JP2017524231A - 発泡金属材を有する電気ヒューズ装置、およびそのヒューズ装置によって電流を遮断するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、重ねて配置された２つの接触片（１０１，１０２）を有し、両接触片の間に発泡金属材（１０３）が介在する電気ヒューズ装置（１００）に関する。本発明は、さらに、前述の電気ヒューズ装置（１００）を通る電流を遮断するための方法であって、発泡金属材（１０３）が予め定められた電流閾値を上回る電流値において溶融させられる方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気ヒューズ装置に関する。

ヒューズ装置は従来技術から公知である。ヒューズ装置は、例えば短絡時のような故障発生時に電気的接触を遮断するために使用される。

短絡時に電気的接続を遮断する可溶導体を有する電気ヒューズエレメントは、例えば特許文献１に記載されている。

独国実用新案出願公開第２０２０１２０００５７１号明細書

本発明の課題は、簡単で信頼できるヒューズ装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、重ねて配置した２つの接触片の間に発泡金属材が介在するヒューズ装置によって解決される。

発泡金属材は、内部に多数の孔を有するので、金属の中実材料に比べて体積が増大されている。この特性は、必要な場合に発泡金属材の体積縮小によって両接触片間の電気的接触を隔離するために利用することができる。このような必要な場合は、本発明によるヒューズ装置が比較的高い電流によって負荷をかけられたときに生じる。この場合、発泡金属は、例えば溶融させられる。発泡金属材は比較的良好な電気伝導率を有するので、通常の電流負荷の場合には、電流が両接触片および発泡金属材を介して流れることができる。

従って、簡単で信頼できるヒューズ装置が提供される。

本発明によるヒューズ装置の他の利点は、発泡金属材が多孔性であることによって中実材料に比べて高い弾力性を持つ、ということから生じる。それによって、発泡金属材は、接触ばねとして、例えば製造に起因したヒューズ装置の寸法公差を補償することができる。

発泡金属材として、例えば鋼、アルミニウム、又は酸化チタンを基礎とする発泡体が考えられる。発泡金属材は、当業者に知られている粉末冶金法によって製造することができる。この方法では、金属粉末（例えば、アルミニウム粉末）が、ガスを分散させる発泡剤（例えば、水素化チタン）と混合される。その後、その粉末混合物が圧縮されて熱処理プロセスで以て発泡させられる。当業者に同様に知られている溶融冶金法による発泡金属材の製造も考えられる。発泡金属材の製造方法は、例えば独国特許第１０２００６０３１２１３号明細書に記載されている。この公知の方法では、発泡金属材内に生じる孔の数および孔のサイズをほぼ任意に選定することが可能であり、また発泡金属材の弾性特性も、ほぼ任意に選定することが可能である。それらの弾性特性は、例えば弾性係数によって特徴付けられる。孔の体積分率の増大に伴って、発泡金属材の弾性係数および剛性が低下する。

本発明の好ましい実施形態によれば、発泡金属材が（例えば、直方体形の）金属発泡体を形成している。その金属発泡体は両接触片の間に配置されているので、その金属発泡体の溶融時には両接触片間の電気的絶縁が生じる。この電気的絶縁は、例えば両接触片間の空隙によって実現可能である。その両接触片間の空隙は、金属発泡体の体積縮小によって生じる。その体積縮小は、特に金属発泡体の溶融の結果として発生する。両接触片が互いに重ねて配置されている場合には、溶融した金属発泡体の金属が、例えば重力によって、下側に配置された接触片の方向に移動し、両接触片の間に空所もしくは空隙が生じる。この空隙は、電気的接触の遮断のために十分に高い電気抵抗がもたらされるように、もしくは両接触片の電気的絶縁がもたらされるように、配慮するとよい。このように両接触片を相互配置する場合、溶融した金属発泡体に対する他の力作用、例えば磁気的な力作用も考えられる。

適宜、金属発泡体は両接触片の一方の構成要素であってよい。これは、金属発泡体が両接触片の一方に固定して結合されていることを意味し、従って、金属発泡体は別個の構成要素ではない。このようにして、ヒューズ装置の構成をさらに簡単化することができる。特に、この関連で金属発泡体が当該接触片の内部で通電するならば好適である。

金属発泡体は、ヒューズ装置を通る電流が予め定められた電流閾値を上回った際に溶融するように構成されていることが好ましい。この場合に、ヒューズ装置は、特に短絡時に作動させられる。ヒューズ装置を通る短絡電流は高い熱的損失を引き起こす。これはさらにヒューズ装置における温度上昇という結果となる。適切には、金属発泡体の発泡金属材は、金属発泡体の溶融温度が前記電流閾値に相当するように選ばれるべきである。その場合、金属発泡体は、前記電流閾値を上回る電流において溶融する。このようにして、前記電流閾値を上回る短絡電流において両接触片の電気的絶縁が達成される。

それとは違って、金属発泡体の溶融が他の方法で、例えば電流が流れる加熱素子による的確な発泡金属加熱によって、行われるようにしてもよい。

本発明によるヒューズ装置は、重ねて配置された両接触片の間に少なくとも１つの半導体素子を有する電気的装置において、格別に有利に設置もしくは使用することができ、その場合、その半導体素子には、電気的な直列接続を形成するように金属発泡体が付設され、その直列接続が金属発泡体の溶融によって分離されることが可能であるようにするとよい。

それに適した電気的装置は、欧州特許出願公開第１４０３９２３号明細書から公知である。それには、１つのハウジング内に並列に配置された複数の半導体チップを含む半導体モジュールが記載されている。各半導体チップは、１つの下側導電板の上に配置されて、その下側導電板と１つの上側導電板とに電気的に接続されており、それらの導電板は、それぞれ前述のハウジングの一部を形成している。半導体チップと上側導電板との間には、半導体チップと下側導電板との間の電気的接触をもたらす接触ボルトが介在している。

正常動作時には、電気的装置を通って流れる電流は並列接続された半導体チップに分かれる。その際に生じる熱は、冷却システムによって十分に排出することができる。或る故障時には、半導体チップの１つにおいて短絡が生じ、それにより、当該半導体チップの電気抵抗が残りの半導体チップの電気抵抗よりも著しく小さくなる。その結果として、電気的装置を通る全電流が、又は殆ど全電流が、特定の状況下では、その故障した半導体チップを通って流れる。その故障した半導体チップにおける、比較的小さい横断面積への、この高い電流集中は、温度の過上昇をもたらす。これは、半導体チップ又はハウジング全体の損傷又は破壊を招き、それにより、電気装置全体の機能停止を招く。

この種の電気的装置において本発明によるヒューズ装置を使用する場合、金属発泡体の溶融時に半導体素子と接触片の１つとの間に電気的に絶縁する空隙が生じることによって、一方の接触片、金属発泡体、半導体素子と他方の接触片とで形成されている電気的な直列接続が分離されるようにすることが好ましい。このようにして、そうでなければ故障した半導体素子を通して流れるはずの短絡電流を遮断して、他の電流経路に、例えば他の健全な半導体素子に割り当てることが可能となり、電気的装置の機能は、適切な設計であれば、それらの該当する他の電流経路において維持することが可能となる。斯くして、半導体素子の１つの故障が電気的装置の損傷または機能停止の要因にはならなくなる。

金属発泡体は、それ自体の多孔性によって、圧縮ばねと同様に可変の弾性特性を有する。これは、常に半導体素子への最適な押圧力を保証するために、有利に利用することができる。

半導体素子は、例えばダイオード、又は、サイリスタもしくはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような、金属発泡体がスイッチング半導体であってよい。金属発泡体がスイッチング半導体のスイッチング時間に相当する時間範囲内で溶融するものであると好適である。

電気的装置は、さらに、ハウジングを含み、両接触片がそれぞれハウジングの一部を成していると好適である。このようにして、複数個の電気的装置を、例えば互いに積み重ねることによって、簡単に低コストで電気的に接続することができる。有利なことに、ハウジングから引き出される個別の端子もしくはコネクタの個数を低減することができる。この場合、両接触片は、他の電気的装置との電気的接触のために利用される。

好ましくは、電気的装置が複数の半導体素子を有し、それらの半導体素子が両接触片間に並列に配置され、その各半導体素子にそれぞれ１つの金属発泡体が１つの直列接続を形成するように付設され、その各直列接続が当該各半導体素子に付設された金属発泡体の溶融によって分離可能であるとよい。

これらの金属発泡体は、或る１つの短絡が半導体素子に発生したときに、その半導体素子によって溶融させられるように構成されていると、格別に有利である。発泡金属の適切な選択によって、個々の直列接続を通る電流が予め定められた閾値を上回ったときに金属発泡体が溶融することを達成することができる。それゆえ、各直列接続には、規定の短絡電流の際に直列接続を分離する１つの保護装置が用意される。これは、特に、各直列接続を通る電流と当該各直列接続の導通抵抗に起因してそこに生じる温度との間の関係に対応して金属発泡体の形状および組成が適合化されている場合に可能である。

本発明の他の実施形態によれば、電気的装置が締付け構造（Spannverband）を形成している。即ち、両接触片と金属発泡体と半導体素子とが、互いに機械的に締付固定されている。

さらに、本発明は、互いに重ねて配置された２つの接触片を有する電気ヒューズ装置を通る電流を遮断する方法に関する。

本発明の他の課題は、簡単かつ低コストである、この種の方法を提供することにある。

この課題は、両接触片間に配置された発泡金属材が予め定められた電流閾値を上回る電流値において溶融させられる、という方法によって解決される。

発泡金属材が両接触片を介して流れる電流によって溶融させられるようにすると有利である。しかし、予め与えられた条件が生じたとき、例えば測定装置によって検出される適切な測定値が予め定められた閾値を上回る／下回ることが生じたときに、外部作用によって発泡金属材が溶融させられるようにすることも考えられる。

以下、図１から４に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明によるヒューズ装置の実施例の概略図を示す図である。 電気的装置内における本発明によるヒューズ装置の実施例の概略図を示す図である。 図２のヒューズ装置の金属発泡体の実施例の概略図を示す図である。 図２の電気的装置の他の概略図を示す図である。

詳細に説明すると、図１には、本発明によるヒューズ装置１００の実施形態の概略図が示されている。ヒューズ装置１００は、重ねて配置された第１の接触片１０１および第２の接触片１０２を含む。接触片１０１，１０２の間には、発泡金属材１０３が介在する。このヒューズ装置は、両電流線１０４，１０５によって示唆されている１つの電流回路の、構成要素である。この電流回路は、例えば電気的な構成要素であってよい。

ヒューズ装置１００の正常動作中には、電流線１０４、第１の接触片１０１、発泡金属材１０３、第２の接触片１０２、および電流線１０５を介して、電流が流れる。ヒューズ装置１００を通した短絡時には、短絡電流が両接触片１０１，１０２および発泡金属材１０３の強い加熱を生じさせる。短絡電流が規定値を上回ると、それに伴なってヒューズ装置１００の抵抗により温度も相応の温度値を上回ることとなり、発泡金属材１０３が溶融して、その発泡金属材の体積が縮小する。このようにして、両接触片１０１，１０２の間に絶縁空隙が生じる。その結果、接触片１０１，１０２および発泡金属材によって形成される直列接続が分離されることとなる。斯くしてヒューズ装置１００を通る電流の流れが遮断される。

本発明の一実施例によれば、溶融した発泡金属材１０３が、接触片１０１，１０２間の空間領域から外に導き出されて（換言すれば、自身で外に流れ出て）、上述の絶縁空隙が生じることとなる。

図２には、１つの電気的装置１内での、本発明による電気ヒューズ装置１００の一実施形態が、断面図で以て示されている。この図２に示された実施形態では、電気的装置１が１つの半導体モジュールによって実現されている。その半導体モジュール１は、１つのハウジング２を有し、上側導電板３が、そのハウジング２の一部を成している。下側導電板４が、同様にそのハウジング２の一部、つまりハウジング２の底壁を成している。上側導電板３および下側導電板４は、ヒューズ装置１００の両接触片を形成している。

ハウジング２内には、半導体チップとして形成されている半導体素子５，６および７が、並列に隣接配置されている。下側導電板４または半導体チップ５と、上側導電板３との間には、金属発泡体８が配置されている。上側導電板３と金属発泡体８と半導体チップ５と下側導電板４とは、１つの電気的な直列接続を構成している。それに応じて、他の半導体チップ６および７も、それぞれ付設された金属発泡体９または１０と共に、さらに別の２つの直列接続を構成している。図２に示されている正常時または作動状態では、半導体モジュール１を通る電流が、３つの直列接続に分かれて流れる。これに関しては、半導体モジュール１内にさらに別の半導体チップを設けるようにすることも可能であるが、しかしそれらは、図２に示す断面図には描かれていない。

図３は、図２の本発明による電気的装置の一実施例の金属発泡体８を、概略図で示している。図２の金属発泡体９および１０は、金属発泡体８と同様に構成されている。この図３に示されている実施例では、金属発泡体８が直方体形に形成されている。用途に応じて、もしくは半導体ジオメトリに応じて、金属発泡体の他の形状、例えば円筒形、円板形、円錐形が、同様に考えられる。金属発泡体は、発泡金属からなる。発泡金属は、適切な発泡剤による金属粉末の発泡によって生じる。それによって、金属発泡体８は、特に多数の孔１１を有する。孔１１のサイズおよび個数は、金属発泡体８の弾性特性を決定する。金属発泡体８の電気的特性は、同様に孔１１の個数およびサイズと金属発泡体８の形状とによって影響される。

図４は、金属発泡体１０が溶融された状態にある図２の半導体モジュール１を示す。図２から４においては、同じ部分又は同種の部分には同じ符号が付されている。図４に示されている実施例では、故障は半導体チップ７から発生しているが、残りの半導体チップ８もしくは９における故障時の経過の場合もそれと同様である。この種の故障時に、半導体チップ７を通る電流経路において短絡が生じる。その際に生じる高い温度は、金属発泡体１０の溶融をもたらす。その際に、金属発泡体１０の体積が縮小する。金属発泡体１０の溶融した金属は、滴状の固形物を形成し、それは自身の重力によって、下方に、即ち半導体チップ７の方向に沈下する。このようにして、半導体チップ７と上側導電板３との間に、電気的に絶縁する空隙１２が生じる。従って、上側導電板３と金属発泡体１０と半導体チップ７と下側導電板４とによって形成される直列接続が分離される。斯くして半導体チップ７を通る電流の流れが遮断されることとなる。このとき、半導体モジュール１を通る電流は、半導体チップ５もしくは半導体チップ６との各直列接続によって形成されている他の２つの電流経路に分流する。従って、半導体モジュール１全体としての機能は、半導体モジュール１における１つの短絡の発生時にも、維持することができる。

１ 半導体モジュール
２ ハウジング
３ 上側導電板
４ 下側導電板
５，６，７ 半導体チップ
８，９，１０ 金属発泡体
１１ 孔
１２ 空隙
１００ ヒューズ装置
１０１，１０２ 接触片
１０３ 発泡金属材
１０４，１０５ 電流線

Claims (11)

1. 重ねて配置された２つの接触片（１０１，１０２，３，４）を有し、それら両接触片の間に発泡金属材（８，９，１０，１０３）が介在する電気ヒューズ装置（１００）。
2. 請求項１記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記発泡金属材（８，９，１０，１０３）が、その溶融時に前記両接触片（３，４，１０１，１０２）間に電気的絶縁が生じるように設計された金属発泡体を形成している、電気ヒューズ装置。
3. 請求項２記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記金属発泡体が、前記両接触片（３，４，１０１，１０２）の一方の構成要素である、電気ヒューズ装置。
4. 請求項２又は３記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記金属発泡体（８，９，１０，１０３）が、前記ヒューズ装置（１）を通る電流が予め定められた電流閾値を上回った際に溶融するように構成されている、電気ヒューズ装置。
5. 請求項２から４の１つに記載の電気ヒューズ装置（１００）であって、重ねて配置された前記両接触片（３，４）の間に少なくとも１つの半導体素子（５，６，７）を有する電気的装置（１）内に設けられた、電気ヒューズ装置において、
   前記半導体素子（５〜７）に前記金属発泡体（８〜１０）が電気的な直列接続を成すように配置されており、前記直列接続は、前記金属発泡体（８〜１０）の溶融によって分離可能である
   ことを特徴とする電気ヒューズ装置。
6. 請求項５記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記電気的装置（１）が、さらにハウジング（２）を有し、前記両接触片（３，４）が、それぞれ前記ハウジングの一部を成している、電気ヒューズ装置。
7. 請求項５又は６記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記電気的装置（１）が、複数の半導体素子（５〜７）を含み、それらの半導体素子（５〜７）が、前記両接触片（３，４）間に並列して配設されており、かつ、各半導体素子（５〜７）には、１つの直列接続を形成するように１つの金属発泡体（８〜１０）が配置されており、各直列接続は、その直列接続のために配置された金属発泡体（８〜１０）の溶融によって分離可能である、電気ヒューズ装置。
8. 請求項５から７の１つに記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記金属発泡体（８〜１０）が、前記半導体素子（５〜７）を通しての短絡発生時に溶融させられるように構成されている、電気ヒューズ装置。
9. 請求項５から８の１つに記載の電気ヒューズ装置（１００）において、
   前記両接触片（３，４）と前記金属発泡体（８〜１０）と前記半導体素子（５〜７）とが、互いに締付け構造によって機械的に締付固定されている、電気ヒューズ装置。
10. 重ねて配置された２つの接触片（３，４）を有する電気ヒューズ装置（１）を通る電流を遮断するための方法であって、前記両接触片（３，４）の間に配置された発泡金属材が、予め定められた電流閾値を上回る電流値において溶融させられる、電気ヒューズ装置を通る電流を遮断するための方法。
11. 請求項１０記載の方法において、前記発泡金属材が、前記接触片（３，４）を通る電流によって溶融させられる、電気ヒューズ装置を通る電流を遮断するための方法。

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