CN109923748B - 开关电路及电源装置 - Google Patents

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Abstract

安装于将多个蓄电池连接的电线上的开关电路包括使蓄电池间的连接接通或关断的半导体开关和与半导体开关并联连接的保护开关。保护开关具有分别与电线连接的端子对和将热膨胀率不同的多个导电构件贴合而成的导电板。导电板随着半导体开关的温度上升而以将端子之间连接的方式进行变形，将电源之间的连接接通。

Description

开关电路及电源装置
技术领域
本发明涉及开关电路及电源装置。
本申请主张基于2016年11月15日申请的日本专利申请第2016-222506号的优先权，引用所述日本专利申请中记载的全部记载内容。
背景技术
在专利文献1中公开了一种保护电路，在基板上经由熔融构件设置有导通构件，在半导体开关异常发热时，熔融构件熔融，由此导通构件位移到基板上，与设置于基板上的两个端子接触，从而使端子之间电连接。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-131138号公报
发明内容
本公开的开关电路为安装于对多个电源进行连接的电线上的开关电路，具备：半导体开关，安装于所述电线上，使所述多个电源之间的连接接通或关断；及保护开关，与所述半导体开关并联连接，随着所述半导体开关的温度上升而变形，由此使所述电源之间的连接接通。
本公开的电源装置具备多个电源和上述的开关电路。
附图说明
图1是示出实施方式1的电源装置的结构例的框图。
图2A是示出实施方式1的保护开关的结构例的剖视图。
图2B是示出实施方式1的保护开关的结构例的剖视图。
图2C是示出实施方式1的保护开关的结构例的剖视图。
图3A是示出实施方式2的保护开关的结构例的剖视图。
图3B是示出实施方式2的保护开关的结构例的剖视图。
图3C是示出实施方式2的保护开关的结构例的剖视图。
具体实施方式
[本公开要解决的技术问题]
在专利文献1中公开的保护电路中，通过熔融构件熔融使端子之间电连接，因此使端子之间连接的温度(保护电路工作的温度)由熔融构件的熔点决定。但是，不一定能够良好地选定能够实现期望的熔点的原材料。例如，在熔融构件需要使用无铅焊料的情况下，熔点的调整困难，难以实现期望的熔点的熔融构件。因此，不容易任意设定保护电路工作的温度。
本发明是鉴于这样的情况而提出的，其目的在于提供具备在任意的温度下工作的保护电路的开关电路及电源装置。
[本公开的效果]
根据本公开，能够提供具备在任意的温度下工作的保护开关的开关电路及电源装置。
[本发明的实施方式的说明]
首先列举说明本发明的实施方式。另外，可以将下面记载的实施方式的至少一部分任意组合。
(1)本发明的一方式的开关电路安装于对多个电源进行连接的电线上，其中，具备：半导体开关，安装于所述电线上，使所述多个电源之间的连接接通或关断；及保护开关，与所述半导体开关并联连接，通过随着所述半导体开关的温度上升而变形，而使所述电源之间的连接接通。
在本方式中，与半导体开关并列设置的保护开关随着半导体开关的温度上升而变形，由此使电源之间的连接接通。对于通过随着温度上升的变形而使电源之间的连接接通的保护开关，与通过熔融构件的熔融而使端子之间连接的结构相比，工作的温度的设定更容易。因此，能够实现具备在任意的温度下工作的保护开关的开关电路。
(2)优选的是，所述保护开关具有：端子对，分别与所述电线连接；及导电板，是将热膨胀率不同的多个导电构件贴合而成的导电板，所述导电板与所述端子对中的一个端子连接，并且随着所述半导体开关的温度上升而以将所述端子对中的所述一个端子与另一个端子之间连接的方式进行变形。
在本方式中，保护开关由将热膨胀率不同的多个导电构件贴合而成的导电板构成。导电板随着半导体开关的温度上升而变形，变形了的导电板使端子之间连接。例如将两种金属薄膜贴合而成的双金属片能够容易地设定变形时的温度，因此能够实现在任意的温度下工作的保护开关。
(3)优选的是，所述端子对中的至少所述另一个端子由具有导电性且在规定的温度下熔融的熔融构件构成。
在本方式中，工作(变形)的保护开关连接的端子由在规定的温度下熔融的熔融构件构成。因此，在变为规定的温度以上的情况下熔融构件的端子熔融，由此能够减小端子的电阻。
(4)优选的是，所述保护开关在使所述电源之间的连接接通的情况下，随着所述半导体开关的温度降低而以恢复为原来的形状的方式进行变形，由此使所述电源之间的连接关断。
在本方式中，工作的保护开关随着半导体开关的温度降低而恢复为原来的形状，由此使电源之间的连接关断。因此，在因保护开关工作而半导体开关的温度减低了的情况下，基于保护开关的电源之间的连接关断，仅进行基于半导体开关的电源之间的连接。
(5)优选的是，所述保护开关在比使所述电源之间的连接接通时的温度低的温度下使所述电源之间的连接关断。
在本方式中，保护开关在比使电源之间的连接接通时的温度低的温度下使电源之间的连接关断。因此，在通过保护开关使电源之间暂时连接的情况下，维持电源之间的连接直至降低到电源之间的连接关断的温度为止，因此能够防止电源之间的连接频繁地接通/关断。
(6)本发明的一方式的电源装置具备：多个电源；及上述任一个开关电路。
在本方式中，经由具备在任意的温度下工作的保护开关的开关电路将多个电源连接。
[本发明的实施方式的详细内容]
近年来，在车辆中搭载具备多个蓄电池的电源系统。在这样的电源系统中，设置有用于使蓄电池间的电连接接通/关断的开关。设置于蓄电池间的开关频繁地接通/关断，因此使用开闭寿命比机械继电器更长的半导体继电器(半导体开关)。另一方面，在使用半导体开关的情况下，在因短路等而在开关中流动有过大的电流时，半导体元件发热，因该发热而可能损坏半导体元件本身和周边的部件。因此，在使用半导体开关的情况下，设置有在构成开关的部件上升到耐热温度之前将开关关断的结构。另外，也设置有保护电路，该保护电路在发生意外情况而不能将开关关断的情况下保护开关。例如，保护电路构成为与半导体开关并联连接，并通过将向半导体开关流动的电流分流到保护电路而减小向半导体开关流动的电流。
下面，一边参照表示实施方式的附图一边说明本发明的一方式的开关电路及电源装置。需要说明的是，本发明不限于这些例示，由请求保护的范围表示，意图包括与请求保护的范围等同的意思及在请求保护的范围内的全部变更。
(实施方式1)
图1是示出实施方式1的电源装置的结构例的框图。实施方式1的电源装置搭载于车辆。另外，实施方式1的电源装置具备两个第一蓄电池41及第二蓄电池43(电源)，具有在连接蓄电池41、43的电线40上安装的开关电路1。需要说明的是，蓄电池41、43经由开关电路1并联连接。搭载于车辆的电源装置可以是具备三个以上的蓄电池的结构，在该情况下，在连接各个蓄电池间的电线上安装开关电路。
在实施方式1的电源装置中，在第一蓄电池41并联连接有作为导航系统等车载设备的负载42。另外，在第二蓄电池43并联连接有用于使车辆的发动机起动的起动器44。在第一蓄电池41及第二蓄电池43，还可以并联连接有负载42及起动器44以外的负载。
开关电路1包括：半导体开关2，安装于电线40上并使蓄电池41、43间的连接接通或关断；开关控制部20，控制半导体开关2的接通或关断；及保护开关3，与半导体开关2并联连接。图1示出半导体开关2由N沟道型FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)构成的例子，但是半导体开关2也能够由P沟道型FET构成。
开关控制部20在应该切断第一蓄电池41与第二蓄电池43的连接时，将半导体开关2关断。例如，在起动器44使发动机起动时，事先向开关控制部20输入通知信号。在输入有通知信号的情况下，开关控制部20将半导体开关2关断，切断第一蓄电池41与第二蓄电池43的连接。
由于起动器44在使发动机起动时需要大量的电流，因此在发动机起动时产生大的电压变动。因此，如上所述，在通过起动器44使发动机起动之前，切断第一蓄电池41与第二蓄电池43的连接，以使由在起动器44(第二蓄电池43)侧产生的电压变动带来的影响不会波及到第一蓄电池41及负载42。
开关控制部20在第二蓄电池43的电压恢复后，使半导体开关2接通，再次开始第一蓄电池41与第二蓄电池43的连接。需要说明的是，在通常时，开关控制部20使半导体开关2接通，由此，在通常时，来自两个蓄电池41、43的电力向负载42等供给。
在实施方式1的电源装置中，例如在第二蓄电池43侧产生短路的情况下，产生大电流从第一蓄电池41经半导体开关2及短路路径流动的状况。在半导体开关2中流动有大电流的情况下，构成半导体开关2的半导体元件发热，半导体元件本身和周边的部件变为过热状态，各部件可能损坏。
因此，在实施方式1的电源装置中构成为，在各部件变为过热状态之前保护开关3工作，将经由保护开关3的蓄电池41、43间的连接接通。在保护开关3工作的情况下，向半导体开关2流动的大电流向保护开关3分流，因此能够减小在半导体开关2中流动的电流。其结果是，能够抑制半导体元件的发热，防止各部件损坏。
图2A～图2C是示出实施方式1的保护开关3的结构例的剖视图。图2A示出关断状态(非工作状态)的保护开关3，图2B、图2C示出接通状态(工作状态)的保护开关3。
实施方式1的保护开关3设置于在基板50上分离形成的母线51a、51b之间。母线51a、51b由导电性材料构成，在母线51a、51b分别连接有电线40。例如，在图1所示的电线40中，与开关电路1的左侧连接的电线40与母线51a连接，与开关电路1的右侧连接的电线40与母线51b连接。在这样的结构中，保护开关3使母线51a、51b间的连接接通或关断，由此，经由电线40的蓄电池41、43间的连接接通或关断。需要说明的是，半导体开关2也设置为使母线51a、51b间的连接接通或关断。
具体地说，保护开关3包括：第一端子31，设置于母线51a的上表面；第二端子32，设置于母线51b的上表面；及矩形的导电板30，一端固定(连接)于第二端子32。第一端子31及第二端子32(端子对)由导电性材料形成，分别经由母线51a、51b与电线40连接。
导电板30由双金属片形成，该双金属片是将热膨胀率不同的两个金属薄膜(导电构件)30a、30b贴合而构成。导电板30以仅一端连接于第二端子32的状态安装于基板50(母线51b)，在通常时，如图2A所示，导电板30的另一端不与第一端子31连接。即，在通常时，保护开关3是关断状态(非工作状态)，第一端子31与第二端子32不电连接。
导电板30构成为随着周边温度的上升而变形，在实施方式1中，构成为从图2A所示的弯曲形状变形为图2B、图2C所示的直线形状。对于图2A～图2C所示的导电板30，例如将热膨胀率大的金属薄膜30a安装于上侧。
保护开关3通过导电板30变形使得导电板30的另一端与第一端子31连接而变为将蓄电池41、43间的连接接通的接通状态(工作状态)。因此，按照半导体开关2的规格以在半导体开关2变为过热状态之前保护开关3工作的方式设定导电板30进行变形的温度即可。需要说明的是，导电板30由例如向铁及镍的合金添加锰、铬、铜等而制成的金属薄膜30a、30b构成，导电板30进行变形的温度能够根据金属薄膜30a、30b的材料及各材料的含有量而任意设定。另外，能够通过调整初始形状来调整导电板30的另一端与第一端子31连接的温度。需要说明的是，优选保护开关3配置于半导体开关2的附近，以使得保护开关3的周边温度变为接近半导体开关2的温度的温度。
关于上述的结构的保护开关3，例如在因在半导体开关2中流动有大电流而半导体开关2(半导体元件)异常发热的情况下，随着半导体开关2的温度上升，导电板30变形。并且，如图2B所示，在导电板30的另一端与第一端子31接触的时刻，保护开关3变为接通状态(工作)。在保护开关3工作的情况下，向半导体开关2流动的大电流向保护开关3分流，因此在半导体开关2中流动的电流减少，能够避免半导体元件及周围部件变为过热状态。
在半导体开关2中流动的电流减少的情况下，半导体开关2(半导体元件)的温度降低。因此，在工作中的保护开关3中，随着半导体开关2的温度下降，导电板30以恢复为原来的形状的方式进行变形。即，图2B所示的形状的导电板30变形为图2A所示的形状。并且，如图2A所示，在导电板30的另一端与第一端子31分离的时刻，保护开关3变为使蓄电池41、43间的连接关断的关断状态，恢复为通常状态。
优选构成导电板30的金属薄膜30a、30b、第一端子31及第二端子32由电阻小的导电性材料构成。由此，在保护开关3工作的情况下，能够更减小在半导体开关2中流动的电流。另外，导电板30的一端和第二端子32使用焊料或螺钉等固定。优选对导电板30的一端和第二端子32进行固定的构件也由电阻小的导电性材料构成。
第一端子31也可以由在规定的温度下熔融的熔融构件构成。例如，能够由在比保护开关3工作的温度(导电板30进行变形的温度)高的温度下熔融的熔融构件构成第一端子31。在该情况下，如图2B所示，在保护开关3变为接通状态之后半导体开关2(半导体元件)的温度进一步上升而达到第一端子31的熔融温度的情况下，如图2C所示，第一端子31熔融。作为熔融构件例如能够使用焊料，在使用焊料的情况下，第一端子31熔融后的电阻减小。在半导体开关2变为过热状态达到熔融构件(第一端子31)熔融的程度的情况下，半导体开关2恢复的可能性小。因此，在发生了第一端子31熔融的状况的情况下，通过更减小第一端子31的电阻而能够进一步减小在半导体开关2中流动的电流。需要说明的是，在第一端子31熔融后半导体开关2的温度降低而第一端子31固化的情况下，导电板30的另一端与第一端子31通过固化的熔融构件(第一端子31)连接，因此维持保护开关3的接通状态。因此，在该情况下，能够维持经由保护开关3的蓄电池41、43间的连接，而不仅经由恢复的可能性小的半导体开关2，因此电源装置能够进行通常动作。需要说明的是，焊料在熔融后固化的情况下，变为低电阻，因此优选用作熔融构件。
在实施方式1中，保护开关3由使用双金属片的导电板30构成。双金属片能够调整为在任意温度下变形，因此能够容易实现在任意温度下工作的保护开关3。因此，能够构成适应所配置的环境的保护开关3，能够形成设置有适当的保护开关3的开关电路1及电源装置。
需要说明的是，导电板30不限于使用将两种金属薄膜30a、30b贴合而成的双金属片的结构。若是在任意温度下变形的结构，则可以将三种以上的金属薄膜贴合来构成导电板30，也可以如形状记忆合金那样以一种金属薄膜构成导电板30。
(实施方式2)
在实施方式2的电源装置中，除了保护开关3的结构以外，具有与实施方式1的电源装置同样的结构，因此针对同样的结构标注同一标号而省略说明。
图3A～图3C是示出实施方式2的保护开关3的结构例的剖视图。图3A示出关断状态(非工作状态)下的保护开关3，图3B、图3C示出接通状态(工作状态)下的保护开关3。需要说明的是，在保护开关3中，对与实施方式1同样的结构也标注同一标号及名称。
实施方式2的保护开关3也设置于在基板50上形成的母线51a、51b之间。实施方式2的保护开关3包括设置于母线51b的上表面的第一端子31、设置于母线51a的上表面的第二端子32和导电板30。另外，实施方式2的保护开关3在母线51b的上表面，在隔着第一端子31而与第二端子32对向的位置处具有由绝缘性材料构成的绝缘支承体33。如图3A所示，实施方式2的导电板30形成为弯曲的矩形板状，在一端固定于第二端子32、另一端固定于绝缘支承体33且向上侧弯曲的状态下安装于基板50(母线51a、51b)。因此，导电板30的一端经由第二端子32及母线51a与电线40电连接，但是另一端不与第一端子31及母线51b(电线40)电连接。即，在通常时，保护开关3处于关断状态(非工作状态)，第一端子31及第二端子32不电连接。
导电板30、第一端子31及第二端子32分别具有与实施方式1的导电板30、第一端子31及第二端子32同样的结构。另外，优选导电板30的一端和第二端子32使用焊料或螺钉等固定，进行固定的构件也由电阻小的导电性材料构成。
实施方式2的导电板30的两端固定于第二端子32及绝缘支承体33，因此在周边温度上升的情况下，导电板30从如图3A所示向上侧弯曲的形状变形为如图3B、图3C所示向下侧弯曲的形状。需要说明的是，通过使热膨胀率大的金属薄膜30a位于上侧地安装导电板30，导电板30能够进行这样的变形。
在上述结构的保护开关3中，在半导体开关2(半导体元件)异常发热的情况下，导电板30随着半导体开关2的温度上升而变形，如图3B所示，在导电板30(金属薄膜30b)的下表面与第一端子31接触的时刻，保护开关3变为接通状态(工作)。由此，第一端子31与第二端子32之间连接，蓄电池41、43间的连接接通。在实施方式2中，也是在保护开关3工作的情况下，将向半导体开关2流动的大电流向保护开关3分流，因此在半导体开关2中流动的电流减小，能够避免半导体元件变为过热状态。
另外，在工作中的保护开关3中，在半导体开关2的温度降低的情况下，导电板30以恢复为原来的形状的方式变形，如图3A所示，在导电板30的下表面与第一端子31分离的时刻，保护开关3变为关断状态，恢复为通常状态。
在实施方式2的保护开关3中，在从图3A所示的形状变形为图3B所示的形状的情况和从图3B所示的形状恢复为图3A所示的形状的情况下，变形需要的能量不同。因此，通过适当地设定金属薄膜30a、30b的热膨胀率，能够构成为在比将保护开关3从关断状态切换为接通状态时的温度低的温度下，将保护开关3从接通状态切换为关断状态。由此，能够防止保护开关3频繁地接通/关断。
另外，在实施方式2的保护开关3中，如图3A所示，导电板30以弯曲的状态两端固定于第二端子32及绝缘支承体33。因此，在半导体开关2异常发热的情况下，热膨胀率大的金属薄膜30a朝下按压金属薄膜30b，在金属薄膜30a的按压力为规定值以上的情况下，变形为图3B所示的状态。即，能够使迟滞(Hysteresis)作用于保护开关3，该变形利用被称为屈曲(buckling)的现象。
在实施方式2中，第一端子31也能够由在规定的温度(比保护开关3工作的温度高的温度)下熔融的熔融构件构成。在该情况下，如图3B所示，在保护开关3变为接通状态之后半导体开关2(半导体元件)的温度进一步上升而达到第一端子31的熔融温度的情况下，如图3C所示，第一端子31熔融。在作为熔融构件而使用焊料的情况下，在半导体开关2恢复的可能性低时，通过使第一端子31(熔融构件)熔融，能够进一步减小第一端子31的电阻。
另外，在第一端子31熔融后半导体开关2的温度降低而第一端子31固化的情况下，导电板30的下表面与第一端子31通过固化的熔融构件(第一端子31)连接，因此能够维持保护开关3的接通状态。
在实施方式2的开关电路1中，也获得与实施方式1的开关电路1同样的效果。另外，在实施方式2中，导电板30也不限于使用双金属片的结构，可以将三种以上的金属薄膜贴合而构成，另外，可以如形状记忆合金那样由一种金属薄膜构成。
应该认为本次公开的实施方式在全部方面都是例示，而不是限制性的。本发明的范围不是上述的含义，而是由请求保护的范围表示，意图包括与请求保护的范围等同的含义及请求保护的范围内的全部变更。
标号说明
1 开关电路
2 半导体开关
3 保护开关
30 导电板
31 第一端子
32 第二端子
33 绝缘支承体
40 电线
41 第一蓄电池
43 第二蓄电池
30a、30b 金属薄膜

Claims (4)

1.一种开关电路，安装于对多个电源进行连接的电线上，其中，具备：
半导体开关，安装于所述电线上，使所述多个电源之间的连接接通或关断；及
保护开关，与所述半导体开关并联连接，通过随着所述半导体开关的温度上升而变形，而使所述电源之间的连接接通，
所述保护开关具有：
端子对，分别与所述电线连接；及
导电板，是将热膨胀率不同的多个导电构件贴合而成的导电板，
所述导电板与所述端子对中的一个端子连接，并且随着所述半导体开关的温度上升而以将所述端子对中的所述一个端子与另一个端子之间连接的方式进行变形，
所述端子对中的至少所述另一个端子由具有导电性且在规定的温度下熔融的熔融构件构成，在所述导电板接触的状态下熔融后固化时维持与所述导电板之间的连接，所述熔融构件在熔融时电阻减小。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其中，
所述保护开关在使所述电源之间的连接接通的情况下，随着所述半导体开关的温度降低而以恢复为原来的形状的方式进行变形，由此使所述电源之间的连接关断。
3.根据权利要求2所述的开关电路，其中，
所述保护开关在比使所述电源之间的连接接通时的温度低的温度下使所述电源之间的连接关断。
4.一种电源装置，具备：
多个电源；及
权利要求1～3中任一项所述的开关电路。
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