KR101276033B1 - 고전류 전기 스위치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

고전류 전기 스위치를 위하여 방법과 시스템이 개시된다. 스위치는 모듈 또는 어셈블리당 1 내지 1000 암페어 범위의 직류 전류를 스위칭(switching), 정류 또는 차단하는 데에 적절할 수 있다. 비교적 작은 열을 생성할 정도의 효율을 가진다는 점에서 적절하다; 대류나 복사에 의한 냉각을 거의 필요로 하지 않거나 전혀 필요로 하지 않는 정도의 크기의 효율이라는 점에서 적절하다. 공정 중에 생성되는 비교적 작은 열은 소자에 연결된 전기 케이블들에 의해 매우 효율적으로 멀리 전도되어 버린다.
Figure R1020077029912
고전류 전기 스위치, 열, 스위칭 요소, 유효 저항, MOSFET.

Description

고전류 전기 스위치 및 방법{HIGH CURRENT ELECTRICAL SWITCH AND METHOD}
본 발명은 전반적으로 고전류 전기 스위치 및 그 고전류 전기 스위치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 다양한 응용들을 위한 히트 싱크의 필요가 적거나 없는 그러한 고전류 전기 스위치 및 방법에 관한 것이다.
당해 부분에 포함된 정보는 본 발명의 기술의 배경에 관한 것이며 그러한 배경 기술이 법적으로 종래 기술을 구성하는지 여부에 대한 자인은 포함하지 않는다.
일반적으로, 50 내지 500 암페어 범위의 직류를 필요로 하는 응용들은 10 내지 100 볼트의 전압 범위에서 작동하는 시스템들에서 발견될 것이다. 이러한 전력 구간은 보드 자동차들(board cars), 트럭들, 보트들, 비행기들, 레저 자동차들, 원거리 통신 시스템들, 광전지 시스템들, 풍력 시스템들, 해양 부이들 등에서 볼 수 있다.
최근, MOSFET 스위치들이 컴퓨터 시스템들에서 널리 사용되어왔고, 이는 잉여 전력 시스템들 및/또는 전지들을 서버, 메모리, 및/또는 네트워크와 같은 컴퓨팅 시스템과 결합한다. 대부분의 응용들에서의 제한 인자는 소자 또는 요소(device)가 켜졌을 때 소자 내에서 드레인에서 소스까지의 저항, 또는 Rds(on) 인자였다. 이 인자는 최근 몇 년에 걸쳐 MOSFET 제조업체들에 의해 서브-오옴(sub-ohms)에서 밀리-오옴으로 꾸준히 감소되어 왔다. 현재, 30 내지 50 볼트의 전압 등급을 가지는 소자들은 1.5 내지 20 밀리-오옴만큼 낮은 Rds(on)로 이용가능하다. 이 매개 변수가 1 밀리-오옴 레벨에 점근적으로 접근함에 따라, 패키지 저항(리드프레임, 와이어 본드, 등)은 더욱 큰 발전을 제한한다. 이러한 고전도성 소자들의 응용에 있어, 외부 저항이 MOSFET에서 달성된 발전을 무력화시키기 시작했다. Rds(on)은, 고전류를 전도하는 동안 소자 온도가 상승함에 따라 현저하게 증가한다(1℃당 약 1 퍼센트).
이 온도 상승을 소산시키기 위해, MOSFET들은 전압 저하의 결과로서 생산된 열을 멀리 분산시키기 위해 큰 비싼 히트 싱크들 상에 배치된다. 이러한 히트 싱크들이 MOSFET들의 과잉 발열을 막는 데 불충분한 경우 MOSFET들은 파괴될 것이다. 일반적인 방법은 히트 싱크 시스템에 의해 부과되는 제한들 내에서 트레이스(trace) 길이들, 와이어 길이들, 및 커넥터 저항을 감소시키는 한편, 패드(pads) 크기들, 트레이스(trace) 폭들, 트레이스 두께, 및 와이어 게이지(wire gauge)를 증가시킴으로써 MOSFET과 그 소스 및 부하 사이의 저항을 가능한 한 크게 낮추는 것이다.
[도면의 간단한 설명]
다음은 도면들의 간단한 설명이다:
도 1은 고전류 전기 스위치의 제1 실시예의 측면도.
도 2는 설명을 위해 인쇄 회로 기판의 일부가 절단된 도 1의 고전류 전기 스위치의 부분측면도.
도 3은 도 1의 고전류 전기 스위치의 평면도.
도 4는 설명을 위해 상부 전도체와 인쇄 회로가 제거된 도 1의 고전류 전기 스위치의 부분평면도.
도 5는 도 1의 고전류 전기 스위치의 전기적 개략도.
도 6은 고전류 전기 스위치의 제2 실시예의 측면도.
도 7은 도 6의 고전류 전기 스위치의 평면도.
도 8은 상부 전도체와 인쇄 회로 기판이 제거된 도 6의 고전류 전기 스위치의 부분평면도.
실시예들의 구성요소들은, 본 명세서의 도면들에서 전반적으로 설명 및 도시된 것처럼, 광범위한 다른 구성들로 배열 및 설계될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 따라서, 도면들에 제시된 것과 같은, 하기 본 발명의 시스템, 구성요소, 및 방법의 실시예들에 대한 더욱 상세한 설명은, 청구된 대로, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니며, 단순히 본 발명의 실시예를 묘사하기 위한 것에 불과하다.
고전류 전기 스위치를 위한 방법과 시스템이 개시된다. 스위치는 모듈 또는 어셈블리당 1 내지 1000 암페어 범위의 직류 전류를 스위칭(switching), 정류 또는 차단하는 데에 적절할 수 있다. 비교적 작은 열을 생성할 정도의 높은 효율을 가지는 점에서 적절하다; 대류나 복사에 의한 냉각을 거의 필요로 하지 않거나 전혀 필요로 하지 않는 정도의 크기의 효율을 가진다는 점에서 적절하다. 공정 중에 생성되는 비교적 작은 열은 소자에 연결된 전기 케이블들에 의해 매우 효율적으로 멀리 전도되어 버린다.
본 발명의 개시된 실시예에 따르면, 제1 주전도체, 제2 주전도체, 및 스위칭 요소들의 어레이(array)를 포함하는 고전류 전기 스위치 시스템 및 방법이 제시된다. 스위칭 요소들은 제1 주전도체와 제2 주전도체를 전기적으로 연결하며 제1 주전도체와 제2 주전도체 사이에 물리적으로 개재된다. 스위칭 요소들의 어레이는 약 500 마이크로-오옴 미만의 저항을 가진다.
본 발명의 개시된 실시예의 또 다른 태양에 따르면, 각 스위칭 요소로부터의 각 게이트 리드를 함께 전기적으로 연결하고, 게이트 리드들을 통해 스위칭 요소들을 제어하여 스위칭 요소들을 닫음으로써 전류가 제1 전도체로부터 제2 전도체로 흐르도록 하고 스위칭 요소들을 개방함으로써 전류가 제1 전도체로부터 제2 전도체로 흐르지 않게 하는, 제1 전도체와 제2 전도체 사이에 병렬로 연결된 스위칭 요소들의 어레이가 제공된다. 스위칭 요소들의 어레이는 제1 전도체와 제2 전도체 사이에 개재된다.
도 1 내지 도 4에 도시된 것처럼, 일반적으로 도면 부호 10으로 표시되는, 2 바이(by) 6의 스위칭 요소들의 어레이를 이용하는 고전류 전기 스위치가 도시된다. 스위치(10)는 직사각형 막대 형태의 제1 주전도체(12), 직사각형 막대 형태의 제2 주전도체(14), 스위칭 요소(34)들의 어레이(16), 및 인쇄 회로 기판(18)을 포함한다. 링 터미널들(30, 32)에서 종결되는 케이블들(26, 28)은 체결부들(20, 22)에 의해 제1 직사각형 막대(12)와 제2 직사각형 막대(14)에 각각 부착될 수 있다.
어레이(16)는 International Rectifier's IRF2804S-7P MOSFET 또는 기타 스위칭 소자들과 같은 12 개의 스위칭 요소(34)들을 포함할 수 있다. 다른 수의 스위칭 요소들과 다른 배열의 스위칭 요소들도 사용될 수 있다. 각 스위칭 요소(34)는 스위칭 요소(34)의 하측으로서 드레인 리드(미도시)를 포함할 수 있다. 드레인 리드는 제2 직사각형 막대(14)의 표면에 직접 땜질된다.
스위칭 요소들 각각은 스위칭 요소(34)의 일단에서 연장되는 복수의 리드들을 더 포함할 수 있다. 각 스위칭 요소(34)로부터의 복수의 소스 리드(36)들은 스위칭 요소(34)의 몸체 부근의 지점에서 금속 스트립(40)을 통해 제1 직사각형 막대(12)로 연결될 수 있다. 금속 스트립(40)은 직접 또는 그렇지 않으면 제1 직사각형 막대(12)의 측면에 땜질될 수 있고 소스 리드(36)들로 연장되어 땜질되는 다수의 탭(42)들을 포함할 수 있다. 각 스위칭 요소(34)의 게이트 리드(38)는 인쇄 회로 기판(18)에 연결될 수 있다.
도 2A를 참조하면, 스위치(10)의 단부 단면도가 도시된다. 금속 스트립(40)은 제1 직사각형 막대(12)를 스위칭 요소(34)들의 소스 리드(36)들에 연결할 수 있다. 금속 스트립(40)의 탭(42)들은 실질적으로 제1 직사각형 막대(12)의 바닥으로부터 소스 리드(36)들까지 매달린다. 탭(42)들은 스위칭 요소(34)의 몸체 인근에서 직접적으로 소스 리드들에 연결될 수 있다. 이러한 탭(42)들의 단면적 대비 높이는 금속 스트립(40) 때문에 스위치(10)에 부가되는 저항의 양을 감소시키고 소스 리드(36)로부터 제1 직사각형 막대(12)로의 전도를 향상시키기 위해 가능한 한 낮게 유지될 수 있다. 탭(42)들의 높이는 실질적으로 제1 직사각형 막대(12)의 바닥으로부터 소스 리드(36)의 상부까지이다. 소스 리드(36)들은 기계적인 연결 목적으로 인쇄 회로 기판(18) 상에 연결될 수 있다.
인쇄 회로 기판(18)은 스위칭 요소(34)들의 어레이(16)의 크기보다 약간 더 큰 내부 직사각형 절단부(cutout)를 가지는 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 다른 형상들과 구성들도 이용될 수 있다. 게이트 리드(38)들 각각은 인쇄 회로 기판(18) 상에 함께 전기적으로 연결될 수 있고 도 5에 도시된 바와 같이 제어 회로(32)에 의해 제어될 수 있다. 제어 회로(32)는 음향 및/또는 시각적 인디케이터들(indicators)을 제공하는 추가 회로들 및 소자들과 함께 인쇄 회로 기판 상에 배치될 수 있다. 인쇄 회로 기판은 스위치(10)의 제어를 제공하기 위해 외부 커넥터(33)를 포함할 수도 있다. 소스 리드(36)들 각각은 인쇄 회로 기판(18) 상에 함께 전기적으로 연결될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 고전류 전기 스위치(10)의 전기적 개략도가 도시된다. 어레이(16)는 막대(12)와 막대(14) 사이에서 병렬로 연결되는 복수의 스위칭 요소(34)들을 포함할 수 있다. 각 스위칭 요소(34)의 드레인 리드(35)는 막대(14)에 직접적으로 연결될 수 있다. 각 스위칭 요소(34)의 소스 리드(36)들은 막대(12)에 직접적으로 연결될 수 있다. 각 스위칭 요소(34)의 게이트 리드(38)는 제어 회로(32)에 연결될 수 있는데, 이는 외부 입력(44)에 의해 제어된다. 제어 회로(32)가 외부 입력(44)에 의해 게이트 리드(38)들을 통해 스위칭 요소(34)들을 닫으라는 명령을 받으면, 케이블(24) 내의 전류는 막대(12), 스위칭 요소(34)들, 및 막대(14)를 통해 케이블(26)로 흐를 수 있다. 제어 회로(32)가 외부 입력(44)에 의해 스위칭 요소(34)들을 열라는 명령을 받으면, 케이블(24)로부터의 전류는 케이블(26)로 흐르지 않을 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 일반적으로 도면 부호 50으로 표시되는, 고전류 전기 스위치의 제2 실시예가 도시된다. 스위치(50)는 제1 주전도체(52), 제2 주전도체(54), 스위칭 요소(58)들의 어레이(56), 및 인쇄 회로 기판(60)을 포함한다. 전도체들(52, 54)은 일반적으로, 스위칭 요소(58)들과의 연결을 위하여 오목한(recessed) 평평한 부위들(74, 76)을 가지는 원통형일 수 있다. 전도체들(52, 54)은 전력 케이블들과의 연결을 위하여, 체결부들(66, 68)을 가지는 나사산 부위(theraded portion)(62, 64)를 포함할 수 있다.
어레이(56)는 International Rectifier's DirectFETTM MOSFET이나 기타 다이형(die form) 스위칭 요소들과 같은 24개의 스위칭 요소(58)들을 포함할 수 있다. 다른 수와 정렬의 스위칭 요소들도 이용될 수 있다. 스위칭 요소(58)들 각각은 그 스위칭 요소(58)의 상측으로서 드레인 영역(미도시)을 포함할 수 있다. 드레인 영역은 전도체(54)의 평평한 부위(76)에 땜질되거나 또는 그렇지 않다면 직접적으로 전기적 연결될 수 있다. 스위칭 요소(58)들 각각은 스위칭 요소(58)의 하측에 한 쌍의 소스 영역(70)들과 게이트 영역(72)을 포함할 수 있다. 소스 영역(70)들은 전도체(52)의 평평한 부위(74)에 땜질되거나 또는 그렇지 않다면 직접적으로 전기적 연결될 수 있다. 게이트 영역(72)들은 인쇄 회로 기판(60)에 땜질되거나 또는 그렇지 않다면 직접적으로 전기적 연결될 수 있다.
인쇄 회로 기판(60)은 두께가 전도체들(52, 54)의 직경보다 약간 더 크고 길이가 스위칭 요소(58)들의 어레이(56)의 길이보다 약간 더 큰 내부 직사각형 절단부를 가지는 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 다른 형상들과 비율들도 이용될 수 있다. 게이트 영역(72)들 각각은 인쇄 회로 기판(60) 상에 함께 전기적으로 연결될 수 있고 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 제어 회로는 음향 및/또는 시각적 인디케이터들을 제공하는 추가 회로들 및 소자들과 함께 인쇄 회로 기판 상에 배치될 수 있다. 인쇄 회로 기판은 스위치(50)의 제어를 제공하기 위해 외부 커넥터를 포함할 수도 있다.
본 소자 또는 요소의 구성은, 저항을, 전력 소모(power dissipation)가 최대 전류를 전도하는 케이블들의 주변 온도보다 약 10℃ 상승 정도를 생성하는 데 필요한 것보다 더 작을 수 있는 적어도 큰 양으로 또는 절대 최소로 감소시킨다. 따라서, 대부분의 응용들에 대하여, 크게 비싼 히트 싱크들의 필요가 크게 감소하거나 완전히 없어진다.
많은 응용들에 대하여, 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 고전류 전기 스위치들은 전력 관리 시스템들에서 현재 입수 가능한 제품들에 비해 약 20 내지 약 100 배의 인자로 더 우수한 성능을 제공할 수 있다. 개시된 스위치는 스위칭 요소 또는 요소들로서 하나 이상의 (통상적으로는 6 내지 24 개의) 현재 입수 가능한 MOSFET들의 어레이를 사용한다. 다양한 수 및 정렬의 스위칭 요소들이 본 발명의 실시예들의 스위치들과 함께 사용될 수 있다.
스위칭 요소들의 어레이는 모든 응용들에 있어, 길이 대비 단면적의 비율이 가능한 한 큰 어레이로 주전도체들 사이에 개재될 수 있다. 어레이 부위의 기하학적 형상은 많은 응용들에서 정사각형일 수 있지만, 예컨대 MOSFET들의 고유한 물리적 특징 및 접속성과 같은 다른 요인들에 의해 스위칭 요소들의 직사각형 또는 기타의 배열이 제안될 수도 있다. 2 바이 6의 어레이로 구성된 유닛들은 예컨대 3 바이 3 및 4 바이 4와 같은 거의 정사각형인 어레이들과 매우 유사한 성능을 보일 수 있다. 거꾸로, 단일 열의 MOSFET들로 구성된 어레이들은 제안된 기하학적 형상의 어레이들보다 매우 낮은 성능을 보일 수 있다.
패키지 개요는, 패키지 폭 대비 길이의 비율에 따라, 어레이 양식의 선택을 결정할 수 있다. 예를 들어, MOSFET 패키지가 정사각형이라면, 많은 응용들에 있어서 정사각형 어레이가 가장 효과적일 수 있다. 그러나, 폭 대비 길이 비율이 약 1.25보다 크다면, 많은 응용들에 있어서 직사각형 어레이가 더욱 적절할 수 있다.
주전도체들(따라서 부착되는 외부 케이블들)은 고비율 기하(high ratio geometry: HRG) 전도체들, 즉, 패키지 저항을 최소화시키기 위한 가능한 한 낮은(통상적으로 약 25 내지 40 사이 미만) 단면적 대비 유효 길이를 가지는 전도체들일 수 있다. 이러한 주전도체들은 MOSFET 어레이에 의해 생성된 열을 연결된 전기 케이블들에 효과적으로 전달하기 위한 열전도체들로서 기능할 수도 있다. 고체를 통한 전기저항 및 열저항은 하기 식으로 주어질 수 있다:
θ = 길이 나누기 단면적 곱하기 K,
여기서 K는 선택된 물질의 상수.
많은 응용들에 있어 전기 및 열 전도도의 최선의 특성들을 가지는 물질들은 거의 동일한 성질들을 가지는 은과 구리를 포함할 수 있다. 은의 열전도도는 구리보다 약 8% 더 나을 수 있다. 구리는 알루미늄보다 약 91% 더 나을 수 있다. 모든 다른 금속들은 비교적 낮은 열전도체들일 수 있다. 전기 전도도, 또는 저항의 역수는 약 1.0의 상수의 구리로 표준화될 수 있다. 은의 전기 전도도는 약 0.95일 수 있고, 금은 약 1.416일 수 있고, 알루미늄은 약 1.64일 수 있고; 모든 기타 금속들은 비교적 나쁜 전도체들일 수 있다. 따라서, 많은 응용들의 열 및 전기 전도도에 있어서 구리가 최선의 선택일 수 있다는 것이 명백하다. 은은 구리에 근접한 경쟁자일 수 있지만, 그러나 도금과 같은 특정 목적들을 제외하고는 그 비용으로 인해 제외될 수 있다. 경제성 및 강도를 위해, 몇몇 응용들의 선호도는 은 도금 구리일 수 있다. 은으로 도금하는 것은 더욱 우수한 용접성을 제공할 수도 있다. 상기 비율은 전기 및 열 전도도 양자 모두를 위해 적절할 수 있다.
[표 1]
어레이 크기 전도체 크기
(in)
전도체 L/A = 비율 μΩ/in 전도체들의
총 저항
(μΩ)
1×2 0.125×0.4 0.4+1.5/0.05 = 38 13.33 25.33×2=51
1×4 0.125×0.4 0.8+1.5/0.05 = 46 13.33 30.67×2=62
1×12 0.125×0.4 2.5+1.5/0.05 = 80 13.33 53.33×2=107
2×2 0.125×0.8 0.4+1.5/0.1 = 19 6.67 12.7×2=25
2×4 0.125×0.8 0.8+1.5/0.1 = 23 6.67 15.3×2=31
2×6 0.125×0.8 1.2+1.5/0.1 = 27 6.67 18×2=36
3×3 0.125×1.2 0.6+1.5/0.15 = 14 4.44 7×2=14
4×4 0.125×1.6 0.8+1.5/0.2 = 11.5 3.33 7.7×2=15
[표 2]
어레이 크기 현재 입수 가능한
Rds ( on ) 수치
(μΩ)
어레이의
유효 저항
(μΩ)
어셈블리의
총 저항
(μΩ)
1×2 2000 1000 1051
1×4 2000 500 562
1×12 2000 167 274
2×2 2000 500 525
2×4 2000 250 281
2×6 2000 167 203
3×3 2000 250 264
4×4 2000 167 182
표 1은 다양한 어레이 크기들에 있어서의 전도체들의 크기와 총 저항을 보여준다. 표 2는 다양한 어레이들의 유효 저항과 스위치 어셈블리의 총 저항을 보여준다. 주전도체들 사이에 개재된 MOSFET 어레이를 이용하여, 입력부터 출력까지의 총 저항은 250 마이크로-오옴 미만일 수 있다. 100 암페어를 전도하는 동안, 소모된 전력은 약 2.5 와트 미만일 수 있다.
승차중인 차량(on board a vehicle)의 경우와 같은 실제 응용들에서, 단일 전도체에서의 100 암페어 전류가 자동차 배터리의 충전 회로에서 통상적으로 발견될 수 있다. 몇몇 응용들에 있어서 자동차 산업에서 사용되는 통상적인 실제는 케이블 길이가 수 피트 이하일 경우 AWG4 케이블을 사용하는 것일 수 있다. 그 크기 케이블은 0.03 제곱 인치의 단면적과 피트당 약 250 마이크로-오옴의 저항을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 구성되는 그러한 회로에 적절한 정류기나 스위치는 약 1 피트 미만의 AWG4 케이블의 등가물일 수 있다. 따라서, 제어 목적을 위한 그러한 증류기나 스위치의 도입은 전압 저하나 열 분산에 관하여 전혀 의미가 없을 수 있는 것으로 보여질 수 있다. 이는 매우 작은 손실 및 온도 상승을 가지는, 다중 배터리 응용들을 위한 고전류의 스위칭, 및/또는 고전류의 차단을 위한 기회를 열 수도 있다.
패키지는 첫째로 열을 생성하는 총 저항을 현저히 감소시키도록 설계될 수 있다. 약 2 밀리-오옴의 Rds(on)을 가지는 몇몇 MOSFET들을 평행하게 놓는 것은 일부 응용들에 대하여 저항을 현저하게 감소시킬 수 있다. 두 개의 MOSFET들을 평행하게 놓는 것의 결과는 약 1 밀리-오옴일 수 있고; 네 개의 MOSFET들은 약 500 마이크로-오옴일 수 있고; 여덟 개는 약 250 마이크로-오옴의 저항을 산출할 수 있다. 몇몇 응용들에 있어서 MOSFET들의 온도가 약 25℃를 유지하여야 한다면, 여덟 개의 MOSFET들의 어레이로는, MOSFET들에서 소모된 전력은 약 100 암페의 전류에서 약 2.5 와트일 수 있고 약 300 암페어에서 약 22.5 와트일 수 있다. 이는 현재 입수 가능한 고체 상태의 스위치들의 많은 경우 또는 모든 경우들에서의 전력 소모보다 현저하게 더 작다. 개선된 MOSFET들의 가능성이 이용 가능해 짐에 따라, 개시된 기술들의 장점들은 많은 응용들에 대하여 더욱더 커지게 된다. 따라서, 입력부터 출력까지 전체 어셈블리에 의하여 소모되는 전력은 약 10도 미만의 온도 상승을 가져올 정도로 충분히 낮을 수 있어서 크게 비싼 히트 싱크들 또는 기타의 열 분산 소자들의 필요성을 없애거나 크게 감소시킬 수 있고 연결 전기 케이블들이 어셈블리로부터 생성된 열을 전도하는 주요 수단이 되도록 할 수 있다.
어셈블리 내에서 생성된 전력은 온도를 기하급수적으로 증가시킬 수 있기 때문에, 많은 응용들에서는 저항을 가능한 한 많이 제거하는 것이 필수적이다. 매 1 마이크로-오옴의 감소는 100 암페어 레벨에서 약 10 밀리-와트의 열 분산의 감소 및 약 300 암페어에서는 그의 약 아홉 배를 가져온다. 온도가 원하는 수준에서 안정화되지 않으면, 도미노 효과가 열 폭주(thermal runaway)로 나타날 수 있다. 온도가 상승함에 따라, MOSFET의 전압 붕괴 레벨이 감소할 수 있다. 몇몇 응용들에서, 어레이 내의 하나의 MOSFET이 고장나면 그 조건은 급속히 전체 소자의 고장에 이르게 될 수 있다. MOSFET들 내에서 생성된 열 외에, 어레이를 전기적 소스 및 부하(배터리 및 램프, 교류 발전기와 배터리, 발전기와 모터, 등)로 연결하는 요소들의 저항에 의하여 추가적인 열이 생성될 수 있다. 스위칭 요소들의 어레이를 개재하는 주전도체들은 많은 응용들에 있어서 전체 어셈블리 내에서 불필요한 저항의 중요한 부분의 제거를 가능케 한다.
본 발명에 따른 어셈블리의 설계를 위해 하기 단계들이 취해져야 한다:
A. 소자에 의해 다루어질 최대 전류를 설정
B. 케이블들의 길이와 최대 전류에 따라 케이블 크기를 특정
C. 선택된 최대 전류를 위해 요구되는 MOSFET들의 수를 결정
D. 패키지 양식(style)을 선택
E. 가장 적절한 어레이 양식을 결정
F. 케이블 단면적을 초과하는 주전도체 크기를 선택
G. 선택된 어레이 특성들을 위해 적절한 회로 기판을 선택
평평한 블레이드(blade)들은 동심 직사각형들, 삼각형들 등과 같은 다른 HRG 기하 구조들로 교체될 수 있고, 이는 특히 스위칭 요소가 이러한 구성들에 대하여 더욱 적절할 수 있는 곳에서 그러하다. 개재된 전도체들의 원통형 개조물들과 같은 다른 구성들이 일부 응용들, 한 때 적절했던 마그네토 저항성(magneto resistive), 전기 저항성 물질들 또는 입수 가능해진 기타 적절한 물질들에 대하여 똑같이 적절할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라 구성된 소자들의 예들은 약 10 온스 미만의 무게를 가지며 주위 온도보다 약 5℃ 미만의 온도 상승을 보이는 약 7 세제곱 인치의 패키지 내에서 약 2 와트의 소모로 약 100 암페어 작동을 달성할 수 있다. 교통 수단, 통신 수단, 전력 생성 설비, 물질 취급, 오락 및 연산 플랫폼들에서의 전력 시스템들은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 릴레이들, 정류기들 및 스위치들의 사용에 극적인 도움을 줄 수 있다.
본 명세서에 있어서, "약"이라는 용어는 가감 20 퍼센트의 가능한 변화들을 가리킨다.
본 발명의 특정 실시예들이 개시되었지만, 다양한 다른 수정 및 결합들이 가능하며 개시된 실시예들과 첨부된 청구항들의 진정한 사상 및 범위에 이들을 포함시키려는 의도라는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 다이형 미패키지 MOSFET 또한 이용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 제시된 엄밀한 개시 내용들에는 제한의 의도가 전혀 없다.

Claims (21)

  1. 제1 평평한 면을 갖는 제1 주전도체;
    제2 평평한 면을 갖는 제2 주전도체;
    상기 제1 주전도체를 상기 제2 주전도체에 전기적으로 연결하고, 상기 제1 주전도체와 상기 제2 주전도체 사이에 물리적으로 개재되고, 상기 제1 평평한 면과 제2 평평한 면 사이에 장착되어 연장되는 2개 이상의 스위칭 요소들의 어레이; 및
    패키지를 형성하기 위해, 상기 스위칭 요소들의 어레이 주위에 영구적으로 고정되고 주전도체들 사이에 적어도 부분적으로 장착되는 인쇄 회로 기판을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 평평한 면은 동일한 폭을 갖고,
    상기 어레이는 상기 제1 및 제2 평평한 면과 동일한 폭을 갖고,
    상기 인쇄 회로 기판은 상기 어레이를 받기 위한 절단부(opening)를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 주전도체를 포함하는 전기 스위치는 500 마이크로-오옴 미만의 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도체들 각각은 20 마이크로-오옴 미만의 유효 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 상기 스위칭 요소들을 제어하기 위한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 요소들은 MOSFET들인 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 MOSFET의 드레인 리드는 상기 제1 주전도체에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 MOSFET의 소스 리드는 상기 제2 주전도체에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 MOSFET의 게이트 리드는 인쇄 회로 기판에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 MOSFET의 소스 리드는 금속 스트립을 통해 상기 제2 주전도체에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속 스트립은 상기 MOSFET의 소스 리드들로 연장되는 탭들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  11. 제1 평평한 면을 갖는 제1 주전도체;
    제2 평평한 면을 갖는 제2 주전도체;
    상기 제1 주전도체를 상기 제2 주전도체로 전기적으로 연결하고 상기 제1 주전도체와 상기 제2 주전도체 사이에 개재되고 상기 제1 평평한 면과 제2 평평한 면 사잉에 장착되고 연장되는 적어도 2개의 스위칭 요소의 어레이; 및
    패키지를 형성하기 위해, 상기 스위칭 요소의 어레이 주위에 영구적으로 고정되고 주전도체들 사이에 적어도 부분적으로 장착되는 인쇄 회로 기판을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 평평한 면은 동일한 폭을 갖고,
    상기 어레이는 상기 제1 및 제2 평평한 면들과 동일한 폭을 갖고,
    상기 인쇄 회로 기판은 상기 어레이를 받기 위한 절단부를 포함하고,
    상기 전도체들 각각은 40 미만의 단면적 대비 유효 길이의 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전도체들 각각은 20 마이크로-오옴 미만의 유효 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  13. 삭제
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 상기 스위칭 요소들을 제어하기 위한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 스위칭 요소들은 MOSFET들인 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 MOSFET의 드레인 리드는 상기 제1 주전도체에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 MOSFET의 소스 리드는 상기 제2 주전도체에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 MOSFET의 게이트 리드는 인쇄 회로 기판에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 MOSFET의 소스 리드는 금속 스트립을 통해 상기 제2 주전도체에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 금속 스트립은 상기 MOSFET의 소스 리드들로 연장되는 탭들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전류 전기 스위치.
  21. 삭제
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