(57)【要約】【課題】車載電源ラインのように故障、保守点検時にラインの切離しが自在なコネクタとしての機能を有し、かつ通常時は電磁リレーと同等の電気的な遮断機能を有し、車載電源ラインのような大容量の通電に対し十分小さい損失抵抗となる素子で通電、遮断ができる半導体素子内蔵コネクタを得る。【解決手段】半導体素子内蔵コネクタを、雄型コネクタＣ１  のコネクタケース１内でワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体スイッチ２ａ、２ｂをドレン板３上に設け、入力側の電力線６ｗが接続されるドレン板３を入力端子とし、突出端子４を出力端子とする接続金具間を接続する半導体スイッチ２ａ、２ｂのソース２ｓ、２ｓを突出端子に接続し、制御信号線６ｃからの制御信号をゲート２ｇ、２ｇのいずれかに入力して半導体スイッチ２ａ、２ｂを通電、遮断し、電力線６ｗからの大電流を効率よく、低パワー損失で出力端子へと接続し得るように構成したものである。【選択図】  図１
2004335171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載電源ラインに接続される接続金具と、この接続金具の入力端子と出力端子間を接続する半導体スイッチとをコネクタケース内に備え、半導体スイッチはワイドバンドギャップ半導体を用い、半導体スイッチを外部からの制御信号により開閉してラインに供給される大電流を通電、遮断するように構成した半導体素子内蔵コネクタ。
【請求項２】
前記半導体スイッチをワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣトランジスタとしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子内蔵コネクタ。
【請求項３】
前記コネクタを雄型コネクタと雌型コネクタの一対とし、そのいずれか一方のコネクタ内に半導体素子を内蔵するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子内蔵コネクタ。
【請求項４】
前記コネクタを雄型コネクタと雌型コネクタを一体に組合わせて中継コネクタとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子内蔵コネクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車載電動モータ等へ大容量の電流を供給する電源ラインに使用され、半導体素子を内蔵するコネクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載されている各種負荷に電源を供給するラインを接続するのに用いられるコネクタに半導体素子を内蔵し、この素子による整流機能を有するものが知られている。半導体素子の整流機能により一方向へのみ電流を供給し、反対方向への導通を遮断して負荷又は電源を保護することができる。このようなコネクタの半導体素子には、一般にＳｉが用いられている。
【０００３】
一方、近年ハイブリッド自動車や燃料電池等電気エネルギを動力源とする電気自動車が注目され、その実用化へ向けた種々の開発が行なわれており、その一例としてバッテリから高電圧に変換された直流電流をインバータのような電力変換手段を介して交流電流に変換して電気モータへ送る電源供給回路において、バッテリと電力変換手段との間に設けられる電磁リレーの大容量化及び小型化の要望があり、これを実現するための種々の提案がなされている。
【０００４】
同様な電磁リレーを備えた例として一般の自動車の走行用以外の各種電気モータや電磁弁等を含む各種負荷に対して電源を供給する場合も、電磁リレーを介して電源を分配する例が知られているが、この電磁リレーは、特許文献１に示すように、半導体スイッチが用いられるようになっており、これによって電源分配装置の小型化、高速スイッチング化が図られている。そして、この電源分配装置の小型化を一層進めるために、特許文献２では、制御回路とスイッチング素子をパワーディストリビュータの同一ケース内に収納し、入力端子と出力端子をケースから突出してコネクタを形成したものが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１２６９３６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３２７０４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように電気自動車の電源供給回路では数十Ａ以上の大電流を遮断する必要があり、電磁リレーに代えて半導体スイッチをコネクタに内蔵すればコネクタの高機能部品化が図られ、小型化、省スペース化の要望に沿うことができる。しかし、前記半導体素子内蔵型コネクタは、そのままでは半導体素子に整流作用しかなく順方向の電流に対する遮断機能がないため使用できない。
【０００７】
そこで、上記半導体素子を半導体スイッチに代えるとしても、整流半導体素子と同様に、従来一般に用いられているＳｉ素材を用いた場合、半導体スイッチは大電流に対応するためサイズが大きくなり、又スイッチＯＮの際の始動抵抗が大きく、パワー損失が大きくなるため結局コネクタが大型化し、特別な冷却機能が必要となる。
【０００８】
この発明は、上記の問題点に留意して、車載電源ラインに対して故障、保守点検時にラインの切離しが自在なコネクタとしての機能を有し、かつ通常時は電磁リレーと同等の電気的な遮断機能を有し、車載電源ラインのような大容量の通電に対し十分小さい損失抵抗となる素子で通電、遮断ができる半導体素子内蔵コネクタを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決する手段として、車載電源ラインに接続される接続金具と、この接続金具の入力端子と出力端子間を接続する半導体スイッチとをコネクタケース内に備え、半導体スイッチはワイドバンドギャップ半導体を用い、半導体スイッチを外部からの制御信号により開閉してラインに供給される大電流を通電、遮断するように構成した半導体素子内蔵コネクタとしたのである。
【００１０】
上記構成としたこの発明の半導体素子内蔵コネクタは、電気自動車の走行用モータのような大容量の負荷へ大電流を供給する車載電源ラインにおいて、電源を切断する電磁リレーに替えて同じ機能を有し、かつ電源ラインを切離し自在に接続するコネクタとして使用される。従来の電磁リレーに替わるこのようなコネクタは、車載電源ラインを車両の不使用時に通電状態から解除して不測の事故、故障が生じるのを防止するのに必要とされるものである。
【００１１】
又、コネクタは、一般に雄、雌一対のコネクタが用いられるが、半導体スイッチはそのいずれか一方のコネクタに内蔵される。接続金具は、入力端子と出力端子の間の任意の位置で切断され、両端子は半導体スイッチにより接続される。半導体スイッチをオン（導通）とするときは外部より制御信号を入力し、この制御信号が入力されている間はオンとなり、制御信号が遮断されるとスイッチオフとなる。
【００１２】
このような半導体スイッチに用いられるワイドバンドギャップ半導体は、例えばＳｉＣ半導体、あるいはＧａＮ半導体であり、スイッチング素子としてのオン抵抗が小さく、このためパワー損失が小さい。従って、車載バッテリから大電流がこのコネクタを経由して走行モータへ通電されたときでも、効率よく通電でき、遮断する際は制御信号をオフとすることにより容易に遮断することができる。
【００１３】
【実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は車載電源ラインに用いられる一対の半導体素子内蔵コネクタの外観斜視図であり、（ａ）図にＭ型（雄型）コネクタＣ１  、（ｂ）図にＦ型（雌型）コネクタＣ２  を示す。図示の例では、上記一対のコネクタＣ１  、Ｃ２  のうちＣ１  のコネクタケース１内に半導体スイッチ２ａ、２ｂが内蔵されている。但し、半導体スイッチ２ａ、２ｂはＦ型コネクタＣ２  に設けてもよい。又、半導体スイッチ２ａ、２ｂは最小限１つでもよいが、図示のコネクタは、後述するように電気自動車等の車載電源ラインに用いられるため、２つ設けられている。
【００１４】
コネクタＣ１  の半導体スイッチ２ａ、２ｂは、接続金具のドレン板３とコネクタＣ１  から突出する接続金具の突出端子４の基部との間に挟んでコネクタケース１内に設けられている。ドレン板３には入力側の電源ラインの電力線６ｗが接続され、半導体スイッチ２ａ、２ｂを取付けることによりドレン端子が接続されている。半導体スイッチ２ａ、２ｂのソース端子２ｓ、２ｓは接続部材４ａ、４ｂで突出端子４の基部に接続され、ゲート端子２ｇ、２ｇへは電力線６ｗと並行にコネクタケース１に接続された２つの独立の制御信号線６ｃがコネクタケース１内でそれぞれ６ｃａ、６ｃｂとして接続されている。なお、５はコネクタケース１の係合突片である。又、コネクタケース１内はモールド材７を充填して各部材が固定される。
【００１５】
一方、Ｆ型のコネクタＣ２  はコネクタＣ１  を受入れる一対のコネクタの片側であり、従来のコネクタと同じである。コネクタケース１０内にはＦターミナル１１が挿入、固定され、接続口１２から挿入されるコネクタＣ１  の突出端子４を接続すると、Ｆターミナル１１の反対側端に接続される出力側の電力線１３に電力を送るように構成されている。１５はコネクタＣ１  の係合突片５が嵌合する嵌合溝である。
【００１６】
上記Ｍ型コネクタＣ１  に内蔵されている半導体スイッチ２ａ、２ｂは、図示の例ではワイドバンドギャップ半導体の１つであるＳｉＣを用いた電界効果型ＦＥＴが採用されている。ワイドバンドギャップ半導体としては、この他にもＧａＮ、ダイアモンド等があり、ＳｉＣ以上の低損失電力素子であればよい。従来のＳｉのＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子は、キャリア密度、キャリア移動度が低いため損失が大きく、スイッチング素子としてのオン抵抗が大きいとされるのに対し、ＳｉＣ半導体素子はキャリア密度、キャリア移動度が高いので、低損失のパワーデバイスとして利用できる。
【００１７】
上記の構成とした実施形態のコネクタは、後述するように電気自動車の走行用モータへバッテリから大電流を送る電源ライン等に用いられる。一対のコネクタＣ１  とＣ２  を係合突片５を嵌合させて係合することによりコネクタ同士の機械的な接続が行なわれる。そして、必要に応じて入力側の電力線６ｗと出力側の電力線１３の電気的な接続が行なわれるが、この接続は、制御信号線６ｃからコネクタＣ１  内の半導体スイッチ２ａ、２ｂのゲート端子２ｇ、２ｇのいずれか外部から制御信号を送り込むことにより行なわれる。
【００１８】
例えば半導体スイッチ２ｂのゲート端子２ｇへ制御信号が送り込まれた後一定時間経過すると遮断され、代わって半導体スイッチ２ａのゲート端子２ｇへ制御信号が送り込まれる。このため、半導体スイッチ２ｂのゲート端子２ｇへ制御信号が送り込まれている間は半導体スイッチ２ｂのドレン端子はソース端子に導通され、これにより入力側の電力線６ｗから突出端子４、Ｆターミナル１１を経て他方のコネクタＣ２  の出力側の電力線１３へと大電流が送られる。一定時間経過後には制御信号が切替えられてもう１つの半導体スイッチ２ａがオンとなり、そのドレン端子がソース端子へ接続されて同様に大電流が電力線６ｗから１３へ送られる。
【００１９】
一方のコネクタＣ１  内に２つの半導体スイッチ２ａ、２ｂを設けているのは、走行用モータの起動時の突入電流が大きいため、コネクタＣ１  内に設けられている抵抗Ｒにより制限電流を流すようにし、モータが定常状態になると抵抗Ｒのない経路により大電流を通電するためである。但し、図示のように、制御信号線６ｃを２つの独立の制御信号線６ｃａ、６ｃｂとする代わりに１つの制御信号線６ｃを用いる場合は、６ｃａ、６ｃｂのいずれか一方の分岐ライン中に抵抗Ｒを入れ、抵抗Ｒとゲート端子の接続点をコンデンサＣにより接地し、そのラインの制御信号のタイミングを遅らせるようにすればよい。
【００２０】
図４は、上記構成の一対のコネクタＣ１  、Ｃ２  を電気自動車の走行用モータＭへの電源回路へ使用する使用例を示す。図示の電源回路は、バッテリＢからの直流電流を、この実施形態の半導体スイッチ２ａ、２ｂを内蔵する一対のコネクタＣ１  、Ｃ２  を介してインバータＩｎへ送り、そこで変換された３相交流電流をモータＭへ送るように構成されている。一対のコネクタＣ１  、Ｃ２  は、従来の電源回路に用いられていた電磁リレーに代えて用いられている。但し、コネクタＣ１  、Ｃ２  はタイミングを変えて作動するように設けられている。
【００２１】
コネクタＣ１  、Ｃ２  を経て送られる直流電流は、図示の例では６つのＳｉＣＭＯＳＦＥＴで構成されるブリッジ回路から成るインバータＩｎにより３相交流電流へ変換して走行モータＭへ送られ、この走行モータＭへの通電はモータ用のＥＣＵ（コントロールユニット）から制御信号をプリドライバユニットＤＵへ送り、このユニットで電圧、温度を監視しながら加速、減速を制御するようになっている。
【００２２】
このような電源回路では走行モータＭへ通電される電流は大電流であり、従来のＳｉ半導体スイッチでは電力損失が大きいが、ＳｉＣ半導体スイッチを用いることにより発熱を抑制して大電流を通電することができ、電磁リレーに代えて装置の小型化、部品点数の低減化、車重の軽量化、信頼性の向上を図ることができることとなる。
【００２３】
上記実施形態の半導体素子内蔵コネクタは、電気自動車等の車載電源ラインのような車両の不使用時に通電状態を解除して不測の事故、故障が生じるのを防止するのに必要とされるものである。電気自動車等の走行モータ用電源ラインは、上述したようにバッテリからの直流をインバータのような電力変換手段により交流に変換して送るが、このような電源ラインは車両が停止し、車両が不使用状態となった時は、電源スイッチを遮断することにより電源ライン自体をバッテリから遮断し、車両の停止中での不意の移動や電源回路の意図しない作動等による事故や故障を防止する必要があるからである。
【００２４】
図５は、前述した１対のコネクタＣ１  とＣ２  を順序を逆にして一体型に構成した中継コネクタＣ０  を示す。コネクタケース１０と１は、一体のケースに形成されるが、第１実施形態との関係上同じ符号をコネクタＣ１  とＣ２  に対応して他の符号と共に表示している。又、第１実施形態と同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。なお、コネクタＣ２  の電力線１３は省略され、この電力線１３に相当する電力線としてコネクタＣ１  の電力線６ｗが用いられている。又、制御信号線６ｃは外部より別途コネクタＣ１  部分のコネクタケース１に接続される。
【００２５】
上述したいずれの実施形態でも各コネクタに内蔵される半導体素子としてＳｉＣＭＯＳＦＥＴを示したが、半導体素子としてはこれ以外にもＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタ等があり、Ｓｉに変えてＳｉＣを適用できる半導体素子であれば全て適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、この発明の半導体素子内蔵コネクタはコネクタケース内に設けた接続金具の入出力端子間を半導体スイッチで接続し、ワイドバンドギャップ半導体のスイッチに外部から制御信号を入力してスイッチを開閉して車載電源ラインの大電流を通電、遮断するようにしたから、通常のコネクタとしての接続機能は勿論、半導体スイッチへの制御信号による電気的な遮断機能を有し、かつ大電流の通電、遮断を効率よく、小さい損失抵抗によりパワー損失を小さくして行なうことができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の半導体素子内蔵コネクタの（ａ）Ｍ型コネクタ外観斜視図、（ｂ）Ｆ型コネクタ外観斜視図
【図２】（ａ）図１の矢視ＩＩ−ＩＩから見た断面図、（ｂ）コネクタＣ１  の平面図
【図３】コネクタＣ１  の電気的配線図
【図４】電気自動車の走行用モータへの電源供給回路の例を示す図
【図５】第２実施形態の中継コネクタの外観斜視図
【符号の説明】
１、１０  コネクタケース
２ａ、２ｂ  半導体スイッチ
３  ドレン板
４  突出端子
５  係合突片
６ｗ  電力線
６ｃ  制御信号線
Ｃ１  、Ｃ２    コネクタ
Ｃ０    中継コネクタ
【図１】
2004335171.tif 000003
【図２】
2004335171.tif 000004
【図３】
2004335171.tif 000005
【図４】
2004335171.tif 000006
【図５】
2004335171.tif 000007