WO2018092563A1 - スイッチ回路及び電源装置 - Google Patents

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WO2018092563A1
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semiconductor switch
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秀夫 森岡
有延 中村
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Sumitomo Wiring Systems Ltd
AutoNetworks Technologies Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Wiring Systems Ltd
AutoNetworks Technologies Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a switch circuit and a power supply device.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-222506 filed on Nov. 15, 2016, and incorporates all the content described in the Japanese Patent Application.
  • Patent Document 1 a conducting member is provided on a substrate via a melting member, and when the melting member melts when the semiconductor switch abnormally generates heat, the conducting member is displaced to the substrate, and 2 provided on the substrate.
  • a protection circuit that electrically connects terminals by contacting two terminals is disclosed.
  • the switch circuit of the present disclosure is a switch circuit that is interposed in an electric wire connecting a plurality of power supplies.
  • the semiconductor switch is interposed in the electric wire and turns on or off the connection between the plurality of power supplies.
  • a protection switch that is connected in parallel and turns on the connection between the power sources by being deformed as the temperature of the semiconductor switch rises.
  • the power supply device of the present disclosure includes a plurality of power supplies and the switch circuit described above.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power supply device according to a first embodiment.
  • 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a protection switch according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a protection switch according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a protection switch according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a protection switch according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a protection switch according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a protection switch according to a second embodiment.
  • the temperature at which the terminals are connected depends on the melting point of the melting member. Determined.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a switch circuit and a power supply device including a protection circuit that operates at an arbitrary temperature.
  • a switch circuit is a switch circuit that is interposed in an electric wire that connects a plurality of power sources, and is a semiconductor that is interposed in the electric wires and turns on or off the connection between the plurality of power sources.
  • a switch, and a protection switch that is connected in parallel to the semiconductor switch and turns on the connection between the power sources by being deformed as the temperature of the semiconductor switch increases.
  • the protection switch provided in parallel with the semiconductor switch is turned on as the temperature of the semiconductor switch increases, thereby turning on the connection between the power sources.
  • the protection switch that turns on the connection between the power sources due to the deformation accompanying the temperature rise is easier to set the operating temperature than the configuration in which the terminals are connected by melting the melting member. Therefore, it is possible to realize a switch circuit including a protection switch that operates at an arbitrary temperature.
  • the protective switch includes a pair of terminals connected to the electric wires and a conductive plate obtained by bonding a plurality of conductive members having different thermal expansion coefficients, and the conductive plate is one of the terminal pairs.
  • a configuration is preferable in which the terminal is connected and is deformed so as to connect between the one terminal and the other terminal of the terminal pair as the temperature of the semiconductor switch increases.
  • the protection switch is composed of a conductive plate obtained by bonding a plurality of conductive members having different thermal expansion coefficients.
  • the conductive plate is deformed as the temperature of the semiconductor switch rises, and the deformed conductive plate connects the terminals.
  • a bimetal obtained by bonding two kinds of metal thin films can easily set the temperature at the time of deformation, and thus a protection switch that operates at an arbitrary temperature can be realized.
  • At least the other terminal of the terminal pair is made of a melting member that has conductivity and melts at a predetermined temperature.
  • the terminal to which the activated (deformed) protection switch is connected is composed of a melting member that melts at a predetermined temperature. Therefore, when the temperature of the terminal becomes higher than a predetermined temperature, the electric resistance of the terminal can be reduced by melting the terminal of the melting member.
  • the protection switch When the connection between the power supplies is turned on, the protection switch has a configuration in which the connection between the power supplies is turned off by being deformed so as to return to the original shape as the temperature of the semiconductor switch decreases. preferable.
  • the activated protection switch turns off the connection between the power sources by deforming to the original shape as the temperature of the semiconductor switch decreases. Therefore, when the temperature of the semiconductor switch decreases due to the operation of the protection switch, the connection between the power sources by the protection switch is turned off, and only the connection between the power sources by the semiconductor switch is performed.
  • the protection switch is configured to turn off the connection between the power supplies at a temperature lower than the temperature when turning on the connection between the power supplies.
  • the protection switch turns off the connection between the power supplies at a temperature lower than the temperature when turning on the connection between the power supplies. Therefore, once the power supplies are connected by the protection switch, the connection between the power supplies is maintained until the temperature at which the connection between the power supplies is lowered, so that the connection between the power supplies is frequently turned on / off. Can be prevented.
  • a power supply device includes a plurality of power supplies and any one of the switch circuits described above.
  • a plurality of power supplies are connected via a switch circuit having a protection switch that operates at an arbitrary temperature.
  • a power supply system including a plurality of batteries has been mounted on vehicles.
  • a switch for turning on / off the electrical connection between the batteries is provided. Since the switch provided between the batteries is frequently turned on / off, a semiconductor relay (semiconductor switch) having a longer open / close life than the mechanical relay may be used.
  • a semiconductor switch semiconductor switch
  • when a semiconductor switch is used when an excessive current flows through the switch due to a short circuit or the like, the semiconductor element generates heat, and this heat generation may damage the semiconductor element itself or peripheral components.
  • the protection circuit is connected in parallel to the semiconductor switch, and is configured to reduce the current flowing through the semiconductor switch by dividing the current flowing through the semiconductor switch into the protection circuit.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a power supply device according to the first embodiment.
  • the power supply device of Embodiment 1 is mounted on a vehicle.
  • the power supply device according to the first embodiment includes two first batteries 41 and a second battery 43 (power source), and includes a switch circuit 1 interposed in an electric wire 40 that connects the batteries 41 and 43.
  • the batteries 41 and 43 are connected in parallel via the switch circuit 1.
  • the power supply device mounted on the vehicle may have a configuration including three or more batteries, and in this case, a switch circuit is interposed between electric wires connecting the respective batteries.
  • the first battery 41 is connected in parallel with a load 42 that is an in-vehicle device such as a car navigation system.
  • the second battery 43 is connected in parallel with a starter 44 for starting the vehicle engine.
  • a load other than the load 42 and the starter 44 may be further connected in parallel to the first battery 41 and the second battery 43.
  • the switch circuit 1 is interposed in the electric wire 40 and is parallel to the semiconductor switch 2, the semiconductor switch 2 that turns on or off the connection between the batteries 41 and 43, the switch control unit 20 that controls the on or off of the semiconductor switch 2, and the semiconductor switch 2. And a protection switch 3 connected to the.
  • FIG. 1 shows an example in which the semiconductor switch 2 is composed of an N-channel FET (Field-Effect-Transistor), but the semiconductor switch 2 can also be composed of a P-channel FET.
  • the switch control unit 20 turns off the semiconductor switch 2 when the connection between the first battery 41 and the second battery 43 should be cut off.
  • a notification signal is input to the switch control unit 20 in advance when the starter 44 starts the engine.
  • the switch control unit 20 turns off the semiconductor switch 2 and disconnects the connection between the first battery 41 and the second battery 43. Since the starter 44 requires a large amount of current when starting the engine, a large voltage fluctuation occurs when the engine is started. Therefore, as described above, the first battery 41 and the second battery immediately before the start of the engine by the starter 44 are prevented so that the influence of the voltage fluctuation generated on the starter 44 (second battery 43) side does not affect the first battery 41 and the load 42. The connection with the battery 43 is cut off.
  • the switch control unit 20 turns on the semiconductor switch 2 after the voltage of the second battery 43 is restored, and restarts the connection between the first battery 41 and the second battery 43. Note that the switch control unit 20 normally turns on the semiconductor switch 2, so that power from the two batteries 41 and 43 is supplied to the load 42 and the like in the normal state.
  • the protection switch 3 is activated before each component is overheated, and the connection between the batteries 41 and 43 via the protection switch 3 is turned on.
  • the protection switch 3 is activated, a large current flowing through the semiconductor switch 2 is shunted to the protection switch 3, so that the current flowing through the semiconductor switch 2 can be reduced. As a result, heat generation of the semiconductor element can be suppressed, and damage to each component can be prevented.
  • FIGS. 2B and 2C are cross-sectional views illustrating a configuration example of the protection switch 3 according to the first embodiment.
  • 2A shows the protection switch 3 in the off state (non-operation state)
  • FIGS. 2B and 2C show the protection switch 3 in the on state (operation state).
  • the protection switch 3 according to the first embodiment is provided between the bus bars 51a and 51b that are formed on the substrate 50 apart from each other.
  • the bus bars 51a and 51b are made of a conductive material, and the electric wires 40 are connected to the bus bars 51a and 51b, respectively. For example, in the electric wire 40 shown in FIG.
  • the electric wire 40 connected to the left side of the switch circuit 1 is connected to the bus bar 51a, and the electric wire 40 connected to the right side of the switch circuit 1 is connected to the bus bar 51b.
  • the protection switch 3 turns on or off the connection between the bus bars 51a and 51b, the connection between the batteries 41 and 43 via the electric wire 40 is turned on or off.
  • the semiconductor switch 2 is also provided to turn on or off the connection between the bus bars 51a and 51b.
  • one end of the protection switch 3 is fixed (connected) to the first terminal 31 provided on the upper surface of the bus bar 51a, the second terminal 32 provided on the upper surface of the bus bar 51b, and the second terminal 32.
  • a rectangular conductive plate 30 The first terminal 31 and the second terminal 32 (terminal pair) are made of a conductive material, and are connected to the electric wire 40 via bus bars 51a and 51b, respectively.
  • the conductive plate 30 is formed of a bimetal formed by bonding two metal thin films (conductive members) 30a and 30b having different thermal expansion coefficients.
  • the conductive plate 30 is attached to the substrate 50 (the bus bar 51b) with only one end connected to the second terminal 32. Normally, as shown in FIG. 2A, the other end of the conductive plate 30 is the first terminal. 31 is not connected. That is, in the normal state, the protection switch 3 is in an off state (non-operating state), and the first terminal 31 and the second terminal 32 are not electrically connected.
  • the conductive plate 30 is configured to be deformed as the ambient temperature rises.
  • the conductive plate 30 is deformed from a warped shape as shown in FIG. 2A to a linear shape as shown in FIGS. 2B and 2C. Is configured to do.
  • the conductive plate 30 shown in FIGS. 2A to 2C is attached, for example, with the metal thin film 30a having a high coefficient of thermal expansion facing upward.
  • the protection switch 3 is turned on (operating state) to turn on the connection between the batteries 41 and 43.
  • the temperature at which the conductive plate 30 is deformed may be set so that the protection switch 3 operates before the semiconductor switch 2 is overheated according to the specifications of the semiconductor switch 2.
  • the conductive plate 30 is composed of metal thin films 30a and 30b made by adding manganese, chromium, copper, etc. to an alloy of iron and nickel, for example, and the temperature at which the conductive plate 30 is deformed is a metal thin film. It can be arbitrarily set depending on the materials 30a and 30b and the content of each material.
  • the temperature at which the other end of the conductive plate 30 is connected to the first terminal 31 can also be adjusted by adjusting the initial shape.
  • the protective switch 3 is preferably arranged in the vicinity of the semiconductor switch 2 so that the ambient temperature of the protective switch 3 is close to the temperature of the semiconductor switch 2.
  • the protection switch 3 having the above-described configuration, for example, when the semiconductor switch 2 (semiconductor element) abnormally generates heat due to a large current flowing through the semiconductor switch 2, the conductive plate 30 is deformed as the temperature of the semiconductor switch 2 rises. Then, as shown in FIG. 2B, when the other end of the conductive plate 30 comes into contact with the first terminal 31, the protection switch 3 is turned on (operated). When the protection switch 3 is activated, a large current flowing through the semiconductor switch 2 is shunted to the protection switch 3, so that the current flowing through the semiconductor switch 2 is reduced and the semiconductor element and surrounding components can be prevented from being overheated.
  • the protective switch 3 in operation is deformed so that the conductive plate 30 returns to its original shape as the temperature of the semiconductor switch 2 decreases. That is, the conductive plate 30 having the shape shown in FIG. 2B is deformed into the shape shown in FIG. 2A. Then, as shown in FIG. 2A, when the other end of the conductive plate 30 is separated from the first terminal 31, the protection switch 3 is turned off to turn off the connection between the batteries 41 and 43, and returns to the normal state.
  • the metal thin films 30a and 30b and the first terminal 31 and the second terminal 32 constituting the conductive plate 30 are made of a conductive material having a small electric resistance. Thereby, when the protection switch 3 operates, the current flowing through the semiconductor switch 2 can be further reduced. Further, one end of the conductive plate 30 and the second terminal 32 are fixed using solder, screws or the like. It is preferable that a member for fixing one end of the conductive plate 30 and the second terminal 32 is also made of a conductive material having a small electric resistance.
  • the first terminal 31 may be composed of a melting member that melts at a predetermined temperature.
  • the first terminal 31 can be composed of a melting member that melts at a temperature higher than the temperature at which the protection switch 3 operates (the temperature at which the conductive plate 30 is deformed). In this case, when the temperature of the semiconductor switch 2 (semiconductor element) further rises and reaches the melting temperature of the first terminal 31 after the protection switch 3 is turned on as shown in FIG. As shown, the first terminal 31 melts.
  • solder can be used as the melting member. When solder is used, the electrical resistance of the first terminal 31 after melting is reduced.
  • the semiconductor switch 2 When the semiconductor switch 2 is overheated to the extent that the melting member (the first terminal 31) is melted, the possibility that the semiconductor switch 2 is restored is low. Therefore, when the situation where the first terminal 31 melts occurs, the electric resistance flowing through the semiconductor switch 2 can be further reduced by further reducing the electrical resistance of the first terminal 31.
  • the protection switch 3 When the temperature of the semiconductor switch 2 is lowered after the first terminal 31 is melted and the first terminal 31 is solidified, the other end of the conductive plate 30 and the first terminal 31 are solidified. 1 terminal 31), the protection switch 3 is kept on. Therefore, in this case, since the connection between the batteries 41 and 43 via the protection switch 3 as well as the semiconductor switch 2 having a low possibility of recovery can be maintained, the normal operation of the power supply device can be performed. In addition, since solder becomes low resistance when solidified after being melted, it is preferably used as a melting member.
  • the protection switch 3 is composed of a conductive plate 30 using bimetal. Since the bimetal can be adjusted to be deformed at an arbitrary temperature, the protection switch 3 that operates at an arbitrary temperature can be easily realized. Therefore, the protection switch 3 suitable for the environment in which it is arranged can be configured, and the switch circuit 1 provided with the appropriate protection switch 3 and the power supply device can be installed.
  • the conductive plate 30 is not limited to a configuration using a bimetal obtained by bonding two types of metal thin films 30a and 30b. As long as it can be deformed at an arbitrary temperature, the conductive plate 30 may be configured by laminating three or more types of metal thin films, or the conductive plate 30 may be configured with one type of metal thin film like a shape memory alloy. Also good.
  • Embodiment 2 Since the power supply device of Embodiment 2 has the same configuration as that of the power supply device of Embodiment 1 except for the configuration of the protection switch 3, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a configuration example of the protection switch 3 according to the second embodiment.
  • 3A shows the protection switch 3 in the off state (non-operation state)
  • FIGS. 3B and 3C show the protection switch 3 in the on state (operation state).
  • symbol and a name are attached
  • the protection switch 3 of the second embodiment is also provided between the bus bars 51a and 51b formed on the substrate 50.
  • the protection switch 3 according to the second embodiment includes a first terminal 31 provided on the upper surface of the bus bar 51b, a second terminal 32 provided on the upper surface of the bus bar 51a, and a conductive plate 30. Further, the protection switch 3 according to the second embodiment includes an insulating support 33 made of an insulating material at a position facing the second terminal 32 with the first terminal 31 interposed therebetween on the upper surface of the bus bar 51b. As shown in FIG.
  • the conductive plate 30 of Embodiment 2 is formed in a curved rectangular plate shape, one end is fixed to the second terminal 32, the other end is fixed to the insulating support 33, and the upper side is It is attached to the board
  • the conductive plate 30, the first terminal 31, and the second terminal 32 have the same configuration as the conductive plate 30, the first terminal 31, and the second terminal 32 of the first embodiment, respectively.
  • one end of the conductive plate 30 and the second terminal 32 are fixed using solder or screws, and the member to be fixed is preferably made of a conductive material having a low electrical resistance.
  • both ends of the conductive plate 30 of the second embodiment are fixed to the second terminal 32 and the insulating support 33, when the ambient temperature rises, the shape of the conductive plate 30 curved upward as shown in FIG. As shown in FIG. 3C, it is configured to be deformed into a downward curved shape. Note that the conductive plate 30 can be deformed in this manner by attaching the conductive plate 30 with the metal thin film 30a having a large coefficient of thermal expansion facing upward.
  • the protection switch 3 having the above-described configuration, when the semiconductor switch 2 (semiconductor element) abnormally generates heat, the conductive plate 30 is deformed as the temperature of the semiconductor switch 2 rises, and as shown in FIG. When the lower surface of 30b comes into contact with the first terminal 31, it is turned on (operated). As a result, the first terminal 31 and the second terminal 32 are connected, and the connection between the batteries 41 and 43 is turned on. Also in the second embodiment, when the protection switch 3 is activated, a large current flowing through the semiconductor switch 2 is shunted to the protection switch 3, so that the current flowing through the semiconductor switch 2 is reduced and the semiconductor element is prevented from being overheated. it can.
  • the protection switch 3 in operation, when the temperature of the semiconductor switch 2 is lowered, the conductive plate 30 is deformed so as to return to the original shape, and the lower surface of the conductive plate 30 is the first terminal 31 as shown in FIG. 3A. At the time of leaving, the protection switch 3 is turned off and returns to the normal state.
  • the energy required for deformation differs between when the shape shown in FIG. 3A is changed to the shape shown in FIG. 3B and when the shape shown in FIG. 3B returns to the shape shown in FIG. 3A.
  • the protection switch 3 can be configured to switch from the on state to the off state at a temperature lower than the temperature at the time of switching from the off state to the on state. . Thereby, it is possible to prevent the protection switch 3 from being frequently turned on / off. Further, in the protection switch 3 of the second embodiment, as shown in FIG. 3A, both ends of the conductive plate 30 are fixed to the second terminal 32 and the insulating support 33 in a curved state.
  • the metal thin film 30a having a large coefficient of thermal expansion pushes the metal thin film 30b downward, and the pressing force by the metal thin film 30a becomes a predetermined value or more, the state shown in FIG. 3B Transforms into That is, hysteresis can be created in the protective switch 3, and this deformation utilizes a phenomenon called buckling.
  • the first terminal 31 can be configured by a melting member that melts at a predetermined temperature (a temperature higher than the temperature at which the protection switch 3 operates).
  • a predetermined temperature a temperature higher than the temperature at which the protection switch 3 operates.
  • the temperature of the semiconductor switch 2 is lowered after the first terminal 31 is melted and the first terminal 31 is solidified, the lower surface of the conductive plate 30 and the first terminal 31 are solidified by the molten member (first Since the connection is made at the terminal 31), the ON state of the protection switch 3 can be maintained.
  • the conductive plate 30 is not limited to a configuration using a bimetal, and may be configured by bonding three or more types of metal thin films, or one type of metal thin film such as a shape memory alloy. You may comprise.

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Abstract

複数のバッテリを接続する電線に介装されるスイッチ回路は、バッテリ間の接続をオン又はオフする半導体スイッチと、半導体スイッチに並列に接続される保護スイッチとを含む。保護スイッチは、電線にそれぞれ接続された端子対と、熱膨張率が異なる複数の導電部材を貼り合わせた導電板とを有する。導電板は、半導体スイッチの温度上昇に伴って端子間を接続するように変形し、電源間の接続をオンする。

Description

スイッチ回路及び電源装置
　本発明は、スイッチ回路及び電源装置に関する。
　本出願は、２０１６年１１月１５日出願の日本特許出願第２０１６－２２２５０６号に基づく優先権を主張し、前記日本特許出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　特許文献１には、基板上に溶融部材を介して導通部材が設けてあり、半導体スイッチの異常発熱時に溶融部材が溶融することで導通部材が基板上まで変位し、基板上に設けられた２つの端子に接触することによって、端子間を電気的に接続する保護回路が開示されている。
特開２０１６－１３１１３８号公報
　本開示のスイッチ回路は、複数の電源を接続する電線に介装されるスイッチ回路において、前記電線に介装され、前記複数の電源間の接続をオン又はオフする半導体スイッチと、前記半導体スイッチに並列に接続され、前記半導体スイッチの温度上昇に伴って変形することにより前記電源間の接続をオンする保護スイッチとを備える。
　本開示の電源装置は、複数の電源と、上述のスイッチ回路とを備える。
実施形態１に係る電源装置の構成例を示すブロック図である。 実施形態１の保護スイッチの構成例を示す断面図である。 実施形態１の保護スイッチの構成例を示す断面図である。 実施形態１の保護スイッチの構成例を示す断面図である。 実施形態２の保護スイッチの構成例を示す断面図である。 実施形態２の保護スイッチの構成例を示す断面図である。 実施形態２の保護スイッチの構成例を示す断面図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　特許文献１に開示された保護回路では、溶融部材が溶融することで端子間が電気的に接続されるので、端子間が接続される温度（保護回路が作動する温度）は溶融部材の融点により決まる。しかしながら、所望の融点を実現できる素材を都合よく選定できるとは限らない。例えば、溶融部材に鉛フリーはんだを用いる必要がある場合、融点の調整が難しく、所望の融点の溶融部材を実現することは困難である。従って、保護回路が作動する温度を任意に設定することは容易ではない。
　本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、任意の温度で作動する保護回路を備えたスイッチ回路及び電源装置を提供する。
［本開示の効果］
　本開示によれば、任意の温度で作動する保護スイッチを備えたスイッチ回路及び電源装置を提供することが可能となる。
［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
（１）本発明の一態様に係るスイッチ回路は、複数の電源を接続する電線に介装されるスイッチ回路において、前記電線に介装され、前記複数の電源間の接続をオン又はオフする半導体スイッチと、前記半導体スイッチに並列に接続され、前記半導体スイッチの温度上昇に伴って変形することにより前記電源間の接続をオンする保護スイッチとを備える。
　本態様にあっては、半導体スイッチに並列に設けられる保護スイッチが、半導体スイッチの温度上昇に伴って変形することによって電源間の接続をオンする。温度上昇に伴う変形によって電源間の接続をオンする保護スイッチは、溶融部材の溶融によって端子間が接続される構成よりも、作動する温度の設定が容易である。よって、任意の温度で作動する保護スイッチを備えたスイッチ回路の実現が可能である。
（２）前記保護スイッチは、前記電線にそれぞれ接続された端子対と、熱膨張率が異なる複数の導電部材を貼り合わせた導電板とを有し、前記導電板は、前記端子対の一方の端子に接続されており、前記半導体スイッチの温度上昇に伴って前記端子対の前記一方の端子及び他方の端子間を接続するように変形する構成が好ましい。
　本態様にあっては、保護スイッチは、熱膨張率が異なる複数の導電部材を貼り合わせた導電板で構成してある。導電板は、半導体スイッチの温度上昇に伴って変形し、変形した導電板が端子間を接続する。例えば２種類の金属薄膜を貼り合わせたバイメタルは、変形する際の温度を容易に設定できるので、任意の温度で作動する保護スイッチの実現が可能である。
（３）前記端子対の少なくとも前記他方の端子は、導電性を有し所定の温度で溶融する溶融部材で構成されていることが好ましい。
　本態様にあっては、作動（変形）した保護スイッチが接続する端子が、所定の温度で溶融する溶融部材で構成されている。よって、所定の温度以上になった場合に溶融部材の端子が溶融することにより、端子の電気抵抗の低減が可能である。
（４）前記保護スイッチは、前記電源間の接続をオンしている場合、前記半導体スイッチの温度低下に伴って元の形状に戻るように変形することにより前記電源間の接続をオフする構成が好ましい。
　本態様にあっては、作動した保護スイッチは、半導体スイッチの温度低下に伴って元の形状に変形することによって電源間の接続をオフする。よって、保護スイッチが作動することによって半導体スイッチの温度が低下した場合には、保護スイッチによる電源間の接続がオフされ、半導体スイッチによる電源間の接続のみが行われる。
（５）前記保護スイッチは、前記電源間の接続をオンする際の温度よりも低い温度で前記電源間の接続をオフする構成が好ましい。
　本態様にあっては、保護スイッチは、電源間の接続をオンする際の温度よりも低い温度で電源間の接続をオフする。よって、保護スイッチにて電源間が一旦接続された場合、電源間の接続がオフされる温度に下がるまで、電源間の接続が維持されるので、電源間の接続が頻繁にオン／オフされることを防止できる。
（６）本発明の一態様に係る電源装置は、複数の電源と、上述のいずれかのスイッチ回路とを備える。
　本態様にあっては、任意の温度で作動する保護スイッチを備えたスイッチ回路を介して、複数の電源が接続される。
［本発明の実施形態の詳細］
　近年、複数のバッテリを備えた電源システムが車両に搭載されるようになった。このような電源システムでは、バッテリ間の電気的接続をオン／オフするためのスイッチが設けられている。バッテリ間に設けられるスイッチは、頻繁にオン／オフされるため、メカニカルリレーよりも開閉寿命が長い半導体リレー（半導体スイッチ）が用いられることがある。一方で、半導体スイッチを用いた場合、短絡等によってスイッチに過大な電流が流れたときに、半導体素子が発熱し、この発熱によって半導体素子自体や周辺の部品が破損する虞がある。そのため、半導体スイッチを用いる場合、スイッチを構成する部品が耐熱温度まで上昇する前にスイッチをオフする構成が設けられている。また、不測の事態が発生してスイッチをオフできなくなった場合にスイッチを保護する保護回路も設けられている。例えば、保護回路は、半導体スイッチに並列に接続され、半導体スイッチに流れる電流を保護回路に分流することによって半導体スイッチに流れる電流を減らすように構成されている。
　以下に、本発明の一態様に係るスイッチ回路及び電源装置について、実施形態を示す図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る電源装置の構成例を示すブロック図である。実施形態１の電源装置は車両に搭載されている。また、実施形態１の電源装置は、２つの第１バッテリ４１及び第２バッテリ４３（電源）を備えており、バッテリ４１，４３を接続する電線４０に介装されたスイッチ回路１を有する。なお、バッテリ４１，４３はスイッチ回路１を介して並列に接続される。車両に搭載される電源装置は、３つ以上のバッテリを備える構成でもよく、この場合、それぞれのバッテリ間を接続する電線にスイッチ回路が介装される。
　実施形態１の電源装置において、第１バッテリ４１にはカーナビゲーションシステム等の車載機器である負荷４２が並列に接続されている。また、第２バッテリ４３には、車両のエンジンを始動させるためのスタータ４４が並列に接続されている。第１バッテリ４１及び第２バッテリ４３には、負荷４２及びスタータ４４以外の負荷が更に並列に接続されていてもよい。
　スイッチ回路１は、電線４０に介装され、バッテリ４１，４３間の接続をオン又はオフする半導体スイッチ２と、半導体スイッチ２のオン又はオフを制御するスイッチ制御部２０と、半導体スイッチ２に並列に接続された保護スイッチ３とを含む。図１は、半導体スイッチ２がＮチャネル型ＦＥＴ（Field Effect Transistor）で構成されている例を示しているが、半導体スイッチ２はＰチャネル型ＦＥＴで構成することもできる。
　スイッチ制御部２０は、第１バッテリ４１と第２バッテリ４３との接続を遮断すべきときに半導体スイッチ２をオフする。例えば、スイッチ制御部２０には、スタータ４４がエンジンを始動させる際に事前に通知信号が入力される。通知信号が入力された場合、スイッチ制御部２０は、半導体スイッチ２をオフし、第１バッテリ４１と第２バッテリ４３との接続を遮断する。
　スタータ４４はエンジンを始動させる際に大量の電流を必要とするので、エンジン始動時に大きな電圧変動が生じる。よって、スタータ４４（第２バッテリ４３）側で生じる電圧変動による影響が第１バッテリ４１及び負荷４２に及ばないように、上述のようにスタータ４４によるエンジン始動の直前に第１バッテリ４１と第２バッテリ４３との接続を遮断しておく。
　スイッチ制御部２０は、第２バッテリ４３の電圧が回復した後、半導体スイッチ２をオンし、第１バッテリ４１と第２バッテリ４３との接続を再開する。なお、スイッチ制御部２０は、通常時では、半導体スイッチ２をオンしており、これにより、通常時は２つのバッテリ４１，４３からの電力が負荷４２等に供給される。
　実施形態１の電源装置において、例えば第２バッテリ４３側で短絡が生じた場合、第１バッテリ４１から半導体スイッチ２及び短絡経路を大電流が流れる状況が発生する。半導体スイッチ２に大電流が流れた場合、半導体スイッチ２を構成する半導体素子が発熱し、半導体素子自体や周辺の部品が過熱状態となり、各部品が破損する虞がある。
　そこで、実施形態１の電源装置では、各部品が過熱状態となる前に保護スイッチ３が作動し、保護スイッチ３を介したバッテリ４１，４３間の接続がオンされるように構成してある。保護スイッチ３が作動した場合、半導体スイッチ２に流れる大電流が保護スイッチ３に分流されるので、半導体スイッチ２に流れる電流を減らすことができる。その結果、半導体素子の発熱が抑えられ、各部品の破損を防止できる。
　図２Ａ乃至図２Ｃは、実施形態１の保護スイッチ３の構成例を示す断面図である。図２Ａはオフ状態（非作動状態）の保護スイッチ３を示し、図２Ｂ，図２Ｃはオン状態（作動状態）の保護スイッチ３を示す。
　実施形態１の保護スイッチ３は、基板５０上に離れて形成されたバスバー５１ａ，５１ｂ間に設けられている。バスバー５１ａ，５１ｂは導電性材料で構成されており、バスバー５１ａ，５１ｂのそれぞれには電線４０が接続されている。例えば、図１に示す電線４０において、スイッチ回路１の左側に接続されている電線４０は、バスバー５１ａに接続されており、スイッチ回路１の右側に接続されている電線４０は、バスバー５１ｂに接続されている。このような構成において、保護スイッチ３がバスバー５１ａ，５１ｂ間の接続をオン又はオフすることにより、電線４０を介したバッテリ４１，４３間の接続がオン又はオフされる。なお、半導体スイッチ２も、バスバー５１ａ，５１ｂ間の接続をオン又はオフするように設けられている。
　具体的には、保護スイッチ３は、バスバー５１ａの上面に設けられた第１端子３１と、バスバー５１ｂの上面に設けられた第２端子３２と、第２端子３２に一端が固定（接続）された矩形の導電板３０とを含む。第１端子３１及び第２端子３２（端子対）は、導電性材料で形成されており、それぞれバスバー５１ａ，５１ｂを介して電線４０に接続される。
　導電板３０は、熱膨張率が異なる２つの金属薄膜（導電部材）３０ａ，３０ｂを貼り合わせて構成されたバイメタルで形成されている。導電板３０は、一端のみが第２端子３２に接続された状態で基板５０（バスバー５１ｂ）に取り付けられており、通常時では図２Ａに示すように、導電板３０の他端は第１端子３１に接続されていない。即ち、通常時では、保護スイッチ３はオフ状態（非作動状態）であり、第１端子３１及び第２端子３２は電気的に接続されない。
　導電板３０は、周辺温度の上昇に伴って変形するように構成されており、実施形態１では、図２Ａに示すように反った形状から、図２Ｂ，図２Ｃに示すように直線形状に変形するように構成されている。図２Ａ乃至図２Ｃに示す導電板３０は、例えば熱膨張率が大きい金属薄膜３０ａを上側にして取り付けられている。
　保護スイッチ３は、導電板３０が変形して導電板３０の他端が第１端子３１に接続することによってバッテリ４１，４３間の接続をオンするオン状態（作動状態）となる。従って、半導体スイッチ２の仕様に応じて半導体スイッチ２が過熱状態となる前に保護スイッチ３が作動するように、導電板３０が変形する温度を設定すればよい。なお、導電板３０は、例えば鉄及びニッケルの合金に、マンガン、クロム、銅等を添加して作られた金属薄膜３０ａ，３０ｂで構成されており、導電板３０が変形する温度は、金属薄膜３０ａ，３０ｂの材料及び各材料の含有量によって任意に設定できる。また、初期形状の調整によっても、導電板３０の他端が第１端子３１に接続する温度を調整できる。なお、保護スイッチ３の周辺温度が半導体スイッチ２の温度と近い温度となるように、保護スイッチ３は半導体スイッチ２の近傍に配置することが好ましい。
　上述した構成の保護スイッチ３は、例えば半導体スイッチ２に大電流が流れることによって半導体スイッチ２（半導体素子）が異常発熱した場合、半導体スイッチ２の温度上昇に伴って導電板３０が変形する。そして、図２Ｂに示すように導電板３０の他端が第１端子３１に接触した時点で、保護スイッチ３がオン状態となる（作動する）。保護スイッチ３が作動した場合、半導体スイッチ２に流れる大電流が保護スイッチ３に分流されるので、半導体スイッチ２に流れる電流が減り、半導体素子及び周囲の部品が過熱状態となることを回避できる。
　半導体スイッチ２に流れる電流が減少した場合、半導体スイッチ２（半導体素子）の温度が低下してくる。よって、作動中の保護スイッチ３において、半導体スイッチ２の温度低下に伴って導電板３０が元の形状に戻るように変形する。即ち、図２Ｂに示す形状の導電板３０が、図２Ａに示す形状に変形する。そして、図２Ａに示すように導電板３０の他端が第１端子３１から離れた時点で、保護スイッチ３は、バッテリ４１，４３間の接続をオフするオフ状態となり、通常状態に戻る。
　導電板３０を構成する金属薄膜３０ａ，３０ｂ、並びに、第１端子３１及び第２端子３２は、電気抵抗が小さい導電性材料で構成されることが好ましい。これにより、保護スイッチ３が作動した場合に、半導体スイッチ２に流れる電流をより減らすことができる。また、導電板３０の一端と第２端子３２とは、はんだ又はビス等を用いて固定されている。導電板３０の一端と第２端子３２とを固定する部材も電気抵抗が小さい導電性材料で構成されていることが好ましい。
　第１端子３１は、所定の温度で溶融する溶融部材で構成してもよい。例えば、保護スイッチ３が作動する温度（導電板３０が変形する温度）よりも高い温度で溶融する溶融部材で第１端子３１を構成することができる。この場合、図２Ｂに示すように保護スイッチ３がオン状態となってから、更に半導体スイッチ２（半導体素子）の温度が上昇して第１端子３１の溶融温度に到達した場合に、図２Ｃに示すように第１端子３１が溶融する。溶融部材としては例えばはんだを用いることができ、はんだを用いた場合、第１端子３１の溶融後の電気抵抗が低減する。溶融部材（第１端子３１）が溶融する程に半導体スイッチ２が過熱状態となった場合、半導体スイッチ２が復旧する可能性は低い。よって、第１端子３１が溶融する状況が生じた場合には、第１端子３１の電気抵抗をより低減させることにより、半導体スイッチ２に流れる電流の更なる低減を図ることができる。なお、第１端子３１が溶融した後に半導体スイッチ２の温度が低下して第１端子３１が固化した場合には、導電板３０の他端と第１端子３１とが、固化した溶融部材（第１端子３１）で接続されるので、保護スイッチ３のオン状態が維持される。よって、この場合、復旧する可能性が低い半導体スイッチ２だけでなく保護スイッチ３を介したバッテリ４１、４３間の接続が維持できるので、電源装置の通常動作が可能となる。なお、はんだは溶融した後に固化した場合、低抵抗となるので、溶融部材として用いることが好ましい。
　実施形態１では、保護スイッチ３が、バイメタルを用いた導電板３０で構成されている。バイメタルは、任意の温度で変形するように調整できるので、任意の温度で作動する保護スイッチ３を容易に実現できる。よって、配置される環境に適切な保護スイッチ３を構成でき、適切な保護スイッチ３が設けられたスイッチ回路１及び電源装置の設置が可能となる。
　なお、導電板３０は、２種類の金属薄膜３０ａ，３０ｂを貼り合わせたバイメタルを用いる構成に限らない。任意の温度で変形するものであれば、３種類以上の金属薄膜を貼り合わせて導電板３０を構成してもよく、形状記憶合金のように１種類の金属薄膜で導電板３０を構成してもよい。
（実施形態２）
　実施形態２の電源装置は、保護スイッチ３の構成以外は実施形態１の電源装置と同様の構成を有するので、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　図３Ａ乃至図３Ｃは、実施形態２の保護スイッチ３の構成例を示す断面図である。図３Ａはオフ状態（非作動状態）の保護スイッチ３を示し、図３Ｂ，図３Ｃはオン状態（作動状態）の保護スイッチ３を示す。なお、保護スイッチ３においても、実施形態１と同様の構成については同一の符号及び名称を付す。
　実施形態２の保護スイッチ３も、基板５０上に形成されたバスバー５１ａ，５１ｂ間に設けられている。実施形態２の保護スイッチ３は、バスバー５１ｂの上面に設けられた第１端子３１と、バスバー５１ａの上面に設けられた第２端子３２と、導電板３０とを含む。また実施形態２の保護スイッチ３は、バスバー５１ｂの上面において、第１端子３１を挟んで第２端子３２に対向する位置に、絶縁性材料で構成された絶縁支持体３３を有する。実施形態２の導電板３０は、図３Ａに示すように、湾曲した矩形板状に形成してあり、一端が第２端子３２に固定され、他端が絶縁支持体３３に固定され、上側に湾曲した状態で基板５０（バスバー５１ａ，５１ｂ）に取り付けられている。よって、導電板３０の一端は第２端子３２及びバスバー５１ａを介して電線４０に電気的に接続されているが、他端は第１端子３１及びバスバー５１ｂ（電線４０）に電気的に接続されていない。即ち、通常時では、保護スイッチ３はオフ状態（非作動状態）であり、第１端子３１及び第２端子３２は電気的に接続されていない。
　導電板３０、第１端子３１及び第２端子３２はそれぞれ、実施形態１の導電板３０、第１端子３１及び第２端子３２と同様の構成を有する。また、導電板３０の一端と第２端子３２とは、はんだ又はビス等を用いて固定されており、固定する部材は電気抵抗が小さい導電性材料で構成されていることが好ましい。
　実施形態２の導電板３０は、両端が第２端子３２及び絶縁支持体３３に固定されているので、周辺温度が上昇した場合、図３Ａに示すように上側に湾曲した形状から、図３Ｂ，図３Ｃに示すように下側に湾曲した形状に変形するように構成されている。なお、熱膨張率が大きい金属薄膜３０ａを上側にして導電板３０を取り付けることにより、導電板３０はこのような変形を行うことができる。
　上述した構成の保護スイッチ３は、半導体スイッチ２（半導体素子）が異常発熱した場合、半導体スイッチ２の温度上昇に伴って導電板３０が変形し、図３Ｂに示すように導電板３０（金属薄膜３０ｂ）の下面が第１端子３１に接触した時点でオン状態となる（作動する）。これにより、第１端子３１と第２端子３２との間が接続され、バッテリ４１，４３間の接続がオンされる。実施形態２においても、保護スイッチ３が作動した場合、半導体スイッチ２に流れる大電流が保護スイッチ３に分流されるので、半導体スイッチ２に流れる電流が減り、半導体素子が過熱状態となることを回避できる。
　また、作動中の保護スイッチ３において、半導体スイッチ２の温度が低下した場合、導電板３０が元の形状に戻るように変形し、図３Ａに示すように導電板３０の下面が第１端子３１から離れた時点で、保護スイッチ３がオフ状態となり、通常状態に戻る。
　実施形態２の保護スイッチ３では、図３Ａに示す形状から図３Ｂに示す形状に変形する場合と、図３Ｂに示す形状から図３Ａに示す形状に戻る場合とでは、変形に要するエネルギーが異なる。よって、金属薄膜３０ａ，３０ｂの熱膨張率を適切に設定することにより、保護スイッチ３を、オフ状態からオン状態に切り替わる際の温度よりも低い温度でオン状態からオフ状態に切り替わるように構成できる。これにより、保護スイッチ３が頻繁にオン／オフされることを防止できる。
　また、実施形態２の保護スイッチ３では、図３Ａに示すように導電板３０は湾曲した状態で両端が第２端子３２及び絶縁支持体３３に固定されている。よって、半導体スイッチ２が異常発熱した場合に、熱膨張率が大きい金属薄膜３０ａが金属薄膜３０ｂを下向きに押し、金属薄膜３０ａによる押圧力が所定値以上となった場合に、図３Ｂに示す状態に変形する。即ち、保護スイッチ３にヒステリシスを作ることができ、この変形は座屈と呼ばれる現象を利用している。
　実施形態２においても、第１端子３１は、所定の温度（保護スイッチ３が作動する温度よりも高い温度）で溶融する溶融部材で構成することができる。この場合、図３Ｂに示すように保護スイッチ３がオン状態となってから、更に半導体スイッチ２（半導体素子）の温度が上昇して第１端子３１の溶融温度に到達した場合に、図３Ｃに示すように第１端子３１が溶融する。溶融部材としてはんだを用いた場合、半導体スイッチ２が復旧する可能性が低いときに、第１端子３１（溶融部材）を溶融させることにより、第１端子３１の電気抵抗をより低減させることができる。
　また、第１端子３１が溶融した後に半導体スイッチ２の温度が低下して第１端子３１が固化した場合には、導電板３０の下面と第１端子３１とが、固化した溶融部材（第１端子３１）で接続されるので、保護スイッチ３のオン状態を維持することができる。
　実施形態２のスイッチ回路１においても、実施形態１のスイッチ回路１と同様の効果が得られる。また、実施形態２においても、導電板３０は、バイメタルを用いる構成に限らず、３種類以上の金属薄膜を貼り合わせて構成してもよく、また、形状記憶合金のように１種類の金属薄膜で構成してもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　スイッチ回路
　２　半導体スイッチ
　３　保護スイッチ
　３０導電板
　３１　第１端子
　３２　第２端子
　３３　絶縁支持体
　４０　電線
　４１　第１バッテリ
　４３　第２バッテリ
　３０ａ，３０ｂ　金属薄膜
 

Claims (6)

  1. 　複数の電源を接続する電線に介装されるスイッチ回路において、
    　前記電線に介装され、前記複数の電源間の接続をオン又はオフする半導体スイッチと、
    　前記半導体スイッチに並列に接続され、前記半導体スイッチの温度上昇に伴って変形することにより前記電源間の接続をオンする保護スイッチと
    　を備えるスイッチ回路。
  2. 　前記保護スイッチは、
    　前記電線にそれぞれ接続された端子対と、
    　熱膨張率が異なる複数の導電部材を貼り合わせた導電板と
    　を有し、
    　前記導電板は、前記端子対の一方の端子に接続されており、前記半導体スイッチの温度上昇に伴って前記端子対の前記一方の端子及び他方の端子間を接続するように変形する
    　請求項１に記載のスイッチ回路。
  3. 　前記端子対の少なくとも前記他方の端子は、導電性を有し所定の温度で溶融する溶融部材で構成されている請求項２に記載のスイッチ回路。
  4. 　前記保護スイッチは、前記電源間の接続をオンしている場合、前記半導体スイッチの温度低下に伴って元の形状に戻るように変形することにより前記電源間の接続をオフする
    　請求項１から３までのいずれかひとつに記載のスイッチ回路。
  5. 　前記保護スイッチは、前記電源間の接続をオンする際の温度よりも低い温度で前記電源間の接続をオフする
    　請求項４に記載のスイッチ回路。
  6. 　複数の電源と、
    　請求項１から５までのいずれかひとつに記載のスイッチ回路と
    　を備える電源装置。
     
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