JP2017504283A

JP2017504283A - Ｍｉｔ素子を用いた自動高温・高電流遮断方法及自動高温・高電流遮断スイッチ

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Publication number: JP2017504283A
Application number: JP2016557847A
Authority: JP
Inventors: チェリー，ドン; グリー，ヨン; ヒョンチョイ，チュン
Original assignee: Mobrik Co ltd
Current assignee: Mobrik Co ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN104969432A; US9997901B2; WO2015088111A1; KR101446994B1; EP2937960A4; US20160064917A1; EP2937960A1

Abstract

ＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いた自動高温・高電流遮断方法は、ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）の抵抗及びリファレンス抵抗に基づいてＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にかかるＦＥＴ電圧を算出する段階と、ＦＥＴ電圧の大きさと所定の臨界電圧の大きさを比較する段階と、ＦＥＴ電圧が臨界電圧より大きい場合は、ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に設定し、ＦＥＴ電圧が臨界電圧より小さい場合は、ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に設定する段階と、を備え、ＣＴＳはＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いたスイッチであり、ＭＩＴ素子は所定の温度範囲でのみ金属特性を有する素子である。

Description

本発明は、ＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いた自動高温・高電流遮断方法及び自動高温・高電流遮断スイッチに関するものであり、より詳しくは、ＭＩＴ素子を用いて、高温・高電流時に自動で電力を遮断する方法及びスイッチに関する。

通常、スマートフォンのような電子デバイスで主に用いられるバッテリーは、高温による破損や発火問題が発生してはならない。このために、バッテリー保護回路を用意し、バッテリーの破損などを防止している。このようなバッテリー保護回路は、１次保護回路と、１次保護回路の動作を補完するためにバイメタル（Ｂｉ−Ｍｅｔａｌ）、ＴＣＯ、ＰＴＣ、またはＦｕｓｅなどで構成された２次保護回路とで構成される。

しかし、既存のバッテリー保護回路は二つの保護回路で構成されるため、製造費用の上昇のみならず、電子デバイスの小型化が容易ではないという問題がある。

本発明の一つの目的は、ＭＩＴ素子を用いた高温・高電流時に自動で電力を遮断する方法及びスイッチを提供することである。

上述した目的を達成するための本発明の実施例において、ＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いた自動高温・高電流遮断方法は、ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）の抵抗及びリファレンス抵抗に基づいてＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にかかるＦＥＴ電圧を算出する段階と、前記ＦＥＴ電圧の大きさと所定の臨界電圧の大きさを比較する段階と、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より大きい場合は、前記ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に設定し、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より小さい場合は、前記ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に設定する段階と、を備え、ＣＴＳはＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いたスイッチであり、ＭＩＴ素子は所定の温度範囲でのみ金属特性を有する素子である。

本発明の実施例において、ＦＥＴ電圧は、以下の数式を用いて算出することができる。
〈数式〉

ここで、Ｖ_ｇｓはＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は電源電圧、Ｒ_ＣＴＳはＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆはリファレンス抵抗である。

本発明の実施例において、ＦＥＴはＮ型ＭＯＳＦＥＴであり、前記ＣＴＳは温度上昇時の抵抗値の変化推移と温度下降時の変化推移が互いに異なる特性を有する。

上述した目的を達成するための本発明の実施例において、ＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いた自動高温・高電流遮断スイッチは、ＭＩＴ素子を用いて、所定の温度範囲でのみ金属特性に有するＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）と、ＣＴＳの抵抗と直列に接続された電源から入力される電源電圧に基づき、前記ＣＴＳ抵抗に印加するＣＴＳ電圧を決定するためのリファレンス抵抗と、ＣＴＳの両端がゲートとソースにそれぞれ接続され、前記ＣＴＳ電圧と所定の臨界電圧とに基づいて、オン・オフ動作を行うＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、を備え、ゲートとソースの間の電圧であるＦＥＴ電圧の大きさと前記臨界電圧の大きさを比較し、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より大きい場合、前記ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に設定し、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より小さい場合、前記ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に設定する。

本発明の実施例において、ＦＥＴ電圧は、以下の数式を用いて算出される。
〈数式〉

本発明の実施例において、自動高温・高電流遮断スイッチは、バッテリーを保護するための保護ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）の入出力端に連結され、ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定する。

本発明の実施例において、自動高温・高電流遮断スイッチは、バッテリーを保護するための保護ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）におけるＦＥＴ制御をするための信号部に備えられ、前記ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定する。

上述した目的を達成するための本発明の実施例において、ＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いた自動高温・高電流遮断スイッチは、第１遮断スイッチと、第２遮断スイッチを、を備え、前記第１遮断スイッチは、第１ＭＩＴ素子を用いて、第１温度範囲でのみ金属特性を有する第１ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）と、前記第１ＣＴＳの抵抗と直列に接続された第１電源から入力される第１電源電圧に基づき、前記第１ＣＴＳ抵抗にかかる第１ＣＴＳ電圧を決定するための第１リファレンス抵抗と、前記第１ＣＴＳの両端が第１ゲートと第１ソースにそれぞれ連結され、前記第１ＣＴＳ電圧と第１臨界電圧に基づいて、オン・オフ動作を行う第１ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、を含み、第２遮断スイッチは、第２ＭＩＴ素子を用いて、第２温度範囲でのみ金属特性を有する第２ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）と、第２ＣＴＳの抵抗と直列に接続された第２電源から入力される第２電源電圧に基づき、前記第２ＣＴＳ抵抗にかかる第２ＣＴＳ電圧を決定するための第２リファレンス抵抗と、第２ＣＴＳの両端が第２ゲートと第２ソースにそれぞれ連結され、前記第２ＣＴＳ電圧と第２臨界電圧に基づいて、オン・オフ動作を行う第２ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、を含み、第１遮断スイッチは、前記第１ゲートと前記第１ソースの間の電圧である第１ＦＥＴ電圧の大きさと前記第１臨界電圧の大きさを比較し、前記第１ＦＥＴ電圧が前記第１臨界電圧より大きい場合、前記第１ＦＥＴをオン状態に設定し、前記第１ＦＥＴ電圧が前記第１臨界電圧より小さい場合、前記第１ＦＥＴをオフ状態に設定し、第２遮断スイッチは、前記第２ゲートと前記第２ソースの間の電圧である第２ＦＥＴ電圧の大きさと前記第２臨界電圧の大きさを比較し、前記第２ＦＥＴ電圧が前記第２臨界電圧より大きい場合、前記第２ＦＥＴをオン状態に設定し、前記第２ＦＥＴ電圧が前記第２臨界電圧より小さい場合、前記第２ＦＥＴをオフ状態に設定する。

本発明の実施例において、第１ＣＴＳは過放電を遮断するように構成され、第２ＣＴＳは過充電を遮断するように構成される。

本発明の実施例において、第１温度範囲と第２温度範囲は互いに異なる。

本発明の実施例において、前記第１ＦＥＴ電圧は、以下の数式１を用いて算出される。
〈数式１〉

ここで、Ｖ_ｇｓは第１ＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は第１電源電圧、Ｒ_ＣＴＳは第１ＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆは第１リファレンス抵抗である。

本発明の実施例において、前記第２ＦＥＴ電圧は、以下の数式２を用いて算出される。
〈数式２〉

ここで、Ｖ_ｇｓは第２ＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は第２電源電圧、Ｒ_ＣＴＳは第２ＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆは第２リファレンス抵抗である。

上述したように本発明の実施例によるＭＩＴ技術を適用した自動高温・高電流遮断方法及びスイッチを使用することで、過電流によって熱が発生する場合、回路に供給される電力を遮断し回路を保護することができる。

また、従来過電流によって熱が発生する場合、電力を遮断するために使用されていたバイメタル、ＴＣＯ（ＴｈｅｒｍａｌＣｕｔＯｆｆ）、ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）またはＦｕｓｅの代わりにＭＩＴ技術を基にした高温／高電流遮断スイッチを使用することで、従来に比べて少ない費用で反応温度の誤差が小さい電力遮断装置を実現することができる。

図１は、ＶＯ２（二酸化バナジウム）薄膜の温度による抵抗変化を示すグラフである。図２は、ＭＩＴ素子を用いたＣＴＳの温度／抵抗依存性を示すグラフである。図３は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチを示す概念図である。図４は、本発明の実施例によるＶＧＳ電圧の変化特性を示すグラフである。図５は、本発明の実施例によるバッテリー保護回路を示す概念図である。図６は、本発明の実施例によるパッケージ化された自動高温・高電流遮断スイッチを示す概念図である。図７は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチが実現されたＰＯＣ（ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＯｎｅＣｈｉｐ）を示す概念図である。図８は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチが実現されたＰＯＣ（ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＯｎｅＣｈｉｐ）を示す概念図である。図９は、本発明の実施例によるバッテリー保護回路を示す概念図である。図１０は、本発明の実施例によるバッテリー保護回路を示す概念図である。図１１は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチの回路を示す概念図である。図１２は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチの回路を示す概念図である。

本発明は、多様な変更を加えることができ様々な実施例を有することができるため、特定の実施例を図面において詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定する意図ではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解すべきである。各図面を説明しながら類似した参照符号を類似した構成要素に対して使用した。

第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明するのに用いられるが、前記構成要素は前記用語によって限定されるものと解釈してはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲内において第１構成要素は第２構成要素と定義され、同様に第２構成要素も第１構成要素と定義される。及び／またはという用語は、複数の関連し記載された項目の組み合わせまたは複数の関連し記載された項目の中のいずれかの項目を含む。

ある構成要素が異なる構成要素に「連結されて」いるか「接続されて」いると記述する際には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいものと理解しなければならない。一方、ある構成要素が異なる構成要素に「直接連結されて」いるか「直接接続されて」いると記述した時には、中間に他の構成要素が存在しないことと理解しなければならない。

本出願で使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために用いられたもので、本発明を限定する意図はない。単数の表現は文脈上、明らかに異なる意味を有しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせのものなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の好ましい実施例についてより詳細に説明する。以下、図面において同一の構成要素に対しては同一の参照符号を使用し、同一の構成要素については重複説明を省略する。

図１は、ＶＯ２（二酸化バナジウム）薄膜の温度による抵抗変化を示すグラフである。

金属−絶縁体−転移（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ，ＭＩＴ）とは、特定絶縁物質が特定の温度または電場に該当する環境で絶縁特性（不導体的特性）から突然金属特性に変わる現象をいう。

図１を参照すると、常温で絶縁体（不導体）である二酸化バナジウム（ＶＯ２）の温度を上げると、６７度付近で抵抗がほぼ１０万分の１に急激に減少するという事実が分かる。このような温度による抵抗の急激な変化は、金属‐絶縁体‐転移（ＭＩＴ）の代表的な特徴であり得る。

以下、本発明の実施例では特定温度で不導体から金属に急激に転移するＭＩＴ技術と電子回路でスイッチに主に使用されるＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を利用し、特定温度以上になったり特定電流以上になると自動で回路を遮断するＭＩＴ技術を適用した自動高温・高電流遮断スイッチ（以下、「自動高温・高電流遮断スイッチ」と称する）について開示する。

本発明による自動高温・高電流遮断スイッチは、ＭＩＴ技術が適用されたスイッチ（例えば、ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ））とスイッチのｏｎ／ｏｆｆを決定する基準点を設定するためのリファレンス抵抗（Ｒｒｅｆ）によって分配された電圧に従ってＦＥＴのｏｎ／ｏｆｆが決定される。

図２は、ＭＩＴ技術が適用されたＣＴＳの温度／抵抗依存性を示すグラフである。

図２を参照すると、ＣＴＳは温度によって互いに異なる抵抗値を有することができる。３０度で１Ｍｏｈｍ（メガオーム）を有するＣＴＳ抵抗は３０度ないし７０度の温度領域では温度が上昇するに従って緩やかに減少するが、７０度ないし８０度の温度領域では約１００オーム以下に急激に減少し得る。即ち、温度が上昇するに従って緩やかに減少していた抵抗値は特定温度（６０℃−９０℃、蒸着条件によって決定）になると１０＾−４の比率で急激に減少する特性を持っているため、温度上昇時の抵抗値変化の推移と温度下降時の抵抗値変化の推移に差異が存在する。

ＣＴＳに適用されるＭＩＴ素子によって温度によるＣＴＳ抵抗の変化特徴が異なって実現される。このような特性を持つＣＴＳとリファレンス抵抗及びＦＥＴを利用して自動高温・高電流遮断スイッチを構成することによって、特定温度や特定電流以上で自動で遮断されるスイッチを実現することができる。以下、本発明の実施例ではこのような自動高温・高電流遮断スイッチの多様な構成について開示する。

図３は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチを示す概念図である。

図３を参照すると、自動高温・高電流遮断スイッチはＣＴＳ（３００）、リファレンス抵抗（３２０）及びＦＥＴ（３４０）に基づき実現される。

即ち、自動高温・高電流遮断スイッチはＭＩＴ素子に基づき実現され特定温度の範囲でのみ金属属性を持つＣＴＳ（３００）、ＣＴＳ（３００）の抵抗と直列に連結され入力されるソース電圧に基づき前記ＣＴＳ抵抗に付与されるＣＴＳ電圧を決定するために使用されるリファレンス抵抗（３２０）とＣＴＳ（３００）の両端がゲート（Ｇａｔｅ）とソース（Ｓｏｕｒｃｅ）にそれぞれ連結され、前記ＣＴＳ電圧と臨界電圧を比較してｏｎ／ｏｆｆ動作を行うＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（３４０）を含むことができる。自動高温・高電流遮断スイッチはゲート（Ｇａｔｅ）とソース（Ｓｏｕｒｃｅ）の間の電圧であるＦＥＴ電圧の大きさと臨界電圧の大きさを比較し、ＦＥＴ電圧が臨界電圧より大きい場合にはＦＥＴ（３４０）をオン（ｏｎ）の状態に決定し、ＦＥＴ電圧が臨界電圧より小さい場合にはＦＥＴ（３４０）をオフ（ｏｆｆ）の状態に決定することができる。

自動高温・高電流遮断スイッチを実現するために使用されるＮ−チャンネルモスフェット（Ｎ−ｃｈａｎｎｅｌＭＯＳＦＥＴ）（以下、「Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ」と称する）（３４０）は、ゲート（Ｇａｔｅ）とソース（Ｓｏｕｒｃｅ）の間にかかる電圧（Ｖ_ｇｓ）及び臨界電圧（Ｖ_Ｔｈ）（例えば、０．６Ｖ−１．５Ｖ）に基づきｏｎ／ｏｆｆが決定される。例えば、Ｖ_ｇｓが臨界電圧以上に印加されると「ｏｎ」状態になり、電圧源（Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}）と負荷（Ｌｏａｄ）の間に閉回路が構成される。反対にＶ_ｇｓが臨界電圧より低い電圧が印加される場合には「ｏｆｆ」状態になり電圧源から負荷が分離される。

図３のように温度による他の抵抗値を有するＣＴＳ素子（３００）を使用し、リファレンス抵抗（３２０）に固定抵抗を使用する場合、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）のゲートとソースの間に印加される電圧（Ｖ_ｇｓ）は以下のような数式１と同じ値を有することができる。
〈数式１〉

Ｖ_ｇｓ：Ｎ型ＭＯＳＦＥＴのゲートとソースの間に印加された電圧
Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}：電源電圧
Ｒ_ＣＴＳ：ＣＴＳの抵抗値
Ｒ_ｒｅｆ：Ｒ_ｒｅｆの抵抗値

本発明の実施例によると、温度によって変化するＲ_ＣＴＳ値によってＮ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）のｏｎ／ｏｆｆ状態が決定される。ここで、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}＝５Ｖ、Ｒ_ｒｅｆ＝１００ｋｏｈｍを使用すると仮定した場合、常温及び特定温度（例えば、７２℃）以下では図２と同様にＲ_ＣＴＳの値がＲ_ｒｅｆに比べてずっと大きいため、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}のほとんどはＲ_ＣＴＳの両端にかかるようになり、結果的にＶ_ｇｓ値はＶ_ＴＭより高くなり、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）は「ｏｎ」状態を維持する。

一方、特定温度以上の高温環境になる場合には、ＣＴＳ（３００）の抵抗値が急激な転移を通して１００オーム（Ｏｈｍ）以下の低い抵抗値を有し、結果的にＶ_ｇｓ値はＶ_ＴＭより低くなり、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）は「ｏｆｆ」状態になる。

これを簡略に表すと、以下の数式２になる。
〈数式２〉

結果的に、ＣＴＳ（３００）の抵抗が急激に変わる特定温度を基準に、回路の温度が特定温度より低い場合にはＮ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）がＯＮ状態になり、回路の温度が特定温度より高い場合にはＦＥＴ（３４０）がＯＦＦ状態になり、温度によって自動でＮ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）がＯＮ／ＯＦＦ状態で動作する自動高温・高電流遮断スイッチが実現される。

即ち、ＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）の特性を持つＶＯ２とＦＥＴを利用しＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を実現させる。ＮＴＣやＰＴＣサーミスター（ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）はそれぞれ温度が増加するに従って抵抗が減少したり、温度が増加するに従って抵抗が増加する特徴を持つ。即ち、既存のＮＴＣの特性を持つＭＩＴ素子が自動高温・高電流遮断スイッチに使用されることでＰＴＣの性質を持ち高温／高電流を遮断する役割を果たすことができる。

追加的に、前述した図２を参照すると、ＣＴＳ（３００）はヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）特性を有しており、温度上昇時の抵抗値変化の推移と温度下降時の抵抗値変化の推移に差がある。従って、温度が一定範囲で上昇及び／または下降が繰り返されても、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）のｏｎ／ｏｆｆ動作が温度の上昇及び下降によって急激に変化することを防止することができる。

図４は、本発明の実施例によるＶＧＳ電圧の変化特性を示すグラフである。

Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（３４０）は基本的にＶ_ＴＭの許容誤差（例えば、０．５Ｖ−１．５Ｖ）を存在するという問題点があるが、ＶＧＳ電圧は図４に示したように特定温度（例えば、７０‐７２度）で急激に変化するため、Ｖ_ＴＭの許容誤差が動作温度に与える影響は微々たるものであり、最小限の温度誤差の範囲内で回路を遮断するスイッチが実現される。

このような自動高温・高電流遮断スイッチはさまざまな回路に適用され、回路に供給される電力を遮断するために実現される。

以下、本発明の実施例では、図１ないし図４で前述した自動高温・高電流遮断スイッチを適用した回路について開示する。

図５は、本発明の実施例によるバッテリー保護回路を示す概念図である。

既存のバッテリー保護回路の場合、バイメタル（Ｂｉ−Ｍｅｔａｌ）、ＴＣＯ、ＰＴＣまたはＦｕｓｅなどを使用し温度上昇または電流上昇時にバッテリー保護動作を実現した。図５を参照すると、本発明の実施例によると、ＣＴＳ（５００）、リファレンス抵抗（５２０）及びＮ型ＭＯＳＦＥＴ（５４０）で実現される自動高温・高電流遮断スイッチを使用しバッテリー保護のための自動高温・高電流遮断スイッチ回路を実現することができる。

本発明による自動高温・高電流遮断スイッチを使用した場合、既存のバイメタルが１０％以上の反応温度の誤差を有しながら動作するのに比べて、３％以内の反応温度による誤差を有しながら動作することができる。バイメタルの場合、一定範囲の温度の変化に対して持続的な回路の動作が遂行されるためのヒステリシス特性を確保するために、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子を共に使用しなければならない。しかし、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチの場合は、ＣＴＳ（５００）そのものがヒステリシス特性を有するためＰＴＣ素子を別途使用する必要がない。

また、自動高温・高電流遮断スイッチは、保護回路（５５０）の「ＤＯＵＴ」及び「ＣＯＵＴ」端子にそれぞれＣＴＳ（５００）、リファレンス抵抗（５２０）及びＮ型ＭＯＳＦＥＴ（５４０）で実現される。即ち、自動高温・高電流遮断スイッチはバッテリーを保護するための保護ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）におけるＦＥＴ制御をするための信号部に実現され、ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定することができる。このような自動高温・高電流遮断スイッチは、保護回路（５５０）が高温状態にある時に、前述したようにＮ型ＭＯＳＦＥＴ（５４０）の動作がｏｆｆ状態で動作することになり、保護回路（５５０）に供給される電力を遮断することができる。このような自動高温・高電流遮断スイッチ回路は、一つのチップまたは一つのパッケージに実現され、小さい面積で自動高温・高電流遮断機能が実行されるように実現される。

図６は、本発明の実施例によるパッケージ化された自動高温・高電流遮断スイッチを示す概念図である。

図６を参照すると、ＦＥＴ（６２０）に供給される電力によって発生する発熱特性をＣＴＳ（６４０）が監視することができる。ＦＥＴ（６２０）の電流の大きさによる発熱特性を感知して過電流を遮断し、また外部熱を感知して過温度時の動作を遮断することができる。パッケージパッド（６００）の上にコモンドレインＦＥＴ（ｃｏｍｍｏｎｄｒａｉｎＦＥＴ）（６２０）を集積し、その上にＣＴＳ（６４０）及び保護ＩＣ（６６０）を集積することで、一つのパッケージ化された自動高温・高電流遮断スイッチを実現することができる。熱は電流の自乗値に比例するため、このようにパッケージ化された自動高温・高電流遮断スイッチを使用することで、過電流による熱を正確に判断し回路に供給される電力を遮断することができる。

図７及び図８は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチが実現されたＰＯＣ（ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＯｎｅＣｈｉｐ）を示す概念図である。

図７及び図８では保護回路に連結された自動高温・高電流遮断スイッチについて開示する。

図７を参照すると、ＦＥＴ、ＣＴＳ及びリファレンス抵抗が一つのチップ（８００）に実現されることで保護回路のＤｏｕｔ端子及びＣｏｕｔ端子に連結される。即ち、自動高温・高電流遮断スイッチは、バッテリーを保護するための保護ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）におけるＦＥＴ制御をするための信号部に実現され、ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定することができる。保護回路に連結された自動高温・高電流遮断スイッチは、ＦＥＴで特定温度以上の発熱が感知される場合、Ｄｏｕｔ端子及びＣｏｕｔ端子に入力される電力を遮断することで、回路が一定以上の温度に発熱することを防止することができる。

図８を参照すると、ＣＴＳとリファレンス抵抗が一つのチップ（７００）に実現され、保護回路に入力されるＤｏｕｔ端子及びＣｏｕｔ端子に入力される入力端に実現される。即ち、自動高温・高電流遮断スイッチは、バッテリーを保護するための保護ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）の入／出力端に連結され、前記ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定することができる。このような方法を使用することで、ＦＥＴで特定温度以上の発熱が感知された場合、Ｄｏｕｔ端子及びＣｏｕｔ端子に入力される電力を遮断することで、回路が一定以上の温度に発熱するのを防止することができる。

図９は、本発明の実施例によるバッテリー保護回路を示す概念図である。

図９の上段に見られるように、既存のバッテリー保護回路ではＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣと二つのＦＥＴで構成された１次保護回路の動作を補完するために、バイメタル、ＴＣＯ、ＰＴＣまたはＦｕｓｅなどを２次保護素子として使用している。一方、図９の下段に見られるように、本発明のよる自動高温・高電流遮断スイッチを使用する場合にはこのような２次保護素子がいらないため、原価節減が可能となる。また、２次保護素子の抵抗性負（数ｍｏｈｍ−数十ｍＯｈｍ）による電圧降下（ｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐ）も防止することができるため、バッテリーの効率を上げることができる。

図１０は、本発明の実施例によるバッテリー保護回路を示す概念図である。

図１０を参照すると、本発明の実施例によるバッテリーを保護するための回路が一つのチップに実現され保護回路とデュアルＮ型ＭＯＳＦＥＴで実現された場合、該保護回路の前端に自動高温・高電流遮断スイッチ（１０００）を実現し、温度上昇または電流上昇時に回路を遮断する方法を示す概念図である。

一つのチップに実現されたバッテリー保護回路の前端に、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ、ＣＴＳ、リファレンス抵抗で実現された自動高温・高電流遮断スイッチ（１０００）を実現することで、バイメタルのように高価な回路構成を使用しなくても自動高温・高電流遮断スイッチ回路を実現することができる。

図５ないし図１０は、自動高温・高電流遮断スイッチ（１０００）がバッテリー保護回路として使用される場合を例示的に示したものである。図２で前述した自動高温・高電流遮断スイッチは、バッテリー保護回路だけでなく多様な回路にも使用することができる。

図１１は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す概念図である。

図１１に示した多様な自動高温・高電流遮断スイッチ回路は、ＣＴＳ、ＦＥＴ及びリファレンス抵抗のさまざまな組み合わせに基づき実現される。

図１１の（Ａ）は、一つのＣＴＳと一つのＦＥＴに基づき実現された自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す示す。図１１の（Ｂ）は、一つのＣＴＳ、一つのＦＥＴ及び一つのリファレンス抵抗に基づき実現された自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す。このような回路に入力される電力を遮断するための入力部が一つである場合に実現される。

図１１の（Ｃ）は、二つのＣＴＳと二つのＦＥＴに基づき実現された自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す。図１１の（Ｄ）は、二つのＣＴＳ、二つのＦＥＴ及び二つのリファレンス抵抗に基づき実現された自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す。

図１１の（Ｅ）は、自動高温・高電流遮断スイッチが保護回路の入力部に実現され、保護回路に入力される高温で動作する場合、電力を遮断する方法を示す概念図である。

図１１の（Ｆ）は、保護回路を実現する際に、ＣＴＳを追加的に集積して実現した自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す。

図１１に示したように、多様な方法で自動高温・高電流遮断スイッチ回路が回路に入力される電力を遮断し、一定温度または一定電流以上で回路が動作しないように実現される。

図１２は、本発明の実施例による自動高温・高電流遮断スイッチ回路を示す概念図である。

図１２を参照すると、自動高温・高電流遮断スイッチ回路を実現するために、二つの互いに異なる性質を持つＣＴＳを使用し、過放電及び過充電を防止することができる。

例えば、第１ＣＴＳ（１２００）は過放電を遮断するために８５度で抵抗が急変するＣＴＳを使用し、第２ＣＴＳ（１２５０）は過充電を遮断するために７７度で抵抗が急変するＣＴＳを使用することができる。即ち、ＣＴＳで使用される物質が異なることによって必要に応じて遮断温度や遮断電流が互いに異なるスイッチを実現することができる。

また、図１２に示されているように、ＣＴＳに適用された物質が異なることによって必要に応じで遮断温度や遮断電流が互いに異なるスイッチを実現することができる。

即ち、自動高温・高電流遮断スイッチは第１遮断スイッチと第２遮断スイッチを含めて実現される。

第１遮断スイッチは第１ＭＩＴ素子に基づき実現され、第１温度範囲でのみ金属特性に基づき動作する第１ＣＴＳ、第１ＣＴＳの抵抗と直列に連結され入力されるソース電圧に基づき前記ＣＴＳ抵抗にかかるＣＴＳ電圧を決定するために使用される第１リファレンス抵抗、第１ＣＴＳの両端が第１ゲートと第１ソースにそれぞれ連結され前記ＣＴＳ電圧と臨界電圧を比較してｏｎ／ｏｆｆ動作を行う第１ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含むことができる。

第２遮断スイッチは第２ＭＩＴ素子に基づき実現され、第２温度範囲でのみ金属特性に基づき動作する第２ＣＴＳ、第２ＣＴＳの抵抗と直列に連結され入力されるソース電圧に基づき第２ＣＴＳ抵抗にかかるＣＴＳ電圧を決定するために使用される第２リファレンス抵抗、第２ＣＴＳの両端が第２ゲートと第２ソースにそれぞれ連結され第２ＣＴＳ電圧と臨界電圧を比較してｏｎ／ｏｆｆ動作を行う第２ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含むことができる。

第１遮断スイッチは、第１ゲートと第１ソースの間の電圧である第１ＦＥＴ電圧の大きさと第１臨界電圧の大きさを比較し、第１ＦＥＴ電圧が第１臨界電圧より大きい場合には第１ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に決定し、第１ＦＥＴ電圧が第１臨界電圧より小さい場合には第１ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に決定することができる。

第２遮断スイッチは同様に、第２ゲートと第２ソースの間の電圧である第２ＦＥＴ電圧の大きさと第２臨界電圧の大きさを比較し、第２ＦＥＴ電圧が第２臨界電圧より大きい場合には第２ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に決定し、第２ＦＥＴ電圧が第２臨界電圧より小さい場合には第２ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に決定することができる。

ＣＴＳにＶＯ２材料を使用する場合には、６８度以下で動作が可能であるが、ＶＯ２ではない他の材料で作ったＭＩＴ素子の温度範囲はそれぞれ−１９３〜−１１０度、２０〜１５０度まで拡張が可能である。従って、自動高温・高電流遮断スイッチは、特定任意の温度測定及び制御が必要なところで使用し、必要に応じてそれぞれ異なった温度制御範囲を設定することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

Claims

ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）の抵抗及びリファレンス抵抗に基づいてＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にかかるＦＥＴ電圧を算出する段階と、
前記ＦＥＴ電圧の大きさと所定の臨界電圧の大きさを比較する段階と、
前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より大きい場合は、前記ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に設定し、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より小さい場合は、前記ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に設定する段階と、
を備え、
前記ＣＴＳはＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いたスイッチであり、
前記ＭＩＴ素子は所定の温度範囲でのみ金属特性を有する素子である、
ＭＩＴ素子を用いた自動高温・高電流遮断方法。
前記ＦＥＴ電圧は、下記の数式を用いて算出され、
〈数式〉

ここで、Ｖ_ｇｓはＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は電源電圧、Ｒ_ＣＴＳはＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆはリファレンス抵抗である、
請求項１に記載の自動高温・高電流遮断方法。
前記ＦＥＴはＮ型ＭＯＳＦＥＴであり、
前記ＣＴＳは温度上昇時の抵抗値の変化推移と温度下降時の抵抗値の変化推移が互いに異なる、
請求項１に記載の自動高温・高電流遮断方法・
ＭＩＴ素子を用いて、所定の温度範囲でのみ金属特性に有するＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）と、
前記ＣＴＳの抵抗と直列に接続された電源から入力される電源電圧に基づき、前記ＣＴＳ抵抗に印加するＣＴＳ電圧を決定するためのリファレンス抵抗と、
前記ＣＴＳの両端がゲートとソースにそれぞれ接続され、前記ＣＴＳ電圧と所定の臨界電圧とに基づいて、オン・オフ動作を行うＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、
を備え、
前記ゲートとソースの間の電圧であるＦＥＴ電圧の大きさと前記臨界電圧の大きさを比較し、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より大きい場合、前記ＦＥＴをオン（ｏｎ）状態に設定し、前記ＦＥＴ電圧が前記臨界電圧より小さい場合、前記ＦＥＴをオフ（ｏｆｆ）状態に設定する、
ＭＩＴ（Ｍｅｔａｌ−ＩｎｓｕｌａｔｏｒＴｒａｎｓｉｔｉｏｎ）素子を用いた自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記ＦＥＴ電圧は、以下の数式を用いて算出され、
〈数式〉

ここで、Ｖ_ｇｓはＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は電源電圧、Ｒ_ＣＴＳはＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆはリファレンス抵抗である、
請求項４に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記自動高温・高電流遮断スイッチは、
バッテリーを保護するための保護ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）の入出力端に接続され、前記ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定する、
請求項５に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記自動高温・高電流遮断スイッチは、
バッテリーを保護するための保護ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）におけるＦＥＴ制御をするための信号部に備えられ、前記ＦＥＴ電圧によって電力供給の可否を決定する、
請求項５に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。
第１遮断スイッチと、
第２遮断スイッチを、
を備え、
前記第１遮断スイッチは、
第１ＭＩＴ素子を用いて、第１温度範囲でのみ金属特性を有する第１ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）と、
前記第１ＣＴＳの抵抗と直列に接続された第１電源から入力される第１電源電圧に基づき、前記第１ＣＴＳ抵抗にかかる第１ＣＴＳ電圧を決定するための第１リファレンス抵抗と、
前記第１ＣＴＳの両端が第１ゲートと第１ソースにそれぞれ連結され、前記第１ＣＴＳ電圧と第１臨界電圧に基づいて、オン・オフ動作を行う第１ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、
を含み、
前記第２遮断スイッチは、
第２ＭＩＴ素子を用いて、第２温度範囲でのみ金属特性を有する第２ＣＴＳ（ｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｉｔｃｈ）と、
前記第２ＣＴＳの抵抗と直列に接続された第２電源から入力される第２電源電圧に基づき、前記第２ＣＴＳ抵抗にかかる第２ＣＴＳ電圧を決定するための第２リファレンス抵抗と、
前記第２ＣＴＳの両端が第２ゲートと第２ソースにそれぞれ連結され、前記第２ＣＴＳ電圧と第２臨界電圧に基づいて、オン・オフ動作を行う第２ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、
を含み、
前記第１遮断スイッチは、前記第１ゲートと前記第１ソースの間の電圧である第１ＦＥＴ電圧の大きさと前記第１臨界電圧の大きさを比較し、前記第１ＦＥＴ電圧が前記第１臨界電圧より大きい場合、前記第１ＦＥＴをオン状態に設定し、前記第１ＦＥＴ電圧が前記第１臨界電圧より小さい場合、前記第１ＦＥＴをオフ状態に設定し、
前記第２遮断スイッチは、前記第２ゲートと前記第２ソースの間の電圧である第２ＦＥＴ電圧の大きさと前記第２臨界電圧の大きさを比較し、前記第２ＦＥＴ電圧が前記第２臨界電圧より大きい場合、前記第２ＦＥＴをオン状態に設定し、前記第２ＦＥＴ電圧が前記第２臨界電圧より小さい場合、前記第２ＦＥＴをオフ状態に設定する、
ＭＩＴ素子を用いた自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記第１ＣＴＳは過放電を遮断するように構成され、
前記第２ＣＴＳは過充電を遮断するように構成される、
請求項８に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記第１温度範囲と前記第２温度範囲が互いに異なる、
請求項９に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記第１ＦＥＴ電圧は、以下の数式１を用いて算出され、
〈数式１〉

ここで、Ｖ_ｇｓは第１ＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は第１電源電圧、Ｒ_ＣＴＳは第１ＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆは第１リファレンス抵抗である、
請求項１０に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。
前記第２ＦＥＴ電圧は、以下の数式２を用いて算出され、
〈数式２〉

ここで、Ｖ_ｇｓは第２ＦＥＴ電圧、Ｖ_{ｓｏｕｒｃｅ}は第２電源電圧、Ｒ_ＣＴＳは第２ＣＴＳの抵抗、Ｒ_ｒｅｆは第２リファレンス抵抗である、
請求項１１に記載の自動高温・高電流遮断スイッチ。