KR20190019120A

KR20190019120A - 피로 내성 퓨즈 소자를 포함하는 고압 전력 퓨즈

Info

Publication number: KR20190019120A
Application number: KR1020197000053A
Authority: KR
Inventors: 로버트 스테픈 더글라스; 람데브 카나파디
Original assignee: 이턴 인텔리전트 파워 리미티드
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2019-02-26
Also published as: US10978267B2; US20170365434A1; KR102373811B1; CN109314022B; EP3472848B1; JP7023246B2; CA3027698A1; CA3027698C; CN109314022A; WO2017222640A1; JP2019518316A; EP3472848A1

Abstract

전력 퓨즈는 하우징(202), 하우징으로부터 연장되는 제1 및 제2 도전 단자들(204, 206), 및 제1 및 제2 단자들 사이에 연결된 적어도 하나의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리(208)를 포함한다. 퓨즈 소자 어셈블리는 적어도 제1 및 제2 도전 단자들을 각각 연결하는 제1 도전 판 및 제2 도전 판(302-310), 및 제1 도전 판과 제2 도전 판을 상호 연결하여 개별적으로 제공되는 와이어 본딩된 복수의 취약점(312)을 포함한다.

Description

피로 내성 퓨즈 소자를 포함하는 고압 전력 퓨즈

본 발명의 분야는 일반적으로 전기 회로 보호 퓨즈들에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 열적-기계적 변형 피로 내성 가변 소자 어셈블리들을 포함하는 전력 퓨즈들의 제조에 관한 것이다.

퓨즈들은 널리 전기 회로들의 비용이 많이 드는 손상을 방지하기 위해 과전류 보호 장치들로 사용된다. 퓨즈 단자들은 통상적으로 전원 또는 전원 공급 기구와 전기 회로에 배열된 전기 부품 또는 부품들의 조합 간 전기 접속을 형성한다. 하나 이상의 퓨저블 연결 또는 소자, 또는 퓨즈 소자 어셈블리가 퓨즈 단자들 사이에 연결되며, 그에 따라 퓨즈를 통과하는 전류가 미리 결정된 한계를 초과할 때 퓨저블 소자들이 용단되고 퓨즈를 통해 하나 이상의 회로를 개방시켜 전기 부품 손상을 막게 된다.

소위 풀 레인지 전력 퓨즈들은 고압 배전 시스템들에서 상대적으로 높은 고장 전류와 비교적 낮은 고장 전류 양자를 동일한 효율로 안전하게 차단하기 위해 작동 가능하다. 지속적으로 확대되는 전력 시스템들의 변형에 비추어, 이러한 유형의 알려져 있는 퓨즈들은 몇몇 측면에서 불리해진다. 시장의 요구를 충족시키기 위해서는 풀 레이진 전력 퓨즈들의 개선이 필요하다.

비제한적이고 비포괄적인 실시 예들이 다음의 도면들을 참조하여 설명되며, 이때 달리 명시되지 않는 한, 동일한 참조 부호들은 다양한 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 예시적인 전력 시스템에서 생성된 대표적인 과도 전류 펄스 프로파일을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 전류 프로파일을 겪을 수 있는 고압 전력 퓨즈의 상부 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 퓨즈의 부분 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 퓨즈 소자 어셈블리의 확대도이다.
도 5는 도 4에 도시된 퓨즈 소자 어셈블리의 일부를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 피로 상태의 퓨즈 소자의 일부를 확대한 도면이다.
도 7은 제1 제조 단계에서 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리의 상부 사시도이다.
도 8은 제2 제조 단계에서 도 7에 도시된 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리의 상부 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 퓨즈 소자 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 10은 제3 제조 단계에서 도 8에 도시된 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리의 상부 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 퓨즈 소자 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 12는 제1 제조 단계에서 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 제조하는 일괄 처리(batch process)의 상부 평면도이다.
도 13은 제2 생산 단계에서 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 제조하는 일괄 처리의 상부 평면도이다.
도 14는 제3 생산 단계에서 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 제조하는 일괄 처리의 상부 평면도이다.
도 15는 제4 생산 단계에서 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 제조하는 일괄 처리의 상부 평면도이다.
도 16은 제2 생산 단계에서 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 제조하는 일괄 처리의 상부 평면도이다.
도 17은 도 12 내지 도 16에 도시된 처리들에 의해 생산된 완성된 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리의 상부 평면도이다.
도 18은 도 17에 도시된 퓨즈 소자 어셈블리들을 포함하는 전력 퓨즈의 사시도이다.

다른 것들 중에서도, 전기 자동차 기술들의 최근 발전은 퓨즈 제조업체들에 고유한 과제들을 제시한다. 전기 자동차 제조업체들은 종래 차량용 전력 분배 시스템들보다 훨씬 더 높은 전압에서 작동하는 전력 분배 시스템들에 대해 퓨저블 회로 보호를 추구하는 동시에, 전기 자동차 사양 및 요구 사항들을 충족시키기 위해 더 작은 퓨즈들을 추구하고 있다.

종래의 내연 기관 구동 차량들의 전력 시스템들은 비교적 낮은 전압, 통상적으로 약 48VDC 이하에서 작동한다. 그러나, 본 출원에서 전기 자동차(EV, electric vehicle)들이라 불리는 전동 차량들의 전력 시스템들은 훨씬 더 높은 전압에서 작동한다. EV들의 비교적 높은 전압 시스템들(예를 들어, 200VDC 이상)은 일반적으로 내연 기관들과 함께 사용되는 12 볼트 또는 24 볼트의 에너지를 저장하는 종래의 배터리들, 그리고 보다 최근의 48 볼트 전력 시스템들보다 배터리들이 전원으로부터 더 많은 에너지를 저장하고 더 낮은 손실(예를 들어, 열 손실)로 차량의 전기 모터에 더 많은 에너지를 제공할 수 있게 한다.

EV OEM(Original Equipment Manufacturer)들은 모든 배터리 전기 자동차(BEV)들, 하이브리드 전기 자동차(HEV)들 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)들의 전기 부하를 보호하기 위해 회로 보호 퓨즈들을 채용한다. 각 EV 유형에 걸쳐, EV 제조업체들은 배터리 충전당 EV의 주행 거리 범위를 극대화하면서 소유 비용을 줄이려고 한다. 이러한 목표들을 달성하는 것은 EV 시스템의 에너지 저장 및 전력 공급뿐만 아니라, 전력 시스템에 의해 운반되는 차량 부품들의 크기, 부피 및 질량에 달려 있다. 더 작고/거나 가벼운 차량들은 이러한 요구 사항들을 더 크고 무거운 차량들보다 더 효율적으로 충족시킬 수 있고 그에 따라 모든 EV 부품이 현재 가능한 크기, 무게 및 비용 절감을 면밀히 조사 중이다.

일반적으로 말하면, 더 큰 부품들은 관련 재료비가 더 높고, EV의 전체 크기를 늘리거나 줄어든 차량 부피에서 과도한 공간을 차지하는 경향이 있으며, 한 번의 배터리 충전당 차량 주행 거리를 직접적으로 줄이는 더 큰 질량을 도입하는 경향이 있다. 그러나, 알려져 있는 고압 회로 보호 퓨즈들은 비교적 크고 비교적 무거운 부품들이다. 역사적으로 그리고 정당한 이유로, 회로 보호 퓨즈들은 저압 시스템들과 달리 고압 전력 시스템들의 요구를 충족시키기 위해 크기가 증가하는 경향이 있다. 그에 따라, 고압 EV 전력 시스템들을 보호하는 데 필요한 기존 퓨즈들은 종래의 내연 기관 구동 차량들의 저전압 전력 시스템들을 보호하는 데 필요한 기존 퓨즈들보다 훨씬 더 크다. 보다 작고 가벼운 고전압 전원 퓨즈들은 회로 보호 성능을 희생시키지 않으면서, EV 제조업체들의 요구를 충족시키기 위해 바람직하다.

최신 EV용 전력 시스템들은 450VDC만큼 높은 전압에서 작동할 수 있다. 높아진 전력 시스템 전압은 바람직하게는 EV에 배터리 충전당 더 많은 전력을 전달한다. 그러나, 그러한 고압 전력 시스템들에서 전기 퓨즈들의 작동 조건들은 저압 시스템들보다 훨씬 더 엄격하다. 구체적으로, 퓨즈가 열리는 것과 같은 아크 방전 상태들과 관련된 사양은 고압 전력 시스템들에 대해, 특히 전기 퓨즈들의 크기를 줄이기 위한 업계의 선호와 결합될 때, 어려울 수 있다. 최신 EV들에 의한 전력 퓨즈들에 부과된 현재 사이클링 부하들은 또한 종래의 퓨즈 소자의 조기 고장을 일으킬 수 있는 기계적 변형 및 마모를 유발하는 경향이 있다. 알려진 EV 퓨즈들은 현재 최신 EV 애플리케이션들의 고압 회로에서 EV OEM들에 의해 사용하기 위해 이용 가능할 수 있지만, EV들에 대한 고압 전럭 시스템들의 요구 사항들을 충족할 수 있는 종래 전력 퓨즈들의 크기 및 무게는, 비용은 말할 것도 없이, 새로운 EV들에서 구현하기에는 비실용적으로 높다.

퓨즈 소자가 고압에서 작동할 때 여전히 허용 차단 성능을 제공하면서, 최신 EV 전력 시스템들의 대전류 및 높은 배터리 전압을 잘 처리할 수 있는 비교적 더 작은 전력 퓨즈들을 제공하는 것은 아무리 적게 보아도 어렵다. 퓨즈 제조업체들과 EV 제조업체들은 각각 더 작고 더 가벼우며 더 저렴한 비용의 퓨즈들로부터 이점을 누릴 수 있다. EV 혁신이 더 작고, 더 고압의 퓨즈들에 대해 바람직한 시장을 선도하고 있지만, 더 작지만 더 강력한 전기 시스템들의 추세는 EV 시장을 초월한다. 다양한 다른 전력 시스템 애플리케이션은 의심의 여지없이 그렇지 않으면 더 큰, 종래에 제조된 퓨즈들에 필적하는 성능을 제공하는 더 작은 퓨즈들로부터 이점을 얻을 수 있다. 당해 기술 분야에서 오랫동안 충족되지 못한 요구에 대한 개선이 필요하다.

이러한 그리고 다른 어려움들을 처리하는 전기 회로 보호 퓨즈들의 대표적인 실시 예들이 아래에서 설명된다. 알려진 고압 전력 퓨즈들과 관련하여, 대표적인 퓨즈 실시 예들은 바람직하게는 상대적으로 더 작고 더 콤팩트한 물리적 패키지 크기를 제공하며, 이는 결과적으로 EV에서 감소된 물리적 부피 또는 공간을 차지한다. 또한, 알려진 퓨즈들과 관련하여, 대표적인 퓨즈 실시 예들은 바람직하게는 상대적으로 더 높은 전력 처리 용량, 더 높은 전압 동작, 풀 레인지 시간-전류 동작, 더 낮은 단락 회로 렛-스루 에너지 성능, 그리고 더 긴 수명 동작 및 신뢰성을 제공한다. 예시적인 퓨즈 실시 예들은 매우 높은 전류 제한 성능뿐만 아니라 긴 서비스 수명 및 불량 또는 조기 퓨즈 동작으로부터의 높은 신뢰성을 제공하도록 설계 및 제작된다. 방법 측면들은 부분적으로는 명시적으로 논의될 것이며 부분적으로는 아래 논의로부터 명백해질 것이다.

EV 애플리케이션들 및 특정 유형 및 정격들의 퓨즈의 맥락에서 설명되었지만, 본 발명의 이점들은 EV 애플리케이션들 또는 설명된 특정 퓨즈 유형 또는 정격들에 반드시 제한되는 것은 아니다. 오히려 본 발명의 이점들은 많은 상이한 전력 시스템 애플리케이션에 더 광범위하게 생길 것으로 믿어지며, 본 출원에서 논의된 것들과 유사하거나 상이한 정격들의 상이한 유형들의 퓨즈들을 구성하기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 실시될 수 있다.

도 1은 퓨즈, 구체적으로는 그 내부의 퓨즈 소자 또는 소자들을 부하 전류 사이클링 피로에 민감하게 만들 수 있는 EV 전력 시스템 애플리케이션에서의 대표적인 전류 구동 프로파일(100)을 도시한다. 도 1에서 전류는 수직축을 따라 도시되고, 시간은 수평축을 따라 도시되어 있다. 통상적인 EV 전력 시스템 애플리케이션들에서, 전력 퓨즈들은 회로 보호 장치들로서 이용되어 전기 고장 상태들로 인한 전기 부하들의 손상을 방지한다. 도 1의 예를 고려할 때, EV 전력 시스템들은 비교적 짧은 시간 기간 동안의 전류 부하의 큰 편차에 민감하다. 전류의 편차는 EV 차량의 운전자의 행동, 교통 상황 및/또는 도로 상황에 기초하여 무작위로 보이는 운전 습관에 의해 생성된 순서들로 다양한 크기의 전류 펄스들을 생성한다. 이로써 EV 드라이브 모터, 일차 드라이브 배터리 및 시스템에 포함된 모든 보호 전원 퓨즈에 사실상 무한히 다양한 전류 부하 사이클이 생성된다.

도 1의 전류 펄스 프로파일로 예증된, 이러한 무작위 전류 부하 조건들은 EV 가속(배터리 소모에 대응)과 EV 감속(회생 배터리 충전에 대응) 양자에 대해 사실상 주기적이다. 이러한 전류의 주기적인 부하는 주울 효과 가열 프로세스에 의해, 퓨즈 소자에, 보다 구체적으로는 전력 퓨즈의 퓨즈 소자 어셈블리의 소위 취약점들에 열 주기 응력을 부과한다. 퓨즈 소자의 이러한 열 주기 부하는 특히 퓨즈 소자 취약점들에 기계적 팽창 및 수축 주기들을 부과한다. 이러한 퓨즈 소자의 취약점들에 대한 반복적인 기계적 주기적 부하는 취약점들을 시간상 파손 지점까지 손상시키는 누적 변형을 부과한다. 본 설명의 목적을 위해, 이러한 열적-기계적 과정 및 현상은 본 출원에서 퓨즈 피로(fuse fatigue)로 지칭된다. 이하에서 추가로 설명될 바와 같이, 퓨즈 피로는 퓨즈가 구동 프로파일을 견디어 낼 때 주로 크리프 변형에 기인한다. 퓨즈 소자의 취약점들에서 발생하는 열은 퓨즈 피로의 시작을 일으키는 주요 메커니즘이다.

도 2 내지 도 4는 EV 전력 시스템과 함께 사용하도록 설계된 대표적인 고압 전력 퓨즈(200)의 다양한 도면이다. 통상적으로 구성되는 알려진 UL 클래스 J 퓨즈와 비교하여, 퓨즈(200)는 훨씬 더 작은 패키지 크기에서 필적할만한 성능을 제공한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 퓨즈(200)는 하우징(202), 라인 및 부하 측 회로에 접속되도록 구성된 단자 블레이드들(204, 206), 및 단자 블레이드들(204, 206) 간 전기 접속을 완전하게 만드는 퓨즈 소자 어셈블리(208)를 포함한다. 소정의 전류 상태를 겪을 때, 퓨즈 소자 어셈블리(208)의 적어도 일부는 녹거나, 분해되거나, 그 외 구조적으로 고장이 나고 단자 블레이드들(204, 206) 간 회로 경로를 개방시킨다. 따라서 부하 측 회로는 라인 측 회로와 전기적으로 절연되어 전기 고장 상태가 발생할 때 부하 측 회로 부품들과 회로를 손상으로부터 보호한다.

퓨즈(200)는 일례로 500VDC의 전압 정격 및 150A의 전류 정격을 제공하도록 제작된다. L_H가 퓨즈의 하우징의 대향 단부들 사이 축방향 길이이고, R_H가 퓨즈의 하우징의 외측 반경이며, L_T가 하우징의 대향 측들 상에 서로 대향하는 블레이드 단자들의 말단부들 사이에서 측정된 퓨즈의 전체 길이인 것으로 도시되어 있는 예에서 퓨즈(200)의 치수들은 종래 구성에서의 필적할만한 성능을 제공하는 알려진 UL 클래스 J 퓨즈의 대응하는 치수들의 약 50%이다. 또한, 퓨즈 하우징(202)의 반경은 필적할만한 성능을 제공하는 종래의 UL 클래스 J 퓨즈의 반경의 약 50%이고, 퓨즈(200)의 부피는 동일한 정격에서 필적할만한 성능을 제공하는 종래의 UL 클래스 J 퓨즈의 부피로부터 약 87% 감소된다. 따라서, 퓨즈(200)는 상당한 크기 및 부피 감소를 제공하면서 그 외 퓨즈에 필적할만한 퓨즈 보호 성능을 제공한다. 퓨즈(200)의 크기 및 부피 감소는 퓨즈(100)에 비해 그 구성에서 이용되는 물질들의 감소를 통해 무게 및 비용 절감에 기여한다. 그에 따라, 그리고 그것의 더 작은 치수로 인해, 퓨즈(200)는 EV 전력 시스템 애플리케이션들에 훨씬 바람직하다.

일례로, 하우징(202)은 하나의 대표적인 실시 예에서 유리 멜라민과 같은 당 업계에 알려져 있는 비 도전 물질로 제조된다. 대안적으로 하우징(202)에 적합한 다른 알려져 있는 물질들이 다른 실시 예들에서 바람직한 대로 사용될 수 있다. 또한, 도시된 하우징(202)은 대체로 원통형 또는 관형이고, 도시된 대표적인 실시 예에서의 축방향 길이 치수들(L_H및 L_R)에 수직인 축을 따라 대체로 원형인 단면을 갖는다. 대안적으로 하우징(202)은 바람직하다면 다른 형상으로 형성될 수 있지만, 서로 직각으로 배치된 네 개의 측벽을 갖고, 그로 인해 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 직사각형을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 하우징(202)은 도시된 바와 같이 제1 단부(210), 제2 단부(212), 및 퓨즈 소자 어셈블리(208)를 수용하고 담는 대향 단부들(210, 212) 사이 내부 구멍 또는 통로를 포함한다.

일부 실시 예에서, 하우징(202)은 단자 블레이드들(204, 206)을 하우징(202)으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 절연 가스켓들 등을 필요로 하지만, 이는 바람직하다면 전기적으로 도전 물질로 제조될 수 있다.

단자 블레이드들(204, 206)은 각각 하우징(202)의 각 대향 단부(210, 212)로부터 반대 방향들로 연장되고 서로 대체로 동일 평면 관계로 연장되도록 배치된다. 각각의 단자 블레이드들(204, 206)은 고려된 실시 예들에서 구리 또는 황동과 같은 전기적으로 도전 물질로 제조될 수 있다. 단자 블레이드들(204, 206)을 형성하기 위해 바람직한 대로 다른 실시 예들에서는 다른 알려져 있는 도전 물질들이 대안 적으로 사용될 수 있다. 각각의 단자 블레이드들(204, 206)에는 도 3에 도시된 바와 같이 개구(214, 216)가 형성되고, 개구들(214, 216)은 볼트와 같은 파스너(미도시)를 수용하여 퓨즈(200)를 EV에서의 제 위치에 고정하고 단자 블레이드들(204, 206)을 통해 회로 도체들에 대한 라인 및 부하 측 회로 접속을 형성할 수 있다.

대표적인 단자 블레이드들(204, 206)이 퓨즈(200)에 대해 도시되고 설명되었지만, 다른 단자 구조들 및 배치들이 추가의 그리고/또는 대안적인 실시 예들에서 마찬가지로 이용될 수 있다. 예를 들어, 개구들(214, 216)은 일부 실시 예에서는 임의적인 것으로 고려될 수 있고 생략될 수 있다. 나이프 블레이드 접촉부들이 도시된 바와 같은 단자 블레이드들 대신 제공될 수 있을 뿐만 아니라, 통상의 기술자들이 다양한 상이한 유형의 종단 접속 옵션을 제공하는 것으로 이해되는 바와 같이, 페룰 단자들 또는 끝단 캡들 또한 제공될 수 있다. 또한, 단자 블레이드들(204, 206)은 바람직하다면 이격되고 대체로 평행한 배향으로 배치될 수 있고 도시된 것과 상이한 위치들에서 하우징(202)으로부터 돌출할 수 있다.

하우징(202)이 제거된 도 3 및 도 4의 확대도에 보이는 바와 같이, 퓨즈 소자 어셈블리(208)는 각각 단판들(end plates)(226, 228) 상에 제공되는 단자 접촉 블록들(222, 224)에 각각 연결되는 제1 퓨즈 소자(218) 및 제2 퓨즈 소자(220)를 포함한다. 블록들(222, 224)을 포함하는 단판들(226, 228)은 구리, 황동 또는 아연과 같은 전기적으로 도전 물질로 제조되지만, 다른 도전 물질들이 알려져 있고 다른 실시 예들에서 마찬가지로 이용될 수 있다. 퓨즈 소자들(218, 210) 및 단자 접촉 블록들(222, 224)의 기계적 및 전기적 접속들은 이에 제한되지는 않지만 납땜 기술들을 포함하여, 알려져 있는 기술들을 사용하여 형성될 수 있다.

다양한 실시 예에서, 단판들(226, 228)은 단자 블레이드들(204, 206)을 포함하도록 형성될 수 있거나 단자 블레이드들(204, 206)은 개별적으로 제공되고 부착될 수 있다. 단판들(226, 228)은 일부 실시 예에서는 임의적인 것으로 고려될 수 있고 퓨즈 소자 어셈블리(208)와 단자 블레이드들(204, 206) 사이의 연결은 다른 방식으로 형성될 수 있다.

단판들(226, 228)을 하우징(202)에 관해 제 위치에 고정시키는 다수의 고정 핀(230)이 또한 도시되어 있다. 고정 핀(230)은 일례로 스틸로 제조 될 수 있지만, 다른 물질들이 알려져 있고 바람직하다면 이용될 수 있다. 일부 실시 예에서, 핀들(230)은 임의적인 것으로 고려될 수 있고 다른 기계적 연결 피처들에 지지하여 생략될 수 있다.

아크 소호 충전제 또는 충전재(232)은 퓨즈 소자 어셈블리(208)를 둘러싸고 있다. 충전재(232)는 플러그들(미도시)로 밀폐된 단판들(226, 228) 중 하나에서의 하나 이상의 충전 개구를 통해 하우징(202)에 도입될 수 있다. 플러그들은 다양한 실시 예에서 스틸, 플라스틱 또는 다른 물질들로 제조될 수 있다. 다른 실시 예들에서는, 충전 구멍 또는 충전 구멍들이 충전재(232)의 도입을 용이하게 하기 위해 이에 제한되지는 않지만 하우징(202)을 포함하여, 다른 위치들에 제공될 수 있다.

하나의 고려된 실시 예에서, 충전제(232)는 석영 실리카 모래 및 규산 나트륨 결합제로 구성된다. 석영 모래는 느슨한 압축 상태에서 비교적 높은 열 전도 및 흡수 용량을 가지지만, 개선된 성능을 제공하기 위해 실리카 처리될 수 있다. 예를 들어, 액체 규산 나트륨 용액을 모래에 첨가한 다음 유리수를 건조시킴으로써, 실리케이트 충전재(232)가 다음의 이점들로 얻어질 수 있다.

실리케이트 물질(232)은 퓨즈 소자들(218 및 220), 석영 모래, 퓨즈 하우징(202), 단판들(226 및 228) 및 단자 접촉 블록들(222, 224)에 규산 나트륨의 열 전도 본딩을 생성한다. 이러한 열 본딩은 퓨즈 소자들(218, 220)로부터 그 주위, 회로 인터페이스들 및 도체들로의 더 높은 열 전도를 가능하게 한다. 석영 모래에 규산 나트륨을 도포하는 것은 퓨즈 소자들(218, 220)로부터 밖으로 그리고 멀리 열 에너지를 전도시키는 것을 돕는다.

규산 나트륨은 모래를 퓨즈 소자, 단자 및 하우징 튜브에 기계적으로 본딩시켜 이들 물질들 간의 열 전도를 증가시킨다. 통상적으로, 모래만을 포함할 수 있는 충전재는 퓨즈 내의 퓨즈 소자들의 도전 부분들과 점 접촉을 하는 반면, 충전재(232)의 실리케이트화된 모래는 퓨즈 소자들에 기계적으로 본딩된다. 따라서, 훨씬 더 효율적이고 효과적인 열 전도가 실리케이트화된 충전재(232)에 의해 가능 해지며, 이는 필적할만한 성능을 제공하는 알려져 있는 퓨즈들에 비해 퓨즈(200)의 실질적인 크기 감소를 용이하게 한다.

도 4는 퓨즈 소자 어셈블리(208)를 더 상세하게 도시한다. 전력 퓨즈(200)는 어셈블리(208) 내의 퓨즈 소자 설계 특징들로 인해 더 높은 시스템 전압에서 작동할 수 있으며, 이는 퓨즈(200)의 크기 감소를 더 용이하게 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 퓨즈 소자들(218, 220)의 각각은 대체로 경사진 섹션들(242, 244)에 의해 연결된 일련의 동일 평면 섹션(240)으로 전기적으로 도전 물질의 스트립으로 형성된다. 퓨즈 소자들(218, 220)은 일반적으로 실질적으로 동일한 형상들 및 기하학적 구조들로 형성되지만, 어셈블리(208)에서 서로에 관해 반전된다. 즉, 도시된 실시 예에서의 퓨즈 소자들(218, 220)은 서로 거울상 관계로 배치된다. 다르게 표현하면, 퓨즈 소자들(218, 220) 중 하나는 똑바로 배향되는 한편 다른 하나는 거꾸로 배향되어, 상당히 콤팩트하고 공간을 절약하는 구성이 된다. 특정 퓨즈 소자 기하학적 구조 및 배치가 도시되어 있지만, 다른 실시 예들에서 다른 유형들의 퓨즈 소자들, 퓨즈 소자 기하학적 구조들 및 퓨즈 소자들의 배치들이 가능하다. 퓨즈 소자들(218, 220)은 모든 실시 예에서 서로 동일하게 형성될 필요는 없다. 또한, 일부 실시 예에서는 단일 퓨즈 소자가 이용될 수 있다.

도시된 대표적인 퓨즈 소자들(218, 220)에서, 경사진 섹션들(242, 244)은 평면 섹션들(240)로부터 면외로 형성되거나 구부러지고, 경사진 섹션들(242)은 경사진 섹션들(244)과 동일한 반대 기울기를 갖는다. 즉, 도시된 예에서 경사진 섹션들 중 하나(242)는 양의 기울기를 갖고 경사진 섹션들 중 다른 하나(244)는 음의 기울기를 갖는다. 경사진 섹션들(242, 244)은 도시된 바와 같이 평면 섹션들(240) 사이에 쌍으로 배치된다. 단자 탭들(246)은 퓨즈 소자들(218,220)의 어느 하나의 대향 단부 상에 도시되어, 위에서 설명된 바와 같이 단판들(226, 228)에 대한 전기 접속이 형성될 수 있게 된다.

도시된 예에서, 평면 섹션들(240)은 당해 기술 분야에서 취약점들(weak spots)로 지칭되는 감소되는 단면적(241)의 복수의 섹션을 획정한다. 취약점들(241)은 도시된 예에서 평면 섹션들(240)의 둥근 개구들에 의해 획정된다. 취약점들(241)은 인접한 개구들 간 섹션(240)의 가장 얇은 부분에 대응한다. 취약점들(241)에서 감소되는 단면적들은 전류가 퓨즈 소자들(218, 220)을 통해 흐를 때 열 농축을 받을 것이고, 취약점들(241)의 단면적은 전략적으로 선택되어 특정 전류 상태들이 경험된면 취약점들(241)의 위치에서 퓨즈 소자들(218 및 220)이 개방되게 한다.

복수의 섹션(240) 및 각 섹션(240)에 제공된 복수의 취약점(241)은 퓨즈 소자들(218, 220)이 작동함에 따라 아크 분배를 용이하게 한다. 도시된 예에서, 퓨즈 소자들(218, 220)은 하나가 아니라, 섹션들(240)에 대응하는 세 개의 위치에서 동시에 개방될 것이다. 도시된 예에 따르면, 450VDC 시스템에서, 퓨즈 소자들이 퓨즈(200)를 통해 회로를 개방하도록 작동할 때, 전기 아크가 섹션들(240)의 세 개의 위치에 걸쳐 분배될 것이고 각 위치에서의 아크는 450VDC이 아니라 150VDC의 아크 전위를 가질 것이다. 각 섹션(240)에 제공되는 복수(예를 들어, 네 개)의 취약점(241)은 취약점들(241)에서의 전기적 아크를 더욱 효과적으로 분배한다. 아크 분배는 충전재(232) 양의 감를 허용할 뿐만 아니라, 하우징(202)의 반경을 감소시켜서, 퓨즈(200)의 크기가 감소될 수 있게 된다.

평면 섹션들(240) 사이 구부러진 경사진 섹션들(242, 244)은 여전히 아크가 연소할 평탄한 길이를 제공하지만, 섹션들(242, 244)이 교차하는 코너들에서 아크들이 결합할 가능성을 피하기 위해 굽힘 각도들이 신중하게 선택되어야 한다. 구부러진 경사진 섹션들(242, 244)은 또한 단자 탭들(246)의 말단부 사이에서 그리고 평면 섹션들(240)에 평행한 방향으로 측정되는 퓨즈 소자 어셈블리(208)의 유효 길이가 더 짧아진다. 더 짧아진 유효 길이는 퓨즈 소자가 구부러진 섹션들(242, 244)을 포함하지 않았던 경우에 요구되었던 퓨즈(200)의 하우징의 축방향 길이의 감소를 용이하게 한다. 구부러진 경사진 섹션들(242, 244)은 또한 제조 피로 및 사용시 전류 주기 동작으로부터의 열 팽창 피로로부터의 응력을 완화시킨다.

고전력 취급 및 고압 작동 측면들과 그러한 소형 퓨즈 패키지를 유지하기 위해, 특수한 소자 처리들이 충전제(232)의 실리케이트화된 석영 모래의 사용 및 위에서 설명된 형성된 퓨즈 소자 기학학적 구조들을 너머 적용될 수 있다. 특히 RTV 실리콘 또는 UV 경화 실리콘과 같은 아크 차단 또는 아크 배리어 물질들의 적용은 퓨즈 소자들(218, 220)의 단자 탭들(246)에 인접하여 적용될 수 있다. 가장 높은 비율의 이산화규소(실리카)를 생성하는 실리콘은 말단 탭들(246) 근처에서 아크 연소를 막거나 완화시키는 데 가장 잘 수행되는 것으로 밝혀졌다. 말단 탭들(246)에서의 임의의 아킹은 바람직하지 않으며, 그에 따라 아크 차단 또는 배리어 물질(250)이 아킹이 말단 탭들(246)에 도달하는 것을 방지하도록 제공되는 위치들에서 퓨즈 소자들(218, 220)의 전체 단면을 완전히 둘러싼다.

풀 레인지 시간-전류 동작은 각각의 개별 퓨즈 소자(218, 220)에 두 개의 퓨즈 소자 용융 메커니즘을 채용함으로써 달성된다. 퓨즈 소자(218)에서의 하나의 용융 메커니즘은 대전류 동작(또는 단락 회로 고장)에 반응하고, 퓨즈 소자(220)에서의 하나의 용융 메커니즘은 저전류 동작(또는 과부하 고장)에 반응한다. 그에 따라, 퓨즈 소자(218)는 때때로 단락 회로 퓨즈 소자로 지칭되고 퓨즈 소자(220)는 때때로 과부하 퓨즈 소자로 지칭된다.

고려되는 실시 예에서, 과부하 퓨즈 소자(220)는 순수한 주석(Sn)이 본 예에서 구리(Cu)로 제조된 퓨즈 소자에 적용되는 메트캐프 효과(M-효과) 코팅(미도시)을, 섹션들(240) 중 하나의 취약점들에 근접한 위치들에 포함할 수 있다. 과부하 가열 중에 Sn과 Cu가 공정 물질을 형성하기 위해 함께 확산된다. 고려되는 실시 예들에서 결과는 Cu 및 Sn의 온도와 약 400℃ 사이의 낮은 용융 온도이다. 따라서, 과부하 퓨즈 소자(220) 및 M-효과 코팅을 포함하는 섹션(들)(240)은 단락 회로 퓨즈 소자(218)에 영향을 미치지 않을 전류 상태들에 반응할 것이다. 고려되는 실시 예에서, M-효과 코팅이 과부하 퓨즈 소자(220) 내의 세 개의 섹션(240) 중 단지 하나의 약 절반에 적용될 수 있지만, M-효과 코팅은 바람직하다면 섹션들(240)의 추가의 것들에 적용될 수 있다. 또한, M-효과 코팅은 취약점으로부터 떨어진 적용 가능한 섹션들(240)에 적용된 더 큰 코팅과는 대조적으로 다른 실시 예에서 취약점들의 위치들에만 스폿들로서 적용될 수 있다.

더 적은 단락 회로 렛 스루 에너지는 단락 회로 퓨즈 소자(218)에서의 퓨즈 소자 용융 단면을 감소시킴으로써 실현된다. 이는 일반적으로 추가된 저항 및 열로 인한 정격 전류 용량을 낮춤으로써 퓨즈 정격에 부정적인 영향을 줄것이다. 실리케이트화된 모래 충전재(232)가 퓨즈 소자(218)로부터 열을 더 효과적으로 제거하기 때문에, 그렇지 않으면 발생하는 전류 용량의 손실을 보상한다.

규산 나트륨을 석영 모래에 적용하면 또한 퓨즈 소자의 취약점들로부터 밖으로 그리고 멀리 열 에너지를 전도하고 기계적 응력과 변형을 줄여 그렇지 않으면 야기될 수 있는 부하 전류 순환 피로를 완화시킨다. 다시 말해서, 실리케이트화된 충전제(232)는 퓨즈 소자들의 취약점들에서의 작동 온도를 감소시킴으로써 퓨즈 피로를 완화시킨다. 규산 나트륨은 모래를 퓨즈 소자, 단자 및 하우징에 기계적으로 결합시켜 이들 물질들 간의 열 전도를 증가시킨다. 취약점들에서 열이 덜 발생하고 기계적 변형이 시작되며 그에 따라 퓨즈 피로가 지연되지만, 도 1에 도시된 전류 프로파일이 피로로 인해 퓨즈 소자들의 퓨즈 고장에 걸쳐 적용되는 EV 애플리케이션에서는, 단락 회로 또는 과부하 상태들과는 대조적으로, 퓨즈의 수명에 현실적인 한계가 되었다.

설명된 퓨즈 소자들은 금속 스탬핑 또는 펀칭된 퓨즈 소자들을 이용하는 통상적으로 설계된 퓨즈들과 같이, 전술한 주기 전류 부하들의 유형을 포함하여 EV 애플리케이션들에 대해 불리한 것으로 밝혀졌다. 그러한 스탬핑된 퓨즈 소자 설계들은 구리로 제조되든 또는 은으로 제조되든 또는 구리 합금들로 제조되든 관계 없이 바람직하지 않게 수명이 짧아지는 경향이 있게 퓨즈 소자 취약점들(241)에 기계적 변형 및 응력을 도입한다. 이러한 짧은 퓨즈 수명은 취약점들(241)에서 퓨즈 소자의 기계적 피로로 인한 불량 퓨즈 동작의 형태로 나타난다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 반복되는 대전류 펄스들은 퓨즈 소자들(218, 220)에서의 균열 전파 및 고장에 이은 입자 경계 파괴로부터 금속 피로를 초래한다. 퓨즈 소자(218, 220)의 기계적 제약들은 스탬핑된 퓨즈 소자 설계 및 제조에 내재되어 있으며, 이는 불행하게도 반복되는 부하 전류 주기 동안 취약점들(241)의 면내 버클링을 촉진시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 면내 버킹은 인접한 금속 입자들 사이에서 분리 또는 미끄러짐이 발생하는 금속 입자 경계들에 대한 손상의 결과이다. 그러한 취약점들(241)의 버클링은 시간이 지남에 따라 발생하고 더 높은 과도 전류 펄스들에 의해 가속되고 더 두드러진다. 과도 전류 펄스들에서 가열-냉각 델타가 클수록 기계적 영향이 커지며 그에 따라 취약점들(241)의 면내 버클링 변형이 커진다.

과도 전류 펄스들의 가열 효과로 야기된 금속의 반복된 물리적 기계적 조작들은 차례로 금속 퓨즈 소자의 입자 구조의 변화를 일으킨다. 이러한 기계적 조작들은 때때로 금속을 가공시키는 것으로도 지칭된다. 금속들을 가공하면 인접한 입자들이 인접한 입자들에 강하게 구속되는 입계들이 강화될 것이다. 금속을 가공하는 과정은 입자들이 서로 미끄러지는 입계의 파괴를 초래할 것이고 소위 슬립 띠 또는 면을 야기할 것이다. 입자들 사이의 이러한 미끄러짐 및 분리는 전류 펄스들의 가열 효과를 증가시킴으로써 피로 프로세스를 가속시키는 전기 저항의 국부적인 증가를 초래한다. 슬립 띠의 형성은 피로 균열이 처음 시작되는 곳이다.

본 발명자들은 퓨즈 소자들(218, 220)를 형성하기 위해 금속을 스탬핑 또는 펀칭하는 제조 방법이 취약점들(241)을 형성하기 위한 스탬핑 프로세스들이 기계적 전단 및 인열 프로세스이기 때문에 퓨즈 소자 취약점들(241)의 모든 스탬핑된 에지들에 국부적인 슬립 띠들을 야기한다는 것을 발견했다. 이러한 인열 프로세스는 많은 슬립 띠 영역을 갖는 취약점들(241)에 사전 응력을 가한다. 슬립 띠들 및 피로 균열은 열 영향으로 인한 설명된 버클링과 조합되어, 결국 전기적 고장 조건과 관련이 없는 취약점들(241)의 조기 구조적 고장을 초래한다. 전력 시스템에서 문제가 있는 전기 상태와 관련이 없는 그러한 조기 고장 모드는 때때로 퓨즈의 불량 동작이라고 지칭된다. 일단 퓨즈 소자들이 고장 나면 퓨즈가 교체될 때까지 퓨즈에 연결된 회로가 다시 작동하지 않기 때문에, 그러한 불량 동작을 피하는 것이 EV 제조업체들 및 소비자들의 관점에서 EV 전력 시스템에서 매우 바람직하다. 사실, EV 차량들 및 전력 시스템들에 대한 관심이 높아짐에 따라, 퓨즈 피로의 영향은 차량 설계에서 CTQ(Critical to Quality)라는 부정적인 요소로 간주된다.

따라서, 피로 내성인 취약점들을 포함하는 퓨즈 소자들을 제조하기위한 새로운 설계 방법이 매우 바람직하다. 가능한 접근법은 금속 조각으로부터 취약점들을 포함하는 퓨즈 소자 기하학적 구조를 제조하기 위해 레이저 또는 워터젯 절단 방법들을 사용하여 스탬핑 응력을 제거하는 것이다. 레이저 및 워터젯 절단 방법들 모두가 조합될 수 있으며, 이때 절삭을 위해 레이저 전력이 채용되고 워터젯은 원하는 수의 취약점을 포함하는 퓨즈 소자를 제조할 때 냉각 및 잔해 제거에 사용된다. 그러한 방법들은 전술한 바와 같이 슬립 띠들을 갖는 취약점들(241)의 사전 응력을 제거함으로써 부분적으로 유리하다. 그러나, 그러한 제조 방법들은 취약점들(241)에서의 금속 가공 및 버클링으로부터의 피로를 제거하지 않을 것이다. 따라서, 그러한 방법들은 스탬핑된 금속 퓨즈 소자들에 비해 연장된 수명을 제공할 수 있지만, 여전히 불량 퓨즈 동작이 발생하고 다른 해결책들이 요구된다.

도 7 내지 도 11은 종래의 금속 스탬핑된 취약점들보다는 와이어 본딩된 취약점들을 포함하는 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리(300)의 각 제조 단계들을 도시한다. 와이어 본딩된 취약점들은 금속 스탬핑된 퓨즈 소자들에 공통적인 상술된 취약점들 및 버클링 문제들의 사전 응력을 제거하고, 따라서 도 1에 도시된 것들과 같은 주기적인 전류 부하를 나타내는 동일한 작동 조건들에서 상술한 불필요한 동작을 회피한다.

도 7은 본 발명의 대표적인 실시 예에 따른 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리(300)를 도시한다. 퓨즈 소자 어셈블리(300)는 일련의 도전 판(302, 304, 306, 308 및 310), 및 판들(302, 304, 306, 308 및 310)을 상호 연결하여 별도로 제공되는 도전 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)을 포함한다. 판들(302, 304, 306, 308 및 310)은 전술한 바와 같은 도전성 금속 또는 합금으로 제조될 수 있다. 판들(302, 304, 306, 308 및 310)은 일반적으로 서로 동일 평면 관계로 정렬되고, 서로 약간 이격되어 있으며, 도전 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)은 판들(302, 304, 306, 308 및 310) 중 인접한 판들 사이 공간에 걸쳐 연장된다.

와이어 본딩된 취약점 요소들(312)은 납땜, 브레이징, 용접 또는 당 업계에 공지된 다른 기술들을 통해 각각의 판들(302, 304, 306, 308 및 310)로부터 개별적으로 제공되지만 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 와이어들을 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 와이어 본딩된 취약점 요소(312)는 판들 중 제1 판에 연결된 제1 단부(314), 판들 중 제2 판에 연결된 제2 단부(316), 및 제1 및 제2 단부들(314, 316) 사이에 연장되는 변형 완화 루프 부분(318)을 포함한다. 제1 및 제2 단부들(314, 316)은 각각의 판 상에 대체로 평면으로 연장되는 한편, 변형 완화 루프 부분(318)은 단부들(314, 316) 사이에서 아치형 형상으로 연장된다. 본드 위치들 사이의 변형 완화 루프 부분(318)을 각각의 판에 포함시킴으로써 열 기계적 주기들로부터의 버클링 피로를 감소시킨다.

와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 와이어들은 임의의 원하는 면적의 일정한 또는 균일한 단면적을 갖는 가늘고 긴 둥근 또는 원통형 형상 또는 형태로 제공되어 판들(302, 304, 306, 308 및 310) 간 감소된 단면적의 임의의 원하는 수의 취약점을 획정하고 판들(302, 304, 306, 308 및 310) 간 퓨저블 동작을 촉진할 수 있다. 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 와이어들은 또한 때때로 와이어 리본 물질로 지칭되는 직사각형 단면적 또는 형태를 갖는 편평한 형상으로 제공될 수도 있다. 관계 없이, 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 사용은 금속 스탬핑 공정들로부터 응력을 제거한다. 변형 완화 부분들(318)을 포함하는 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)은 판들(302, 304, 306, 308 및 310)로부터 개별적으로 제조되어 그렇지 않으면 전술한 퓨즈 소자들(218, 220)과 같은 단일 부품 퓨즈 소자 구성으로부터 요구되는 복잡한 퓨즈 소자 형성 기하학적 구조에 대한 모든 필요를 제거한다.

일부 실시 예에서, 와이어 본딩된 약점 요소들(312) 및 판들(302, 304, 306, 308 및 310)은 와이어 및 판들(302, 304, 306, 308 및 310)의 전기 저항이 독립적이도록 상이한 물질들 및 치수들로 제조될 수 있다. 고려되는 실시 예들에서, 구리 판들(302, 304, 306, 308 및 310)과 조합되는 와이어 본딩된 취약점 요소들(312) 용 알루미늄 와이어가 바람직한 것으로 여겨진다. 알루미늄은 약 660℃의 녹는점을 가지는데 이는 은보다 302℃ 낮고 구리보다 425℃ 낮다. 알루미늄의 낮은 용융 온도는 와이어 본딩된 취약점 요소들(312) 내의 단락 회로 렉 스루 에너지(시간 및 피크 전류 또는 I²t)를 낮추는 것과 동일하다. 또한, 알루미늄 저항이 28.2 nΩ·m인 한편(알루미늄이 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)에 이용될 때 향상된 퓨즈 성능을 위해 아래 비교 표에서 볼 수 있는 은의 비저항의 약 1.8 배이다), 구리 판들(302, 304, 306, 308 및 310)은 소자 저항을 낮게 유지한다.

물질	저항성 (nΩ·m)	용융 온도 (℃)	열 전도 (W·m^-1·K^-1)	밀도 (g·cm^-3)
은	15.87	961.78	429	10.49
구리	16.78	1084.62	401	8.94
금	22.14	1064.18	318	19.30
알루미늄	28.20	660.32	237	2.70

다른 고려되는 실시 예에서, 와이어 본딩된 취약점 요소들(312) 및 구리 판들(302, 304, 306, 308 및 310)에서의 은 와이어들은 특정 유형들의 전류 제한 퓨즈들에 이용되는 경향이 있는 모든 은 스탬핑된 퓨즈 소자에 대해 비용 효율적인 대안을 제공한다. 물론, 추가 변형예들이 가능하다.

와이어 본딩된 취약점 요소들(312) 및 구리 판들(302, 304, 306, 308 및 310)에 이용되는 물질들에 관계없이, 어셈블리(300)의 제조에 채용될 수 있는 세 가지 기본 와이어 본딩 기술들이 있다. 와이어들의 열 초음파 본딩은 볼과 쐐기형 부착 방법들에 대해 온도, 초음파 및 낮은 충격력을 이용한다. 와이어들의 초음파 본딩은 초음파 및 낮은 충격력, 및 쐐기 방법만 이용한다. 와이어들의 열 압착 본딩은 온도와 높은 충격력 및 쐐기 방법만을 이용한다.

도시된 대표적인 실시 예에서, 다섯 개의 도전 판(302, 304, 306, 308 및 310)이 인접한 판들 사이의 열세 개의 와이어 본딩된 취약점 요소(312)에 의해 상호 연결된 어셈블리(300)에 도시되어 있다. 따라서, 어셈블리(300)는 어셈블리(300) 내 총 52개의 와이어 본딩된 취약점 요소(312)에 대해, 판들(302, 304, 306, 308 및 310) 사이의 네 개의 위치 각각에서 각각의 판 사이의 열세 개의 와이어 본딩된 취약점 요소(312)를 가로질러 아크를 분배하는 고압 EV 전력 시스템 애플리케이션에 매우 적합하다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 다양한 수의 판들(302, 304, 306, 308 및 310) 및/또는 다양한 수의와이어 본딩된 취약점(312)이 대안적으로 인접한 판들 사이에서 이용될 수 있다. 판들(302, 304, 306, 308 및 310)의 대표적인 기하학적 구조가 도시되어 있지만, 다른 기하학적 구조들이 가능하다. 또한, 각각의 판(302, 304, 306, 308 및 310)은 도시된 예에서 대체로 평면이지만, 다른 실시 예에서 판들(302, 304, 306, 308 및 310)은 전술한 퓨즈 소자들(218, 220)과 유사한 방식으로 면외로 구부러진 섹션들을 포함할 수 있다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 퓨즈 소자 어셈블리(300)는 또한 각 판의 단부 에지들에 적용되고 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 단부들(314, 316)을 캡슐화하는 밀폐 물질(320)을 포함한다. 고려되는 실시 예들에서의 밀폐 물질(312)은 전술한 것들과 같은 실리콘일 수 있다. 밀폐 물질(320)은 어셈블리(300)에 기밀 밀폐 및 아크 배리어 속성을 제공한다. 기밀 밀폐는 그렇지 않으면 와이어 본딩된 연결들에 대해 발생할 수 있는 부식 및 전기 분해 문제들, 뿐만 아니라 조인트 금속들의 산화 방지 작용을 회피하며, 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)에 대해 전술한 바와 같이 알루미늄 와이어들이 이용될 때의 특별한 이점을 제공한다. 아크 담금질 배리어기 또한 퓨즈가 작동할 때 AC 및 DC 아크들 양자를 위한 밀폐 물질(320)에 의해 제공된다.

다른 고려되는 실시 예에서, 밀폐 물질(320)은 대안적으로 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 단부들(314, 316)을 각각의 판들(302, 304, 306, 308 및 310)에 연결하는데 사용되는 땜납일 수 있다. 즉, 어떤 경우에는, 땜납이 어셈블리 내의 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 단부들(314, 316)을 효과적으로 밀폐시킬 수 있다. 땜납이 순수한 주석이면 그것은 또한 구리 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)과 함께 사용될 때 밀폐 및 M-스폿 물질이 될 수도 있다. 그러나, M-효과 물질은 또 다른 실시 예들에서 원하는대로 독립적으로 적용될 수 있고 납땜 물질을 통해 성취될 필요는 없다는 것이 이해된다.

일부 실시 예에서 땜납 및 실리콘과 같은 아크 배리어 물질 모두가 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 단부들(314, 316) 상에 조합되어 적용되어 밀폐 물질(320)을 집합 적으로 획정 할 수 있다는 것도 고려된다. 즉, 땜납층 위에 실리콘 층이 도포될 수 있으며, 땜납이 씰로 작용하고 실리콘이 아크 담금질 물질 및 배리어로 작용한다. 전력 시스템의 퓨즈에 대한 상이한 사양들을 충족시키기 위해 다양한 정도의 밀폐 및 아크 배리어 속성을 제공하는 수 많은 다른 옵션이 가능하다.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 부순 모래와 같은 아크 담금질제(322)가 또한 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 루프 부분들(318) 및 밀폐 물질(320) 위에 제공된다. 도시된 대표적인 실시 예들에서 일반적으로 인접한 판들 위에만 연장되는 밀폐 물질(320)과는 달리, 아크 담금질제(322)는 판들의 위와 아래로 연장된다. 아크 담금질제(322)는 와이어 본딩된 취약점 요소들(312)의 루프 부분들(318)의 열 흡수, 아크 담금질 및 기계적 지지를 포함하여 몇 가지 기능을 제공한다. 석재 또는 실리케이트화된 모래는 s 부분(318) 와이어 취약점에 기계적 지지를 제공하고 부순 모래는 석영 실리카 모래, 규산 나트륨 및 멜라민 파우더를 혼합하여 아크 담금질 능력을 높일 수 있다.

아크 담금질제(322)는 아크 담금질제(322)의 일부 위로부터 적용될 때 판들 사이의 개구를 통해 스며 들어 판들의 하측과 접촉하면서 와이어 본딩된 취약점들(312)을 완전히 둘러싸도록 반고체 조도를 갖는 화합물 또는 용액으로서 퓨즈 소자 어셈블리(300)에 적용될 수 있다. 그러나, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 아크 담금질제(322)는 퓨즈 엘리먼트 어셈블리의 전체를 둘러싸지 않는다. 그 대신에, 도 10에 도시된 바와 같이, 판들(302, 304, 306, 308 및 310)의 부분들은 와이어 본딩된 퓨즈 소자들(312) 사이에서 아크 담금질제에 의해 완전히 커버되지 않는다. 그러한 아크 담금질제(312)의 목표된 사용은 비용을 절감할 뿐만 아니라 퓨즈 소자 어셈블리를 포함하는 퓨즈의 무게를 감소시킨다.

실리케이트화된 매체는 퓨즈 소자들(218, 220)에 대해 전술한 바와 같이 퓨즈 소자 어셈블리의 개선된 열 성능을 위해 와이어 본딩된 취약점들(312)에 본딩될 수 있다. 아크 담금질제(312)에 포함된 멜라민 분말은 전기 고장 조건에 반응하여 퓨즈가 개방될 때 추가 성능 향상을 위해 아크 소호 가스를 생성한다.

도 12 내지 도 16은 퓨즈 소자 어셈블리들(300)을 제조하기 위한 일괄 생성 프로세스의 제조 단계들을 도시한다.

도 12에 도시된 바와 같이, 구리와 같은 도전성 금속의 리드 프레임(400)은 도시된 바와 같이 다수의 직사각형 개구(402) 및 가늘고 긴 슬롯들(404)로 스탬핑된 금속 시트로 구성된다.

도 13에 도시된 바와 같이, 와이어 본딩된 취약점들(312)의 컬럼들은 도시된 바와 같이 리드 프레임(400)상의 가늘고 긴 슬롯들(404) 중 원하는 슬롯을 가로질러 연결된다. 전술한 기술들 중 임의의 기술을 와이어 본딩된 취약점들(312)을 연결하기 위해 채용할 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 밀폐 물질(320)의 컬럼들이 도시된 바와 같이 리드 프레임(400) 상에 와이어 본딩된 취약점들(312)을 커버하도록 분배 및 적용된다. 와이어 본딩된 조인트들의 밀폐 물질(320)은 그렇지 않으면 발생할 수 있는 산화 및 부식을 방지 또는 감소시키기위한 기밀 밀폐를 생성할뿐만 아니라, 퓨즈가 작동하거나 개방될 때 아크 담금질 배리어를 제공한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 아크 담금질제(322)의 컬럼들은 도시된 바와 같이 리드 프레임(400)상의 밀폐 물질(320) 위에 분배 및 적용된다.

도 16에 도시된 바와 같이, 리드 프레임(400)은 개구들(402)(도 12 내지 도 15) 사이의 금속 물질을 제거함으로써 퓨즈 어셈블리들(300)을 개별화하도록 스탬핑된다. 도시된 예에서, 열다섯 개의 퓨즈 소자 어셈블리(300)는 리드 프레임(400) 상에서 수행되는 일괄 처리로 형성된다.

도 17은 퓨즈의 제조를 위해 준비된 완성된 퓨즈 소자 어셈블리(300)를 도시한다. 도 18은 전술한 하우징(202) 및 소자들(204, 206, 224, 226 및 228) 내부의 토우 퓨즈 소자 어셈블리(300)를 포함하는 퓨즈(500)를 도시한다. 퓨즈(300)와 같은 퓨즈(500)는 EV 전력 시스템들에 적합한 500V, 150A 정격 퓨즈를 제공하고 전술한 퓨즈(200)와 같은 피로로 인한 불필요한 동작 없이 도 1의 구동 프로파일을 견디도록 제작될 수 있다. 퓨즈(500)는 설명된 퓨즈(200)와 유사한 치수들로 제조되어, EV 전력 시스템 애플리케이션들에 대해 50% 감소된 크기로 고압 전력 퓨즈를 제공할 수 있다.

본 발명의 이익들 및 이점들은 이제 개시된 대표적인 실시 예들과 관련하여 충분히 예시된 것으로 여겨진다.

하우징, 하우징으로부터 연장되는 제1 및 제2 도전 단자, 및 제1 및 제2 단자 사이에 연결된 적어도 하나의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 포함하는 전력 퓨즈의 실시 예가 개시되었다. 퓨즈 소자 어셈블리는 적어도 제1 및 제2 도전 단자를 각각 연결하는 제1 도전 판 및 제2 도전 판, 및 제1 도전 판과 제2 도전 판을 상호 연결하여 개별적으로 제공되는 와이어 본딩된 취약점들을 포함한다.

선택적으로, 제1 도전 판 및 제2 도전 판은 제1 도전 물질로 제조될 수 있고, 와이어 본딩된 약점들은 제1 도전 물질과 상이한 제2 도전 물질로 제조될 수 있다. 제1 도전 물질은 구리일 수 있고, 제2 도전 물질은 알루미늄일 수 있다. 대안적으로, 제2 도전 물질은 은일 수 있다.

전력 퓨즈는 임의로 각각의 제1 도전 판 및 제2 도전 판에 연결된 와이어 본딩된 취약점들의 각 단부들을 커버하는 밀폐 요소를 포함할 수도 있다. 밀폐 요소는 땜납, M-스폿 물질 또는 아크 베리어 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 아크 담금질제는 또한 밀폐 요소를 커버할 수 있다. 아크 담금질제는 규산염 모래 또는 석재일 수 있고, 멜라민 분말을 포함할 수도 있다. 제1 도전 판 및 제2 도전 판의 부분들은 아크 담금질제로 커버되지 않을 수 있다.

적어도 하나의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리는 각각 적어도 제1 도전 판 및 제2 도전 판 및 제1 도전 판과 제2 도전 판을 상호 연결하는 와이어 본딩된 복수의 취약점을 갖는 두 개의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 포함할 수 있다. 퓨즈는 정격 전압이 500V 이상일 수 있다. 퓨즈는 정격 전류가 150A 이상일 수 있다. 제1 및 제2 도전 단자들은 제1 및 제2 단자 블레이드들을 포함한다. 하우징은 원통형일 수 있다.

적어도 제1 도전 판 및 제2 도전 판은 다섯 개의 도전 판을 포함할 수 있으며, 복수의 와이어 본딩된 취약점이 다섯 개의 도전 판의 각각의 도전 판 사이에 연장된다. 와이어 본딩된 복수의 취약점 각각은 변형 완화 루프 부분을 포함할 수 있다. 복수의 와이어 본딩된 약점은 열세 개의 와이어 본딩된 취약점을 포함할 수 있다. 복수의 와이어 본딩된 취약점은 각각 둥근 와이어를 포함한다. 제1 도전 판 및 제2 도전 판은 동일 평면 관계로 배치될 수 있고, 복수의 와이어 본딩된 취약점들은 제1 도전 판 및 제2 도전 판의 평면 외로 연장될 수 있다.

이러한 서술된 설명은 최적의 모드를 포함하여, 본 발명을 개시하고, 임의의 장치들 또는 시스템들을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자들에게 떠오를 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은 청구범위의 문언과 상이한 구조적 요소들을 가질 경우 또는 청구범위의 문언들과 실질적으로 차이가 없는 균등한 구조적 요소들을 포함할 경우 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims

전력 퓨즈로서,
하우징;
상기 하우징으로부터 연장되는 제1 도전 단자 및 제2 도전 단자; 및
상기 제1 단자 및 상기 제2 단자 사이에 연결되는 적어도 하나의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 포함하되;
상기 적어도 하나의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리는:
상기 제1 도전 단자 및 상기 제2 도전 단자를 각각 연결하는 적어도 제1 도전 판 및 제2 도전 판; 및
상기 제1 도전 판과 상기 제2 도전 판을 상호 연결하여 개별적으로 제공되는 복수의 와이어 본딩된 취약점들을 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 도전 판 및 상기 제2 도전 판은 제1 도전 물질로 제조되고, 상기 와이어 본딩된 취약점들은 상기 제1 도전 물질과 상이한 제2 도전 물질로 제조되는, 전력 퓨즈.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 도전 물질은 구리인, 전력 퓨즈.
청구항 3에 있어서, 상기 제2 도전 물질은 알루미늄 또는 은 중 하나인, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 각각의 상기 제1 도전 판 및 상기 제2 도전 판에 연결된 상기 와이어 본딩된 취약점들의 각각의 단부들을 커버하는 밀폐 요소를 더 포함하며, 상기 밀폐 요소는 땜납, M-스폿 물질 또는 아크 배리어 물질 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 5에 있어서, 상기 밀폐 요소를 커버하는 아크 담금질제를 더 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 6에 있어서, 상기 아크 담금질제는 실리카 모래 또는 석재를 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 6에 있어서, 상기 아크 담금질제는 멜라민 분말을 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 6에 있어서, 상기 제1 도전 판 및 상기 제2 도전 판의 부분들은 상기 아크 담금질제에 의해 커버되지 않는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리는 각각 적어도 제1 도전 판 및 제2 도전 판을 갖는 두 개의 피로 내성 퓨즈 소자 어셈블리를 포함하고; 상기 제1 도전 판 및 상기 제2 도전 판을 상호 연결하는 와이어 본딩된 복수의 취약점을 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 퓨즈는 적어도 500V의 전압 정격을 갖는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 퓨즈는 적어도 150A의 전류 정격을 갖는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 적어도 제1 도전 판 및 제2 도전 판은 다섯 개의 도전 판을 포함하며 상기 와이어 본딩된 복수의 취약점은 상기 다섯 개의 도전 판의 각각의 도전 판 사이에서 연장되는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 와이어 본딩된 복수의 취약점의 각각은 변형 완화 루프 부분을 포함하는, 전력 퓨즈.
청구항 1에 있어서, 상기 와이어 본딩된 복수의 취약점은 각각 둥근 와이어를 포함하는, 전력 퓨즈.