら、長さと幅の割合が１．２５より大きい場合、多くのアプリケーションで長方形のアレイがより適切となる。
【００２３】
一次導電体（外部ケーブルが取り付けられている場所）は、ハイレシオジオメトリ（ＨＲＧ）導電体、すなわち断面積に対する有効長さの比を可能な限り低く（通常は約２５乃至４０の間）してパッケージの抵抗を最小とした導電体である。この一次導電体は、ＭＯＳＦＥＴアレイで発生した熱を接続された電気ケーブルに効率よく伝達する熱伝導体としても機能する。固体を通る電気的および熱的抵抗の双方が、以下の等式で与えられる：
（−）＝長さを断面積で割ったＫ倍
ここで、Ｋは選択材料の定数である。
【００２４】
多くのアプリケーションにおける電気的および熱的伝導率特性が最も良い材料として、銀と銅がほぼ同じ特性である。銀の熱伝導率は、銅より約８％良好である。銅は、アルミニウムより約９１％良好である。他のすべての金属は、比較的低い熱伝導率となる。導電率あるいは相互抵抗は、約１．０の定数で銅と標準化（normalize）される。銀の導電率は約０．９５、金は約１．４１６、アルミニウムは約１．６４であり、他のすべての金属は比較的導電率が悪い。このため、多くのアプリケーションにおいて熱と電気の伝導率が最もよい選択は銅となる。銀も銅に拮抗するが、めっきなどの特定目的以外では一定のアプリケーションでコストが妨げとなる。経済性と強度により、いくつかのアプリケーションでは銀めっきした銅が選択される。銀めっきは、半田付け性能が良好となる。上述した割合は、電気と熱双方の伝導率に適切である。
【００２５】
表１
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【００２６】
表２
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【００２７】
表１は、導電体の寸法と、多様なアレイサイズでの合計抵抗とを示す。表２は、多様なアレイの有効抵抗を示す。一次導電体に挟まれたＭＯＳＦＥＴアレイを使用すると、入力から出力への合計抵抗が２５０マイクロオーム以下となる。１００アンペアを流しつつ、電力損失は約２．５ワット以下である。
【００２８】
車両搭載など実践的なアプリケーションにおいて、車両バッテリ用の充電回路に単一の導電体で１００アンペアの電流がよく見られる。自動車産業における特定のアプリケーションに共通する方法は、ケーブル長が数フィート以上でなければＡＷＧ４ケーブルを用いることである。このサイズのケーブルは、断面積が約０．０３平方インチであり、抵抗が約２５０マイクロオーム／フィートである。このため、本発明の特定の実施例により構成されるこのような回路に適した整流器またはスイッチは、ＡＷＧ４ケーブル約１フィート以下に相当する。したがって、このような制御目的の整流器またはスイッチの導入が、電圧降下または熱放出にとって重要でないことが見られる。これは複数バッテリのアプリケーションで、損失や温度上昇を少なく高電流の切替および／または高電流の遮断を達成する機会となる。
【００２９】
パッケージは、第１の場所（first place）に熱を発生する合計抵抗を有意に少なくするよう設計される。約２ミリオームのＲｄｓ（ｏｎ）のＭＯＳＦＥＴをいくつか並列にすると、一定のアプリケーションで劇的に抵抗が減る。２つのＭＯＳＦＥＴを並列にすると約１ミリオーム、４つのＭＯＳＦＥＴでは約５００マイクロオーム、８では抵抗が約２５０マイクロオームとなる。８のＭＯＳＦＥＴアレイでは、ＭＯＳＦＥＴ内での電力損失は、一定のアプリケーションでＭＯＳＦＥＴの温度が約２５°Ｃに維持された場合に、約１００アンペアで約２．５ワット、約３００アンペアで約２２．５ワットである。これは、多くまたはすべての現在入手可能な固体スイッチよりも相当少ない。進歩したＭＯＳＦＥＴが入手可能となったため、開示する技術の利点は多くのアプリケーションで一様に大きくなっている。このため、入力から出力までのアセンブリ全体の電力損失は十分に小さく、温度上昇が１０度以下に抑えられ、高コストのヒートシンクまたは熱放散デバイスの必要性をなくすか大幅に減らし、発生した熱をアセンブリ外に伝導する一次手段として電気ケーブルを接続することが可能となる。
【００３０】
アセンブリ内で発生する電力は温度を指数関数的に上昇させるため、多くのアプリケーションで可能な限り多くの抵抗を除くことが絶対条件となる。１マイクロオーム減らす毎に、１００アンペアレベルで約１０ミリワットの熱放出となり、約３００アンペアではこれが約９倍となる。温度が所望レベルで安定しなければ、ドミノ効果により熱暴走が生じる。温度が上昇するのに伴い、ＭＯＳＦＥＴの電圧崩壊レベルが下降する。アレイ内でＭＯＳＦＥＴの１つが故障すると、いくつかのアプリケーションではこの状況が素早くデバイス全体の障害となる。ＭＯＳＦＥＴ内で発生する熱はさておき、アレイを電源と負荷（バッテリとランプ、交流機とバッテリ、発電機とモータ等）に接続する要素の抵抗によりさらなる熱が発生する。スイッチング素子のアレイを挟む一次導電体により、殆どのアプリケーションでアセンブリ合計の不要な抵抗の相当部分が排除される。
【００３１】
本発明によるアセンブリの設計では、以下のステップが実行される：
Ａ．デバイスが扱う最大電流を選択する。
Ｂ．最大電流とケーブル長に応じてケーブルサイズを指定する。
Ｃ．選択された最大電流に必要なＭＯＳＦＥＴの数を特定する。
Ｄ．パッケージ型を選択する。
Ｅ．最も適切なアレイ形を特定する。
Ｆ．ケーブル断面積より大きいサイズの一次導電体を選択する。
Ｇ．選択したアレイ特性に適した回路基板を選択する。
【００３２】
平面ブレード（planar blades）は、特にスイッチング素子がこれらの形状により適している場合には、例えば同心の長方形、三角形、その他のＨＲＧ形状に変更してもよい。磁気抵抗、電気抵抗材料や他の適切な材料が利用可能となれば、挟まれた導電体の筒状構造などの他の構造が一定のアプリケーションで同様に適切である。
【００３３】
本発明の実施例により構成されるデバイスの例は、約７平方インチのパッケージで１０オンス以下、損失が約２ワットで約１００アンペアの運用が可能であり、これは温度上昇が周囲より約５°Ｃ以下を示す。輸送、通信、発電施設、材料処理、娯楽、およびコンピュータプラットフォームの電力システムでは、本発明の実施例により構成されるリレー、整流器、およびスイッチを用いることで劇的な利益が得られる。
【００３４】
ここで用いられる「約」の語は、プラスマイナス２０パーセントの可能な変量を言うものとする。
【００３５】
本発明の特定の実施例が開示されているが、様々な異なる変更および組合せが可能であり、開示された実施例および添付のクレームの真の意図および範囲内で予期されていることを理解されたい。例えば、パッケージ化されておらずダイ形のＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。したがって、ここに示す開示そのものに限定する意図はない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、高電流電気スイッチの第１実施例の側面図である。
【図２】図２は、図１の高電流電気スイッチの部分側面図であり、説明のために印刷回路基板が切り取られている。
【図３】図３は、図１の高電流電気スイッチの立面図である。
【図４】図４は、図１の高電流電気スイッチの部分立面図であり、説明のために頂部の導体と印刷回路が取り除かれている。
【図５】図５は、図１の高電流電気スイッチの電気配線略図である。
【図６】図６は、高電流電気スイッチの第２実施例の側面図である。
【図７】図７は、図６の高電流電気スイッチの立面図である。
【図８】図８は、図６の高電流電気スイッチの部分立面図であり、頂部の導体と印刷回路が取り除かれている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008543170.tif 000011
【図８】
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【国際調査報告】
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