CN101218724B - 高电流电子开关及方法 - Google Patents

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Abstract

针对高电流电子开关，公开了一种方法和***。该开关可以适于开关、调整或者阻滞每个模块或装置的1至1000安培范围内的直流电流。它以如此高的效率这样实行，产生相对可以忽略的热量，使得其通过对流和发散而要求很少的或者不要求冷却。通过连接至设备的电缆相当有效地传导出去在处理中产生的相对低的热量。

Description

高电流电子开关及方法 
技术领域
本发明一般涉及高电流电子开关以及制备其的方法，更具体地，其涉及这样的高电流电子开关以及对于很多应用需要很少或者不需要散热器(heat sink)的方法。 
背景技术
包括在本部分中的信息涉及本发明的技术背景，但不考虑这样的背景技术是否合法地构成现有技术。 
一般，要求50至500安培范围内的直流电流的电器将被提供在以10至100伏特的电压范围工作的***中。电功率的此范围适于车载车辆(onboard car)、卡车、船、飞机、休闲车辆、电信***、光电***、风能***、海洋浮标等。 
近些年中，MOSFET开关在计算机***中已经普及，备用功率***和/或电池与诸如服务器、存储器和/或网络的计算***相结合。当设备运行时，大部分应用中的限制因素在于设备中漏极至源极的电阻或者Rds(on)因子。近些年来，MOSFET制造商已经将该因子从分欧姆(sub-ohm)稳步地降低至毫欧姆(milli-ohm)。目前，电压等级从30至50伏特的设备可以获得低至1.5至20毫欧的Rds(on)。随着该参数渐近地达到了1毫欧的等级，封装电阻(package resistance)(引线框架(leadframe)、引线接合(wire bond)等)很大地限制了更大的改进。在这些高传导性设备的应用中，外部电阻开始阻碍MOSFET中获得的改进。在传导高电流时，随着设备温度的升高，Rds(on)显著地增加(大约每摄氏度一个百分比)。 
为了消除该温度增加，将MOSFET放置在价格昂贵的散热器上，以消除产生的热量，作为电压降的结果。如果这些散热器不足以消除MOSFET的过多热量，MOSFET可能被毁坏。一般的惯例是通过增大焊盘尺寸、迹 线(trace)宽度、迹线厚度以及线规(wire gauge)，同时减少迹线长度、金属线长度以及由散热器***施加的限制中的连接器电阻，而尽可能多地降低MOSFET及其源极和负载之间的电阻。 
发明内容
本发明提供一种高电流电子开关，其包括：第一主要导体；第二主要导体；以及一个或更多开关元件的阵列，所述阵列将所述第一主要导体电连接至所述第二主要导体，以及物理地夹入在所述第一主要导体和所述第二主要导体之间；其中，开关元件的所述阵列具有小于500微欧的电阻。 
在一实施方式中，所述第一主要导体和所述第二主要导体中的每一个可具有小于20微欧的有效电阻。 
在一实施方式中，还可以包括实质上位于开关元件的所述阵列周围的印制电路板。 
在一实施方式中，所述印制电路板可包括控制所述开关元件的电路。 
在一实施方式中，所述开关元件可以为MOSFET。 
在一实施方式中，所述MOSFET的漏极引线可以直接地连接至所述第一主要导体。 
在一实施方式中，所述MOSFET的源极引线可以直接地连接至所述第二主要导体。 
在一实施方式中，所述MOSFET的栅极引线可以直接地连接至印制电路板。 
在一实施方式中，所述MOSFET的源极引线可以经由金属条连接至所述第二主要导体。 
在一实施方式中，所述金属条可包括延伸至所述MOSFET的所述源极引线的接点。 
本发明提供一种高电流电子开关，其包括：第一主要导体；第二主要导体；以及至少一个开关元件的阵列，所述阵列将所述第一主要导体电连 接至所述第二主要导体，以及夹入在所述第一主要导体和所述第二主要导体之间；其中，所述第一主要导体和所述第二主要导体中的每一个的有效长度与横截面积的比率小于40。 
在一实施方式中，所述第一主要导体和所述第二主要导体中的每一个可具有小于20微欧的有效电阻。 
在一实施方式中，还可包括实质上位于开关元件的所述阵列周围的印制电路板。 
在一实施方式中，所述印制电路板可包括控制所述开关元件的电路。 
在一实施方式中，所述开关元件可以为MOSFET。 
在一实施方式中，所述MOSFET的漏极引线可以直接地连接至所述第一主要导体。 
在一实施方式中，所述MOSFET的源极引线可以直接地连接至所述第二主要导体。 
在一实施方式中，所述MOSFET的栅极引线可以直接地连接至印制电路板。 
在一实施方式中，所述MOSFET的源极引线可以经由金属条连接至所述第二主要导体。 
在一实施方式中，所述金属条可以包括延伸至所述MOSFET的所述源极引线的接点。 
本发明提供一种开关高电流的方法，其包括：提供并联在第一导体和第二导体之间的开关元件的阵列；将开关元件的所述阵列布置在所述第一导体和所述第二导体之间；将来自每个开关元件的每个栅极引线电连接在一起；以及使所述开关元件经由所述栅极引线受到控制，以闭合所述开关元件从而允许电流从所述第一导体流至所述第二导体，以及打开所述开关元件从而不允许所述电流从所述第一导体流至所述第二导体。 
附图说明
以下为附图的简要说明： 
图1为高电流电子开关的第一实施方案的侧视图； 
图2为出于示意目的而具有印制电路板剖面图的一部分的图1的高电流电子开关的局部侧视图； 
图2A为高电流电子开关的端部横截面图； 
图3为图1的高电流电子开关的俯视图； 
图4为图1的高电流开关的局部俯视图，其中出于示意目的，除去了顶部导体和印制电路； 
图5为图1的高电流电子开关的电学示意图； 
图6为高电流电子开关的第二实施方案的侧视图； 
图7为图6的高电流电子开关的顶视图；以及 
图8为图6的高电流电子开关的局部顶视图，其中除去了顶部导体和印制电路板。 
具体实施方式
应该容易理解，可以各种不同的结构布置及设计本文附图中大体描述并说明的实施方案的组件。因此，如附图中所表示的，本发明的***、组件和方法的实施方案的下列更加详细的说明并不旨在限制如权利要求所主张的本发明的范围，而仅仅是本发明的实施方案的代表。 
针对高电流电子开关，公开了一种方法和***。该开关可以适于打开和关闭，调整或者阻滞每个模块或装置的1至1000安培范围内的直流电。它以如此高的效率这样实行，产生相对可以忽略的热量，使得其通过对流和发散而要求很少的或者不要求冷却。通过连接至设备的电缆相当有效地传导出去在处理中产生的相对低的热量。 
根据本发明的公开的实施方案，提供了一种高电流电子开关***及其方法，其包括：第一主要导体、第二主要导体以及开关元件阵列。开关元件电连接第一主要导体和第二主要导体，并且物理地夹入在第一主要导体和第二主要导体之间。开关元件阵列具有小于大约500微欧的电阻。 
根据本发明的公开的实施方案的另一方面，涉及提供在第一导体和第二导体之间并联的开关元件阵列，将来自每个开关元件的每个栅极引线   (lead)电连接在一起，以及通过栅极引线控制开关元件，以闭合开关元件从而允许电流从第一导体流至第二导体、以及打开开关元件从而不允许电流从第一导体流至第二导体。开关元件阵列夹在第一导体和第二导体之间。 
如图1到图4所示，示出了一种使用2乘6的开关元件阵列的高电流电子开关，一般标注为10。开关10包括第一矩形条12形式的第一主要导体、第二矩形条14形式的第二主要导体、开关元件34的阵列16、以及印制电路板18。在环形端子30、28处终止的电缆26、24可以通过紧固件20、22分别连接至第一矩形条12和第二矩形条14。 
阵列16可以包括12个开关元件34，例如，国际整流器公司的IRF2804S-7PMOSFET或者其他开关器件。也可以使用其他数量的开关元件和其他排列的开关元件。开关元件34中的每个可以包括漏极引线(未示出)作为开关元件34的底侧。漏极引线直接地焊接至第二矩形条14的表面。 
开关元件中的每个还可以包括自开关器件34的一端延伸的多个引线。来自每个开关元件34的多个源极引线36可以经由金属条40在邻近开关器件34的主体的点处连接至第一矩形条12。金属条40可以直接地或者间接地焊接至第一矩形条12的一端，并且可以包括多个延伸并焊接至源极引线36的多个接点(tab)42。每个开关元件的栅极引线38可以连接至印制电路板18。 
参考图2A，示出了开关10的端部横截面图。金属条40可以将第一矩形条12连接至开关器件34的源极引线36。金属条40的接点42实质上从第一矩形条12的底部悬垂至源极引线36。接点42可以连接至直接邻近于开关器件34的主体的源极引线。可以将这些接点42的高度与它们的横截面积的比值维持得尽可能低，以减小因为金属条40而增加至开关10的电阻的量，并且改进从源极引线36到第一矩形条12的热量传导。接点42的高度实质上为第一矩形条12的底部至源极引线36的顶部的距离。出于机械相互连接的目的，源极引线36可以连接在印制电路板18上。 
印制电路板18可以为矩形形状，其内部矩形裁剪区(cutout)稍微大于开关元件34的阵列16的尺寸。也可以使用其他形状和结构。每个栅极引 线38可以一起电连接在印制电路板18上，并且可以通过如图5中所示的控制电路32进行控制。控制电路32可以随同提供音频和/或视频指示器的其他电路和器件一起存在于印制电路板上。印制电路板还可以包括提供开关10的控制的外部连接器33。每个源极引线36还可以一起电连接在印制电路板18上。 
现在参照图5，示出了一种用于高电流电子开关10的电学示意图。阵列16可以包括在第一矩形条12和第二矩形条14之间并联的多个开关器件34。每个开关元件34的漏极引线35可以直接地连接至第二矩形条14。每个开关元件34的源极引线36可以直接地连接至第一矩形条12。每个开关元件34的栅极引线38可以连接至控制电路32，其由外部输入44控制。当控制电路32受到外部输入44命令而通过栅极引线38关闭开关元件34时，电缆24中的电流可以通过第一矩形条12、开关元件34以及第二矩形条14流至电缆26。当控制电路32受到外部输入44命令而打开开关元件34时，来自电缆24的电流可以不流至电缆26。 
现在参考图6到图8，示出了一般标注为50的高电流电子开关的第二实施方案。开关50包括第一主要导体52、第二主要导体54、开关元件58的阵列56以及印制电路板60。第一主要导体52、第二主要导体54可以为大致圆柱形，具有用于与开关元件58连接的凹进的扁平部分74、76。导体52、54可以包括具有用于连接供电电缆的紧固件66、68的螺纹部分62、64。 
阵列56可以包括24个开关元件58，例如国际整流器公司的DirectFETTM MOSFET或者管芯(die)形式的其他开关器件。也可以使用其他数量和其他排列的开关器件。每个开关元件58可以包括漏极引线(未示出)作为开关元件58的顶侧。漏极区可以焊接或者直接地电连接至导体54的扁平部分76。开关元件58中的每个可以包括开关元件58的底侧上的一对源极区70和栅极区72。源极区70可以焊接或者直接地电连接至导体52的扁平部分74。栅极区72可以焊接或者直接地电连接至印制电路板60。 
印制电路板60可以为矩形形状，其内部矩形裁剪区的宽度稍微大于导体52、54的直径，并且长度稍微大于开关元件58的阵列56的长度。也可以使用其他形状和比例。每个栅极区72可以一起电连接在印制电路板60上，并且由控制电路所控制。控制电路可以随同提供音频和/或视频指示器的其他电路和器件一起存在于印制电路板上。印制电路板还可以包括提供开关50的控制的外部连接器。 
器件的构造把电阻降低至绝对最小值或者至少降低了很大程度，其中，功率耗散可以比产生传导最大电流的电缆的环境温度高差不多大约10摄氏度所要求的要少。因此，对于大部分应用，需要很大地减少或者全部去除成本高昂的散热器。 
对于很多应用，根据本发明的本实施方案构造的高电流电子开关可以在功率管理***中良好地产生更好的性能，其是当前可用产品的大约20至大约100倍。公开的开关将一个或更多(一般6至24个)当前可用MOSFET的阵列用作开关元件或元件。可以存在与本发明的实施方案的开关一起使用的各种数量和排列的开关元件。 
开关元件阵列可以夹在主要导体之间，其中，阵列的横截面面积与长度比例对于大部分应用而言应尽可能地高。对于很多应用，阵列区域的几何形状为正方形，然而，其他因素例如MOSFET的连通性和固有物理轮廓可以为矩形或者开关元件的其他排列。以2乘6阵列构造的单元可以非常接近于几近为方形的阵列例如3乘3和4乘4。相反，由单列MOSFET组成的阵列可以在建议的几何形状的阵列下很好地运行。 
封装轮廓可以根据封装长度与宽度的比例指定阵列类型的选择。例如，如果MOSFET封装为正方形，那么对于很多应用，正方形阵列可以是最有效的。然而，如果长度与宽度的比例大于大约1.25，那么矩形阵列可以更加适于很多应用。 
主要导体(由此，连接外部电缆)可以为高比例几何形状(HRG)的导体，即，有效长度与横截面面积的比例尽可能地低(一般，小于大约25至大约 40之间)以使得封装电阻最小化的导体。这些主要导体还可以起到热导体的作用，以将由MOSFET阵列产生的热量有效地传递至连接的电缆。通过固体的电阻和热阻可以由等式给出： 
Θ＝K×(长度/横截面面积) 
其中，对于所选材料，K为常量 
对于很多应用，具有最佳电和热传导特性的材料可以包括具有几乎等同的性质的银和铜。银的热传导率可以比铜高大约8％。铜可以比铝高大约91％。所有其他金属可能是相对差的热导体。电传导率或者电阻的倒数可以使得铜可以归一化为大约1.0的常数。银的电传导率可以为大约0.95，金可以为大约1.416，而铝可以为大约1.64；其他的金属可能是相对差的导体。因此，对于很多应用，明显铜是热传导和电传导的最佳选择。银可以是铜的紧密竞争者，但是其成本使得其退出某些应用，除非出于某些目的例如电镀。从经济和强度方面考虑，一些应用的优选可以是镀银的铜。用银进行电镀还可以提供更好的可焊性。以上所描述的比例可以适于电传导率和热传导率。 
  阵列大小     导体尺寸(英寸)   导体L/A＝比例   μΩ/输入   导体的总电阻(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
表1 
  阵列大小     当前有效的Rds(on)值(μΩ)     阵列的有效电阻(μΩ)     装置的总电阻(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
表2 
表1示出了用于各种阵列大小的导体尺寸和总电阻。表2示出了各种阵列的有效电阻和开关装置的总电阻。利用夹在主要导体之间的MOSFET阵列，输入至输出之间的总电阻可以小于250微欧。尽管传导100安培，但是功率耗散可以小于2.5瓦特。 
实际应用中，例如在车载车辆(on board a vehicle)中，一般可以在用于车辆电池的充电电路中发现单个导体中的100安培的电流。如果电缆长度只有几英尺，针对某些应用而用于汽车工业中的一般惯例可以使用AWG4电缆。该尺寸电缆的横截面面积为大约0.03平方英寸，而电阻大约为每英尺250微欧。因此，根据本发明的某些实施方案构造的适于该电路的整流器或者开关可以为小于大约1英寸的AWG4电缆的等效物。因此，可以看出，出于控制目的的这样的整流器或者开关的引入可能对于电压降或者热量散发没有影响。这样可以为开关高电流和/或阻滞用于多个电池应用的高电流很好地打开局面，而且仅具有少量的损耗和温度增加。 
封装可以设计成显著地降低总电阻，其首先产生热量。对于某些应用，具有大约2毫欧Rds(on)的并联的几个MOSFET可以显著地减小电阻。并联的2个MOSFET的结果可以为大约1毫欧；4个MOSFET可以为大约500微欧；8个可以产生大约250微欧的电阻。利用8个MOSFET阵列，如果 对于某些应用，MOSFET的温度保持在大约25摄氏度，则MOSFET中的功率耗散可以在大约100安培电流时为2.5瓦特，或者在大约300安培时为大约22.5瓦特。这比很多或者全部当前可用的固态开关中的功率耗散小很多。随着改进的MOSFET的实用性变得更加有效，对于很多应用，公开的技术的优势甚至变得更大。因此，可以有效地降低由整个装置从输入到输出耗散的功率，以产生小于大约10度的温度上升，消除或大大地降低对于高成本散热器或者其他散热设备的需要，并允许连接的电缆成为将装置产生的热量传导出去的主要装置。 
因为装置中产生的能量可以使温度指数地增加，在很多应用中需要消除尽可能多的电阻。在100安培级别时，每一微欧的降低可以降低大约10毫瓦的热量耗散，并且在大约300安培时，降低达到9倍。除非温度稳定在期望的级别，否则多米诺效应可以导致温度失控。温度增加时，MOSFET的电压击穿电平可以良好地降低。当阵列中的一个MOSFET出现故障时，对于一些应用，该情况可以快速地导致整个设备瘫痪。除了MOSFET中产生的热量之外，其他热量可能由将阵列连接至电源和负载(电池和灯、交流发电机和电池、发电机和发动机等)的元件产生。对于大部分应用，夹在主要导体中的开关元件阵列可以允许除去整个装置中不必要电阻的显著部分。 
下列步骤可以用来设计根据本发明的装置： 
A.选择最大电流以由设备进行处理； 
B.根据最大电流和电缆的长度指定电缆的尺寸； 
C.确定选择的最大电流所要求的MOSFET的数目； 
D.选择封装类型； 
E.确定最适合的阵列类型； 
F.选择大于电缆横截面面积的主要导体尺寸； 
G.针对选择的阵列特征选择适当的电路板 
扁平片可以被其它HRG几何形状取代，例如，同心矩形、三角形和其他，尤其，其中开关元件可能更适于这些结构。一旦适当的磁致电阻、 电致电阻材料或者其他合适的材料成为可能，其他结构例如圆柱形结构的夹入导体可以等效地适于某些应用。 
根据本发明的实施方案构造的器件的样例可以在重量小于大约10盎司的大约7立方英寸的封装中获得大约100安培的运转，耗散大约2瓦特，并且展示出超过环境不到约5摄氏度的温度升高。运输、通信、发电器材、材料处理、娱乐和计算平台中的供电***可以利用根据本发明的实施方案构造的继电器、整流器和开关而显著地良好获益。 
如本文中所使用，词语“大约(about)”表示加上或减去20％的变化。 
尽管已经公开了本发明的具体实施方案，应该理解，各种不同的修改和组合是可能的，并且意味着在公开的实施方案和所附权利要求的精神和范围中。例如，也可以使用管芯形式的未封装的MOSFET。因此，对于本文中出现的公开，并不意图进行限制。 

Claims (19)

1.一种高电流电子开关，其包括：
第一主要导体，具有第一表面；
第二主要导体，具有第二表面；以及
两个或更多开关元件的阵列，所述阵列将所述第一主要导体电连接至所述第二主要导体，以及物理地夹入在所述第一主要导体和所述第二主要导体之间，且被安装在所述第一表面和所述第二表面上，并在所述第一表面和第二表面之间延伸；以及
印制电路板，位于所述开关元件的所述阵列的周围；
其中，所述印制电路板包括用于容纳所述阵列的剪裁区；以及
其中，开关元件的所述阵列具有小于500微欧的电阻。
2.根据权利要求1所述的开关，其中，所述第一主要导体和所述第二主要导体中的每一个具有小于20微欧的有效电阻。
3.根据权利要求1所述的开关，其中，所述印制电路板包括控制所述开关元件的电路。
4.根据权利要求1所述的开关，其中，所述开关元件为MOSFET。
5.根据权利要求4所述的开关，其中，各个MOSFET的漏极引线直接地连接至所述第二主要导体。
6.根据权利要求4所述的开关，其中，各个MOSFET的源极引线直接地连接至所述第一主要导体。
7.根据权利要求4所述的开关，其中，各个MOSFET的栅极引线直接地连接至所述印制电路板。
8.根据权利要求7所述的开关，其中，MOSFET的源极引线经由金属条连接至所述第一主要导体。
9.根据权利要求8所述的开关，其中，所述金属条包括延伸至所述MOSFET的所述源极引线的接点。
10.一种高电流电子开关，其包括：
第一主要导体，具有第一表面；
第二主要导体，具有第二表面；以及
至少两个开关元件的阵列，所述阵列将所述第一主要导体电连接至所述第二主要导体，以及夹入在所述第一主要导体和所述第二主要导体之间，且被安装在所述第一表面和第二表面上，并在所述第一表面和第二表面之间延伸；以及
印制电路板，位于所述开关元件的所述阵列的周围；
其中，所述印制电路板包括用于容纳所述阵列的剪裁区；以及
其中，所述第一主要导体和所述第二主要导体中的每一个的有效长度与横截面积的比率小于40。
11.根据权利要求10所述的开关，其中，所述第一主要导体和所述第二主要导体中的每一个具有小于20微欧的有效电阻。
12.根据权利要求10所述的开关，其中，所述印制电路板包括控制所述开关元件的电路。
13.根据权利要求10所述的开关，其中，所述开关元件为MOSFET。
14.根据权利要求13所述的开关，其中，各个MOSFET的漏极引线直接地连接至所述第二主要导体。
15.根据权利要求13所述的开关，其中，各个MOSFET的源极引线直接地连接至所述第一主要导体。
16.根据权利要求13所述的开关，其中，各个MOSFET的栅极引线直接地连接至所述印制电路板。
17.根据权利要求16所述的开关，其中，所述MOSFET的源极引线经由金属条连接至所述第一主要导体。
18.根据权利要求17所述的开关，其中，所述金属条包括延伸至所述MOSFET的所述源极引线的接点。
19.一种开关高电流的方法，其包括：
提供并联在第一导体和第二导体之间的开关元件的阵列；
将开关元件的所述阵列布置在所述第一导体和所述第二导体之间；且被安装在所述第一导体的表面和所述第二导体的表面上，并在所述第一导体的表面和所述第二导体的表面之间延伸；
使印制电路板位于所述开关元件的所述阵列的周围；且使所述印制电路板包括用于容纳所述阵列的剪裁区；
将来自每个开关元件的每个栅极引线电连接在一起；以及使所述开关元件经由所述栅极引线受到控制，以闭合所述开关元件从而允许电流从所述第一导体流至所述第二导体，以及打开所述开关元件从而不允许所述电流从所述第一导体流至所述第二导体。
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