EP1070368B1 - Elektrisches kabel - Google Patents

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EP1070368B1
EP1070368B1 EP99914495A EP99914495A EP1070368B1 EP 1070368 B1 EP1070368 B1 EP 1070368B1 EP 99914495 A EP99914495 A EP 99914495A EP 99914495 A EP99914495 A EP 99914495A EP 1070368 B1 EP1070368 B1 EP 1070368B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric cable
cable according
semiconductor
cable
terminal sections
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99914495A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1070368A1 (de
Inventor
Gerhard Babiel
Günther NOLLE
Franz-Josef Lietz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Auto Kabel Management GmbH
Original Assignee
Auto Kabel Management GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Auto Kabel Management GmbH filed Critical Auto Kabel Management GmbH
Publication of EP1070368A1 publication Critical patent/EP1070368A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1070368B1 publication Critical patent/EP1070368B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/66—Structural association with built-in electrical component
    • H01R13/665—Structural association with built-in electrical component with built-in electronic circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/70—Insulation of connections

Definitions

  • the invention relates to an electrical cable for power supply from a power source to a Consumer who has at least one of Limited sections of the cable Has interruption area in which a component is arranged to interrupt the current flow.
  • An electrical cable of the above type is from the German patent 40 06 866 known. With this Cable is conventional in the break area Fuse element in the form of a fuse provided by an electrically insulating housing is surrounded. Together with two contact bodies with which the two ends of a fuse wire conductively connected are, two plug connection devices for one each Plug connection formed, making the housing as one Sleeve for a removable holder Backup cartridge is formed. Such kinds of Fuses are widely used in the automotive sector.
  • the invention is based on the object electrical cable of the type mentioned in this regard further develop that the accumulated heat loss is as low as possible.
  • the component is a controllable semiconductor component, in particular a Semiconductor chip, is its effective for current flow Contact surfaces with the ends of the connection sections of the cable in the interruption area under pressure Connected, being a direct Surface contact between the ends of the Connection sections and the contact surfaces of the Semiconductor component is provided.
  • the solution according to the invention provides that direct surface contact between the connection surfaces the cable sections and the effective cross-sectional areas of the semiconductor device almost none Contact resistances are more and accordingly there is no heat loss.
  • by integrating the Semiconductor component in the interruption area of the electrical cable enables a compact design, which is characterized by a particularly high stability the pressure effect under which the Cable end sections and the semiconductor device stand against each other.
  • the semiconductor component can be, for example Power field effect transistor, the cathode with one end of the cable and its anode with the other Cable is connected.
  • that can Semiconductor component a control electrode, for example have a gate or base connection via which the Semiconductor switch controlled and more or less can be controlled or blocked.
  • the pressing pressure in the region of the semiconductor component can be generated by providing a housing which encloses the at least one interruption region and which has pressure medium, in particular compression springs, for pressurizing the connection sections of the cable against the effective contact surfaces of the semiconductor component.
  • the metallic housing itself can be designed as a pressure generating means, for example if it has the function of a compression spring.
  • the connection areas which form the high-current contacts of the semiconductor component and, in particular, can also be formed by compressed line ends, are pressed onto the contact surfaces of the semiconductor chip with a high pressure of more than 100 N / mm 2 before or during the casing sheathing. After the casing has been encased, this pressure is maintained by the metallic casing.
  • these are metallic housing and / or the surfaces of the Connection sections of the cable at least partially electrically insulating coated or the electrical Isolation is through an insulating washer between the metallic housing and the High current contact formed.
  • the break area enclosing housing can be the break area also be surrounded by a plastic encapsulation, within which a particularly thermally generated and / or increased pressure is formed.
  • the Encapsulation can be done by overmolding the high-current contacts be formed such that the front and pressure applied during the spraying process cooling the spray material is frozen and due to the natural shrinkage during the cooling phase of the plastic may be reinforced.
  • Plastic can also be a suitable one Ceramic material or a fiber-reinforced material be used.
  • the encapsulation can also be done by pouring the high-current contacts are formed such that the front and pressure applied during the curing process is frozen after the material has hardened and due to the natural shrinkage during curing is reinforced.
  • the pressure effect can be caused by The high-current contacts are screwed in such a way that a previously applied contact pressure in the area of the Contacting is maintained or still through thermal Influences is amplified.
  • An important aspect of the invention is concerned with the design of the control electrode of the Semiconductor component (e.g. gate connection of a Power field effect transistors, their effective Contact area over a in the break area arranged contacting means with an electrical Control unit is connected.
  • the control electrode of the Semiconductor component e.g. gate connection of a Power field effect transistors, their effective Contact area over a in the break area arranged contacting means with an electrical Control unit is connected.
  • the contacting means can be according to a first Variant be a spring contact pin, which in particular concentric to the connection ends of the cable connections is arranged.
  • This variant is particularly suitable then when the high current contact of the Main electrodes, the field effect transistors by the Drain / source connections, in the case of power transistors the collector / emitter connections are formed by Press contacting are made.
  • the contacting means is Control electrode a passive radio receiver.
  • This is directly on the chip in the immediate vicinity of the Control electrode arranged and consists in its simplest configuration from an antenna structure, a diode and a coil, the z. B. in MOS technology are etched.
  • the formed receivers also from several resonant circuits different resonance frequencies exist in order to for example an improved addressing of the To enable the recipient.
  • the contacting means is Control electrode formed by a sound receiver, the for example in the ultrasonic or hypersonic range is working. This is done directly on the chip in the immediate vicinity of the control electrode Sound receiver installed, in its simplest Design is formed from an antenna structure that is etched on piezoelectric material.
  • the recipient can also contain structures that are in Form of an interdigital filter are formed and so enable digital coding.
  • the spatial arrangement of the control electrode with respect to the remaining connections of the Power semiconductor component is preferably selected so that it sits centrally.
  • the boundary is the Control electrode preferably circular or polygonal, see above that the highest possible current densities can be achieved.
  • Figure 1 shows an electrical cable 1 connected to a Separation point 2 interrupted and there with a Semiconductor switch 3 is contacted.
  • the Semiconductor switch is in the form of a disk or plate Semiconductor system 4 between the ends 5 and 6 of Cable connectors 7 used.
  • the diameter of the is plate or tablet-shaped semiconductor system 4 expediently on the outer diameter of the cable adjusted so that an axially largely constant Cross-sectional shape of the cable with integrated Semiconductor switch 3 is present.
  • the semiconductor system 4 can be in MOSFET technology manufactured field effect transistor, the There is a possibility that the semiconductor system on several a wafer connected in parallel. Semiconductor components which form a semiconductor array. The special one Embodiment of the semiconductor system 4 can be designed accordingly for each application.
  • a preferred application is in connection with a high current conductor, so that accordingly the semiconductor system 4 for the currents that occur must be dimensioned.
  • the semiconductor switch 3 With the help of the semiconductor switch 3, the current flow in the cable 1 can be controlled or interrupted.
  • the Semiconductor switch 3 is with its semiconductor system 4 in the practically elongated course of the cable 1 integrated by using its flat sides 8 and 9 with the ends 5 and 8 of the connectors 7 directly contacted.
  • the cable connection is shown in the Embodiment executed axially, but it can also done at any angle.
  • a Pressure contact provided, d. that is, the Connectors 7 to the semiconductor system 4 are pressurized. This can be done through a Separation point 2 bridging housing 10 take place in the if necessary at the cable ends or Cable connectors 7 attacking pressure medium, for.
  • Compression springs (not shown here) are arranged. For example, such compression springs could be between annular approaches 11 on the connectors 7 and Housing recesses may be used.
  • a third connection on Semiconductor system 4 forms the gate terminal 13 through which the semiconductor switch 3 can be controlled.
  • the semiconductor switch 3 is connected to an evaluation and control circuit 14, which can preferably be formed by a user-specific, integrated circuit.
  • the current flowing in the electrical cable via the semiconductor switch 3 can thus also be monitored.
  • a current limit value can also be monitored and a current gradient monitoring can be carried out. This can be done depending on the application and there is thus the possibility of influencing the current flow within the cable, and if necessary interrupting it.
  • the evaluation and control circuit 14 can expediently be connected to a central control device via a BUS connection 15.
  • the evaluation and control circuit 14 is also connected to a display device, in the exemplary embodiment to a light-emitting diode 16, by means of which a status display can take place, by means of which it can be recognized whether the semiconductor switch 3 is blocking or conducting. Steady light could mean, for example, that the semiconductor switch 3 has interrupted the current flow, while a flashing light-emitting diode 16 indicates an internal defect.
  • the left wiring harness of cable 1 in the drawing figure has a conductive in its insulation 17 integrated Protective layer 18 on the inside of the housing 10 an electrical conductor 19 with the evaluation and Control circuit 14 is connected. So that is for example when using the electrical cable Integrated semiconductor switch 3 as a high-current cable given a motor vehicle the opportunity to carry out area-wide crash monitoring. Will be there a short circuit due to the evaluation and control circuit between the conductive protective layer and ground or a Interruption of the protective layer 18 registered, the Semiconductor switch through the evaluation and Control circuit 14 blocked and thus the current flow be interrupted before the cable itself with his Conductor comes into electrical contact with ground and then a high current would flow, which may can lead to a fire.
  • the cable 1 can be inside the motor vehicle installed battery cable, in the course of which an or several, Integrated semiconductor switch 3 with evaluation and Control circuit and the like are provided.
  • an or several, Integrated semiconductor switch 3 with evaluation and Control circuit and the like are provided.
  • the cable with integrated Semiconductor switch on one side of the semiconductor system connected to one battery terminal and with the other Page is connected to consumers, so that in If necessary, electrical separation of the battery from the Vehicle electrical system is possible. The electrical separation can be done by Activation of the semiconductor switch undone again be made.
  • Housing 10 which in the exemplary embodiment is sleeve-shaped. It encloses the Separation point 2 with the one in between Semiconductor system 4 so that the inside of the package parts are protected from external influences are accommodated.
  • the housing recesses 12 engage behind the annular ones Approaches 11 of the cable connectors 7, so that here positive connection is present.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a power supply cable according to the invention in an exploded view.
  • FIG. 3 shows the assembly of the components shown individually in FIG. 2.
  • the held by frame (31 or 32) and positioned semiconductor device in the form of a Silicon chips 33 have in addition to those not specified a gate connection for the current conductors 34 on. This is central on the front of the silicon chip 33 arranged.
  • a first pressure stamp 35 is arranged, which has a square shape that flat with the silicon chip 33 is in contact.
  • the other stamp 36 stands with the other Electrode of the silicon chip in flat contact but in the middle a central recess.
  • a contact pin arranged there 38 By the recess can be a contact pin arranged there 38, which is arranged in an insulation sleeve 37, on the gate electrode 34 in the form of a pointed contact access.
  • the contacting of the contact pin 38 takes place by means of a position sleeve 39
  • Contact pin 38 is the electrical control of the Gate electrode 34 and thus the opening or closing of the Semiconductor component for the electrical current flow.
  • the pressure stamps 35, 36 are in a spring sleeve 40 mutual pressure contact, so that the silicon chip 33rd electrically contacted under pressure between them is included.
  • the battery terminal connection is formed or the Line connection for the case of installing the cable in the line.
  • the opposite side at the other Stamp 36 is the other Line connection.
  • Control of the gate electrode 34 can also be replaced by contactless elements.
  • a first example is the control of the gate electrode 34 by a passive radio receiver, which on the chip in the immediate vicinity of the gate electrode 34 is installed.
  • this consists of an antenna and a coil.
  • Upon receipt of the corresponding matched signal is sent to the gate electrode given an electrical voltage so that a Control of the semiconductor element takes place.
  • a sound-sensitive element can also be used arranged in the immediate vicinity of the gate electrode 34 his. This gives on excitation with a predetermined Ultrasonic frequency an electrical voltage to the To drive the gate electrode.
  • Such elements are for example as an interdigital filter from practice known.
  • a third variant is that the Contacting the control electrode by a optoelectronic receiver, which is also in is arranged in the immediate vicinity of the gate electrode 34.

Landscapes

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel zur Stromzuführung von einer Stromquelle zu einem Verbraucher, welches mindestens einen von Anschlußabschnitten des Kabels begrenzten Unterbrechungsbereich aufweist, in welchem ein Bauelement zur Unterbrechung des Stromflusses angeordnet ist.
Aus der DE-A 26 03 100 ist ein Halbleiterelement zwischen Kabelendbereichen bekannt, bei dem eine elektrische Kontaktierung in Form von Bonden vorgesehen ist.
Ein elektrisches Kabel der oben genannten Art ist aus der deutschen Patentschrift 40 06 866 bekannt. Bei diesem Kabel ist im Unterbrechungsbereich ein herkömmliches Sicherungselement in Form einer Schmelzsicherung vorgesehen, die von einem elektrisch isolierenden Gehäuse umgeben ist. Zusammen mit zwei Kontaktkörpern, mit denen die beiden Enden eines Schmelzdrahtes leitend verbunden sind, sind zwei Steckanschlußvorrichtungen für je eine Steckverbindung ausgebildet, wodurch das Gehäuse als eine Muffe für eine auswechselbare Aufnahme einer Sicherungspatrone ausgebildet ist. Solche Arten von Sicherungen sind im Kfz-Bereich vielfältig im Einsatz.
Zum Schalten des Stromflusses in stromführenden Kabeln werden allgemein Halbleiterbauelemente, wie z. B. Transistoren, Tyristoren und dergleichen verwendet, an die die Kabelenden des elektrischen Kabels angeschlossen werden. Wegen des an einem Halbleiterschalter auch im durchgeschalteten Zustand vorhandenen Spannungsabfalls ergibt sich eine Verlustleistung, aufgrund der Verlustwärme entsteht. Deshalb ist es erforderlich bei Hochstromanwendungen das Halbleiterbauelement mit einer Kühlung zu versehen, um die Verlustwärme abzuführen. Ein solcher Halbleiterschalter ist aus der DE-AS 1039645 bekannt.
Aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt sind Leistungstransistoren.
Die übliche Kontaktierung von Leistungstransistoren erfolgt mit Bonddrähten. Dabei befinden sich auf dem Halbleiterchip metallisierte Flächen, auf die ein dünner metallischer Bonddraht angeschweißt wird. Bei diesem Vorgang des Bondens gibt es vor allen Dingen dann Probleme, wenn die Chips sehr dünn werden, beispielsweise weniger als 150 µm, so daß die Gefahr besteht, daß der Halbleiter durch thermisch-mechanische Spannungen zerstört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Kabel der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß die anfallende Verlustwärme möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Bauelement ein steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere ein Halbleiterchip, ist, dessen für den Stromfluß wirksame Kontaktflächen mit den Stirnenden der Anschlußabschnitte des Kabels im Unterbrechungsbereich unter Druckwirkung in Verbindung stehen, wobei eine direkte Flächenkontaktierung zwischen den Stirnenden der Anschlußabschnitte und den Kontaktflächen des Halbleiterbauelementes vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß durch die direkte Flächenkontaktierung zwischen den Anschlußflächen der Kabelabschnitte und den wirksamen Querschnittsflächen des Halbleiterbauelementes nahezu keine Übergangswiderstände mehr vorhanden sind und dementsprechend dort keine Verlustwärme entsteht. Darüber hinaus wird durch die Integration des Halbleiterbauelementes in dem Unterbrechungsbereich des elektrischen Kabels eine kompakte Bauweise ermöglicht, die sich durch eine besonders hohe Stabilität aufgrund der Druckwirkung auszeichnet, unter der die Kabelendabschnitte und das Halbleiterbauelement gegenseitig stehen.
Das Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein Leistungsfeldeffekttransistor sein, dessen Kathode mit dem einen Kabelende und dessen Anode mit dem anderen Kabel verbunden ist. Darüber hinaus kann das Halbleiterbauelement eine Steuerelektrode, beispielsweise einen Gate- oder Basisanschluß aufweisen, über die der Halbleiterschalter angesteuert und mehr oder weniger leitend gesteuert oder gesperrt werden kann.
Der Preßdruck im Bereich des Halbleiterbauelementes kann nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erzeugt werden, daß ein den mindestens einen Unterbrechungsbereich umschließendes Gehäuse vorgesehen ist, welches Druckmittel, insbesondere Druckfedern, aufweist zur Druckbeaufschlagung der Anschlußabschnitte des Kabels gegen die wirksamen Kontaktflächen des Halbleiterbauelementes. Dabei kann das metallische Gehäuse selbst als Druckerzeugungsmittel ausgebildet sein, beispielsweise wenn es die Funktion einer Preßfeder hat. Zur Herstellung eines solchen Bauelementes werden bevor oder während der Gehäuseummantelung die Anschlußbereiche, die die Hochstromkontakte des Halbleiterbauelementes bilden, und insbesondere auch durch verdichtete Leitungsenden gebildet sein können, mit hohem Druck von mehr als 100 N/mm2 auf die Kontaktflächen des Halbleiterchips gepreßt. Nach der Gehäuseummantelung wird dieser Druck durch das metallische Gehäuse gehalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das metallische Gehäuse und/oder die Oberflächen der Anschlußabschnitte des Kabels zumindest teilweise elektrisch isolierend beschichtet oder die elektrische Isolation ist durch eine isolierende Unterlegscheibe zwischen dem metallischen Gehäuse und dem Hochstromkontakt gebildet.
In einer Alternative zu dem den Unterbrechungsbereich umschließenden Gehäuse kann der Unterbrechungsbereich auch von einer Kunststoffumkapselung umgeben sein, innerhalb der ein insbesondere thermisch erzeugter und/oder verstärkter Preßdruck ausgebildet ist. Die Umkapselung kann zum einen dabei durch eine Umspritzung der Hochstromkontakte gebildet sein derart, daß der vor und während des Spritzvorgangs aufgebrachte Druck nach dem Abkühlen des Spritzmaterials eingefroren wird und durch das natürliche Schrumpfen während der Abkühlphase des Kunststoffes eventuell verstärkt wird. Anstelle des Kunststoffs kann auch ein entsprechend geeignetes Keramikmaterial oder ein faserverstärktes Material verwendet werden.
Alternativ dazu kann die Umkapselung auch durch Eingießen der Hochstromkontakte gebildet werden derart, daß der vor und während des Aushärtungsvorganges aufgebrachte Druck nach dem Aushärten des Materials eingefroren wird und durch das natürliche Schrumpfen während der Aushärtung noch verstärkt wird.
In einer weiteren Alternative kann die Druckwirkung durch Verschraubung der Hochstromkontakte erfolgen derart, daß ein vorher aufgebrachter Anpreßdruck im Bereich der Kontaktierung erhalten bleibt oder noch durch thermische Einflüsse verstärkt wird.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung beschäftigt sich mit der Gestaltung der Steuerelektrode des Halbleiterbauelements (z. B. Gate-Anschluß eines Leistungs-Feldeffekttransistors, deren wirksame Kontaktfläche über ein im Unterbrechungsbereich angeordnetes Kontaktierungsmittel mit einer elektrischen Ansteuereinheit in Verbindung steht.
Das Kontaktierungsmittel kann dabei gemäß einer ersten Variante ein Federkontaktstift sein, welcher insbesondere konzentrisch zu den Anschlußenden der Kabelanschlüsse angeordnet ist. Diese Variante eignet sich besonders dann, wenn die Hochstromkontaktierung der Hauptelektroden, die bei Feldeffekttransistoren durch die Drain/Source Anschlüsse, bei Leistungstransistoren durch die Kollektor-/Emitteranschlüsse gebildet werden, durch Preßkontaktierung hergestellt sind.
Als Alternative dazu ist das Kontaktierungsmittel der Steuerelektrode ein passiver Funkempfänger. Dieser ist direkt auf dem Chip in unmittelbarer Nähe der Steuerelektrode angeordnet und besteht in seiner einfachsten Ausgestaltung aus einer Antennenstruktur, einer Diode und einer Spule, die z. B. in MOS-Technik geätzt sind. In einer weiteren Ausgestaltung kann der so gebildete Empfänger auch aus mehreren Schwingkreisen verschiedener Resonanzfrequenzen bestehen, um beispielsweise eine verbesserte Adressierung des Empfängers zu ermöglichen.
Alternativ dazu ist das Kontaktierungsmittel der Steuerelektrode durch einen Schallempfänger gebildet, der beispielsweise im Ultra- oder Hyperschallbereich arbeitet. Hierbei wird direkt auf dem Chip in unmittelbarer Nähe der Steuerelektrode ein Schallempfänger installiert, der in seiner einfachsten Gestaltung aus einer Antennenstruktur gebildet ist, die auf piezoelektrischem Material geätzt ist. Alternativ dazu kann der Empfänger auch Strukturen enthalten, die in Form eines Interdigitalfilters ausgebildet sind und so eine digitale Kodierung ermöglichen.
In einer weiteren Alternative ist das Kontaktierungsmittel durch einen optoelektronischen Empfänger gebildet, der ebenfalls direkt auf dem Chip in unmittelbarer Nähe der Steuerelektrode angeordnet ist. Dieser besteht aus einer optoelektronischen Halbleiterstruktur, an dessen Ausgang die Gate-Steuerspannung zur Verfügung gestellt wird.
Die räumliche Anordnung der Steuerelektrode in bezug auf die übrigen Anschlüsse des Leistungshalbleiterbauelementes ist bevorzugt so gewählt, daß sie zentrisch sitzt. Dabei ist die Berandung der Steuerelektrode vorzugsweise kreisrund oder polygonal, so daß sich möglichst hohe Stromdichten erzielen lassen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1
eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines elektrischen Kabels mit in dessen Verlauf angeordnetem Halbleiterschalter nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 2
ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektrisches Kabel in Explosionsdarstellung
Fig. 3
das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 im zusammengebauten Zustand
Figur 1 zeigt ein elektrisches Kabel 1, das an einer Trennstelle 2 unterbrochen und dort mit einem Halbleiterschalter 3 kontaktiert ist. Der Halbleiterschalter ist als scheiben- oder plattenförmiges Halbleitersystem 4 zwischen die Stirnenden 5 und 6 von Kabel-Anschlußstücken 7 eingesetzt. Der Durchmesser des platten- oder tablettenförmigen Halbleitersystems 4 ist zweckmäßigerweise an den Außendurchmesser des Kabels angepaßt, so daß eine axial weitestgehend gleichbleibende Querschnittsform des Kabel mit integriertem Halbleiterschalter 3 vorhanden ist.
Das Halbleitersystem 4 kann ein in MOSFET-Technologie hergestellter Feldeffekttransistor sein, wobei auch die Möglichkeit besteht, daß das Halbleitersystem mehrere auf einem Wafer parallel geschaltete. Halbleiterelemente aufweist, die ein Halbleiterarray bilden. Die spezielle Ausführungsform des Halbleitersystems 4 kann den jeweiligen Anwendungsfällen entsprechend ausgeführt sein.
Eine bevorzugte Anwendung ist der Einsatz in Verbindung mit einem Hochstromleiter, so daß dementsprechend auch das Halbleitersystem 4 für die auftretenden Ströme dimensioniert sein muß.
Mit Hilfe des Halbleiterschalters 3 kann der Stromfluß in dem Kabel 1 gesteuert bzw. unterbrochen werden. Der Halbleiterschalter 3 ist mit seinem Halbleitersystem 4 in den praktisch gestreckten Verlauf des Kabels 1 integriert, indem es mit seinen Flachseiten 8 und 9 mit den Stirnenden 5 und 8 der Anschlußstücke 7 direkt kontaktiert. Der Kabelanschluß ist im gezeigten Ausführungsbeispiel axial ausgeführt, er kann aber auch beliebig abgewinkelt erfolgen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Druckkontaktierung vorgesehen, d. h., daß die Anschlußstücke 7 zu dem Halbleitersystem 4 hin druckbeaufschlagt sind. Dies kann durch ein die Trennstelle 2 überbrückendes Gehäuse 10 erfolgen, in dem bedarfsweise an den Kabelenden oder den Kabelanschlußstücken 7 angreifende Druckmittel, z. B. Druckfedern (hier nicht dargestellt) angeordnet sind. Beispielsweise könnten solche Druckfedern zwischen ringförmigen Ansätzen 11 an den Anschlußstücken 7 und Gehäuseeinformungen eingesetzt sein.
Ist das Halbleitersystem 4 als Feldeffekttransistor ausgebildet, wobei auch eine größere Anzahl von Einzelhalbleiterelementen, die zur Erhöhung der Strombelastbarkeit parallel geschaltet sind, das Halbleitersystem bilden können, so bildet die eine Flachseite 8 des Halbleitersystems beispielsweise den Anodenanschluß und die andere Flachseite 9 den Kathodenanschluß. Ein dritter Anschluß am Halbleitersystem 4 bildet den Gateanschluß 13, über den der Halbleiterschalter 3 gesteuert werden kann.
Im Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterschalter 3 mit einer Auswerte- und Steuerschaltung 14 verbunden, die vorzugsweise durch eine anwenderspezifische, integrierte Schaltung gebildet sein kann. Damit kann auch eine Überwachung des im elektrischen Kabel über den Halbleiterschalter 3 fließenden Stromes erfolgen. Weiterhin kann ein Stromgrenzwert überwacht werden sowie eine Stromgradientenüberwachung vorgenommen werden. Dies kann je nach Anwendung erfolgen und es besteht damit die Möglichkeit, den Stromfluß innerhalb des Kabels zu beeinflussen, bedarfsweise auch zu unterbrechen.
Die Auswerte- und Steuerschaltung 14 ist zweckmäßigerweise über einen BUS-Anschluß 15 an eine zentrale Steuereinrichtung anschließbar. Die Auswerte- und Steuerschaltung 14 ist weiterhin mit einer Anzeigeeinrichtung, im Ausführungsbeispiel mit einer Leuchtdiode 16 verbunden, über die eine Statusanzeige erfolgen kann, anhand der erkennbar ist, ob der Halbleiterschalter 3 sperrt oder leitet. Dauerlicht könnte beispielsweise bedeuten, daß der Halbleiterschalter 3 den Stromfluß unterbrochen hat, während eine blinkende Leuchtdiode 16 auf einen internen Defekt hinweist.
Der in der Zeichnungsfigur linke Kabelstrang des Kabels 1 weist eine in seiner Isolierung 17 integrierte, leitende Schutzschicht 18 auf, die innerhalb des Gehäuses 10 über einen elektrischen Leiter 19 mit der Auswerte- und Steuerschaltung 14 verbunden ist. Damit ist beispielsweise bei Einsatz des elektrischen Kabels mit integriertem Halbleiterschalter 3 als Hochstromkabel in einem Kraftfahrzeug die Möglichkeit gegeben, eine bereichsweite Crashüberwachung durchzuführen. Wird dabei durch die Auswerte- und Steuerschaltung ein Kurzschluß zwischen der leitenden Schutzschicht und Masse oder eine Unterbrechung der Schutzschicht 18 registriert, kann der Halbleiterschalter durch die Auswerte- und Steuerschaltung 14 gesperrt und somit der Stromfluß unterbrochen werden, ehe das Kabel selbst mit seinem Leiter in elektrischem Kontakt mit Masse gelangt und dann ein hoher Strom fließen würde, der unter Umständen zu einem Brand führen kann. Da aber auch der Stromfluß im Kabel selbst überwacht wird und bei Überschreiten eines zulässigen Stromes ein Unterbrechen des Stromflusses durch Sperren des Halbleiterschalters erfolgt, ist praktisch eine doppelte Absicherung vorhanden. Das Kabel 1 kann in innerhalb des Kraftfahrzeuges verlegtes Batteriekabel sein, in dessen Verlauf ein oder mehrere, integrierte Halbleiterschalter 3 mit Auswerte- und Steuerschaltung und dergleichen vorgesehen sind. Dabei besteht die Möglichkeit, daß das Kabel mit integriertem Halbleiterschalter auf einer Seite des Halbleitersystems an eine Batterieklemme angeschlossen und mit der anderen Seite mit Verbrauchern verbunden ist, so daß im Bedarfsfall eine elektrische Trennung der Batterie vom Bordnetz möglich ist. Die elektrische Trennung kann durch Ansteuern des Halbleiterschalters wieder rückgängig gemacht werden.
Wie bereits vorerwähnt, ist zur mechanischen Stabilisierung und zur Halterung der Kabelenden das Gehäuse 10 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel etwa hülsenförmig ausgebildet ist. Es umschließt die Trennstelle 2 mit dem dazwischen befindlichen Halbleitersystem 4, so daß die innerhalb des Gehäuses befindlichen Teile vor äußeren Einflüssen geschützt untergebracht sind. Zur Zugentlastung in axialer Richtung hintergreifen die Gehäuseeinformungen 12 die ringförmigen Ansätze 11 der Kabel-Anschlußstücke 7, so daß hier eine formschlüssige Verbindung vorhanden ist. Nach außen beabstandet zu diesen Formschluß-Verbindungsstellen zum Haltern in axialer Richtung, stützen Gehäusedurchführungen 20 die beiden Kabelstränge ab. Gut zu erkennen ist in der Zeichnung noch, daß die Kabelenden bzw. deren Leiter 21 über eine Crimpverbindung 22 jeweils mit einem Anschlußstück 7 verbunden sind.
Auch die Auswerte- und Steuerschaltung 14 sowie die Leuchtdiode 16 sind innerhalb des Gehäuses geschützt untergebracht.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromzuführungskabels in Explosionsdarstellung. Fig. 3 zeigt den Zusammenbau der in Fig. 2 einzeln dargestellten Komponenten.
Das von Positionsrahmen (31 bzw. 32) gehaltene und positionierte Halbleiterbauelement in Form eines Siliziumchips 33 weist neben den nicht näher bezeichneten für die Stromführung maßgeblichen Elektroden einen Gate-Anschluß 34 auf. Dieser ist zentral auf der Vorderseite des Siliziumchips 33 angeordnet.
Auf der einen stromführenden Elektrode des Siliziumchips 33 ist ein erster Druckstempel 35 angeordnet, welcher eine quadratische Ausprägung aufweist, die flächig mit dem Siliziumchip 33 in Kontakt steht.
Der andere Druckstempel 36 steht mit der anderen Elektrode des Siliziumchips flächig in Kontakt, weist aber in der Mitte eine zentrische Aussparung auf. Durch die Aussparung kann ein dort angeordneter Kontaktstift 38, welcher in eine Isolationshülse 37 angeordnet ist, auf die Gate-Elektrode 34 in Form eines spitzen Kontaktes zugreifen. Die Kontaktierung des Kontaktstiftes 38 erfolgt mittels einer Positionshülse 39. Über den Kontaktstift 38 erfolgt die elektrische Ansteuerung der Gate-Elektrode 34 und somit das Öffnen bzw. Schließen des Halbleiterbauelementes für den elektrischen Stromfluß.
Die Druckstempel 35, 36 stehen über eine Federhülse 40 in gegenseitigem Druckkontakt, so daß das Siliziumchip 33 elektrisch kontaktiert unter Druck zwischen ihnen eingeschlossen ist. An der einen Seite des Druckstempels 35 ist der Batterieklemmanschluß angeformt bzw. der Leitungsanschluß für den Fall des Einbaus des Kabels in der Leitung. Auf der gegenüberliegenden Seite am weiteren Druckstempel 36 befindet sich der andere Leitungsanschluß.
Nach weiteren, nicht zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Kontaktstift zur Ansteuerung der Gate-Elektrode 34 auch ersetzt sein durch kontaktlose Elemente.
Ein erstes Beispiel ist die Ansteuerung der Gate-Elektrode 34 durch einen passiven Funkempfänger, welcher auf dem Chip in unmittelbarer Nähe der Gate-Elektrode 34 installiert ist. Dieser besteht im einfachsten Fall aus einer Antenne und einer Spule. Bei Empfang des entsprechenden abgestimmten Signals wird auf die Gate-Elektrode eine elektrische Spannung gegeben, so daß ein Durchsteuern des Halbleiterelementes erfolgt.
Alternativ dazu kann auch ein schallempfindliches Element in unmittelbarer Nähe der Gate-Elektrode 34 angeordnet sein. Dieses gibt bei Anregung mit einer vorbestimmten Ultraschallfrequenz eine elektrische Spannung aus, um die Gate-Elektrode anzusteuern. Solche Elemente sind beispielsweise als Interdigitalfilter aus der Praxis bekannt. Eine dritte Variante besteht darin, daß die Kontaktierung der Steuerelektrode durch einen optoelektronischen Empfänger erfolgt, der ebenfalls in unmittelbarer Nähe der Gate-Elektrode 34 angeordnet ist.

Claims (21)

  1. Elektrisches Kabel zur Stromzuführung von einer Stromquelle zu einem Verbraucher, welches mindestens einen von Anschlußabschnitten (7) des Kabels (1) begrenzten Unterbrechungsbereich aufweist, in welchem ein Bauelement zur Unterbrechung des Stromflusses angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Bauelement ein steurbares Halbleiterbauelement (3), insbesondere ein Halbleitership, ist, dessen für den Stromfluß wirksame Kontaktflächen (8,9) mit den Stirnenden der Anschlußabschnitte (7) des Kabels (1) im Unterbrechungsbereich unter Druckwirkung in Verbindung stehen, wobei eine direkte Flächenkontaktierung zwischen den Stirnenden der Anschlußabschnitte (7) und den Kontaktflächen (8,9) des Halbleiterbauelementes (3) vorgesehen ist.
  2. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein den mindestens einen Unterbrechungsbereich umschließendes Gehäuse (10) vorgesehen ist, welches Druckmittel, insbesondere Druckfedern, aufweist zur Druckbeaufschlagung der Anschlußabschnitte des Kabels gegen die wirksamen Kontaktflächen (9) des Halbleiterbauelementes (3).
  3. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    das metallische Gehäuse selbst als Druckerzeugungsmittel, insbesondere als Preßfeder, ausgebildet ist.
  4. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, 2 oder 3
    dadurch gekennzeichnet,...daß
    das metallische Gehäuse und/oder die Oberflächen der Anschlußabschnitte des Kabels zumindest teilweise elektrisch isolierend beschichtet sind.
  5. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, 2 oder 3
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zwischen dem metallischen Gehäuse und den Anschlußabschnitten eine elektrisch isolierende Unterlegscheibe angeordnet ist.
  6. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    eine mindestens eine den Unterbrechungsbereich umgebende Kunststoffumkapselung vorgesehen ist, innerhalb der ein insbesondere thermisch erzeugter und/oder verstärkter, Preßdruck ausgebildet ist.
  7. Elektrisches Kabel nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    die Umkapselung durch Umspritzung der Anschlußabschnitte gebildet ist.
  8. Elektrisches Kabel nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    die Umkapselung durch Eingießen der Anschlußabschnitte gebildet ist.
  9. Elektrisches Kabel nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    das elektrische Kabel durch Verschraubung der Anschlußabschnitte nach einem vorher aufgebrachten Preßdruck gebildet ist.
  10. Elektrisches Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    das Halbleiterbauelement (33) eine Steuerelektrode (34) aufweist, deren wirksame Kontaktfläche über ein im Unterbrechungsbereich angeordnetes Kontaktierungsmittel (38, 39) mit einer elektrischen Ansteuereinheit in Verbindung steht.
  11. Elektrisches Kabel nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    das Kontaktierungsmittel ein insbesonders konzentrisch zu den Anschlußenden angeordneter Federkontaktstift (38) ist.
  12. Elektrisches Kabel nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    daß das Kontaktierungsmittel ein passiver Funkempfänger ist.
  13. Elektrisches Kabel nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    der Funkempfänger eine Antenne und eine Spule, insbesondere in MOS Struktur, aufweist.
  14. Elektrisches Kabel nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    das Kontaktierungselement ein Schallempfänger ist.
  15. Elektrisches Kabel nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    der Schallempfänger eine auf piezoelektrischem Material geätzte Antennenstruktur aufweist.
  16. Elektrisches Kabel nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    der Schallempfänger ein Interdigitalfilter aufweist.
  17. Elektrisches Kabel nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    der Schallempfänger im Ultra- oder Hyperschallbereich arbeitet.
  18. Elektrisches Kabel nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    das Kontaktierungsmittel ein optoelektronischer Empfänger ist.
  19. Elektrisches Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    die Steuerelektrode zentrisch in Bezug auf die für den Stromfluß wirksamen Halbleiterflächen angeordnet ist.
  20. Elektrisches Kabel nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    die Steuerelektrode kreisrund ist
  21. Elektrisches Kabel nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet,daß
    die Steuerelektrode polygonal berandet ist.
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