JP4708310B2

JP4708310B2 - 回路遮断装置

Info

Publication number: JP4708310B2
Application number: JP2006303693A
Authority: JP
Inventors: 利彰篠原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008027883A; US20070289948A1; DE102007020997A1; US7742269B2; DE102007020997B4

Description

本発明は、大電流を通電するインバータなどのパワー半導体装置に用いられる回路遮断装置に関し、特に動作条件によらず確実に回路を遮断することができ、配線損失が小さく、小型でコストが低い回路遮断装置に関するものである。

ハイブリッド自動車などに搭載されるモータ駆動用インバータの素子が破壊されて短絡状態となり、エンジン動力で回転するモータから回生電流が逆流する場合がある。このような異常時において回路に大電流が流れるのを防ぐため、回路遮断装置が用いられている。そして、回路遮断装置として、ヒータの熱によりヒューズを切断するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−１１９８５８号公報

従来の回路遮断装置では、ヒータは電流経路に直列に挿入され、異常時に通常動作時よりも大きな電流が流れることでヒューズを切断していた。しかし、ハイブリッド車などの場合、通常動作時のモータ駆動用の電流値と異常時のモータからの回生電流値に大幅な差が無いため、確実にヒューズを切断することはできなかった。そして、従来の回路遮断装置では、電流経路に直列に挿入された電気抵抗をヒータとして用いていたため、配線損失が大きいという問題があった。また、ヒューズの替わりに電磁開閉器を用いれば、確実に遮断可能だが、接触抵抗、コスト及びスペースの問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、動作条件によらず確実に回路を遮断することができ、配線損失が小さく、小型でコストが低い回路遮断装置を得るものである。

本発明に係る回路遮断装置は、良好な電気伝導性を有し、互いに半田で接合された第１端子及び第２端子と、半田を溶融するために設けられ、第１，第２端子を通る電流経路とは別の電流経路から電力を供給され、周囲が絶縁されたヒータとを有し、半田が溶融した場合に、第１，第２端子はバネ力により離間して絶縁され、第１，第２端子の一方の先端部をＵ字形に折り曲げ、このＵ字形の部分にヒータを取り付けている。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、動作条件によらず確実に回路を遮断することができ、配線損失が小さく、小型でコストが低い回路遮断装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回路遮断装置を示す上面図である。この回路遮断装置は、大電流を通電するインバータなどのパワー半導体装置に用いられる。

図示のように、銅材などの良好な電気伝導性を有する第１端子１１及び第２端子１２が、互いに半田１３で接合されている。そして、半田１３を溶融するために、第２端子１２の先端部の裏面にヒータ１４が設けられている。ここでは、第２端子１２の先端部をＵ字形に折り曲げ、このＵ字形の部分にヒータ１４が取り付けている。これにより、ヒータ１４による熱をより効率的に半田１３に加えることができ、かつヒータ１４を容易に固定することができる。また、ヒータ１４は周囲がセラミックなどで絶縁されている。

半田１３で接合されていない状態では、第１端子１１及び第２端子１２は図２のようになる。第１端子１１は、バネ性を有する形状をしており、銅合金などにより形成されている。また、第１端子１１の形状は、半田１３で接合されていない状態では第１端子１１と第２端子１２の間に隙間Ｓができるように設計される。一方、半田１３で接合された状態では、第１端子１１はバネ動作範囲で変形されている。ただし、信頼性を確保するため、第１端子１１のバネ性を利用したバネカは非加熱時における半田１３の疲労限界以下の力に設定されている。

次に、本実施の形態に係る回路遮断装置の動作について説明する。まず、通常動作時は、図１に示すように、第１端子１１及び第２端子１２が互いに半田１３で接合されている。次に、パワー半導体装置の異常があった場合は、ヒータ１４に電力が供給されて、半田１３が溶融される。そうすると、図２に示すように、第１端子１１のバネ性を利用したバネ力により第１，第２端子１１，１２は隙間Ｓだけ離間して絶縁され、回路は遮断される。

ヒータ１４は、第１，第２端子１１，１２を通る電流経路とは別の電流経路から電力を供給される。このため、動作条件によらず確実に回路を遮断することができる。また、従来のように電流経路に直列に挿入された電気抵抗をヒータとして用いるものに比べて、配線損失が小さい。そして、本発明の実施の形態に係る回路遮断装置は、小型でコストが低い構造により実現することができる。

なお、上記の例では、ヒータ１４は、第１，第２端子１１，１２の一方に設けているが、両方に設けてもよい。また、上記の例では、バネカは、第１，第２端子１１，１２の一方のバネ性を利用しているが、両方のバネ性を利用してもよい。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る回路遮断装置を示す上面図である。実施の形態１では、第１端子１１のバネ性を利用したバネ力により第１，第２端子１１，１２を離間させていたが、実施の形態２では、第１，第２端子１１，１２以外のバネ材１５によりバネカを得る。これにより、第１，第２端子１１，１２にバネ性を付加することなく、実施の形態１と同様の効果を奏する。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置を示す回路図である。このパワー半導体装置は、バッテリー電源２１からの電流をインバータ回路２２によりＡＣに変換して、三相モータ２３を駆動する回路である。また、インバータ回路２２を制御するインバータ制御回路２４と、遮断制御回路２５と、スイッチ２６と、実施の形態１又は２と同様の回路遮断装置とを有する。そして、第１，第２端子１１，１２は、三相モータ２３と、三相モータ２３を駆動するインバータ回路２２とにそれぞれ接続されている。

インバータ制御回路２４は、インバータ回路２２の異常を検知すると遮断制御回路２５に信号を送信し、その信号を受けた遮断制御回路２５はスイッチ２６にＯＮ信号を出力する。そして、スイッチ２６は、遮断制御回路２５からのＯＮ信号を入力するとバッテリー電源２１からヒータ１４へ電力を供給する。これにより、ヒータ１４による熱で半田１３は溶融し、第１，第２端子１１，１２は離間して絶縁され、回路は遮断される。

その後、インバータ制御回路２４は、インバータ回路２２に電流が流れなくなったことを検知すると遮断制御回路２５に信号を送信し、その信号を受けた遮断制御回路２５はスイッチ２６にＯＦＦ信号を出力する。そして、スイッチ２６は、遮断制御回路２５からのＯＦＦ信号を入力するとバッテリー電源２１からヒータ１４への電力供給を止める。なお、バッテリー電源２１以外の電源からヒータ１４へ電力供給しても良く、またスイッチ２６として半導体スイッチを使用しても良い。

これにより、バッテリー電源からの電流をインバータ回路によりＡＣに変換して三相モータを駆動する回路において、実施の形態１又は２と同様の効果を奏する。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係るパワー半導体装置を示す断面図である。図示のように、銅材などの良好な電気伝導性を有する第１端子１１及び第２端子１２が、互いに絶縁に必要な空間距離だけ離して絶縁体３１上に配置されている。そして、銅板を成形して形成したブリッジ３２（金属導体）が、第１，第２端子１１，１２にそれぞれ半田１３で接合されている。そして、半田１３を溶融するために、ブリッジ３２に接触するようにヒータ１４が設けられている。ここでは、ブリッジ３２の一部を成形することによりヒータ１４を固定している。これにより、ヒータ１４による熱をより効率的に半田１３に加えることができ、かつヒータ１４を容易に固定することができる。また、ヒータ１４は周囲がセラミックなどで絶縁されている。また、ブリッジ３２には、半田１３が溶融した時に確実に分離する力を付与するために重り３３が取り付けられている。

次に、本実施の形態に係る回路遮断装置の動作について説明する。まず、通常動作時は、図５に示すように、第１端子１１及び第２端子１２は互いにブリッジ３２及び半田１３で接合されている。次に、パワー半導体装置の異常があった場合は、ヒータ１４に電力が供給されて、まずブリッジ３２が加熱され、半田１３に熱が伝わる。ここで、銅の熱伝導率は３９５Ｗ／ｍＫに対し、例えばＳｎを主体とした半田の熱伝導率は６６Ｗ／ｍＫと低く、いわば断熱材として働く。このため、ブリッジ３２と接する半田１３の温度は上昇し、半田１３が溶融される。なお、ブリッジ３２の温度は、主に半田１３を経由して第１，第２端子１１，１２へと伝わる熱量とヒータ１４の発熱量がバランスするところまで到達する。従って、ヒータ１４の容量は半田１３が溶融する温度に達するような容量に設計されている。

半田１３が溶融されると、図６に示すように、ブリッジ３２は、自重又は重り３３により第１，第２端子１１，１２から落下して分離され、第１，第２端子１１，１２は所定の空間距離だけ離間して絶縁され、回路は遮断される。重力を使って分離力を付与することは、地上で使われ、天地の方向が変わらない使い方がなされる限り、経時的に変化しない安定した力を得ることができるため、確実な遮断が可能である。また、半田１３への応力を正確にコントロールすることができるため、信頼性設計が容易である。また、ヒータ１４をブリッジ３２側に取り付けることにより、半田１３の一部が溶融分断した場合に第１，第２端子１１，１２への熱伝導が抑制され、ブリッジ３２の温度が上昇し、更に半田１３の溶融を加速させ、溶断を確実なものとすることができる。

ヒータ１４は、第１，第２端子１１，１２を通る電流経路とは別の電流経路から電力を供給される。このため、動作条件によらず確実に回路を遮断することができる。また、従来のように電流経路に直列に挿入された電気抵抗をヒータ１４として用いるものに比べて、配線損失が小さい。そして、本発明の実施の形態に係る回路遮断装置は、小型でコストが低い構造により実現することができる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る回路遮断装置を示す断面図である。本実施の形態５では、ブリッジ３２の一部は、第１端子１１の端部と第２端子１２の端部との間に設けられている。また、ヒータ１４は縦方向に配置されている。これにより、装置全体を薄くすることができる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る回路遮断装置を示す断面図である。本実施の形態６では、ヒータ１４は、第１，第２端子１１，１２のヒータ１４が半田１３で接合されている面の反対面に接触するように設けられている。また、ヒータ１４及びブリッジ３２は縦方向に配置されている。これにより、装置全体を薄くすることができる。

半田１３が溶融されると、図９に示すように、ブリッジ３２は、自重により第１，第２端子１１，１２から落下して分離され、第１，第２端子１１，１２は所定の空間距離だけ離間して絶縁され、回路は遮断される。ただし、ヒータ１４が第１，第２端子１１，１２に直接接触しているため、熱が第１，第２端子１１，１２へ逃げ易く、第１，第２端子１１，１２の温度上昇が緩やかとなる。そこで、第１端子１１のＡ部に穴を開けるか、Ａ部の幅を狭くするなどにより、熱の逃げを抑制することで、半田１３の温度上昇を加速させることが可能となる。なお、本実施の形態ではブリッジ３２の自重を分離力として利用しているが、ブリッジ３２に取り付けられた重り又はバネを分離力として利用することもできる。

実施の形態７．
図１０は、本発明の実施の形態７に係る回路遮断装置を示す断面図である。本実施の形態７では、ブリッジ３２は横方向に設けられている。その他の構成は実施の形態６と同様であり、同様の効果を奏する。

実施の形態８．
図１１は、本発明の実施の形態８に係る回路遮断装置を示す断面図である。本実施の形態８では、第１，第２端子１１，１２の一部を成形することによりヒータ１４を固定している。そして、ブリッジ３２は、第１，第２端子１１，１２の間に設けられている。その他の構成は実施の形態６と同様であり、同様の効果を奏する。

実施の形態９．
図１２は、本発明の実施の形態９に係る回路遮断装置を示す断面図である。本実施の形態９では、第１，第２端子１１，１２の一部を成形することによりヒータ１４を固定している。そして、ブリッジ３２は、第１，第２端子１１，１２を挟み込むように設けられている。その他の構成は実施の形態６と同様であり、同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る回路遮断装置を示す上面図である。本発明の実施の形態１に係る回路遮断装置の動作を説明するための上面図である。本発明の実施の形態２に係る回路遮断装置を示す上面図である。本発明の実施の形態３に係るパワー半導体装置を示す回路図である。本発明の実施の形態４に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態４に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態５に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態６に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態７に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態８に係る回路遮断装置を示す断面図である。本発明の実施の形態９に係る回路遮断装置を示す断面図である。

符号の説明

１１第１の端子
１２第２の端子
１３半田
１４ヒータ
１５バネ材
２１バッテリー電源（電源）
２２インバータ回路
２３三相モータ（モータ）
２５遮断制御回路
２６スイッチ
３２ブリッジ（金属導体）
３３重り

Claims

良好な電気伝導性を有し、互いに半田で接合された第１端子及び第２端子と、
前記半田を溶融するために設けられ、前記第１，第２端子を通る電流経路とは別の電流経路から電力を供給され、周囲が絶縁されたヒータとを有し、
前記半田が溶融した場合に、前記第１，第２端子はバネ力により離間して絶縁され、
前記第１，第２端子の一方の先端部をＵ字形に折り曲げ、このＵ字形の部分に前記ヒータを取り付けたことを特徴とする回路遮断装置。
前記バネカは、前記第１，第２端子の一方又は両方のバネ性を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載の回路遮断装置。
前記バネカは、前記第１，第２端子以外のバネ材により得たものであることを特徴とする請求項１に記載の回路遮断装置。
前記バネカは、非加熱時における前記半田の疲労限界以下の力に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の回路遮断装置。
遮断制御回路と、スイッチとを更に有し、
前記第１，第２端子は、モータと、前記モータを駆動するインバータ回路とにそれぞれ接続され、
前記遮断制御回路は、前記インバータ回路の異常を検知するとＯＮ信号を出力し、
前記スイッチは、前記遮断制御回路からのＯＮ信号を入力すると電源から前記ヒータへ電力を供給することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回路遮断装置。
良好な電気伝導性を有し、互いに絶縁に必要な空間距離だけ離して配置された第１端子及び第２端子と、
前記第１，第２端子にそれぞれ半田で接合された金属導体と、
前記半田を溶融するために設けられ、前記第１，第２端子を通る電流経路とは別の電流経路から電力を供給され、周囲が絶縁されたヒータとを有し、
前記半田が溶融した場合に、前記金属導体は前記第１，第２端子から分離され、前記第１，第２端子は絶縁され、
前記ヒータは、前記第１，第２端子に接触するように設けられ、
前記第１，第２端子の一部を成形することにより前記ヒータを固定していることを特徴とする回路遮断装置。
前記半田が溶融した場合に、前記金属導体は、自重、前記金属導体に取り付けられた重り、又はバネにより前記第１，第２端子から分離され、前記第１，第２端子は絶縁されることを特徴とする請求項６に記載の回路遮断装置。
前記金属導体の一部は、前記第１端子の端部と第２端子の端部との間に設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の回路遮断装置。