JP2022167806A - ミニ回路遮断器内のデプレッションモードｍｏｓｆｅｔ又はｊｆｅｔ及びバイメタル温度感知スイッチによる過電流保護 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡保護及び過負荷保護のための小型回路遮断器を提供する。【解決手段】保護回路１００において、小型回路遮断器は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備える。これは、デプレッションモード金属酸化膜半導体ＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）又は炭化ケイ素ＪＦＥＴであってよく、このＦＥＴは、バイメタルスイッチ１０２に接続され、バイメタルスイッチは、温度感知回路遮断器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４とバイメタルスイッチとは、組み合わせると、下流の回路コンポーネント（回路要素１０８）への電流を制限することが可能であり、それゆえ、それらのコンポーネントが損傷から保護される。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年９月１１日に出願された、米国特許出願第１７／０１８，２６９号の優先権を主張するとともに、同米国特許出願の一部継続出願である。

過電流又は過剰電流とは、意図されるよりも大きい電流が回路を通って流れる状況である。過電流は、本質的に継続的又は過渡的であり得る。電圧過渡現象、すなわち、電気エネルギーの短い持続時間のサージは、事前に蓄積されていた、又は重い誘導負荷若しくは雷等の他の手段によって誘導されたエネルギーの突然の解放の結果である。モータ、発電機の動作、又はリアクタンス回路コンポーネントの切り替えによって、繰り返し生じ得る過渡現象が頻繁に引き起こされる。雷及び静電気放電（ＥＳＤ）によって、ランダムな過渡現象が引き起こされ得る。

コンポーネントの小型化により、電気応力に対する感度の上昇がもたらされている。例えばマイクロプロセッサは、ＥＳＤ過渡現象からの高電流に対処することが不可能である構造及び導電経路を有する。そのようなコンポーネントは、非常に低い電圧において動作するので、デバイスの中断及び潜在的な又は致命的な故障を防止するために、電圧擾乱の制御に対して高い優先順位が与えられる。

本改善が有用になり得るのは、これらの及び他の考慮事項に対してである。

この概要は、詳細な説明において以下で更に説明される選択された概念を簡略化された形態で導入するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定するように意図されるわけでも、特許請求される主題の範囲の決定を補助するものとして意図されるわけでもない。

短絡又は過負荷イベントに起因して保護を提供するように動作可能な小型回路遮断器の例示的な実施形態が開示される。小型回路遮断器は、外部レバーによって手動で開放又は閉鎖されるが、第１の故障イベントスイッチ又は第２の故障イベントのうちのいずれかに応答して自動的に開放するスイッチを備える。また、小型回路遮断器は、第１の故障イベントに応答してスイッチを開放する磁気コイルと、バイメタルストリップと、当該バイメタルストリップと直列に接続された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とを備え、ＦＥＴのゲート端子及びソース端子は、互いに接続される。バイメタルストリップ及びＦＥＴは、第２の故障イベント中にスイッチを開放する。

本開示に係る小型回路遮断器の別の例示的な実施形態は、バイメタルストリップと、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、スイッチとを備えてよい。バイメタルストリップは、細長い金属ストリップと、当該ストリップの周囲に巻き付けられた金属巻線とを有する。細長い金属ストリップは、小型回路遮断器の定格電流を超える場合に屈曲する。金属巻線を細長い金属ストリップから除去した後、ＦＥＴは、細長い金属ストリップと直列に接続され、かつ当該細長い金属ストリップに熱的に連結される。ＦＥＴは、ソース端子に接続されたゲート端子を有する。小型回路遮断器の定格電流を超える電流が小型回路遮断器に到来すると、スイッチは、細長い金属ストリップの屈曲に起因して開放する。ＦＥＴは、定格電流を上回る電流制限を提供する。

例示的な実施形態に係る、バイメタルスイッチ及びＤ ＭＯＳＦＥＴを備える保護回路を示す図である。

例示的な実施形態に係る、独立型バイメタルスイッチを備える保護回路を示す図である。

例示的な実施形態に係る、回路に対して過電流保護を提供するデバイスの図である。

例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴにねじ留め及びボルト留めされたバイメタルスイッチの図である。

例示的な実施形態に係る、図２の独立型バイメタルスイッチを用いて実行した実験の応答波形である。

例示的な実施形態に係る、図３のバイメタルスイッチとＤ ＭＯＳＦＥＴとの間で実行した実験の応答波形である。 例示的な実施形態に係る、図３のバイメタルスイッチとＤ ＭＯＳＦＥＴとの間で実行した実験の応答波形である。

例示的な実施形態に係る、図２及び図３の回路に対して実行した過電流テスト電流動作の結果を提供する表である。

例示的な実施形態に係る、独立型バイメタルスイッチを有する回路とＤ ＭＯＳＦＥＴを有するバイメタルスイッチを有する回路との間でトリップ応答時間を比較したグラフである。

例示的な実施形態に係る、図２の独立型バイメタルスイッチ回路に対して実行した実験の応答波形である。

例示的な実施形態に係る、図３のバイメタルスイッチ及びＤ ＭＯＳＦＥＴを備えるデバイスに対して実行した実験の応答波形である。

従来技術に係る小型回路遮断器の図である。 従来技術に係る小型回路遮断器の図である。

従来技術に係る小型回路遮断器の図である。

従来技術に係る小型回路遮断器の回路図である。

例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有する小型回路遮断器の回路図である。 例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有する小型回路遮断器の回路図である。

例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有する小型回路遮断器の図である。

例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有する小型回路遮断器及びＤ ＭＯＳＦＥＴを有しない小型回路遮断器に対して実行した実験の応答波形である。 例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有する小型回路遮断器及びＤ ＭＯＳＦＥＴを有しない小型回路遮断器に対して実行した実験の応答波形である。 例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有する小型回路遮断器及びＤ ＭＯＳＦＥＴを有しない小型回路遮断器に対して実行した実験の応答波形である。

過電流及び過電圧保護を提供する回路が本明細書において開示される。回路は、デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ）を電流制限器として備え、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、バイメタルスイッチに接続され、バイメタルスイッチは、温度感知回路遮断器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴとバイメタルスイッチとは、組み合わせると、下流の回路コンポーネントへの電流を制限することが可能であり、それゆえ、それらのコンポーネントが損傷から保護される。

さらに、過電流及び過電圧保護を提供するミニ回路遮断器（ＭＣＢ）が本明細書において開示される。ＭＣＢは、デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ）又は接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）のうちのいずれかを電流制限器として備え、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴは、バイメタルストリップに接続され、バイメタルストリップは、温度感知回路遮断器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴとバイメタルストリップとは、組み合わせると、下流の回路コンポーネントへの電流を制限することが可能であり、それゆえ、それらのコンポーネントが損傷から保護される。

ＭＯＳＦＥＴとして知られている金属酸化膜半導体電界効果トランジスタデバイスは、電子デバイスにおける電子信号の切り替え及び増幅に使用される半導体デバイスである。そのゲートの電圧を調整することによって、ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとの間に配置されたチャネルの幅が変更される。ＭＯＳＦＥＴは、それがＮ型基板を用いて構築されたＰチャネルデバイスであるか、Ｐ型基板を用いて構築されたＮチャネルデバイスであるか、縦配置された半導体であるか、横配置された半導体であるか、デプレッションモードか、エンハンスメントモードかに基づいて、多様な構成を取る。

ゲートの両端間での電圧の印加によってターンオンされるエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴとは対照的に、デプレッションモードＭＯＳＦＥＴは、ゲート端子がゼロボルト（Ｖ_ＧＳ＝０Ｖ）であるときに「ノーマリーオン（ｎｏｒｍａｌｌｙ－ｏｎ）」のデバイスとして知られている。ソース領域とドレイン領域との間に薄いゲート酸化膜を有することに加えて、イオン注入を使用して、ゲート酸化物層の下で、かつソース領域とドレイン領域との間に導電性チャネルが形成される。ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧（Ｖ_Ｔｈ）を所望の値に調整するために、基板－チャネル領域における活性ドーパントの濃度が使用される。その名前にもかかわらず、多くの最新のＭＯＳＦＥＴは、絶縁ゲート酸化膜上に、金属ではなくポリシリコンゲートが設けられて製造され得る。

バイメタルスイッチは、（バックトゥバック（ｂａｃｋ－ｔｏ－ｂａｃｋ）で）ともに接合された２つの金属ストリップからなるスイッチである。バイメタルスイッチは、回路内の、２つの接続点間に配置される。第１の金属ストリップは、第１の熱膨張係数を有し、第２の金属ストリップは、第２の、異なる熱膨張係数を有する。バイメタルスイッチへの熱の印加時、当該スイッチは、温度が「開放（ｏｐｅｎ）」閾値を超えると、これらの２つの異なる熱膨張係数に基づいて、一時的に変形、又は屈曲することになる。バイメタルスイッチが事前定義された長さの金属の２つのバックトゥバックストリップからなる場合、熱の印加により、スイッチが「短縮する」、又は一端が「持ち上がる」ことになり、それにより、スイッチはもはや事前定義された長さを維持しなくなり、それゆえ、回路の双方の接続点に接触しなくなり、開回路状態がもたらされる。バイメタルスイッチが製造済みパッケージ（例えば、以下で更に論述されるＫＳＤ－０１Ｆ温度スイッチサーモスタット）の一部である場合、当該パッケージは、加熱中に自身の相対位置を変化させることになる２つの伸長脚部を備え、それゆえ回路の接続点からの切断がもたらされ、開回路状態がもたらされる。いずれの構成においても、バイメタルスイッチが再度冷却されると、スイッチは屈曲解除されるか又は順応してその元の形状（一般的には平坦である）に戻り、それゆえ、スイッチが再度２つの接続点間で接触し、回路が閉鎖される。

図１は、例示的な実施形態に係る保護回路１００の代表図である。保護回路１００（本明細書において「回路」としても知られている）は、互いに直列に接続されたバイメタルスイッチ１０２及びデプレッションモードＭＯＳＦＥＴ１０４（以降、「Ｄ ＭＯＳＦＥＴ」又は「ＭＯＳＦＥＴ」）からなる。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は、電流が流れるドレイン（Ｄ）及びソース（Ｓ）と、特定の電圧状態下で、ドレインとソースとの間の電流に影響を与えることになるゲート（Ｇ）とを備える。デプレッションモードデバイスとして、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は、常時「オン」であり、ゲート（Ｇ）電圧が０Ｖであっても、ドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）との間で電流が流れる。バイメタルスイッチ１０２は、スイッチが閉鎖されているときにノード１１０とノード１１２との間での電気経路を提供し、スイッチが閉鎖されていないときに開回路をもたらす。また、バイメタルスイッチ１０２の一端は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン（Ｄ）に接続する。

保護回路１００は、第１の端部においてＭＯＳＦＥＴ１０４のソース（Ｓ）に、かつ第２の端部においてＭＯＳＦＥＴのゲート（Ｇ）に接続された抵抗器１０６を更に備える。それゆえ、抵抗器１０６の両端間での電圧は、ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲートソース間電圧と同じである。抵抗器１０６の第２の端部（及びＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート）は、保護すべき更なる回路要素１０８に接続し、保護すべき更なる回路要素１０８は、既に説明された回路要素の下流にあり、図１において全体的に示されている。

例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は、電流制限器であり、バイメタルスイッチ１０２は、温度感知回路遮断器として作用する。保護回路１００のバイメタルスイッチ１０２は、バックトゥバックで互いに取り付けられた２つの異なる金属ストリップからなる。第１の金属ストリップは、第１の熱膨張係数を有し、第２の金属ストリップは、第２の、異なる熱膨張係数を有する。この差異により、スイッチ１０２は、バイメタルスイッチによって感知される温度が閾値温度を超える場合に一時的な変形（例えば、屈曲）を呈する。一時的な変形により、バイメタルスイッチ１０２は、もはやノード１１０及びノード１１２の双方に接続しなくなり、開回路がもたらされる。閾値温度によりバイメタルスイッチ１０２が保護回路１００を開放するので、閾値温度は、本明細書において「開放閾値温度」及び「トリップ点」又は「タイムトゥトリップ（ｔｉｍｅ ｔｏ ｔｒｉｐ）」温度としても知られている。

例示的な実施形態では、バイメタルスイッチ１０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４の組み合わせが、回路１００に対して過電流保護を提供する。過電流状態は、図１に示されているように、１）過渡過電流又は２）定過電流のいずれかとして特徴付けられ得る。過電流状態が存在すると、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は熱を生成し、これによりバイメタルスイッチ１０２の熱感知特性が活性化する。バイメタルスイッチ１０２の一時的な変形は、開放閾値温度に達し、それにより、バイメタルスイッチ１０２が回路１００のノード１１０及びノード１１２のうちの１つ又は複数に接続しなくなり、開回路がもたらされることを意味する。

異常過電流状態が収まると、バイメタルスイッチ１０２の２つの金属ストリップが冷却され、スイッチが一時的に変形した状態からその元の状態に戻る。これにより、バイメタルスイッチ１０２は、回路１００のノード１１０及びノード１１２の双方の間で接続を再度確立し、閉回路がもたらされる。バイメタルスイッチ１０２は、このように保護回路１００の回路遮断状態を提供し、これは、（図１において「更なる回路要素１０８」として示されている）回路内の他の電子システム又はデバイスの安全防護のためのフェイルセーフ環境である。

保護回路１００内で、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は、過電流及び過電圧イベントに対する高速応答及び阻止能力を提供することが可能であり、サージ電流イベントを迅速にクランプすることが可能である。Ｄ ＭＯＳＦＥＴの過電流クランプ能力は、高速過渡サージエネルギーを吸収し、これにより、何らかの有害な過渡サージが保護すべき敏感な電子機器（更なる回路要素１０８）に到達することから保護される。

対照的に、バイメタルスイッチ１０２は、高電流遮断能力を提供する。しかしながら、バイメタルスイッチ１０２は、高速過渡イベントから保護するために迅速に応答することは不可能である。それゆえ、バイメタルスイッチ１０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４の組み合わせは、例示的な実施形態では、過電流及び過電圧保護における改善を提供するために双方のデバイスの利点を利用するのに役立つ。

例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は、Ｌｉｔｔｅｌｆｕｓｅ（登録商標）によって製造されているＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｖ_ＤＳＸ＝５００Ｖ、Ｉ_{Ｄ（ｏｎ）}＝１６Ａ、Ｒ_{ＤＳ（ｏｎ）}＝３００ｍΩ）であり、バイメタルスイッチ１０２は、Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｆｕｋｕａｎｙｕａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．Ｌｔｄ（ｆｕｙｕａｎｆｕｓｅ．ｃｏｍ）によって製造されているＫＳＤ－０１Ｆ温度スイッチサーモスタットである。図１に示されているように、バイメタルスイッチ１０２は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４の入力端子ドレイン（Ｄ）ピンに接続される。抵抗器１０６は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４のＧ－Ｓ端子間で接続される。バイメタルスイッチ１０２は、導電スイッチとして作用する。正常動作中、電流が開放閾値温度（これは、バイメタルスイッチ１０２についての「トリガレベル」とも考えられ得る）を超えないことを条件として、バイメタルスイッチ１０２は、電流がそれを通過することを可能にする。

Ｉ_Ｄとして示されている、ＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン電流は、ゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳの電位差（Ｉ_Ｄ×Ｒ）が、負のＶ_ＧＳが大きくなると更なる電流がＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４を通過するのが阻止されるレベルに達するまで、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４のＤ－Ｓ端子を通って流れ始める。１つの実施形態では、印加電圧が増加するにつれて、電流が、飽和状態が達成されるまで線形モードで増加することになる。（バイメタルスイッチ１０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４を備える）組み合わせ回路により、Ｄ ＭＯＳＦＥＴの最大飽和電流Ｉ_ｓａｔが回路１００を通って流れることが可能になる平衡状態が達成される。この状態において、また、エネルギーは、同様に熱として、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４において消散する（Ｉ_ｓａｔ×Ｖ_ＤＳ）。

例示的な実施形態では、飽和電流Ｉ_ｓａｔは、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４を通過する最大定常状態電流である。これは、飽和電流を超えない限り、Ｄ ＭＯＳＦＥＴはチップ故障又は過熱に起因する故障を伴うことなく機能性を維持することになることを意味する。過負荷電流がＩ_ｓａｔ未満である場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１０４は、何ら問題を伴うことなく依然としてエネルギーを熱として消散する。しかしながら、Ｄ ＭＯＳＦＥＴに到達する入力側において非常に高い短絡が存在し、それゆえそのＩ_ｓａｔ（飽和電流）値を超える場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、迅速に反応し、過剰電流を迅速に熱にして消散させることになる。これにより、ひいては、バイメタルスイッチ１０２を迅速にトリップさせるＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４の外装のより高い温度上昇が引き起こされ、これにより、更なる電流がＤ ＭＯＳＦＥＴを破壊することが抑えられる。それにもかかわらず、ＭＯＳＦＥＴの飽和電流Ｉ_ｓａｔを超えて流れる長時間の電流により、その最大接合部温度を超えるＤ ＭＯＳＦＥＴの過熱が引き起こされることになり、チップ故障、及びＭＯＳＦＥＴ機能の損失がもたらされる。それゆえ、バイメタルスイッチは、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを同様に過熱故障から保護するのに役立つ。

例示的な実施形態では、保護回路１００は、０Ａから最大でＩ_ｓａｔ飽和電流までの範囲の印加電流で動作する。異常状態は、入力電流Ｉ_Ｄの突発的な上昇をもたらし得る。異常状態は、例えば、負荷上の短絡、負荷の切り替え、又は突発的な過負荷状態によって引き起こされ得る。これらは、バイメタルスイッチ１０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４を通過する電流の急増を引き起こす。この電流が飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満で留まる場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴの電力消散に起因して徐々に加熱されることになる。しかしながら、過電流が飽和電流Ｉ_ｓａｔを超える場合、入力電流Ｉ_Ｄの劇的な上昇が、Ｄ ＭＯＳＦＥＴへの熱消散（Ｉ_Ｄ×Ｖ_ＤＳ）を伴って、存在することになり、バイメタルスイッチがＤ ＭＯＳＦＥＴを保護するためにより一層高速にトリップすることがもたらされる。これにより、バイメタルスイッチ１０２が、その切断レベルに達することになり、それゆえ、開放閾値温度においてノード１１０、１１２のうちの１つ又は複数から切断される。それゆえ、バイメタルスイッチは、安全な動作エリア及び熱的限度内で、Ｄ ＭＯＳＦＥＴに対するカットオフ保護も提供する。

１つの実施形態では、ノード１１０及び／又は１１２において切断が生じると、保護回路１００を通って流れる電流全体がカットオフされ、これによりＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４への電流が除去され、ＭＯＳＦＥＴの熱消散が引き起こされ、そして最終的には、維持された過電流を除去することによってＤ ＭＯＳＦＥＴが過熱から保護される。

このように、保護回路１００は、有利には、短絡電流イベントの深刻度が増すにつれて、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４に対してより迅速な保護を提供する傾向があるフィードバックメカニズムを提供する。それゆえ、短絡電流のレベルが高くなるほど、より迅速にバイメタルスイッチ１０２がＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４への電流をカットオフすることが可能になり、ひいては、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを過熱による損傷から保護することが可能になる。このフィードバックは、過電圧／過電流状態からＤ ＭＯＳＦＥＴ１０４によって生成された高熱によりバイメタルスイッチ１０２がより迅速に開放するために起こり、それゆえ、更なる電流がＤ ＭＯＳＦＥＴを通過することが防止されるとともにこの自己加熱が除去され、そして最終的には、下流の更なる回路要素１０８が保護される。

図２、図３、及び図４は、例示的な実施形態に係る、連続電流テストの結果を示すのに使用される、それぞれ保護回路２００、３００、及び４００の図である。例示的な実施形態では、バイメタルスイッチは、ＫＳＤ－０１温度スイッチサーモスタット（６０℃においてトリガし、動作電流＠２Ａ ２５０Ｖである）であり、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、ＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｖ_ＤＳＸ＝５００Ｖ、Ｉ_{Ｄ（ｏｎ）}＝１６Ａ、Ｒ_{ＤＳ（ｏｎ）}＝３００ｍΩ）であり、抵抗器２０６は、０Ω抵抗器である。図２では、バイメタルスイッチ２０２は、ＭＯＳＦＥＴに結合されていない独立型デバイスである。図３では、バイメタルスイッチ３０２は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４及び抵抗器３０６に接続されており、回路要素は、図１の保護回路１００におけるものと同様に配置されている。図４では、バイメタルスイッチ４０２（ＫＳＤ－０１Ｆ）は、ねじ４１２及びボルト（不可視）を用いてバックトゥバック手法でＤ ＭＯＳＦＥＴ４０４（ＴＯ２４７パッケージ）に連結されている。１つの実施形態では、バイメタルスイッチ４０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ４０４は、熱伝導性エポキシ接着剤（図示せず）を使用して更に互いに熱的にリンクされる。別の実施形態では、バイメタルスイッチ４０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ４０４は、伝導性エポキシゲルを使用して更に互いに熱的にリンクされる。さらに、バイメタルスイッチ４０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ４０４は、互いに、かつ、ワイヤ４０６、４０８及び４１０を介して回路の他の部分に、電気的に接続される。ＫＳＤ－０１Ｆバイメタルスイッチは、バイメタルディスクと、デバイスの２つの脚部を接続する金属ブリッジと、金属ブリッジ接点と、ヒートシンクから離隔されているプラスチックケースとからなる。バイメタルディスクは、特定の温度において屈曲し、それにより、金属ブリッジが脚部に接続するか又はそこから切断し、それゆえ、回路が閉鎖されるか又は開放される。

図２及び図３では、それぞれの矢印２０４及び３２２が、電流の方向を示している。独立型バイメタルスイッチ２０２を備える回路２００では、電流２０４は、スイッチが閉鎖されている間、ノード２０６からノード２０８に流れる。バイメタルスイッチ２０２が開放されているとき、電流は流れない。バイメタルスイッチ３０２、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４、及び抵抗器３０６を備える回路３００では、電流３２２は、ノード３０８から、閉鎖されたバイメタルスイッチ３０２を通り、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４のノード３１４からノード３１６に（ドレインソース間）、抵抗器３０６のノード３１８からノード３２０に、そして最後にノード３１０に流れる。抵抗器３０６はＤ ＭＯＳＦＥＴ３０４のソースとゲートとの間で接続されているので、電流３２２が流れる際の抵抗器３０６の両端間の電圧は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳと同じである。それゆえ、ノード３１４及び３１６（灰色）の両端間の電圧は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４のドレインソース間電圧Ｖ_ＤＳであり、その一方、ノード３１８及び３２０（白色）の両端間の電圧は、ゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳである。

回路３００も、バイメタルスイッチ３０２と、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４と、抵抗器３０６とからなる独立型デバイス３００であってよい。それゆえ、過電流保護デバイス３００は、過電流保護を必要とする任意の回路に追加されてよい。

以下の状態の３つのセットの下で、バイメタルスイッチのトリップ時間を評価するために過電流テスト電流を導通させた：
・独立型デバイスとしてのバイメタルスイッチ２０２（図２）を用いた、印加電流（飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満）の１００％（２Ａ）、２００％（４Ａ）、３００％（６Ａ）、４００％（８Ａ）、５００％（１０Ａ）、６００％（１２Ａ）、７００％（１４Ａ）、８００％（１６Ａ）、１０００％（２０Ａ）、及び１２００％（２４Ａ）のテスト電流
・Ｄ ＭＯＳＦＥＴ２０４に接続されたバイメタルスイッチ２０２（図３）を用いた、印加電流（飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満）の１００％（２Ａ）、２００％（４Ａ）、３００％（６Ａ）、４００％（８Ａ）、５００％（１０Ａ）、６００％（１２Ａ）、７００％（１４Ａ）、８００％（１６Ａ）、１０００％（２０Ａ）、及び１２００％（２４Ａ）のテスト電流
・ねじ及びボルトを使用してＤ ＭＯＳＦＥＴ２０４に熱的にリンクされたバイメタルスイッチ２０２（図４）を用いた、印加電流（飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満）の１００％（２Ａ）、２００％（４Ａ）、３００％（６Ａ）、４００％（８Ａ）、５００％（１０Ａ）、６００％（１２Ａ）、７００％（１４Ａ）、８００％（１６Ａ）、１０００％（２０Ａ）、及び１２００％（２４Ａ）のテスト電流

これらのテストで使用したバイメタルスイッチである、ＫＳＤ－０１温度スイッチサーモスタットは、（２５０Ｖにおいて）２Ａの動作電流を有するので、２Ａの入力がその動作電流の１００％を表す。それゆえ、これらのテストは、様々な動作状態におけるバイメタルスイッチのトリップ時間を測定するために実行される。それゆえ、２Ａにおける第１のテストを除いて、デバイスは、その正規化された定格電流の倍数においてテストされ、最も極端なテストは、デバイスの定格電流の１２倍（２４Ａ）で行われる。

図５は、例示的な実施形態に係る、１０Ｖ電源が回路２００に８Ａの電流（スイッチの定格電流の４００％）を供給する、図２の独立型バイメタルスイッチ２０２の応答波形５００である。バイメタルスイッチ２０２を通って流れる電流はデバイスの正規化された定格電流の４倍で定格化されているが、デバイスのトリップ点５０２に達するのに依然として４８秒かかっている。４倍の正規化された電流下でバイメタルスイッチのタイムトゥトリップが長いと、下流のコンポーネントに対して非常に高い応力がかかり、故障の尤度が高まるので、これは理想的ではない。

図６は、例示的な実施形態に係る、１０Ｖ電源が回路３００に６Ａ（スイッチの定格電流の３００％）を供給する、図３のＤ ＭＯＳＦＥＴ３０４に接続されたバイメタルスイッチ３０２の応答波形６００である。波形６００に示されているように、保護回路３００（図３）に１０Ｖ ６Ａ過電流状態を適用して、その応答を測定した。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４を通る電流（Ｉ_Ｄ）（Ｃ２）及びバイメタルスイッチ３０２及びＤ ＭＯＳＦＥＴ３０４の両端間の電圧（Ｖ_ＤＳ）（Ｃ３）をモニタリングし、時間プロットに対してキャプチャした。それらのスケールは、波形６００の下部にマークされている。トリップ点６０２は、バイメタルスイッチ３０２が切断を開始した点である。

図７は、例示的な実施形態に係る、１０Ｖ電源が回路３００に１２Ａ（スイッチの定格電流の６００％）を供給する、図３のＤ ＭＯＳＦＥＴ３０４に接続されたバイメタルスイッチ３０２の応答波形７００である。この例では、抵抗３０６は、０Ωである。波形７００に示されているように、保護回路３００（図３）に１０Ｖ １２Ａ過電流状態を適用して、その応答を測定した。トリップ点７０２において、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４から流れる電流Ｉ_Ｄは、１２Ａから０Ａに迅速に降下し、その一方、ＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧Ｖ_ＤＳは、１０Ｖから０Ｖに降下している。トリップ点７０２の直前に、ＭＯＳＦＥＴ３０４は、約４．２７Ｖ×１２Ａ＝５４．２４Ｗの電力を消散している（以下の図８の表８００を参照）。６００％の１２Ａ定格電流がＤ ＭＯＳＦＥＴ３０４の熱消散をもたらし、これにより、ＭＯＳＦＥＴパッケージングの温度が上昇し、６０℃においてバイメタルスイッチ２０２の切断レベルに達した。応答波形７００（図７）に示されている例では、バイメタルスイッチ２０２のトリップ点７０２に達するのに約３．７秒かかった。それゆえ、例示的な実施形態では、これらの波形によって示されているように、過電流イベントをカットオフする応答時間は、過電流の大きさのみではなく、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４によって引き起こされる固有の熱消散にも依存する。

図８は、幾つかの実施形態に係る、過電流テスト電流動作の結果を示す表８００を含む。図示されているように、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４が存在する条件及び存在しない条件で、異なる電流を用いて更なるテストを実行した。これらの例では、ＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２ Ｄ ＭＯＳＦＥＴ及び６０℃でトリガするバイメタルスイッチを、飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満の定格電流を用いてテストした。

表８００は、異なる電流及びバイメタルスイッチトリップ応答を用いたテストの概要を提供する。表８００の上側は、８つの電流状態（６Ａ、８Ａ、１０Ａ、１２Ａ、１４Ａ、１６Ａ、２０Ａ、及び２４Ａ）における、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４に接続されたバイメタルスイッチ３０２（図３）のタイムトゥトリップ情報を提供し、表８００の下側は、同じ８つの電流状態における、Ｄ ＭＯＳＦＥＴに接続されていないバイメタルスイッチ２０２（図２）のタイムトゥトリップ情報を提供する。表８００は、独立型バイメタルスイッチ２０２（図２）のタイムトゥトリップが（１２Ａの電流で）８秒であることを示している。同じ１２Ａを、バイメタルスイッチ回路と組み合わされたＤ ＭＯＳＦＥＴ（図３）に印加すると、タイムトゥトリップはわずか３．７ｓまで短縮される。それゆえ、例示的な実施形態では、タイムトゥトリップは、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ＋バイメタルスイッチの場合、３倍から６倍の電流範囲で大幅に高速化／改善される。

表８００は、バイメタルスイッチが２Ａ（１００％）又は４Ａ（２００％）の印加電流ではトリップしないことも示している。代わりに、バイメタルスイッチは、６Ａの電流においてバイメタルスイッチを熱的に活性化させるのに十分なエネルギーが存在することに起因して、６Ａ（３００％）においてトリップし始める。

これらの実験が示しているように、例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴの存在によりバイメタルスイッチのトリップが全ての電流比において高速化する。抵抗Ｒは、定常状態においてＤ ＭＯＳＦＥＴを通過する最大許容電流を決定する。この最大許容電流は、Ｉ_ｓａｔ飽和電流である。例示的な実施形態では、０Ω抵抗器を使用することにより、Ｒ＝０．１Ωの抵抗器を使用した場合と比較して、高いＩ_ｓａｔ値が可能になる。抵抗器３０６がゼロであるとき、ＭＯＳＦＥＴ３０４のＶ_ＧＳもゼロである。しかし、抵抗をわずかに増加させることによって（例えば、Ｒ＝０．１Ω）、ＭＯＳＦＥＴ３０４のゲートソース間電圧Ｖ_ＧＳがわずかに負となり、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを通って流れる電流をピンチオフし制限し始める。

抵抗Ｒを増加させることによって、飽和電流Ｉ_ｓａｔ及びゲートソース間電圧（Ｖ_ＧＳ）の双方が変化し、それにより、Ｄ ＭＯＳＦＥＴの両端間の電力が変動し、より多くの電力消散をＤ ＭＯＳＦＥＴに提供することが可能である。例示的な実施形態では、これらの考慮事項により、異なる定格の回路遮断器とともに機能する異なるバイメタルスイッチの選択が容易になる。

図９は、１）ＭＯＳＦＥＴを有しないバイメタルスイッチ（図２）、及び２）ＭＯＳＦＥＴを有するバイメタルスイッチ（図３）の双方のタイプの保護回路の改善されたトリップ応答時間を示すグラフ９００を含む。グラフ９００は、バイメタルスイッチについての、秒単位のトリップ時間（ｙ軸）対アンペア単位の電流（ｘ軸）を示している。濃い色の円は、独立型バイメタルスイッチ（例えば、図２）のトリップ時間を示し、その一方、薄い色の円は、バイメタルスイッチ＋Ｄ ＭＯＳＦＥＴ（例えば、図３）のトリップ時間を示している。バイメタルスイッチがＤ ＭＯＳＦＥＴと組み合わされると、トリップ時間が、グラフ９００の右から左に、また上部から下部により近くなるようにシフトし（これは、タイムトゥトリップが短くなることを意味する）、これはバイメタルスイッチのトリップ時間の安全動作曲線内である。それゆえ、Ｄ ＭＯＳＦＥＴをバイメタルスイッチに追加することにより、タイムトゥトリップ全体が向上し、下流の電子機器に対してはるかに高速の保護が提供される。

Ｄ ＭＯＳＦＥＴによって提供される利益はグラフ９００において明白である。例えば、濃い色の円９０２によって与えられる、８Ａにおける独立型バイメタルスイッチのタイムトゥトリップは約５７秒である一方、薄い色の円９０４によって与えられる、同じ電流におけるバイメタルスイッチ＋Ｄ ＭＯＳＦＥＴのタイムトゥトリップは約８秒である。同様に、濃い色の円９０６によって与えられる、１０Ａにおける独立型バイメタルスイッチのタイムトゥトリップは約１９秒である一方、組み合わせ回路（薄い色の円９０８）のタイムトゥトリップは約６秒である。より高い電流においてのみ、独立型バイメタルスイッチは組み合わせ回路と比較して遜色なく、これは、スイッチの定格電流をはるかに超えているため、理にかなっている。それゆえ、グラフ９００は、過電流状態から保護するためにともに機能するバイメタルスイッチ及びＤ ＭＯＳＦＥＴの双方からなる組み合わせ回路を有することの利益を示している。

図２の保護回路２００に戻ると、回路は、例示的な実施形態に係る、サージテストを受けている独立型バイメタルスイッチ２０２を備える。テストは、２Ωにおいて５００Ｖのピーク電圧を有する、１．２／５０μ秒におけるサージ電流で実行される。図３は、対照的に、バイメタルスイッチ３０２がＤ ＭＯＳＦＥＴ３０４のドレインに接続され、かつ抵抗器３０６がＭＯＳＦＥＴのソースとゲートとの間で接続された回路３００を示している。この回路３００の１つの変形は、抵抗器を備えないものであろう。ここでもまた、テストは、２Ωにおいて５００Ｖのピーク電圧を有する、１．２／５０μ秒におけるサージ電流で実行される。双方の回路２００及び３００において、バイメタルスイッチは、ＫＳＤ－０１温度スイッチサーモスタットであり、その一方、回路３００では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ３０４は、ＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｖ_ＤＳＸ＝５００Ｖ、Ｉ_{Ｄ（ｏｎ）}＝１６Ａ、Ｒ_{ＤＳ（ｏｎ）}＝３００ｍΩ）である。

図１０は、幾つかの実施形態に係る、図２の回路２００等の独立型回路におけるバイメタルスイッチのサージ応答を示す応答波形１０００を含む。ピーク電圧５００Ｖ及び仮想インピーダンスとしての２Ωを有する、１．２／５０μ秒のサージ波形が存在する。波形１０００に示されているように、バイメタルスイッチを通って流れるサージ電流（Ｃ２）は２３０．７Ａのピークの応答を有する。電圧波形を変換するために、ピーク電圧は、２３０．７Ａ×２Ω＝４６１．４Ｖである。バイメタルスイッチの両端間の電圧（Ｃ１）は、到来するサージによる何らかのわずかな上昇を伴うが、１０Ｖにおいてほぼ一定に留まる。しかしながら、サージはバイメタルスイッチの開放をトリガしない。それゆえ、幾つかの実施形態では、スイッチはこのサージ状態ではトリガしない。

図１１は、幾つかの実施形態に係る、図３の回路３００等の、組み合わされたＤ ＭＯＳＦＥＴ及びバイメタルスイッチを備える回路のサージ応答を示す応答波形１１００を含む。波形９００に示されているように、到来するサージの状態が同じであれば、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ及びバイメタルスイッチの組み合わせを通過する電流はクランプされて低下し（Ｃ２）、約４０μ秒において約２１．８Ａのピーク電流で「飽和」したままで留まる。Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、サージ時に非常に迅速にクランプし、非常に低い電流出力として、結果として得られる出力をもたらす。これは、独立型バイメタルスイッチを用いた上記のサージテスト（図１０）とは対照的である。

それゆえ、例示的な実施形態では、バイメタル熱スイッチを有するＤ ＭＯＳＦＥＴを展開した場合、スイッチのトリガ時間は、同じ印加過電流で独立型をトリガする場合よりもはるかに高速である。さらに、結果として得られるサージ電流は、下流の回路要素を保護するように、はるかに低い安全レベルである。

Ｄ ＭＯＳＦＥＴ＋バイメタルスイッチは、例示的な実施形態では、回路内でともに密接に機能して、相互の保護を提供することが可能である。長時間の過電流保護イベント下では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは加熱され、指定のトリガ温度においてスイッチをトリガし、開放電流を生成し、それにより、過電流が回路の下流のコンポーネントを通過することが防止されるとともに、Ｄ ＭＯＳＦＥＴが過熱から保護される。スイッチは、そのケースがリセットレベルまで冷却されると、その一時的に変形した位置からその正常位置にリセットされて戻る。

さらに、幾つかの実施形態では、本明細書において説明される組み合わせ回路は、手動でリセットされる回路遮断器の一部になってよい。これらのタイプの回路遮断器は、バイメタルストリップを有することが知られているが、ストリップがトリップされて開回路がもたらされると、回路遮断器は人間が介在しないとリセットすることができない。本明細書において開示されるバイメタルストリップ＋Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、そのような回路遮断器の好適な代替物であり得るとともに、それらをリセットするために人間が介在する必要性を排除し得る。双方のデバイス（バイメタルスイッチ及びＤ ＭＯＳＦＥＴ）は、この方式で接続した場合、自己保護及び自己リセット可能な特徴をともに有する。

上記で与えられたバイメタルスイッチの例に加えて、本明細書において説明される原理は、バイメタルスイッチを内部に有する、他のタイプの熱スイッチ、ミニ回路遮断器、及びリレータイプ回路遮断器に同様に適用されてよく、これらのデバイスが自己リセット機能又は手動リセット機能のうちのいずれを含むのかは問わない。

上記のテスト結果から、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、バイメタルスイッチのトリップを高速化する更なる加熱効果を提供する。バイメタルスイッチは、幾つかの実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴが存在する場合、１００％、２００％、及び４００％等の全ての過電流レベルにおいて、はるかに高速にトリップすることが可能であることが示されている。それゆえ、バイメタルスイッチ及びＤ ＭＯＳＦＥＴは、ともに非常に密接に機能し、互いに対して相互の保護を提供する。

例示的な実施形態では、上記の波形は、バイメタルスイッチをＤ ＭＯＳＦＥＴの前に置くとともに、（図４に示されるように）スイッチをＤ ＭＯＳＦＥＴパッケージの上にともに置くことにより、過電流イベントから保護するための２つのデバイスの相互の利益がもたらされることを示している。Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴのゲートソース間端子にバイアス抵抗器（例えば、図３における抵抗器３０６）を伴って（又は伴わずに）電流制限器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴが長期の電流制限イベントを有する場合、その本体（パッケージング）から生成された熱がバイメタルスイッチを加熱して、スイッチを開放させ、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを過熱から保護する（長期電流Ｉ＞Ｉ_ｓａｔ）。例示的な実施形態では、回路は、温度がバイメタルスイッチの復旧レベルまで降下すると、リセットして正常に戻る。例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、保護すべき回路に対する外部サージをクランプするサージ電流制限器としても作用する。

本明細書において説明される原理は、１つの例として、小型回路遮断器（ＭＣＢ）等の回路に適用されてよい。ＭＣＢは、過電流イベント、例えばオフィス及び自宅を含む建築物内での、例えば短絡（例えば、正常な電流の１０倍～１００倍）、非常に高いサージ過電流のイベント（例えば、正常な電流の５倍～１０倍）、及び過負荷状態（例えば、正常な電流の２倍～４倍）を保護するために使用される。短絡とは、ＭＣＢに接続された電力線又は機器を短絡することから生成された過電流を指す。「過電流」という用語は、これらの短絡イベントを含むが、他の高電力線が当該電力線と接触している等の外乱によって引き起こされる電流の突発的な上昇も包含する。ＭＣＢは、ＭＣＢ内の内部回路をトリップ又は開放するように設計され、これにより、電流が遮断され、回路の過熱が防止される。非常に迅速に（例えば、３ｍｓ未満で）起こるトリップ動作は、ＭＣＢが接続されている他のデバイスに電流が伝達されることも防止する。ＭＣＢもバイメタルストリップを利用し、これは、ＭＣＢの応答時間を改善するためにＤ ＭＯＳＦＥＴに接続されてよい。

本明細書において説明されるＭＣＢは、バイメタルストリップ、すなわち、バックトゥバックで配置された２つの金属片を備え、ここで、２つの金属片は、異なる熱膨張係数を有する異なる金属から構成され、これにより、バイメタルストリップが加熱中に屈曲する。上記で説明及び図示された保護回路３００では、バイメタルストリップは、バイメタルスイッチと呼ばれている。これは、回路内部では、バイメタルストリップが、回路を開放又は閉鎖するスイッチとして作用するためである。対照的に、以下で説明されるＭＣＢに備えられるバイメタルスイッチは、屈曲して、メインスイッチと称される別個の回路コンポーネントに開放させ、メインスイッチは、回路を開放するためのトリガメカニズムである。異なる名前を付けられている（ストリップ対スイッチ）が、以下で説明されるバイメタルストリップは、本質的には、上記の保護回路３００のバイメタルスイッチ３０２（図３）と同じである。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、従来技術に係るＭＣＢ１２００の図である。ＭＣＢ１２００は、２端子デバイスである。ＭＣＢ１２００は、短絡又は過負荷状態に応答して開放するスイッチを備える。ＭＣＢ１２００は、トリガメカニズムを活性化する２つの異なる感知要素を備える。第１の感知要素は、磁気コイル１２０８であり、これは可動弁を有する。第２の感知要素は、バイメタルストリップ１２０４である。トリガメカニズムは、外部レバー１２０２によって手動で制御されるメインスイッチ１２０６であり、故障状態に応答して自動的に開放される。外部レバー１２０２は、ＭＣＢ１２００をターンオンする（図１２Ａにおけるように、メインスイッチ１２０６を閉鎖する）か、又はＭＣＢをターンオフする（図１２Ｂにおけるように、メインスイッチを開放する）。ＭＣＢ１２００は、アークシュート１２１０も備え、これは、アーク吸収部（ａｒｃ ａｂｓｏｒｂｅｒ）としても知られている。

磁気コイル１２０８は、コイルを通過する電流に比例する電界を生成する電磁センサである。そのために磁気コイル１２０８が設計される短絡状態は、数ミリ秒以内で正常な電流の大きさの最大１０００倍の電流を生成し得る。電流が強くなるにつれて、磁気コイル１２０８の周囲の磁界は大きくなる。磁気コイル１２０８の可動弁は、メインスイッチ１２０６に近接して位置決めされる。磁界が増強するにつれて、弁は、メインスイッチ１２０６を押し、それにより、スイッチが図１２Ｂにおけるように開放され、開回路がもたらされる。磁気コイル１２０８のばね張力は、正常な電流が流れている間にはメインスイッチ１２０６の開放をトリガしないが、短絡状態中にはトリガするのに十分なものである。

場合によって、ＭＣＢ１２００内に流れる非常に高いサージ過電流（正常な電流の５倍～１０倍）が存在するとき、磁気コイル１２０８は、飽和状態に移行し、コイル内部の可動磁気弁に、メインスイッチ１２０６を非常に迅速に押させる。磁気コイル１２０８の高速反応は、非常に危険な大きい大きさの過電流をカットオフするとともに、ＭＣＢ１２００に接続された回路及びシステムを損傷から保つために不可欠である。

ＭＣＢ１２００における他のセンサは、バイメタルストリップ１２０４である。バイメタルストリップ１２０４センサは、過負荷状態に対処するために設計されており、磁気コイル１２０８よりも作用が低速である。より低速のセンサは、単にターンオンされるアプライアンスが、ＭＣＢ１２００がそれらを停止するようにトリガしないことを確実にする。蛍光灯は、例えば、約１０ｍｓの立ち上がり時間を有する。バイメタルストリップ１２０４は、ＭＣＢ１２００に、過負荷状態が２秒以上継続する場合にトリップさせる。

上記で説明されたように、バイメタルストリップ１２０４は、２つの異なるタイプの金属からなり、各金属は、異なる熱膨張係数を有する。例示的な実施形態では、バイメタルストリップ１２０４は、金属の第２のストリップとしてのワイヤ巻線が巻き付けられる金属の第１の細長いストリップからなり、これらの２つの金属片は、ともに直列に接続される。加熱されると、過負荷状態の発生に起因して、金属の細長いストリップは収縮し、それにより、バイメタルストリップ１２０４が屈曲し、これにより、ひいては、メインスイッチ１２０６の移動及びＭＣＢ１２００内の回路の開放が引き起こされる。または、バイメタルストリップ１２０４にワイヤ巻線が巻き付けられる場合、ワイヤ巻線は加熱され、屈曲してメインスイッチ１２０６を押し、それにより、メインスイッチ１２０６が開放し、それゆえ、ＭＣＢが外部電力からターンオフされる。バイメタルストリップ１２０４が動作すべき電流値は、一般的に、特定の範囲内で変動し得る。

ＭＣＢ１２００のアークシュート１２１０は、磁気コイル１２０８に起因するのか又はバイメタルストリップ１２０４に起因するのかを問わず、メインスイッチ１２０６が開放したときにもたらされるアーク電流を消散するように設計されている。アーク電流は、新たに開放されたメインスイッチ１２０６の端部付近の空気中を通って流れ、ＭＣＢ１２００を損傷させ得る甚大な温度上昇を引き起こす。したがって、アークシュート１２１０は、高温アーク電流が上向きに流れることになるので、メインスイッチ１２０６の上方に配置される。アークシュート１２１０は、スプリッタとして知られている、幾つかの平行な金属プレートを備え、これらは、上向きの流れの間のアーク電流を離散させるように設計されている。金属スプリッタは、アーク電流が上向きに流れ続ける間、アーク電流を、より迅速に消散するより小さいアーク電流に分離する。

図１３は、従来技術に係る第２のＭＣＢ１３００の図である。図は、ＭＣＢ１３００を通る電流経路を示している。ＭＣＢ１３００は、メインスイッチ１３０６を制御する外部レバー１３０２を備え、これが、トリガメカニズムである。ＭＣＢ１２００と同様に、バイメタルストリップ１３０４及び磁気コイル１３０８は、ＭＣＢ１３００のセンサメカニズムである。左端子１３１２及び右端子１３１４も示されている。ＭＣＢ１３００は、アークシュートを備えず、これはなぜならば、そのようなデバイスは、幾つかの回路遮断器設計では任意選択であるためである。

電流経路は、ＭＣＢ１３００において点線として示されている。電流は、右端子１３１４から、磁気コイル１３０８を通り、同様にバイメタルストリップ１３０４を通り、その後、メインスイッチ１３０６を通って進行し、最後に、左端子１３１２を介して出る。電流は、反対方向においても同様に、左端子１３１２から、メインスイッチ１３０６を通り、バイメタルストリップ１３０４を通り、磁気コイル１３０８を通り、右端子１３１４から出るように進行する。メインスイッチ１３０６が開放状態である場合、電流経路は、いずれの方向においても、中断されることになる。

正常な電流の１倍～４倍の大きさを有する過電流イベントが存在する場合、過電流により、バイメタルストリップ１３０４に巻き付けられたワイヤ巻線が加熱されるとともに屈曲し、スイッチが開放するまでメインスイッチ１３０６が押され、それゆえ、ＭＣＢ１３００が外部電力からターンオフされる。ＭＣＢ１３００内に流れる非常に高いサージ過電流のイベントが存在する場合、磁界の増大により、磁気コイル１３０８の内部の可動磁気弁がメインスイッチ１３０６を非常に迅速に押し、それゆえＭＣＢ１３００が非常に危険な大きい大きさの過電流をカットオフすることが可能になる。

図１４は、従来技術に係るＭＣＢの回路図１４００である。回路図１４００は、例えば、ＭＣＢ１２００（図１２Ａ及び図１２Ｂ）を表し得る。バイメタルストリップ１４０４が回路１４００の左側に示されているとともに、磁気コイル１４０８が右側に示されており、メインスイッチ１４０６がこれらの２つの間に配置されている。バイメタルストリップ１４０４は、第１の金属と直列の第２の金属であるワイヤが巻き付けられた第１の金属からなる。故障イベント（短絡であるか又は過負荷であるかは問わない）に続くアーク電流を消散することができるように、メインスイッチ１４０６付近にアークシュート１４１０が配置される。

上記で説明された力は、弁を押す磁気コイル１４０８の弁からのものであるか又はバイメタルストリップ１４０４の屈曲からのものであるかを問わず、メインスイッチ１４０６を開放し、それゆえ、電流の流れを中断するものである。アークシュート１４１０は、過剰アーク電流を、当該アークをアークシュートの金属界面内部でより小さいレベルに分流することによって吸収する準備が整っており、それゆえ、ＭＣＢの内部での損傷が回避される。

ミニ回路遮断器に関する１つの問題は、バイメタルストリップに関するものである。上記で説明されたように、バイメタルストリップは、２つの異なるタイプの金属を有し、その各々は、それ自体の熱膨張係数を有する。過電流状態により、バイメタルストリップが屈曲し、回路が開放される。バイメタルストリップは、過負荷状態に対処するように設計されているので、バイメタルストリップは、磁気コイルよりも作用が低速である。しかしながら、バイメタルストリップは、電流がその定格電流を上回る場合には、電流制限を提供することが不可能である。

図１５Ａ及び１５Ｂは、それぞれ、例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを有するＭＣＢの回路図１５００Ａ及び１５００Ｂである。双方の図１５００Ａ及び１５００Ｂ（総じて「回路１５００」又は「ＭＣＢ１５００」）において、メインスイッチ１５０６は、一方の側のバイメタルストリップ１５０４と、他方の側の磁気コイル１５０８との間に配置される。アーク電流を消散するために、メインスイッチ１５０６付近にアークシュート１５１０が配置される。回路１５００Ａでは、バイメタルストリップ１５０４とメインスイッチ１５０６との間でＤ ＭＯＳＦＥＴ１５２０が接続される。回路１５００Ｂでは、バイメタルストリップ１５０４とメインスイッチ１５０６との間でＪＦＥＴ１５２２が接続される。それゆえ、新規のＭＣＢ１５００を向上させるのにＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２のうちのいずれかが使用されてよい。

例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０は、ゲートＧ及びソースＳが接続された状態（Ｇ－Ｓ端子短絡）でバイメタルストリップ１５０４に熱的に連結され、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、バイメタルストリップと直列に接続されている（図１５Ａ）。例示的な実施形態では、ＪＦＥＴ１５２２は、同様にゲートＧ及びソースＳが接続された状態（Ｇ－Ｓ端子短絡）でバイメタルストリップに熱的に連結され、ＪＦＥＴは、バイメタルストリップと直列に接続されている。１つの実施形態では、バイメタルストリップ１５０４及びＤ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２は、熱伝導性エポキシ接着剤を使用して互いに熱的にリンクされる。別の実施形態では、バイメタルストリップ１５０４及びＤ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２は、伝導性エポキシゲルを使用して互いに熱的にリンクされる。例示的な実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２のうちのいずれかと併せたバイメタルストリップ１５０４は、到来する電流がＭＣＢ１５００の定格電流を上回る場合に電流制限を提供することが可能である。

上記で導入されたＭＯＳＦＥＴと同様に、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）も、電子デバイスにおける電子信号を切り替え及び増幅するために使用される半導体デバイスである。ＪＦＥＴ及びＭＯＳＦＥＴの双方が、電圧制御デバイスである。ＪＦＥＴはデプレッションモードの種類においてのみ機能するので、それらは、本明細書において使用されるデプレッションモードＭＯＳＦＥＴと同様に、ゲートにおいて０Ｖが存在するときにオンであり、かつ完全に導通する。双方とも高い入力インピーダンスを有し、したがって入力電圧信号に対して敏感であるが、ＭＯＳＦＥＴがＪＦＥＴよりも高い抵抗を有する。さらに、ＪＦＥＴはより安価でかつ製造がより複雑でないが、その一方、ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴにおける金属酸化物絶縁体の存在に起因して、より脆弱である。

例示的な実施形態では、バイメタルストリップ１５０４の第２の金属であるワイヤ巻線が除去され、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２がバイメタルストリップに密接に取り付けられる。１つの実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２の取り付けに後続して、金属巻線が細長い金属片に再度追加されない。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２は、バイメタルストリップ１５０４に直接熱を提供することが可能である。それゆえ、金属巻線の除去は、電力線における直列抵抗及びオーミック損失の最小化に役立ち得る。例示的な実施形態では、ＪＦＥＴ１５２２は、バイメタルストリップ１５０４とメインスイッチ１５０６との間で接続される炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＪＦＥＴである。

例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２は、ＭＣＢ１５００の定格電流よりも大きい電流がＭＣＢ１５００内に受信された場合、電流制限モードに入る。それゆえ、例えば、ＭＣＢ１５００が１Ａの定格電流を有する場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２は、１Ａよりも大きい電流がＭＣＢ１５００内に受信されたとき、電流制限モードに入る。外部の過電流は最大で５Ａまで達し得るが、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０又はＪＦＥＴ１５２２は、バイメタルストリップ１２０４と併せて、電流を迅速に「クランプ」して１Ａ（ＭＣＢ１５００の安全動作レベル）に低下させるのに役立つ。それゆえ、例示的な実施形態では、ＭＣＢ１５００は、ＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１５２０であるか又はＪＦＥＴ１５２２であるかは問わない）の支援を伴って、５Ａ過電流に直接応答することが可能であるバイメタルストリップ１５０４を有することによって安全になる。さもなければ、５Ａ過電流は、ＭＣＢ１５００によって保護すべき電子機器又はＭＣＢそれ自体を破壊し得る。

図１６は、例示的な実施形態に係る、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１６２０を備えるＭＣＢ１６００の図である。外部レバー１６０２は、メインスイッチ１６０６のトリガメカニズムをオン（閉鎖）又はオフ（開放）のうちのいずれかに手動で活性化する。本明細書において説明される他のＭＣＢにおけるように、磁気コイル１６０８は、短絡に応答してメインスイッチ１６０６をトリップさせるように設計され、バイメタルストリップ１６０４は、過負荷状態に応答してメインスイッチをトリップさせるように設計されている。左端子１６１２及び右端子１６１４は、負荷と電源（図示せず）との間でＭＣＢ１６００を接続する。例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１６２０は、Ｇ－Ｓ端子短絡状態でバイメタルストリップ１６０４に熱的に連結され、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、バイメタルストリップと直列に接続されている。例示的な実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ１６２０は、バイメタルストリップの巻線ワイヤ及び断熱チューブがまずＤ ＭＯＳＦＥＴの固着の前に除去された状態で、バイメタルストリップ１６０４に緊密に固着される。

図１７～図１９は、例示的な実施形態に係る、バイメタルストリップに接続されたＤ ＭＯＳＦＥＴを有するＭＣＢ及びＤ ＭＯＳＦＥＴを有しないＭＣＢに対して実行した実験の応答波形である。実験のために、Ｐｈｏｅｎｉｘ Ｃｏｎｔａｃｔ ＵＴ６－ＴＭＣ １Ａ ＭＣＢ（以降「ＰＣ ＭＣＢ」）が使用され（Ｐｈｏｅｎｉｘ Ｃｏｎｔａｃｔが製造）、Ｌｉｔｔｅｌｆｕｓｅ ＩＸＴＹ１Ｒ６Ｎ５０Ｄ２ Ｄ ＭＯＳＦＥＴデバイス（以降「ＬＦ ＤＭＯＳ」）（ただし、１６５℃のトリップ電流Ｔ_Ｃ）がＭＣＢ内のバイメタルストリップに接続される。ＬＦ ＤＭＯＳは、ＰＣ ＭＣＢに適合することができる小型パッケージである。

応答波形１７００（図１７）は、１．５Ａ（正常な電流の１．５倍）の過電流が起こる場合の結果である。ＬＦ ＤＭＯＳを有しないＰＣ ＭＣＢは、７２秒後にトリップしたが、その一方、ＬＦ ＤＭＯＳを有するＰＣ ＭＣＢは、１５秒後にトリップした。このように、ＰＣ ＭＣＢは、ＬＦ ＤＭＯＳを有しない場合よりも、ＬＦ ＤＭＯＳを有する場合の方が高速でトリップした。

応答波形１８００（図１８）は、２．０Ａ（正常な電流の２倍）の過電流が起こる場合の結果である。ＬＦ ＤＭＯＳを有しないＰＣ ＭＣＢは、２２秒後にトリップしたが、その一方、ＬＦ ＤＭＯＳを有するＰＣ ＭＣＢは、１５秒後にトリップした。このように、ＰＣ ＭＣＢは、ＬＦ ＤＭＯＳを有しない場合よりも、ＬＦ ＤＭＯＳを有する場合の方が高速でトリップした。

応答波形１９００（図１９）は、５Ａ（正常な電流の５倍）の過電流が起こる場合の結果である。ＬＦ ＤＭＯＳを有しないＰＣ ＭＣＢは、３．９秒後にトリップしたが、その一方、ＬＦ ＤＭＯＳを有するＰＣ ＭＣＢは、１５秒後にトリップした。このように、ＰＣ ＭＣＢは、ＬＦ ＤＭＯＳを有しない場合よりも、ＬＦ ＤＭＯＳを有する場合の方が低速でトリップした。さらに、実行した各実験（１．５Ａ、２Ａ、及び５Ａ）について、ＬＦ ＤＭＯＳを有するＰＣ ＭＣＢは、１５秒後にトリップした。

これらの実験の結果は、バイメタルストリップへのＤ ＭＯＳＦＥＴの追加が、外部の過電流がいかに高いものであっても、最終的に過電流を１Ａに制限することに役立つことを示している。Ｄ ＭＯＳＦＥＴの追加により、タイムトゥトリップ応答時間曲線が変更されている。応答波形は、電流がＭＣＢの定格電流を超える場合であってもバイメタルストリップがＬＦ ＤＭＯＳを安全にトリップ及び保護することができることを示している。ＬＦ ＤＭＯＳの、バイメタルストリップとの組み合わされた効果により、組み合わせ回路が、電流制限自己保護スイッチになり、これは、独立型バイメタルストリップは実行することができないものである。

それゆえ、単純なバイメタルストリップ温度感知構造を有するのではなく、バイメタルストリップに接続されたＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴ）の存在により、電流制限を行い、サージ耐性があり、かつ過電流をカットオフする保護スイッチが形成される。さらに、バイメタルストリップは、開回路をもたらす、ＭＣＢのメインスイッチのトリガのために電流制限中にＦＥＴから十分な熱消散を獲得し、それゆえ、ＦＥＴが過熱又はチップ故障から保護される。

例示的な実施形態では、ＬＦ ＤＭＯＳは、バイメタルストリップに取り付けられたエポキシパッケージＤ ＭＯＳＦＥＴである。他の実施形態では、むき出しのＤ ＭＯＳＦＥＴダイ、又は適したリードフレームを有する金属プレートに取り付けられたむき出しのＤ ＭＯＳＦＥＴダイが、バイメタルストリップをトリガするためのより良好な熱伝播を確実にするのに使用される。図１７～図１９の実験からのデータは、ＤＣ動作状態から導出されている。ＡＣ動作状態において使用される場合、幾つかの実施形態では、２つのバックトゥバックＤ ＭＯＳＦＥＴがバイメタルストリップに接続される。

ＭＣＢへのＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴ）の追加は、保護回路３００（図３）におけるバイメタルスイッチ３０２へのＤ ＭＯＳＦＥＴの組み合わせの拡張である。回路図１５００（図１５）によって表されているようなＭＣＢは、保護回路３００と同様であるがより複雑な構造を有する。ＭＣＢへのＦＥＴの追加は、有利には、電流制限、サージ保護、及び過電流保護を提供する。ＦＥＴに接続されたバイメタルストリップにより、ＭＣＢのメインスイッチが安全に開放し、これは、外部の危険な過電流イベント中の安全な電力カットオフを提供するのに役立つ。それゆえ、ＦＥＴは、カットオフ速度を改善する効率的な方法であり、それゆえ、電気システム設計者により安全な保護選択肢を提供する。

例示的な実施形態では、ＭＣＢデバイス内のバイメタルストリップに接続されたＤ ＭＯＳＦＥＴには、適切なターンオフ及びターンオン時間、並びにＤ ＭＯＳＦＥＴを駆動するための他の機能を確実にするための適切なドライバ回路が更に設けられる。

本明細書において使用される場合、単数形で記載され「ａ」又は「ａｎ」という語に続く要素又は段階は、複数の要素又は段階を除外するものと明示的に記載されない限り、複数の要素又は段階を除外しないものと理解されたい。さらに、本開示の「１つの実施形態」に対する言及は、記載された特徴を同様に組み込んだ更なる実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図していない。

本開示は特定の実施形態に言及しているが、添付の特許請求の範囲において定義されるように、本開示の領域及び範囲から逸脱することなく、説明されている実施形態に対して多数の修正、改変、及び変更を行うことが可能である。したがって、本開示は、説明されている実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の文言及びその均等物により定義される完全な範囲を有することが意図されている。

Claims (20)

1. 外部レバーによって手動で開放又は閉鎖されるスイッチと、
   可動弁を有する磁気コイルであって、前記可動弁は、第１の故障イベントが発生すると前記スイッチと接触し、前記スイッチを開放する、磁気コイルと、
   第２の故障イベントが発生すると前記スイッチと接触するバイメタルストリップと、
   前記バイメタルストリップと直列に接続され、かつ前記バイメタルストリップに熱的に連結された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、前記ＦＥＴは、ゲート端子及びソース端子を有し、前記ゲート端子は、前記ソース端子に接続され、前記バイメタルストリップ及び前記ＦＥＴは、前記第２の故障イベント中に前記スイッチを開放する、ＦＥＴと
   を備える、小型回路遮断器。
2. 前記バイメタルストリップは、第１の熱膨張係数を有する第１の金属と、第２の熱膨張係数を有する第２の金属とを有し、前記第１の熱膨張係数は、前記第２の熱膨張係数とは異なる、請求項１に記載の小型回路遮断器。
3. 前記第１の金属は、巻線を含み、前記巻線は、前記ＦＥＴが前記バイメタルストリップに熱的に連結される前に除去される、請求項２に記載の小型回路遮断器。
4. 前記ＦＥＴは、デプレッションモード金属酸化膜半導体ＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
5. 前記ＦＥＴは、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
6. 前記ＪＦＥＴは、炭化ケイ素ＪＦＥＴである、請求項５に記載の小型回路遮断器。
7. 前記第１の故障イベントは、短絡である、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
8. 前記第２の故障イベントは、過負荷イベントである、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
9. 前記バイメタルストリップは、前記ＦＥＴのドレインに結合される、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
10. 前記第１の故障イベント又は前記第２の故障イベントのうちのいずれかに後続するアークを吸収するアークシュートを更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
11. 前記磁気コイルは、可動弁を更に有し、前記可動弁は、前記スイッチに、前記第１の故障イベントに応答して開放させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
12. 前記ＭＯＳＦＥＴは、ＮチャネルデプレッションモードＭＯＳＦＥＴである、請求項４に記載の小型回路遮断器。
13. 前記バイメタルストリップ及び前記ＦＥＴは、前記第２の故障イベントが少なくとも２秒間にわたって発生するまでは、前記スイッチに、前記小型回路遮断器を開放させない、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
14. 定格電流を更に備え、前記バイメタルストリップ及び前記ＦＥＴは、前記小型回路遮断器内に受信される電流が前記定格電流を上回る場合、電流制限を提供する、請求項１から３のいずれか一項に記載の小型回路遮断器。
15. 小型回路遮断器であって、
    細長い金属ストリップと、前記細長い金属ストリップの周囲に巻き付けられた金属巻線とを有するバイメタルストリップであって、前記細長い金属ストリップは、前記小型回路遮断器の定格電流を超えることに応答して屈曲する、バイメタルストリップと、
    前記金属巻線が前記バイメタルストリップから除去された後の前記細長い金属ストリップと直列に接続され、かつ前記細長い金属ストリップに熱的に連結された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、前記ＦＥＴは、ソース端子に接続されたゲート端子を有する、ＦＥＴと、
    前記定格電流を超える到来電流に応答して開放するスイッチであって、前記スイッチは、前記細長い金属ストリップの前記屈曲に応答して開放する、スイッチと
    を備え、前記定格電流を上回る電流制限が、前記ＦＥＴによって提供される、小型回路遮断器。
16. 前記ＦＥＴは、金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）である、請求項１５に記載の小型回路遮断器。
17. 前記ＭＯＳＦＥＴは、デプレッションモードＭＯＳＦＥＴである、請求項１６に記載の小型回路遮断器。
18. 前記ＦＥＴは、接合ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）である、請求項１６又は１７に記載の小型回路遮断器。
19. 前記ＪＦＥＴは、炭化ケイ素ＪＦＥＴである、請求項１８に記載の小型回路遮断器。
20. 前記定格電流は、１Ａであり、前記電流制限は、５Ａである、請求項１６又は１７に記載の小型回路遮断器。

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