特開 2022-47512 デプレッションモードＭＯＳＦＥＴおよびバイメタル温度感知スイッチによる過電流保護

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022047512

(43)【公開日】2022-03-24

(54)【発明の名称】デプレッションモードＭＯＳＦＥＴおよびバイメタル温度感知スイッチによる過電流保護

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/087 20060101AFI20220316BHJP

   H02H 5/04 20060101ALI20220316BHJP

【ＦＩ】

H02H3/087

H02H5/04 170

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021142482

(22)【出願日】2021-09-01

(31)【優先権主張番号】17/018,269

(32)【優先日】2020-09-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】519226506

【氏名又は名称】リテルフューズ、インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】チン、チュアン ファン

(72)【発明者】

【氏名】テディ ト

【テーマコード（参考）】

5G004

【Ｆターム（参考）】

5G004AA04

5G004AB02

5G004BA03

5G004BA04

5G004DC12

5G004EA01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】過電流及び過電圧保護を提供する回路及びデバイスを提供する。
【解決手段】保護回路１００は、電流制限器としてのデプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ）を特徴とし、Ｄ ＭＯＳＦＥＴはバイメタルスイッチに接続され、バイメタルスイッチは温度感知回路遮断器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴおよびバイメタルスイッチを組み合わせて、下流の回路コンポーネントへの電流を制限し、それによってコンポーネントを損傷から保護することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

過電流保護を提供するように動作可能な回路であって、
酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と、
第１の端子および第２の端子を備えるバイメタルスイッチであって、前記第１の端子が第１のノードに結合され、前記第２の端子が第２のノードに結合され、前記第２のノードが前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに結合された、バイメタルスイッチと
を備え、
前記バイメタルスイッチおよび前記ＭＯＳＦＥＴが、過電流イベントの間、前記回路を保護する、
回路。

【請求項2】

前記バイメタルスイッチが、第１の熱膨張係数を含む第１の金属と第２の熱膨張係数を含む第２の金属とを有し、前記第１の熱膨張係数が前記第２の熱膨張係数と異なる、請求項１に記載の回路。

【請求項3】

前記ＭＯＳＦＥＴのソースと前記ＭＯＳＦＥＴのドレインとの間に結合された抵抗器を更に備える、請求項１に記載の回路。

【請求項4】

前記ＭＯＳＦＥＴがデプレッションモードＭＯＳＦＥＴである、請求項１または２に記載の回路。

【請求項5】

前記ＭＯＳＦＥＴがＮチャネルデプレッションモードＭＯＳＦＥＴである、請求項４に記載の回路。

【請求項6】

前記ＭＯＳＦＥＴが電流制限効果を提供して、前記過電流イベントの間、追加の回路素子が損傷しないように保護する、請求項１から５のいずれか一項に記載の回路。

【請求項7】

前記ＭＯＳＦＥＴが、前記過電流イベントの間熱くなり、前記バイメタルスイッチを前記第１のノードまたは前記第２のノードのどちらかから切断する、請求項６に記載の回路。

【請求項8】

前記ＭＯＳＦＥＴが、前記過電流イベントの高速過渡エネルギーを吸収して、前記回路の他の素子を保護する、請求項１から７のいずれか一項に記載の回路。

【請求項9】

前記バイメタルスイッチが、前記第１のノードまたは前記第２のノードのどちらかから切断し、開回路を作成することによって、過電流イベントによる長期の過熱から前記ＭＯＳＦＥＴを保護する、請求項１から８のいずれか一項に記載の回路。

【請求項10】

前記ＭＯＳＦＥＴが存在することによって、前記バイメタルスイッチのトリップ温度が低下する、請求項１から９のいずれか一項に記載の回路。

【請求項11】

回路に結合される、前記回路に対して過電流保護を提供するように動作可能なデバイスであって、
酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と、
第１の端子および第２の端子を備えるバイメタルスイッチであって、前記第１の端子が第１のノードに結合され、前記第２の端子が第２のノードに結合され、前記第２のノードが前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに結合された、バイメタルスイッチと
を備え、
前記バイメタルスイッチおよび前記ＭＯＳＦＥＴが、過電流イベントの間、前記回路を保護する、
デバイス。

【請求項12】

前記バイメタルスイッチが、第１の熱膨張係数を含む第１の金属と第２の熱膨張係数を含む第２の金属とを有し、前記第１の熱膨張係数が前記第２の熱膨張係数と異なる、請求項１１に記載のデバイス。

【請求項13】

前記ＭＯＳＦＥＴのソースと前記ＭＯＳＦＥＴのドレインとの間に結合された抵抗器を更に備える、請求項１１に記載のデバイス。

【請求項14】

前記ＭＯＳＦＥＴがデプレッションモードＭＯＳＦＥＴである、請求項１１に記載のデバイス。

【請求項15】

前記ＭＯＳＦＥＴがＮチャネルデプレッションモードＭＯＳＦＥＴである、請求項１４に記載のデバイス。

【請求項16】

前記ＭＯＳＦＥＴが電流制限効果を提供して、前記過電流イベントの間、追加の回路素子が損傷しないように保護する、請求項１１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項17】

前記ＭＯＳＦＥＴが、前記過電流イベントの間熱くなり、前記バイメタルスイッチを前記第１のノードまたは前記第２のノードのどちらかから切断する、請求項１６に記載のデバイス。

【請求項18】

前記ＭＯＳＦＥＴが、前記過電流イベントの高速過渡エネルギーを吸収して、前記回路の他の素子を保護する、請求項１１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項19】

前記バイメタルスイッチが、前記第１のノードまたは前記第２のノードのどちらかから切断し、開回路を作成することによって、過電流イベントによる長期の過熱から前記ＭＯＳＦＥＴを保護する、請求項１１から１８のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項20】

前記ＭＯＳＦＥＴが存在することによって、前記バイメタルスイッチのトリップ温度が低下する、請求項１１から１９のいずれか一項に記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

過電流または過剰電流とは、意図されるよりも多い電流が回路を通って流れる状況である。過電流は一定または過渡的な性質であり得る。電圧過渡は、持続時間が短い電気エネルギーのサージであり、以前に保存された、または大きい誘電負荷もしくは雷などの他の手段によって誘導された、エネルギーが急激に解放された結果である。繰返し可能な過渡は、モータの動作、発電機、またはリアクタンス回路コンポーネントの切替えによって引き起こされる場合が多い。ランダムな過渡は、雷および静電放電（ＥＳＤ）によって引き起こされることがある。

【0002】

コンポーネントの小型化により、電気応力に対する感度の増加がもたらされている。例えば、マイクロプロセッサは、ＥＳＤ過渡による高電流を扱うことができない構造および導電経路を有する。かかるコンポーネントは非常に低い電圧で動作するので、デバイスの中断および潜在的または破局的障害を防ぐため、電圧外乱を制御することが優先される。

【0003】

これらおよび他の考慮点に関して、本発明の改善は有用であり得る。

【発明の概要】

【0004】

本概要は、詳細な説明において更に後述する、一連の概念を単純化した形で紹介するために提供される。本概要は、請求される主題の重要なまたは必須の特徴を特定しようとするものではなく、請求される主題の範囲の決定を助けようとするものでもない。

【0005】

過電流保護を提供するように動作可能な回路の例示的な一実施形態が開示される。回路は、バイメタルスイッチに接続された酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む。バイメタルスイッチは第１および第２の端子を有し、各端子はノードに接続され、ノードの１つはＭＯＳＦＥＴのドレインに接続される。バイメタルスイッチおよびＭＯＳＦＥＴはともに、過電流イベントの間、回路を保護する。

【0006】

回路に対して過電流保護を提供するように動作可能なデバイスの例示的な一実施形態が開示される。デバイスは、回路に接続され、バイメタルスイッチに接続されたＭＯＳＦＥＴを含む。バイメタルスイッチは第１および第２の端子を有し、各端子はノードに接続され、ノードの１つはＭＯＳＦＥＴのドレインに接続される。バイメタルスイッチおよびＭＯＳＦＥＴはともに、過電流イベントの間、回路を保護する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】例示的実施形態による、バイメタルスイッチおよびＤ ＭＯＳＦＥＴを含む保護回路を示す図である。

【0008】

【図2】例示的実施形態による、独立型バイメタルスイッチを含む保護回路を示す図である。

【0009】

【図3】例示的実施形態による、回路に対して過電流保護を提供するデバイスを示す図である。

【0010】

【図4】例示的実施形態による、Ｄ ＭＯＳＦＥＴにねじおよびボルトで固定されたバイメタルスイッチを示す図である。

【0011】

【図5】例示的実施形態による、図２の独立型バイメタルスイッチを用いて実行された実験の応答波形の図である。

【0012】

【図6】例示的実施形態による、図３のバイメタルスイッチとＤ ＭＯＳＦＥＴとの間で実行された実験の応答波形の図である。

【図7】例示的実施形態による、図３のバイメタルスイッチとＤ ＭＯＳＦＥＴとの間で実行された実験の応答波形の図である。

【0013】

【図8】例示的実施形態による、図２および図３の回路で実行された過電流テスト電流動作の結果を提供する表である。

【0014】

【図9】例示的実施形態による、独立型バイメタルスイッチを有する回路とＤ ＭＯＳＦＥＴを含むバイメタルスイッチを有する回路との間でトリップ応答時間を比較したグラフである。

【0015】

【図10】例示的実施形態による、図２の独立型バイメタルスイッチ回路で実行された実験の応答波形の図である。

【0016】

【図11】例示的実施形態による、図３のバイメタルスイッチおよびＤ ＭＯＳＦＥＴを含むデバイスで実行された実験の応答波形の図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

過電流および過電圧保護を提供する回路が本明細書に開示される。回路は、電流制限器としてのデプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｄ ＭＯＳＦＥＴ）を特徴とし、Ｄ ＭＯＳＦＥＴはバイメタルスイッチに接続され、バイメタルスイッチは温度感知回路遮断器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴおよびバイメタルスイッチを組み合わせて、下流の回路コンポーネントへの電流を制限し、それによってコンポーネントを損傷から保護することができる。

【0018】

ＭＯＳＦＥＴとして知られる酸化金属半導体電界効果トランジスタデバイスは、電子デバイスにおける電子信号の切替えおよび増幅に使用される半導体素子である。電圧をそのゲートで調節することによって、ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとの間に配置されるチャネルの幅が変更される。ＭＯＳＦＥＴは、Ｎ型基板を用いて構築されたＰチャネルデバイスであるか、Ｐ型基板を用いて構築されたＮチャネルデバイスであるか、縦方向に配置された半導体であるか、横方向に配置された半導体であるか、デプレッションモードであるか、ならびにエンハンスメントモードであるかに基づいて、様々な構成で提供される。

【0019】

ゲートの両端間に電圧が印加されることによってオンになるエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴとは対照的に、デプレッションモードＭＯＳＦＥＴは、ゲート端子がゼロボルト（Ｖ_ＧＳ＝０Ｖ）のときに「常時オン」のデバイスとして知られている。ソース領域とドレイン領域との間に薄いゲート酸化膜を有することに加えて、ゲート酸化層の下方であってソース領域とドレイン領域との間に、イオン注入を使用して、導電チャネルが形成される。基板からチャネルまでの領域における活性ドーパントの濃度は、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧（Ｖ_Ｔｈ）を所望の値に調節するのに使用される。多くの現代のＭＯＳＦＥＴは、その名称に反して、絶縁性ゲート酸化膜の上に、金属ではなくポリシリコンのゲートを用いて製造されることがある。

【0020】

バイメタルスイッチは、互いに（背中合わせで）接合された２つの金属ストリップから成るスイッチである。バイメタルスイッチは、回路の２つの接続点の間に配置されるものである。第１の金属ストリップは第１の熱膨張係数を有し、第２の金属ストリップは第２の異なる熱膨張係数を有する。バイメタルスイッチに熱を加えると、スイッチは、温度が「開放」閾値を上回るとそれら２つの異なる熱膨張係数に基づいて、一時的に変形、つまり屈曲する。バイメタルスイッチが既定の長さの２つの背中合わせにされた金属のストリップから成る場合、熱を加えることによって、スイッチが「短縮」されるかまたは一端が「持ち上がる」ので、スイッチが既定の長さを維持しなくなって、回路の両方の接続点に付着しなくなることにより、開回路状態がもたらされる。バイメタルスイッチが製造パッケージの一部である場合（更に後述する、ＫＳＤ－０１Ｆ温度スイッチサーモスタットなど）、パッケージは２つの延長脚部を含み、それらが加熱中に相対位置が変化して、回路の接続点から切断されることにより、開回路状態がもたらされる。どちらの構成においても、バイメタルスイッチが再び冷めると、スイッチは真っ直ぐになるか元の形状（ほぼ平ら）に戻って、スイッチが２つの接続点の間に再び付着され、回路が閉じる。

【0021】

図１は、例示的実施形態による、保護回路１００の代表図である。保護回路１００（本明細書では「回路」としても知られる）は、互いに直列に接続されたバイメタルスイッチ１０２およびデプレッションモードＭＯＳＦＥＴ １０４（以下、「Ｄ ＭＯＳＦＥＴ」または「ＭＯＳＦＥＴ」）から成る。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は、電流が流れるドレイン（Ｄ）およびソース（Ｓ）と、特定の電流条件下において、ドレインとソースとの間の電流フローに影響を及ぼすゲート（Ｇ）とを含む。デプレッションモードデバイスとして、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は常時「オン」であり、ゲート（Ｇ）電圧が０Ｖであるのにかかわらずドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）との間を電流が流れる。バイメタルスイッチ１０２は、スイッチが閉鎖されているとき、ノード１１０および１１２の間に電流経路を提供し、スイッチが閉鎖されていないとき、開回路をもたらす。バイメタルスイッチ１０２の一端はまた、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４のドレイン（Ｄ）に接続する。

【0022】

保護回路１００は更に、第１の端部でＭＯＳＦＥＴ １０４のソース（Ｓ）に、第２の端部でＭＯＳＦＥＴのゲート（Ｇ）に接続された、抵抗器１０６を含む。したがって、抵抗器１０６の両端間の電圧は、ＭＯＳＦＥＴ １０４のゲート・ソース間電圧と同じである。抵抗器１０６の第２の端部（ならびにＭＯＳＦＥＴ １０４のゲート）は、上述した回路素子の下流にあって図１に全体が示される、保護されるべき追加の回路素子１０８に接続する。

【0023】

例示的実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は電流制限器であり、バイメタルスイッチ１０２は温度感知回路遮断器として作用する。保護回路１００のバイメタルスイッチ１０２は、背中合わせで互いに付着された２つの異なる金属ストリップから成る。第１の金属ストリップは第１の熱膨張係数を有し、第２の金属ストリップは第２の異なる熱膨張係数を有する。この違いにより、バイメタルスイッチによって感知された温度が閾値温度を上回ると、スイッチ１０２が一時的な変形（屈曲など）を示す。一時的な変形により、バイメタルスイッチ１０２は両方のノード１１０および１１２に接続しなくなって、開回路がもたらされる。閾値温度によってバイメタルスイッチ１０２が保護回路１００を開放するので、閾値温度は、本明細書では「開閾値温度」および「トリップ点」または「トリップまでの時間」温度としても知られる。

【0024】

例示的実施形態では、バイメタルスイッチ１０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４の組み合わせが、過電流保護を回路１００に対して提供する。過電流状態は、図１に示されるように、１）過渡過電流または２）定過電流として特徴付けられてもよい。過電流状態が存在すると、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は熱を発生させ、それによってバイメタルスイッチ１０２の熱感知特性が活性化される。バイメタルスイッチ１０２の一時的な変形は、開閾値温度に達したことを意味するので、バイメタルスイッチ１０２は回路１００のノード１１０および１１２の１つまたは複数に接続できず、開回路がもたらされる。

【0025】

誤過電流状態がおさまると、バイメタルスイッチ１０２の２つの金属ストリップが冷めて、スイッチが一時的に変形した状態から元の状態に戻る。これにより、バイメタルスイッチ１０２は、回路１００の両方のノード１１０および１１２の間の接続を再び確立して、閉回路がもたらされる。このように、バイメタルスイッチ１０２は、回路内の他の電子部品システムまたはデバイス（図１に「追加の回路素子１０８」として示される）を守るフェールセーフ環境である、保護回路１００の回路遮断状態をもたらす。

【0026】

保護回路１００内で、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は、過電流および過電圧イベントに対する高速応答および阻止能力を提供することができ、サージ電流イベントを迅速にクランプすることができる。Ｄ ＭＯＳＦＥＴの過電流クランプ能力は、高速の過渡サージエネルギーを吸収し、それによって、一部の有害な過渡サージが保護されるべき高感度の電子部品（追加の回路素子１０８）内に達しないように保護する。

【0027】

対照的に、バイメタルスイッチ１０２は高電流遮断能力を提供する。しかしながら、バイメタルスイッチ１０２は、高速の過渡イベントから保護するように、迅速に応答することができない。したがって、バイメタルスイッチ１０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４の組み合わせは、例示的実施形態では、両方のデバイスの利点を利用して、過電流および過電圧保護を改善する助けとなる。

【0028】

例示的な一実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は、Ｌｉｔｔｅｌｆｕｓｅ（登録商標）製のＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｖ_ＤＳＸ＝５００Ｖ、Ｉ_{Ｄ（ｏｎ）}＝１６Ａ、Ｒ_{ＤＳ（ｏｎ）}＝３００ｍΩ）であり、バイメタルスイッチ１０２は、Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｆｕｋｕａｎｙｕａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．Ｌｔｄ（ｆｕｙｕａｎｆｕｓｅ．ｃｏｍ）製のＫＳＤ－０１Ｆ温度スイッチサーモスタットである。図１に示されるように、バイメタルスイッチ１０２はＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４の入力端子ドレイン（Ｄ）ピンに接続される。抵抗器１０６は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４のＧ－Ｓ端子間に接続される。バイメタルスイッチ１０２は導電スイッチとして作用する。正常動作中、電流が開閾値温度（これは、バイメタルスイッチ１０２の「トリガレベル」とも考えられてもよい）を上回らないという条件で、バイメタルスイッチ１０２を電流が通過する。

【0029】

Ｉ_Ｄとして示されるＭＯＳＦＥＴ １０４のドレイン電流は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳの電位差（Ｉ_Ｄ×Ｒ）が、より大きい負のＶ_ＧＳによって更なる電流がＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４を通過するのが阻止されるレベルに達するまで、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４のＤ－Ｓ端子を通って流れ始める。一実施形態では、印加電圧が増加するにつれて、飽和状態が達成されるまで電流フローが線形モードで増加する。組み合わせ回路（バイメタルスイッチ１０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４を含む）によって、Ｄ ＭＯＳＦＥＴの最大飽和電流Ｉ_ｓａｔが回路１００を通って流れるのが可能になるバランスが達成される。この状態では、エネルギーはまた、Ｉ_ｓａｔ×Ｖ_ＤＳで熱としてもＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４内で放散されている。

【0030】

例示的実施形態では、飽和電流Ｉ_ｓａｔは、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４を通過する最大定常電流である。これは、飽和電流を上回らない限り、Ｄ ＭＯＳＦＥＴが、チップ障害または過熱による障害なしに機能性を維持することを意味する。過負荷電流がＩ_ｓａｔ未満の場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４は、依然として問題なくエネルギーを熱として放散させる。しかしながら、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ内に達し、したがってそのＩ_ｓａｔ（飽和電流）値を上回る非常に大きい短絡回路が入力側に存在する場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは迅速に反応し、過剰電流をより迅速に熱へと放散させる。これによって次いで、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４の外装のより高い温度上昇が引き起こされて、バイメタルスイッチ１０２を迅速にトリップさせ、それによって更なる電流がＤ ＭＯＳＦＥＴを遮断するのが停止される。それでもなお、ＭＯＳＦＥＴの飽和電流Ｉ_ｓａｔを超える持続的な電流によって、Ｄ ＭＯＳＦＥＴがその最大接合温度を上回る過熱が引き起こされて、チップ障害およびＭＯＳＦＥＴ機能の損失がもたらされる。したがって、バイメタルスイッチは、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを過熱による障害からも保護する助けとなる。

【0031】

例示的な一実施形態では、保護回路１００は、０Ａから飽和電流Ｉ_ｓａｔまでの範囲の印加電流で操作される。異常条件は入力電流Ｉ_Ｄの急激な上昇をもたらすことがある。異常条件は、例えば、負荷における短絡回路、負荷切替え、または急激な過負荷条件によって引き起こされることがある。これらにより、バイメタルスイッチ１０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４を通過する電流の急増が引き起こされる。この電流が飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満のままである場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴへの電力放散によって徐々に加熱する。しかしながら、過電流が飽和電流Ｉ_ｓａｔを上回った場合、Ｄ ＭＯＳＦＥＴへの熱放散（Ｉ_Ｄ×Ｖ_ＤＳ）を伴って入力電流Ｉ_Ｄが劇的に増加して、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを保護するためにバイメタルスイッチが更に高速でトリップする。これにより、バイメタルスイッチ１０２がその切断レベルに達するので、開閾値温度でノード１１０、１１２の１つまたは複数から切断される。したがって、バイメタルスイッチは、安全な動作域および熱限界内で、Ｄ ＭＯＳＦＥＴにカットオフ保護も提供する。

【0032】

一実施形態では、ノード１１０および／または１１２で切断が起こると、保護回路１００を通って流れる電流全体がカットオフされ、それによってＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４への電流フローが除去されて、ＭＯＳＦＥＴの熱放散が引き起こされ、最終的に、持続的な過電流を除去することによってＤ ＭＯＳＦＥＴが過熱から守られる。

【0033】

このように、保護回路１００は、有利には、短絡回路電流イベントの重大度が増加するにつれて、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ １０４に対してより迅速な保護を提供する傾向がある、フィードバックメカニズムを提供する。したがって、短絡回路電流のレベルが高いほど、バイメタルスイッチ１０２はより迅速にＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４への電流をカットオフし、それによってＤ ＭＯＳＦＥＴを過熱による損傷から保護することができる。このフィードバックは、過電圧／過電流状態からＤ ＭＯＳＦＥＴ １０４によって発生する高熱が、バイメタルスイッチ１０２をより迅速に開放させることによって発生し、それによって、更なる電流がＤ ＭＯＳＦＥＴを通過するのを防止し、この自己発熱を除去し、最終的には下流の追加の回路素子１０８を保護する。

【0034】

図２、図３、および図４はそれぞれ、例示的実施形態による、継続的な電流テストの結果を示すのに使用される、保護回路２００、３００、および４００の例示である。例示的実施形態では、バイメタルスイッチは、ＫＳＤ－０１温度スイッチサーモスタット（６０℃および２Ａ ２５０Ｖの動作電流で始動）であり、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、ＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｖ_ＤＳＸ＝５００Ｖ、Ｉ_{Ｄ（ｏｎ）}＝１６Ａ、Ｒ_{ＤＳ（ｏｎ）}＝３００ｍΩ）であり、抵抗器２０６は０Ω抵抗器である。図２では、バイメタルスイッチ２０２は、ＭＯＳＦＥＴに結合されていない独立型デバイスである。図３では、バイメタルスイッチ３０２は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４および抵抗器３０６に接続され、回路素子は図１の保護回路１００の場合と同様に配置される。図４では、バイメタルスイッチ４０２（ＫＳＤ－０１Ｆ）は、ねじ４１２およびボルト（見えていない）を用いて、背中合わせの形でＤ ＭＯＳＦＥＴ ４０４（ＴＯ２４７パッケージ）に固定される。一実施形態では、バイメタルスイッチ４０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ ４０４は、熱伝導性エポキシ接着剤（図示なし）を使用して、互いに更に熱的に連結される。別の実施形態では、バイメタルスイッチ４０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ ４０４は、伝導性エポキシゲルを使用して、互いに更に熱的に連結される。更に、バイメタルスイッチ４０２およびＤ ＭＯＳＦＥＴ ４０４は、ワイヤ４０６、４０８、および４１０を介して、互いに、また回路の他の部分に対して電気的に接続される。ＫＳＤ－０１Ｆバイメタルスイッチは、バイメタルディスクと、デバイスの２つの脚部を接続する金属ブリッジと、金属ブリッジ接点と、ヒートシンクによって隔離されたプラスチックケースとから成る。バイメタルディスクは特定の温度で屈曲し、それによって金属ブリッジが脚部を接続または切断して、回路を閉鎖または開放する。

【0035】

図２および図３では、それぞれの矢印２０４および３２２が電流フローの方向を示している。独立型バイメタルスイッチ２０２を特徴とする回路２００では、スイッチが閉鎖されている間、電流２０４はノード２０６からノード２０８へと流れる。バイメタルスイッチ２０２が開放されると、電流は流れない。バイメタルスイッチ３０２、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４、および抵抗器３０６を特徴とする回路３００では、電流３２２は、ノード３０８から、閉鎖されたバイメタルスイッチ３０２を通り、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４のノード３１４からノード３１６（ドレインからソース）へ、抵抗器３０６のノード３１８からノード３２０へ、最終的にノード３１０まで流れる。抵抗器３０６がＤ ＭＯＳＦＥＴ ３０４のソースとゲートとの間で接続されているので、電流３２２が流れる際の抵抗器３０６の両端間の電圧は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳと同じである。したがって、ノード３１４および３１６（グレー）の間の電圧は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４のドレイン・ソース間電圧Ｖ_ＤＳであり、ノード３１８および３２０（白）の間の電圧は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳである。

【0036】

回路３００はまた、バイメタルスイッチ３０２、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４、および抵抗器３０６から成る独立型デバイス３００であってもよい。このように、過電流保護デバイス３００が、過電流保護を必要とする任意の回路に追加されてもよい。

【0037】

過電流テスト電流を実施して、３セットの条件下におけるバイメタルスイッチのトリップ時間を評価した。
・印加電流（飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満）の１００％（２Ａ）、２００％（４Ａ）、３００％（６Ａ）、４００％（８Ａ）、５００％（１０Ａ）、６００％（１２Ａ）、７００％（１４Ａ）、８００％（１６Ａ）、１０００％（２０Ａ）、および１２００％（２４Ａ）のテスト電流と、独立型デバイスとしてのバイメタルスイッチ２０２（図２）
・印加電流（飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満）の１００％（２Ａ）、２００％（４Ａ）、３００％（６Ａ）、４００％（８Ａ）、５００％（１０Ａ）、６００％（１２Ａ）、７００％（１４Ａ）、８００％（１６Ａ）、１０００％（２０Ａ）、および１２００％（２４Ａ）のテスト電流と、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ２０４に接続されたバイメタルスイッチ２０２（図３）
・印加電流（飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満）の１００％（２Ａ）、２００％（４Ａ）、３００％（６Ａ）、４００％（８Ａ）、５００％（１０Ａ）、６００％（１２Ａ）、７００％（１４Ａ）、８００％（１６Ａ）、１０００％（２０Ａ）、および１２００％（２４Ａ）のテスト電流と、ねじおよびボルトを使用してＤ ＭＯＳＦＥＴ ２０４に熱的に連結されたバイメタルスイッチ２０２（図４）

【0038】

これらのテストで使用したバイメタルスイッチ、ＫＳＤ－０１温度スイッチサーモスタットは、２Ａ（２５０Ｖ時）の動作電流を有するので、２Ａの入力がその動作電流の１００％を表す。したがって、これらのテストは、様々な動作条件におけるバイメタルスイッチのトリップ時間を測定するために実施される。したがって、２Ａでの最初のテストを例外として、デバイスはその正規化された電流定格の倍数でテストされ、最も極端なテストはデバイスの電流定格の１２倍（２４Ａ）で行われる。

【0039】

図５は、例示的実施形態による、１０Ｖのソースが８Ａの電流（スイッチの電流定格の４００％）を回路２００に供給する、図２の独立型バイメタルスイッチ２０２の応答波形５００である。バイメタルスイッチ２０２を通って流れる電流はデバイスの正規化された電流定格の４倍で定格化されているが、デバイスのトリップ点５０２に達するのに依然として４８秒かかっている。４倍の正規化された電流下でバイメタルスイッチのトリップまでの時間が長いと、下流のコンポーネントに対して非常に高い応力がかかって、障害の確率が増加するので、これは理想的ではない。

【0040】

図６は、例示的実施形態による、１０Ｖのソースが６Ａ（スイッチの電流定格の３００％）を回路３００に供給する、図３のＤ ＭＯＳＦＥＴ ３０４に接続されたバイメタルスイッチ３０２の応答波形６００である。波形６００に示されるように、１０Ｖ ６Ａの過電流条件を保護回路３００（図３）に適用して、その応答を測定した。Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４を通る電流（Ｉ_Ｄ）（Ｃ２）およびバイメタルスイッチ３０２とＤ ＭＯＳＦＥＴ ３０４との間の電圧（Ｖ_ＤＳ）（Ｃ３）をモニタし、時間プロットに対してキャプチャした。これらのスケールを波形６００の下部にマークした。トリップ点６０２は、バイメタルスイッチ３０２が切断を開始した点である。

【0041】

図７は、例示的実施形態による、１０Ｖのソースが１２Ａ（スイッチの電流定格の６００％）を回路３００に供給する、図３のＤ ＭＯＳＦＥＴ ３０４に接続されたバイメタルスイッチ３０２の応答波形７００である。この例では、抵抗３０６は０Ωである。波形７００に示されるように、１０Ｖ １２Ａの過電流条件を保護回路３００（図３）に適用して、その応答を測定した。トリップ点７０２で、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４から流れる電流Ｉ_Ｄが１２Ａから０Ａに急速に降下し、一方でＭＯＳＦＥＴの両端間の電圧Ｖ_ＤＳが１０Ｖから０Ｖに降下している。トリップ点７０２の直前に、ＭＯＳＦＥＴ ３０４は、約４．２７Ｖ×１２Ａ＝５４．２４Ｗの電力を放散している（以下の図７の表７００を参照）。６００％の１２Ａ定格電流がＤ ＭＯＳＦＥＴ ３０４の熱放散をもたらし、それによってＭＯＳＦＥＴパッケージングの温度が上昇し、６０℃でバイメタルスイッチ２０２の切断レベルに達した。グラフ７００（図７）に示される例では、バイメタルスイッチ２０２のトリップ点７０２に達するのに約３．７秒かかった。したがって、例示的実施形態では、これらの波形によって示されるように、過電流イベントをカットオフする応答時間は、過電流の大きさだけではなく、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４によって引き起こされる固有の熱放散にも依存する。

【0042】

図８は、いくつかの実施形態による、過電流テスト電流動作の結果を示す表８００を含む。図示されるように、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４が存在する条件および存在しない条件で、異なる電流を用いて更なるテストを実施した。これらの例では、ＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２ Ｄ ＭＯＳＦＥＴおよび６０℃で始動するバイメタルスイッチを、飽和電流Ｉ_ｓａｔ未満の定格電流を用いてテストした。

【0043】

表８００は、異なる電流およびバイメタルスイッチのトリップ応答を用いたテストの概要を提供する。表８００の上側は、８つの電流条件（６Ａ、８Ａ、１０Ａ、１２Ａ、１４Ａ、１６Ａ、２０Ａ、および２４Ａ）における、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４に接続されたバイメタルスイッチ３０２（図３）のトリップまでの時間情報を提供し、表８００の下側は、同じ８つの電流条件における、Ｄ ＭＯＳＦＥＴに接続されていないバイメタルスイッチ２０２（図２）のトリップまでの時間情報を提供する。表８００は、独立型バイメタルスイッチ２０２（図２）のトリップまでの時間が（１２Ａの電流で）８秒であることを示している。同じ１２Ａを、バイメタルスイッチ回路と組み合わされたＤ ＭＯＳＦＥＴ（図３）に適用すると、トリップまでの時間はわずか３．７秒まで短くなる。したがって、例示的実施形態では、トリップまでの時間は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ＋バイメタルスイッチの場合、３倍から６倍の電流範囲で大幅に高速化／改善される。

【0044】

表８００はまた、バイメタルスイッチが、２Ａ（１００％）または４Ａ（２００％）の印加電流ではトリップしないことを示している。代わりに、６Ａの電流で、バイメタルスイッチを熱的に活性化させるのに十分なエネルギーがあるという事実により、バイメタルスイッチは６Ａ（３００％）でトリップし始める。

【0045】

これらの実験は、例示的実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴの存在によってバイメタルスイッチのトリップが全ての電流比において加速することを示している。抵抗Ｒは、定常状態でＤ ＭＯＳＦＥＴを通過する最大許容電流を決定し、それは飽和電流Ｉ_ｓａｔである。例示的な一実施形態では、０Ω抵抗器の使用によって、Ｒ＝０．１Ωの抵抗器を使用した場合と比較して、高いＩ_ｓａｔ値が可能になる。抵抗器３０６がゼロのとき、ＭＯＳＦＥＴ ３０４のＶ_ＧＳもゼロである。しかしながら、抵抗をわずかに増加させることによって（例えば、Ｒ＝０．１Ω）、ＭＯＳＦＥＴ ３０４のゲート・ソース間電圧Ｖ_ＧＳがわずかに負となり、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを通って流れる電流をピンチオフし制限し始める。

【0046】

抵抗Ｒを増加させることによって、飽和電流Ｉ_ｓａｔおよびゲート・ソース間電圧（Ｖ_ＧＳ）の両方が変化するので、Ｄ ＭＯＳＦＥＴの両端間の電力が変動し、より多くの熱放散をＤ ＭＯＳＦＥＴに提供することができる。例示的実施形態では、これらの考慮点によって、異なる定格の回路遮断器と連携する異なるバイメタルスイッチの選択が容易になる。

【0047】

図９は、１）ＭＯＳＦＥＴを有さないバイメタルスイッチ（図２）、および２）ＭＯＳＦＥＴを有するバイメタルスイッチ（図３）の、両方のタイプの保護回路の改善されたトリップ応答時間を示す、グラフ９００を示している。グラフ９００は、バイメタルスイッチに関して、秒単位のトリップ時間（ｙ軸）対アンペア単位の電流（ｘ軸）を示している。濃い色の円は、独立型バイメタルスイッチ（例えば、図２）のトリップ時間を示し、薄い色の円は、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを加えたバイメタルスイッチ（例えば、図３）のトリップ時間を示している。バイメタルスイッチがＤ ＭＯＳＦＥＴと組み合わされると、トリップ時間が、グラフ９００の右側から左側に、また上側から下側により近くなるようにシフトする（トリップ時間が短くなることを意味する）が、これはバイメタルスイッチのトリップ時間の安全動作曲線内である。したがって、Ｄ ＭＯＳＦＥＴをバイメタルスイッチに追加することで、トリップまでの時間全体が向上し、下流の電子部品に対してはるかに高速の保護が提供される。

【0048】

Ｄ ＭＯＳＦＥＴによって提供される利益はグラフ９００において明白である。例えば、濃い色の円９０２によって与えられる、８Ａでの独立型バイメタルスイッチのトリップまでの時間は約５７秒であるが、薄い色の円９０４によって与えられる、同じ電流でのＤ ＭＯＳＦＥＴを加えたバイメタルスイッチのトリップまでの時間は約８秒である。同様に、濃い色の円９０６によって与えられる、１０Ａでの独立型バイメタルスイッチのトリップまでの時間は約１９秒であるが、組み合わせ回路（薄い色の円９０８）のトリップまでの時間は約６秒である。より高電流の場合のみ、独立型バイメタルスイッチは組み合わせ回路と比べて遜色なく、スイッチの電流定格をはるかに上回っているため、これは理にかなっている。したがって、グラフ９００は、ともに働いて過電流状態から保護する、バイメタルスイッチおよびＤ ＭＯＳＦＥＴの両方から成る組み合わせ回路を有することの利益を示している。

【0049】

図２の保護回路２００に戻ると、回路は、例示的実施形態による、サージテストが行われている独立型バイメタルスイッチ２０２を含む。テストは、１．２／５０マイクロ秒のサージ電流、および２Ωで５００Ｖのピーク電圧で実行される。図３は、対照的に、バイメタルスイッチ３０２がＤ ＭＯＳＦＥＴ ３０４のドレインに接続され、抵抗器３０６がＭＯＳＦＥＴのソースとゲートとの間に接続された、回路３００を示している。この回路３００の１つの変形例は抵抗器を含まないものであろう。やはり、テストは、１．２／５０マイクロ秒のサージ電流、および２Ωで５００Ｖのピーク電圧で実行される。両方の回路２００および３００において、バイメタルスイッチは、ＫＳＤ－０１温度スイッチサーモスタットであり、回路３００では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴ ３０４は、ＩＸＴＨ１６Ｎ５０Ｄ２デプレッションモードＭＯＳＦＥＴ（Ｖ_ＤＳＸ＝５００Ｖ、Ｉ_{Ｄ（ｏｎ）}＝１６Ａ、Ｒ_{ＤＳ（ｏｎ）}＝３００ｍΩ）である。

【0050】

図１０は、いくつかの実施形態による、図２の回路２００などの独立型回路における、バイメタルスイッチのサージ応答を示す応答波形１０００を含む。ピーク電圧５００Ｖおよび２Ωを仮想インピーダンスとして用いて、１．２／５０マイクロ秒のサージ波形がある。波形１０００に示されるように、バイメタルスイッチを通るサージ電流（Ｃ２）は２３０．７Ａのピーク応答を有する。電圧波形を変換するため、ピーク電圧は２３０．７Ａ×２Ω＝４６１．４Ｖである。バイメタルスイッチの両端間の電圧（Ｃ１）は、入ってくるサージによって何らかのわずかな上昇があるが、１０Ｖでほぼ一定のままである。しかしながら、サージはバイメタルスイッチを始動させて開放しない。したがって、いくつかの実施形態では、スイッチはこのサージ状態では始動しない。

【0051】

図１１は、いくつかの実施形態による、図３の回路３００など、組み合わされたＤ ＭＯＳＦＥＴおよびバイメタルスイッチを特徴とする回路のサージ応答を示す応答波形１１００を含む。波形９００に示されるように、入ってくるサージの条件が同じであれば、Ｄ ＭＯＳＦＥＴおよびバイメタルスイッチの組み合わせを通過する電流はクランプされて低下し（Ｃ２）、約４０マイクロ秒で約２１．８Ａのピーク電流で「飽和」したままである。Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、サージ時に非常に迅速にクランプし、結果として得られる出力を非常に低電流の出力とする。これは、独立型バイメタルスイッチを用いた上述のサージテスト（図１０）とは対照的である。

【0052】

したがって、例示的実施形態では、バイメタル熱スイッチを有するＤ ＭＯＳＦＥＴを展開した場合、スイッチの始動時間は、同じ印加過電流で独立型を始動するよりもはるかに高速である。更に、結果として得られるサージ電流は、下流の回路素子を保護するように、はるかに低い安全レベルである。

【0053】

Ｄ ＭＯＳＦＥＴにバイメタルスイッチを加えたものは、例示的実施形態では、回路内で互いに緊密に働いて、相互の保護を提供することができる。持続的な過電流保護イベント下において、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは熱くなり、指定の始動温度でスイッチを始動させ、開電流を生成し、それが、過電流が回路の下流のコンポーネントを通過するのを防止するとともに、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを過熱から保護する。スイッチは、そのケースがリセットレベルまで冷めると、その一時的に変形した位置から正常の位置にリセットされて戻る。

【0054】

更に、いくつかの実施形態では、本明細書に記載する組み合わせ回路は、手動でリセットされる回路遮断器の一部になってもよい。これらのタイプの回路遮断器は、バイメタルストリップを有することが知られているが、ストリップがトリップされて開回路がもたらされると、回路遮断器は人間が介在しないとリセットすることができない。本明細書に開示するバイメタルストリップにＤ ＭＯＳＦＥＴを加えたものは、かかる回路遮断器の好適な代替物であってもよく、リセットするために人間が介在する必要性を排除してもよい。両方のデバイス（バイメタルスイッチおよびＤ ＭＯＳＦＥＴ）は、この方式で接続した場合、自己保護および自己リセット可能な特徴をともに有する。

【0055】

上述のバイメタルスイッチの例に加えて、本明細書に記載する原理は、バイメタルスイッチを内部に有する、他のタイプの熱スイッチ、小型回路遮断器、およびリレータイプの回路遮断器に同様に適用されてもよく、これらのデバイスが自己リセットまたは手動リセットどちらかの機能を含むか否かは問わない。

【0056】

上述のテスト結果から、Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、バイメタルスイッチのトリップを加速する追加の加熱効果を提供する。バイメタルスイッチは、いくつかの実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴが存在する場合、１００％、２００％、および４００％などの全ての過電流レベルで、より高速でトリップできることが示されている。したがって、バイメタルスイッチおよびＤ ＭＯＳＦＥＴは、互いに非常に緊密に働き、互いに対して相互の保護を提供する。

【0057】

例示的実施形態では、上述の波形は、バイメタルスイッチをＤ ＭＯＳＦＥＴの前に置くとともに、（図４に示されるように）スイッチをＤ ＭＯＳＦＥＴパッケージの上に置いて組み合わせることで、過電流イベントに対して保護する２つのデバイスの相互の利益がもたらされることを示している。Ｄ ＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間端子にバイアス抵抗器（例えば、図３の抵抗器３０６）を有する（または有さない）、電流制限器として作用する。Ｄ ＭＯＳＦＥＴが長期間の電流制限イベントを有する場合、その本体（パッケージング）から発生した熱がバイメタルスイッチを加熱して、スイッチを開放させ、Ｄ ＭＯＳＦＥＴを過熱から保護する（長期電流Ｉ＞Ｉ_ｓａｔ）。例示的実施形態では、回路は、温度がバイメタルスイッチの復旧レベルまで降下すると、リセットして正常に戻る。例示的実施形態では、Ｄ ＭＯＳＦＥＴはまた、外部サージを保護されるべき回路にクランプする、サージ電流制限器として作用する。

【0058】

本明細書で使用するとき、単数形で記述され、単語「ａ」もしくは「ａｎ」が前に付けられた要素または段階は、複数の要素または段階を除外することが明示的に記述されていない限り、そのような除外はしないものと理解されるべきである。更に、本開示の「一実施形態」の参照は、記述された特徴をやはり組み込む追加の実施形態が存在することを除外するものと解釈されることを意図しない。

【0059】

本開示は特定の実施形態を参照しているが、添付の特許請求の範囲において定義されるような、本開示の領域および範囲から逸脱することなく、記載した実施形態に対する多数の修正、改変、および変更が可能である。したがって、本開示は、記載した実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲およびその等価物の文言によって定義される全範囲を有するものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【外国語明細書】