JP6302166B2 - 分散型過渡電圧抑制を用いる避雷のための方法およびシステム - Google Patents
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Description
本開示は、一般に、高温半導体デバイスに関し、より詳細には、配線部品と一体化した過渡電圧抑制用の半導体デバイスに関する。
落雷または電線もしくは電気部品に誘起されることがある過渡電圧の他の原因は、設備に損傷を与えやすく、多くの場合に設備を稼働不能な状態にする。電圧スパイクの影響を緩和するために、雷または過渡電圧によって引き起こされる電気的な電圧スパイクを遮断する電子的手段をしばしば使用する。別の手段が、グランドへスパイクエネルギーをシャントし、可能性として影響を受ける設備をスパイクエネルギーがバイパスすることを可能にする。落雷保護部は、航空機機体、航空機エンジン、無人輸送手段、風力タービン、発電ならびに配電および送電などのシステムにおいて重要である。しかしながら、電圧スパイクを遮断するために使用するかかる電子部品は、比較的大きく、例えば、航空機上のまたは、限定しないがフルオーソリティディジタルエンジン（もしくは電子）制御（ＦＡＤＥＣ）などの航空機エンジン制御装置内の回路ボード上のおよび格納装置内の貴重な空間を占有する。比較的大きな部品はまた、航空機が運搬しなければならない望ましくない重量を意味する。その上、過渡電圧抑制デバイスを製造するために使用する、通常、シリコンの形態の半導体材料は、デバイスの漏れ電流が小さい、比較的冷たい周囲環境に、例えば、周囲温度がほぼ１２５℃未満の場所に制限される。少なくとも一部の既知のＴＶＳシステムは、保護しようとする設備用の中央集中型演算システムまたは制御システムのところに搭載された構成部品を使用して、雷または過渡電圧によって引き起こされる電気的な電圧スパイクから保護しようと試みる。中央演算システムまたは制御システムの一例は、一部の航空機エンジンで使用されるフルオーソリティディジタルエンジン（または電子）制御（ＦＡＤＥＣ）である。ＦＡＤＥＣは、通常、エンジンの送風機に設置される。しかしながら、電子装置または制御システムを、これらが制御するアクチュエータおよびセンサのより近くに分散させるという傾向がますます増大している。電圧抑制能力を必要とするこれらの場所はまた、保護しようとする設備近くの比較的熱い場所であり、例えば、１２５℃周囲を超えほぼ３００℃以上までの範囲内である周囲温度を有する場所である。その上、中央集中型演算システムまたは制御システムから遠く離れたシステム上の電圧スパイクは、中央集中型演算システムまたは制御システムにおいてＴＶＳ部品のところで検知され緩和される前に、比較的長い距離を進まなければならない。
一実施形態では、過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリは、１つまたは複数の電気コンジット、および接続部品の内部に配置され１つまたは複数の電気コンジットに電気的に結合された過渡電圧抑制装置デバイスを介して、第１の電気部品から遠く離れて設置された第２の電気部品に第１の電気部品を電気的に結合するように構成された接続部品を含み、ＴＶＳデバイスはワイドバンドギャップ半導体材料を含む。
別の一実施形態では、ワイドバンドギャップ半導体過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリを形成する方法は、１つまたは複数の電気コンジットを介して第１の電気部品から遠く離れて設置された第２の電気部品に第１の電気部品を電気的に結合するように構成された接続部品を組み立てるステップと、接続部品の内部にＴＶＳデバイスを配置するステップであって、ＴＶＳデバイスがワイドバンドギャップ半導体材料から形成される、配置するステップと、１つまたは複数の電気コンジットにＴＶＳデバイスを電気的に結合するステップとを含む。
さらに別の一実施形態では、航空機電気システムは、周囲温度がほぼ摂氏１２５°を超えることがある場所内であり航空機に配置された第１の電気部品と、第１の電気部品から遠く離れて航空機に配置された第２の電気部品と、第１の電気部品と第２の電気部品との間に延伸する接続部材であって、接続部材が、接続部材の内部に配置され、接続部材を介して第１の電気部品および第２の電気部品のうちの少なくとも一方に電気的に結合された過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリを含み、ＴＶＳアセンブリがワイドバンドギャップ半導体材料から形成されたＴＶＳデバイスを含む、接続部材とを含む。
本技術のこれらのならびにその他の特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して下記の詳細な説明を読むと、より良く理解されるようになるであろう。図面では、類似の参照符号は、図面全体を通して類似の構成要素を表す。
下記の詳細な説明は、限定としてではなく、一例として本システムの実施形態を例示する。システムおよび方法は、工業的用途、商業的用途、および住宅向け用途における電力電子機器、信号電子機器、電磁干渉（ＥＭＩ）保護機器内の電子部品の製造およびパッケージングに対する概括的な用途を有することが、企図されている。
本明細書において使用する、単数形で表現され、「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」という語が先行する要素またはステップは、複数形を除外することを明確に表現しない限りは、複数の要素またはステップを除外しないように理解すべきである。さらにその上、本発明の「一実施形態」という参照は、表現した特徴をやはり組み込んでいるさらなる実施形態の存在を除外するようには解釈しないものとする。
本開示の実施形態は、低漏れ電流で動作する複数の半導体系ＴＶＳデバイスに基づく過渡電圧保護システム用の構造を明示し、３００℃以上で動作しながら複数の落雷に耐えることができ、保護しようとする電気システムおよび通信システム全体にわたって分散される。可能性のある過渡電圧源の点に最も近い場所にＴＶＳデバイスを分散させることは、誘起される電気的スパイクおよび電気的スパイクが電線に存在する時間の深刻さを楽にする。電気システムに結合された電気部品から遠くへスパイクのエネルギーを消散させることは、電線への落雷または他の過渡電圧源の強い影響を低減することを容易にする。その上、グランドへの複数の経路を設けることは、システムから電荷／電流を流出させる過渡電圧保護システムの能力をさらに高める。
一実施形態では、デバイスを炭化ケイ素（ＳｉＣ）から製造する。他の実施形態では、デバイスを、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、およびこれらの組合せなどの他のワイドバンドギャップ材料から製造するが、これらに限定されない。ワイドバンドギャップ半導体ＴＶＳデバイスは、ほぼ５００℃まで信頼性良く動作可能であるが、ＴＶＳパッケージングなどの他の構成部品が、例の実施形態においてはさらに制限することがある。ＴＶＳは、クランピングデバイスであり、その絶縁破壊電圧を超えるほぼすべての過大電圧を抑制する。ＴＶＳデバイスは、典型的には、３層のＳｉＣ層（Ｎ−Ｐ−Ｎ）から成る。他の実施形態では、３つの層は、Ｐ−Ｎ−Ｐ層から成る。Ｎ−Ｐ−Ｎタイプのデバイスでは、デバイスが２つのＮ層間に電位をかけられるときには、Ｐ層のドーピングが２つのＮ層と比較してはるかに低いために、空乏層がＰ層中に（大部分）形成される。例えば、Ｎ層のドーパント濃度の１桁から５桁の大きさで低い、または１０分の１から１０００分の１である。さらなる例として、Ｎ層中のドーピング濃度がほぼ１０18／ｃｍ3である場合には、Ｐ層中のドーピング濃度は、ほぼ１０15／ｃｍ3のはずである。デバイス両端の電圧が増加するにつれて、空乏層は、Ｐ層全体にわたって広がり、反対側のＮ層と接触する。これが「パンチスルー」として知られる状態を引き起こし、大量の電流がデバイス中を流れ始める。デバイスは、両端の電圧の最小の変化でこの状態を維持することが可能である。同様の説明が、層の極性がＰ−Ｎ−Ｐに変わったときの動作を説明する。他の実施形態では、ＴＶＳデバイスは、アバランシェ破壊物理現象を使用して動作する。
本明細書において開示するＴＶＳデバイスは、現在のＴＶＳデバイスよりもサイズ、温度範囲、キャパシタンス、および電気的漏れ電流範囲を改善する。かかる改善のために、ＴＶＳデバイスが保護している電子機器が設置されている以外の電気システム内の場所に、ＴＶＳデバイスを設置することができる。ＴＶＳデバイスを、電気ケーブル、ワイアハーネス、または電子ボードを結び付けるコネクタ内に設置することができ、これは、電子ボード内の空間を節約することができ、ハーネスおよびケーブル配線に沿ったさらに分散型の保護をやはり可能にする。これに加えて、ＳｉＣ ＴＶＳの高温能力は、１２５℃周囲を超えほぼ３００℃以上までの環境内に統合型避雷装置を有する電子システムを設置することを可能にする。センサおよびアクチュエータのより近くのハーネスまたはコネクタの部分内にＴＶＳデバイスを設置する能力は、保護利益の追加および信頼性の増加を提供することができる。
これに加えて、現在いずれかの組込み型保護装置を用いていないので、ハーネスが落雷の際に大量のエネルギーを経験することが予期され、これゆえハーネスを適切に設計しシールドしなければならないために、ワイアリングハーネス内に避雷装置を一体化することが、さらに最適化したハーネス設計を可能にする。特に分散型の方式でハーネス内にＴＶＳデバイスを一体化することは、ハーネス内で必要とされる全体のシールドおよび絶縁を減少させることができ、より軽いシステム重量を可能にする。分散型ＴＶＳシステムの過渡電圧制御および抑制能力は、少なくとも一部は、分散型システムによって与えられるグランドへの複数の経路のために、中央集中型演算システムまたは制御システムのところのＴＶＳシステムよりも改善される。
これに加えて、本明細書において説明する分散型ＴＶＳシステムは、演算システムまたは制御システムの外部へ電気的電圧スパイクのエネルギーを消散させることを可能にすることによって、熱管理の改善を提供する。ＦＡＤＥＣからＴＶＳデバイスを取り除くことは、これらのデバイスの周りの熱管理のための必要性を少なくすることを介して、中央演算システムまたは制御システムのサイズを縮小させることを容易にする。分散型ＴＶＳ構造は、特に厳しい環境中での分散型演算または制御を可能にし、敏感な電子機器から遠くでのエネルギー消散を容易にし、複数の経路を介してエネルギーを消散させることによって本来的な冗長性を与える。
図１は、本システムの例示的な実施形態による過渡電圧抑制（ＴＶＳ）アセンブリ１００の側面の立面図である。例示的な実施形態では、ＴＶＳアセンブリ１００は、ＴＶＳデバイス１０２および、基板１０６の製造中に実施されるドーピングに基づいて、第１の極性、例えば、Ｎ＋極性を備えた半導体基板１０６を介して直列に電気的に結合されたＰＮ接合１０４を含む。
ＴＶＳデバイス１０２は、例えば、Ｎ＋タイプの導電性を有する炭化ケイ素の基板１０６上に形成されたメサ構造を含む。例示的な実施形態では、Ｎ＋タイプの導電層１０８を、基板１０６上にエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させたＰ−層１１０を、層１０８と電気的に接触させて結合する。エピタキシャル成長させたＮ＋層１１２を、Ｐ−層１１０と電気的に接触させて結合する。例示的な実施形態では、Ｐ−層１１０は、Ｎ＋層１０８および１１２に対して相対的に低濃度にドープされる。基板１０６ならびに層１０８、１１０および１１２の一様なドーピング濃度は、層１１０の空乏層内の電場分布の均一性を向上させ、これによって絶縁破壊電圧特性を改善する。その上、メサ構造は、ダイの表面のところの最大電場プロファイルを低下させるために、隣接して接触する層間の界面に対してほぼ５度からほぼ８０度の角度を付けたベベル側壁を有する。第１の電気的コンタクト１１４は、層１１２と電気的にコンタクトして結合され、ＴＶＳアセンブリ１００のコンタクト表面１１５まで延伸する。
ＰＮ接合１０４をＴＶＳデバイス１０２と同様に形成する。Ｎ＋タイプの導電層１１６を、基板１０６上にエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長Ｐ−層１１８を、層１１６と電気的にコンタクトさせて結合する。第２の電気的コンタクト１２０は、層１１８と電気的にコンタクトして結合され、コンタクト表面１１５まで延伸する。電気的コンタクト１１４および１２０を、スパッタリング、気相堆積、蒸着、または層１１２および１１８の半導体表面に金属コンタクト表面を接着させるための他の方法によって形成することができる。種々の実施形態では、電気的コンタクト１１４および１２０は、異なる材料のサブレイヤを含む。例えばコンタクト１１４および１２０は、層１１２および１１８の半導体材料に対して優れた接着特性を保有する、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を含む第１のサブレイヤ１２２を含むことができる。例えば、タングステン（Ｗ）を含む第２のサブレイヤ１２４を、Ｎｉサブレイヤ１２２上へと堆積し、例えば、金（Ａｕ）を含む第３のサブレイヤを、Ｗサブレイヤ１２４上へと堆積する。ＷおよびＡｕを、電気的コンタクト１１４および１２０に対して低抵抗を与えるために使用する。Ｎｉ、Ｗ、およびＡｕのサブレイヤを含むとして本明細書中では説明したが、電気的コンタクト１１４および１２０がＮｉ、Ｗ、およびＡｕと同じ材料または異なる材料を含む３層のサブレイヤよりも多いまたは少ないものを含むことができることが、認識されるはずである。
例示的な実施形態では、ＴＶＳアセンブリ１００を、「フリップチップ」構成に形成する。したがって、電気的コンタクト１１４および１２０を、ＴＶＳアセンブリ１００の同じ側に向ける。その上、ＴＶＳデバイス１０２は、「パンチスルー」または「リーチスルー」としても知られる物理現象を使用して動作し、その結果、ＴＶＳデバイス１０２両端の電圧が増加するにつれて、空乏領域がＰ−層１１０全体にわたって広がり、Ｎ＋層１０８および１１２に接触する。これが、「パンチスルー」として知られる状態をもたらし、大量の電流がＴＶＳデバイス１０２を通って流れることが可能である。ＴＶＳデバイス１０２は、その両端の電圧の最小の変化でこの状態を維持することが可能である。
種々の実施形態では、ＴＶＳデバイス１０２の半導体材料の内部の最大電場が１センチメートル当たり２メガボルト未満を維持することを確実にするように、ＴＶＳデバイス１０２は、サイズを決められ、形成される。それに加えて、ＴＶＳデバイス１０２は、ほぼ１．０ナノアンペア未満からほぼ１．０ミリアンペアまでの範囲内の電流について、５％未満の遮断電圧の増加を維持するように構成される。本明細書中で使用される場合、遮断電圧は、ＴＶＳデバイス１０２が導電しない、すなわち、依然として「オフ」状態である最大電圧を呼ぶ。その上、ＴＶＳデバイス１０２は、室温ではほぼ１．０マイクロアンペア未満からＴＶＳデバイス１０２のほぼパンチスルー電圧まで、かつ、１２５℃周囲を超えほぼ３００℃以上までの動作温度では、ほぼ１．０マイクロアンペア未満からほぼパンチスルー電圧までの電気的な漏れ電流を維持するように構成される。
種々の実施形態では、ＴＶＳデバイス１０２は、ほぼ５．０ボルトからほぼ７５．０ボルトまでの間でパンチスルー特性を示すように構成される。種々の他の実施形態では、ＴＶＳデバイス１０２は、ほぼ７５．０ボルトからほぼ２００．０ボルトまでの間でパンチスルー特性を示すように構成される。さらに他の実施形態では、ＴＶＳデバイス１０２は、ほぼ２００ボルトよりも高いパンチスルー特性を示すように構成される。
ＴＶＳデバイス１０２およびＰＮ接合１０４を形成するために使用する半導体材料を、炭化ケイ素であるとして本明細書では説明しているが、半導体材料は、本明細書において説明した機能を実行することができ、本明細書において説明した環境において動作することができる他のワイドバンドギャップ半導体を含むことができることが、理解されるはずである。かかるワイドバンドギャップ半導体は、信号を劣化させずに電気的信号線上により多くのＴＶＳアセンブリを可能にする低回路キャパシタンスを含む。
図２は、本発明の例示的な実施形態による過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリ２００の透視図である。例示的な実施形態では、接続部品２０２は、１つまたは複数の電気コンジット２０８、および接続部品の内部に配置され、１つまたは複数の電気コンジット２０８に電気的に結合される過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）デバイス２１０を介して、第１の電気部品２０４から遠く離れて設置された第２の電気部品２０６に第１の電気部品２０４を電気的に結合するように構成されている。一実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０の第１の端子２１２を、１つまたは複数の電気コンジット２０８に電気的に結合し、第２の端子２１４を、グランド接続部２１６に電気的に結合する。種々の実施形態では、第２の端子２１４を、戻りコンジット（図２には図示せず）に電気的に結合する。また例示的な実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、ドープしたワイドバンドギャップ半導体材料の層を使用して形成する。ＴＶＳデバイス２１０は、１つのＴＶＳデバイスを含むことができる、または複数の別個のＴＶＳデバイスを含むことができる。複数のＴＶＳデバイスを、電気的に並列に、電気的に直列に、またはこれらの組合せで接続された１つまたは複数の電気コンジット２０８に別々に接続することができる。本発明の例示的な実施形態において、電気部品は、コネクタ、エンジン制御システム、フルオーソリティディジタルエンジン制御（ＦＡＤＥＣ）、遠隔インタロゲーションユニット（ＲＩＵ）、スマートセンサ、アクチュエータ、および端部電気ノードのうちの少なくとも１つを備えることができる。
ＴＶＳデバイス２１０は、０℃以下からほぼ３００℃までの範囲内の温度で信頼性良く動作することができる。一実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成する。他の実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、およびこれらの組合せなどの他のワイドバンドギャップ材料から製造するが、これらに限定されない。ワイドバンドギャップ半導体ＴＶＳデバイス２１０それ自体は、ほぼ５００℃まで信頼性良く動作可能であるが、ＴＶＳパッケージングなどの他の構成部品が、例の実施形態においてはさらに制限することがある。
図３は、本発明の別の例示的な実施形態による過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリ３００の透視図である。例示的な実施形態では、ケーブルなどの接続部品３０２は、第１のコネクタ３０４を使用して第１の電気部品２０４へおよび第２のコネクタ３０６を使用して第２の電気部品２０６へ電気的に結合するように構成される。コネクタ３０４および３０６はまた、ケーブル３０２とそれぞれの電気部品２０４および２０６との間の機械的なカップリングを維持する。典型的には、第２の電気部品２０６を、第１の電気部品２０４から遠く離して設置する。過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）デバイス２１０を、ケーブル３０２の内部に配置し、１つまたは複数の電気コンジット２０８に電気的に結合する。例示的な実施形態では、電気コンジット２０８を、第１のコネクタ３０４から第２のコネクタ３０６へ少なくとも部分的に延伸するシース内に封入する。一実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０の第１の端子２１２を、１つまたは複数の電気コンジット２０８に電気的に結合し、第２の端子２１４をグランド接続部２１６に電気的に結合する。種々の実施形態では、第２の端子２１４を、戻りコンジット（図３には図示せず）に電気的に結合する。また例示的な実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、ドープしたワイドバンドギャップ半導体材料の層を使用して形成する。ＴＶＳデバイス２１０は、１つのＴＶＳデバイスを含むことができる、または複数の別個のＴＶＳデバイスを含むことができる。複数のＴＶＳデバイスを、別々に１つまたは複数の電気コンジット２０８に接続する、電気的に並列に、電気的に直列に、またはこれらの組合せで接続することができる。
ＴＶＳデバイス２１０は、０℃以下からほぼ３００℃までの範囲内の温度で信頼性良く動作することができる。一実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成する。他の実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、およびこれらの組合せなどの他のワイドバンドギャップ材料から製造するが、これらに限定されない。ワイドバンドギャップ半導体ＴＶＳデバイス２１０それ自体は、ほぼ５００℃まで信頼性良く動作可能であるが、ＴＶＳパッケージングなどの他の構成部品が、例の実施形態においてはさらに制限することがある。
図４は、本発明の別の例示的な実施形態による過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリ４００の透視図である。例示的な実施形態では、１つまたは複数のワイア４０４および１つまたは複数のケーブル４０６のうちの少なくとも一方を含むワイアリングハーネスなどの接続部品４０２を、第１のコネクタ４０８を使用して第１の電気部品２０４に、ならびに第２のコネクタ４１０、４１２および４１４を使用して第２の電気部品２０６に電気的に結合するように構成する。コネクタ４０８、４１０、４１２および４１４はまた、ワイアリングハーネス４０２とそれぞれの電気部品２０４および２０６との間の機械的なカップリングを維持する。別々のワイア４０４および／またはケーブル４０６を、例えば、これらに限定しないが、クランプ、ケーブルタイ、ケーブルレーシング、スリーブ、電気テープ、コンジット、突き出した糸の織物、またはこれらの組合せを使用して、ワイアリングハーネス４０２を形成するために一緒に束ねることができる。
典型的には、第２の電気部品２０６を、第１の電気部品２０４から遠く離して設置する。過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）デバイス２１０を、ワイアリングハーネス４０２の内部に配置し、１つまたは複数の電気コンジット４１６に電気的に結合する。例示的な実施形態では、電気コンジット４１６を、第１のコネクタ４０８から１つまたは複数の第２のコネクタ４１０および４１４へ少なくとも部分的に延伸するシース４１８内に封入する。電気コンジット４１６はまた、別個のワイア４０４を含むことができる。電気コンジット４１６が別個のワイア４０４であろうとも、または電気コンジット４１６がシース４１８内に封入されていようとも、１つまたは複数のＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４を、電気コンジット４１６に電気的に結合することができる。一実施形態では、上に示した実施形態と同様に、ＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４の第１の端子を、１つまたは複数の電気コンジット４１６に電気的に結合し、第２の端子をグランド接続部に電気的に結合する。種々の実施形態では、第２の端子を、上に説明したように戻りコンジットに電気的に結合することができる。例示的な実施形態では、１つまたは複数のＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４を、ドープしたワイドバンドギャップ半導体材料の層を使用して形成する。ＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４は、１つのＴＶＳデバイスを含むことができる、または複数の別個のＴＶＳデバイスを含むことができる。複数のＴＶＳデバイスを、別々に１つまたは複数のコンジット４１６に接続する、電気的に並列に、電気的に直列に、またはこれらの組合せで接続することができる。
ＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４は、０℃以下からほぼ３００℃までの範囲内の温度で信頼性良く動作することができる。一実施形態では、ＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４を、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成する。他の実施形態では、ＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４を、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、およびこれらの組合せなどの他のワイドバンドギャップ材料から製造するが、これらに限定されない。ワイドバンドギャップ半導体ＴＶＳデバイス４２０、４２２および４２４は、ほぼ５００℃まで信頼性良く動作可能であるが、ＴＶＳパッケージングなどの他の構成部品が、例の実施形態においてはさらに制限することがある。
図５は、本発明の別の例示的な実施形態による過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）アセンブリ５００の透視図である。例示的な実施形態では、電気的コネクタなどの接続部品５０２は、第１の電気部品２０４に電気的に結合するように構成される。コネクタ５０２のコネクタ前半部分は、コネクタフリーシェル５０８の内部へと押し込まれたコネクタ挿入部５０６内の開口部を通して挿入された１つまたは複数のコネクタピン５０４を含む。カップリングナット５１０は、フリーシェル５０８の一部を囲み、第１の電気部品２０４に張り付けられたコネクタ後半部分５１２上の相補的なねじ山に噛み合うようにねじ込まれる。個々のワイア５１６の絶縁されていない部分５１４を、例えば、これらに限定されないが、はんだ付けおよび圧着を使用してコネクタピン５０４に電気的に結合する。ワイア５１６を搬送するケーブル５１８は、バックシェル５２０およびケーブルクランプアセンブリ５２２によって支持される。
過渡電圧抑制装置（ＴＶＳ）デバイス２１０を、コネクタ５０２の内部に配置し、１つまたは複数のワイア５１６に電気的に結合する。一実施形態では、上に示した実施形態と同様に、ＴＶＳデバイス２１０の第１の端子を、１つまたは複数のワイア５１６に電気的に結合し、第２の端子を、グランド接続部に電気的に結合する。種々の実施形態では、第２の端子を、上に説明したように戻りコンジットに電気的に結合することができる。例示的な実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、ドープしたワイドバンドギャップ半導体材料の層を使用して製造する。ＴＶＳデバイス２１０は、１つのＴＶＳデバイスを含むことができる、または複数の別個のＴＶＳデバイスを含むことができる。複数のＴＶＳデバイスを、別々に１つまたは複数のワイア５１６に接続する、電気的に並列に、電気的に直列に、またはこれらの組合せで接続することができる。
ＴＶＳデバイス２１０は、０℃以下からほぼ３００℃までの範囲内の温度で信頼性良く動作することができる。一実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成する。他の実施形態では、ＴＶＳデバイス２１０を、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、およびこれらの組合せなどの他のワイドバンドギャップ材料から製造するが、これらに限定されない。ワイドバンドギャップ半導体ＴＶＳデバイス２１０は、ほぼ５００℃まで信頼性良く動作可能であるが、ＴＶＳパッケージングなどの他の構成部品が、例の実施形態においてはさらに制限することがある。
図６は、本発明の例示的な実施形態による過渡電圧抑制（ＴＶＳ）システム６００の模式的ブロック図である。例示的な実施形態では、中央演算システムまたは制御システム６０２、例えば、限定しないが、フルオーソリティディジタルエンジン（または電子）制御（ＦＡＤＥＣ）は、中央演算システムまたは制御システム６０２の外部の構成要素への複数の接続を含む。一実施形態では、第１の接続部６０４は、第１の接続部６０４のバックシェル６０８の内部にＴＶＳアセンブリ６０６を含むケーブルコネクタ内に実装される。例示的な実施形態では、ＴＶＳアセンブリ６０６は、１つのＴＶＳデバイスを含む。種々の実施形態では、ＴＶＳアセンブリ６０６は、直列、並列、およびこれらの組合せのうちの少なくとも１つで電気的に結合された複数のＴＶＳデバイスを含む。
ＴＶＳシステム６００はまた、中央演算システムまたは制御システム６０２を収納する格納装置にまたは中央演算システムまたは制御システム６０２の電子部品ボードに搭載することができるコネクタソケット６１０を含むことができる。コネクタソケット６１０は、ケーブル６１２の相補的な端部を受けるように構成される。例示的な実施形態では、コネクタソケット６１０は、ＴＶＳアセンブリ６０６を含む。種々の実施形態では、ケーブル６１２はまた、例えば、ケーブル側面コネクタのバックシェルの内部にＴＶＳアセンブリ６０６を含むことができる。
環境温度が、例えば、１２５℃周囲を超えほぼ３００℃以上までであり得る比較的高温領域６１４を含むシステムにおいて、ＴＶＳシステム６００を使用することができる。領域６１４では、ＴＶＳアセンブリ６０６を、かかる高温環境において動作している構成部品に含ませることができる。例示的な実施形態では、ＴＶＳアセンブリを、高温構成部品６１６の内部に含ませることができ、ケーブルもしくはケーブルハーネス６１８の長さに沿って間隔を空けて設置することができ、および／または構成部品６２２の接続端部６２０のところに含ませることができる。本明細書において説明したように、複数のＴＶＳアセンブリ６０６は、複数の冗長部用にサイズを決め、配置することができ、ネットワーク内の他のＴＶＳアセンブリを介して保護を維持しながら、一部のＴＶＳアセンブリの故障に適応することに応じて「ネットワーク」用に構成されることがある。
動作中に、エネルギーを消散させるためにＴＶＳシステム６００の全体にわたって設置された複数のＴＶＳアセンブリ６０６を介してグランドへの複数の経路を有することは、落雷および他の過渡電圧事象から中央演算システムまたは制御システム６０２および他の設備を保護することを容易にする。
種々の実施形態では、ＴＶＳデバイスの少なくとも一部を、低温ガス流などの好ましい熱消散を有する領域内に、高速ガス流を有する領域内に、または大きな熱質量を有する構造体と接触させて設置する。その上、ＴＶＳデバイスを、電気的にシステムの一部として設置し、その結果、ＴＶＳデバイスは、エネルギーを流すために同一場所に設置されることも設置されないこともある複数の経路を作り出すことによって、複数の電気部品に与えられる電気的保護の冗長性を増加させるように働く。
過渡電圧抑制の方法およびシステムの上に説明した実施形態は、ＥＭＩおよび／または落雷などから電気システム中に誘起される電圧スパイクを軽減するおよび／または除去するためのコスト効率が良く信頼性のある手段を提供する。より具体的には、本明細書において説明した方法およびシステムは、落雷を受けやすい領域または電磁サージもしくはスパイクの発生源の近くにおよび信号線または送電線に沿った複数の点のところにＴＶＳデバイスを配置することを容易にする。ワイドバンドギャップ半導体ＴＶＳデバイスの小さなサイズおよびフリップチップパッケージングは、ケーブル、ワイアリングハーネス、および／またはコネクタの内部にこのように配置することを可能にする。その上、ワイドバンドギャップ半導体材料は、伝送電圧保護が必要である高温環境内にＴＶＳデバイスを配置することを可能にする。これに加えて、上に説明した方法およびシステムは、追加の冷却支援装置を用いずに高密度筐体内で電子部品が動作することを容易にする。その結果として、本明細書において説明した方法およびシステムは、コスト効率が高く信頼性のある方式で航空機などの輸送手段を稼働させることを容易にする。
この明細書はまた、最良の形態を含む本発明を開示するため、ならびに任意のデバイスまたはシステムを作成することや使用することおよび任意の組み込んだ方法を実行することを含む本発明を当業者が実施することを可能にするために例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思い付く他の例を含むことができる。かかる他の例が特許請求の範囲の文面から逸脱しない構造的要素を有する場合、またはかかる他の例が、特許請求の範囲の文面と実質的でない差異しか有さない等価な構造的要素を含む場合には、かかる他の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。
１００ ＴＶＳアセンブリ
１０２ ＴＶＳデバイス
１０４ ＰＮ接合
１０６ 基板
１０８ 層
１１０ 層
１１２ 層
１１４ 電気的コンタクト
１１５ コンタクト表面
１１６ 層
１１８ 層
１２０ 電気的コンタクト
１２２ サブレイヤ
１２４ サブレイヤ
２００ ＴＶＳアセンブリ
２０２ 構成部品
２０４ 電気部品
２０６ 電気部品
２０８ 電気コンジット
２１０ ＴＶＳデバイス
２１２ 端子
２１４ 端子
２１６ グランド接続部
３００ ＴＶＳアセンブリ
３０２ ケーブル
３０４ コネクタ
３０６ コネクタ
４００ ＴＶＳアセンブリ
４０２ ワイアリングハーネス
４０４ ワイア
４０６ ケーブル
４０８ コネクタ
４１０ コネクタ
４１２ コネクタ
４１４ コネクタ
４１６ 電気コンジット
４１８ シース
４２０ ＴＶＳデバイス
４２２ ＴＶＳデバイス
４２４ ＴＶＳデバイス
５００ ＴＶＳアセンブリ
５０２ 構成部品
５０４ コネクタピン
５０６ コネクタ挿入部
５０８ コネクタフリーシェル
５１０ カップリングナット
５１４ 絶縁されていない部分
５１６ ワイア
５１８ ケーブル
５２０ バックシェル
５２２ ケーブルクランプアセンブリ
６００ ＴＶＳシステム
６０２ 制御システム
６０４ 接続部
６０６ ＴＶＳアセンブリ
６０８ バックシェル
６１０ コネクタソケット
６１２ ケーブル
６１４ 領域
６１６ 構成部品
６１８ ケーブルまたはケーブルハーネス
６２０ 接続端部
６２２ 構成部品
１０２ ＴＶＳデバイス
１０４ ＰＮ接合
１０６ 基板
１０８ 層
１１０ 層
１１２ 層
１１４ 電気的コンタクト
１１５ コンタクト表面
１１６ 層
１１８ 層
１２０ 電気的コンタクト
１２２ サブレイヤ
１２４ サブレイヤ
２００ ＴＶＳアセンブリ
２０２ 構成部品
２０４ 電気部品
２０６ 電気部品
２０８ 電気コンジット
２１０ ＴＶＳデバイス
２１２ 端子
２１４ 端子
２１６ グランド接続部
３００ ＴＶＳアセンブリ
３０２ ケーブル
３０４ コネクタ
３０６ コネクタ
４００ ＴＶＳアセンブリ
４０２ ワイアリングハーネス
４０４ ワイア
４０６ ケーブル
４０８ コネクタ
４１０ コネクタ
４１２ コネクタ
４１４ コネクタ
４１６ 電気コンジット
４１８ シース
４２０ ＴＶＳデバイス
４２２ ＴＶＳデバイス
４２４ ＴＶＳデバイス
５００ ＴＶＳアセンブリ
５０２ 構成部品
５０４ コネクタピン
５０６ コネクタ挿入部
５０８ コネクタフリーシェル
５１０ カップリングナット
５１４ 絶縁されていない部分
５１６ ワイア
５１８ ケーブル
５２０ バックシェル
５２２ ケーブルクランプアセンブリ
６００ ＴＶＳシステム
６０２ 制御システム
６０４ 接続部
６０６ ＴＶＳアセンブリ
６０８ バックシェル
６１０ コネクタソケット
６１２ ケーブル
６１４ 領域
６１６ 構成部品
６１８ ケーブルまたはケーブルハーネス
６２０ 接続端部
６２２ 構成部品
Claims (10)
- 複数の分散型電気部品（６０２、６１６、６２２）であって、前記複数の分散型電気部品のうちの少なくとも一部が前記複数の分散型電気部品のうちの他のものから離れて配置され、前記複数の分散型電気部品のうちの少なくとも一部が前記複数の分散型電気部品の他のものに複数の電気コンジット（２０８）を備えるそれぞれの接続部品を介して電気的に結合される、複数の分散型電気部品と、
ワイドバンドギャップ半導体材料を含み、その端子が前記電気コンジットおよび前記分散型電気部品のうちの少なくとも一方に電気的に結合された複数の過渡電圧抑制（ＴＶＳ）デバイス（６０６）を備えた分散型保護システム（６００）であって、前記ＴＶＳデバイスが、前記接続部品内で、前記電気コンジットおよび前記分散型電気部品のうちの前記少なくとも一方に近接して配置されて、前記電気コンジットおよびＴＶＳデバイスを介して各分散型電気部品に複数の電気的消散経路を提供する、分散型保護システムと、
を備え、
前記ＴＶＳデバイスがパンチスルー状態のときに、大量の電流が前記ＴＶＳデバイスを通って流れることが可能であり、
前記ＴＶＳデバイスが、可能性のある過渡電圧源の点の近接した場所に分散された、電気システム。 - 前記電気システムが、航空機機体電気システム、航空機エンジン電気システム、無人輸送手段電気システム、風力タービン電気システム、発電電気システム、ならびに配電および送電電気システムのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記分散型電気部品が、コネクタ（６１０）、エンジン制御システム、フルオーソリティディジタルエンジン制御（ＦＡＤＥＣ）、遠隔インタロゲーションユニット（ＲＩＵ）、スマートセンサ、アクチュエータ、および端部電気ノードのうちの少なくとも１つを備える、請求項１または２に記載のシステム。
- 前記複数のＴＶＳデバイスのうちの少なくとも１つが、低温ガスの流れ、高速ガスの流れのうちの少なくとも一方の内部に、および近接して、ならびに前記少なくとも１つよりも大きな熱質量を有する物体と接触しながら、のうちの少なくとも１つで配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
- 前記電気システムが、航空機電気システムであり、
前記複数のＴＶＳデバイスのうちの少なくとも一部は、前記電気的保護の冗長性が前記複数の分散型電気部品に与えられるように前記航空機電気システムの内部で電気的に結合され、前記複数の電気的消散経路が、物理的に分散される、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。 - 前記複数の過渡電圧抑制（ＴＶＳ）デバイス（６０６）の第２の端子が、グランド接続部に電気的に結合される、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
- 前記電気コンジットが、ケーブル（３０２）を備え、前記ケーブルが、
前記複数の電気部品の第１の電気部品（２０４）と噛み合うように構成された第１の電気的コネクタ（３０４）と、
前記複数の電気部品の第２の電気部品（２０６）と噛み合うように構成された第２の電気的コネクタ（３０６）と、
前記第１の電気的コネクタと前記第２の電気的コネクタとの間に延伸する前記ケーブルの１つまたは複数の電気ワイア（２０８）であって、前記１つまたは複数の電気ワイアが前記１つまたは複数の電気ワイアの長さに沿ってシース（３０８）によって少なくとも部分的に囲まれ、前記過渡電圧抑制装置デバイス（２１０）が前記シースの内部に配置される、１つまたは複数の電気ワイアと、
を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。 - 前記電気コンジットが、第１のケーブル端部、第２のケーブル端部、およびこれらの間に延伸する１つまたは複数の電気ワイアを含むケーブルを備え、前記１つまたは複数の電気コンジットが前記１つまたは複数の電気ワイアの長さに沿ってシースによって少なくとも部分的に囲まれ、前記ＴＶＳデバイスが前記シースの内部に配置される、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。
- 前記電気コンジットが、複数のワイア（４０４）および複数のケーブル（４０６）のうちの少なくとも一方を含むワイアリングハーネス（４０２）を備え、前記複数のワイアおよび複数のケーブルの各々が第１の終端部および第２の終端部を備え、前記複数のワイアおよび複数のケーブルがそれぞれの長さに沿って一緒に束ねられ、前記ＴＶＳデバイス（４２４）が前記複数のワイアおよび複数のケーブルのうちの１つまたは複数の長さに沿って配置される、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
- 前記電気コンジットが、電気的コネクタを備え、前記電気的コネクタが、
プラグコンタクト（５０４）およびソケットコンタクト（５０４）のうちの少なくとも一方を受けるように構成されたグロメット（５０６）と、
前記グロメットを少なくとも部分的に囲むシェル（５２０）と、
前記シェルの内部に配置され、前記プラグコンタクトおよび前記ソケットコンタクトのうちの少なくとも一方に電気的に結合されたＴＶＳデバイス（２１０）と、
を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
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