基于微机电系统的无电弧开关的制作方法

专利名称：基于微机电系统的无电弧开关的制作方法
基于微机电系统的无电弧开关 相关的专利申请
本专利申请是2005年12月20日提交的美国专利申请序列号No. 11/314, 336 (代理人文档号No. 162711-1 )的继续部分申请，该专利 申请整体地在此引用以供参考.

发明内容
本发明的实施例总的涉及用于在电流路径中关断电流的开关装 置，更特别地，涉及基于微机电系统的开关装置.
背景技术：
断路器被设计来保护电气设备免受因电路故障造成的损坏.传统 上，大多数常用的断路器包括笨重的机电开关。不幸地，这些惯用的 断路器是大尺寸的，必须使用大的力量来驱动开关机构。另外，这些 断路器的开关通常以相当慢的速度工作。而且，这些断路器不利地是 结构复杂的，因此制作成本昂贵。此外，当惯用的断路器的开关机构 的触点在物理上分开时，典型地在它们之间形成电弧，这使得继续通 过电流，直至电路中的电流停止为止.而且，与电弧有关的能量可以 严重地损坏触点和/或对个人造成烧伤。
作为对于慢的机电开关的替换例，在高速切换应用中采用快速的 固态开关。正如将会看到的，这些固态开关通过受控地施加电压或偏 压而在导通状态与非导通状态之间切换.例如，通过颠倒加到固态开 关的偏压，开关可以转换成非导通状态.然而，由于固态开关不产生 在触点之间的物理间隙，当它们被切换到非导通状态时，它们会经受 泄漏电流.而且，由于内部电阻，当固态开关工作在导通状态时，它 们经受电压降.电压降和泄漏电流两者都会在正常工作环境下产生过 量的热，这对于开关性能和寿命是有害的。此外，至少部分地由于与 固态开关有关的固有的泄漏电流，把固态开关用在断路器是不可能 的.

发明内容
概略地，按照本技术的各个方面，给出了一种系统，该系统包括 微机电系统开关。平衡的二极管电桥被配置成抑制在微机电系统开关 的触点之间形成电弧.脉冲电路被耦合到平衡的二极管电桥.脉冲电 路包括脉冲电容器，它适合于形成能使脉冲电流流过平衡的二极管电 桥的脉冲信号.脉冲信号响应于在被耦合到微机电系统开关的负栽电 路中的故障条件而被生成。能量吸收电路与脉冲电路被耦合成并联电 路.能量吸收电路包括能量吸收电容器，它适合于吸收由故障条件造 成的电能，而不影响由脉冲电路形成脉冲信号.
按照本技术的另外的方面，给出一种系统.该系统包括开关电路，
它包括一个微机电系统开关，被配置成把系统从第一开关状态切换到 第二开关状态.电孤抑制电路被耦合到开关电路，其中电孤抑制电路 被配置成抑制在微机电系统开关的触点之间形成电孤.检测电路被耦 合到电弧抑制电路，并被配置成确定故障条件的存在。脉冲电路被耦 合到电弧抑制电路和检测电路，其中脉冲电路被配置成响应于故障条 件而形成脉冲信号，并且其中与启动打开微机电系统开关相联系而把 脉冲信号施加到电孤抑制电路。能量吸收电路与脉冲电路被耦合成并 联电路。能量吸收电路适合于吸收由故障条件引起的电能，而不影响 由脉冲电路形成脉冲信号。


当参照附图阅读以下的详细说明时，将更好地明白本发明的这些 和其它特性、方面与优点，在所有的图上相同的字符代表相同的部件，
其中
图1是按照本技术各方面的示例性的基于MEMS的开关系统的框
图2是显示图1所示的基于示例性的MEMS的开关系统的示意图； 图3-5是显示图2所示的基于MEMS的开关系统的示例性操作的示 意性流程图6是显示MEMS开关的串行-并行阵列的示意图； 图7是显示分级MEMS开关的示意图8是显示具有图1所示的基于MEMS的开关系统的系统的工作流 程的流程图9是代表开关系统的关断的实验结果的图形代表； 图IO是显示按照本发明各方面的示例性的基于MEMS的开关系统 的示意图11和12分别显示说明按照本发明的方面的图IO的开关系统的 工作细节的示例性电路信号的仿真结果的图形表示.
部件表
10 基于无电弧微机电系统开关(MEMS)的开关系统
12 基于MEMS的开关电路
14 电孤抑制电路 16单个封装
18 基于无电孤微机电系统开关(MEMS)的开关系统的示意图
20 MEMS开关
22 笫一触点
24 第二触点
26 第三触点
28 平衡的二极管电桥
29平衡的二极管电桥的第一支路
30 笫一二极管D1
31 平衡的二极管电桥的笫二支路
32 笫二二极管D2
33 电压緩沖器电路
34 第三二极管D3 36 第四二极管D4 38 单个封装
40 负栽电路
44 电压源V BUS 46负栽电感
48 负栽电阻R LOAD
50 负载电路电流
52 脉冲电路
54 脉冲宽度
56 脉冲电容器C凯sB
58 脉冲电感器L凯sB
60 第一二板管Dt
62 脉冲电路电流I,B
64 触发脉冲电流的过程的示意图
66， 68 脉沖电路电流的方向
70, 72 电流向量
74， 76 电流向量
78 表示发起打开MEMS开关的示意图
84， 88 电感
86 负载电流方向
94 电路元件的示意图
96 开关电路的示例性实施例
98, 100,102 MEMS开关
104 分级开关电路
106 MEMS开关
108 分级电阻
110 分级电容器
112 示例性逻辑的流程图
114 感知方块
116 判决方块
118 生成切换条件的方块
120 触发方块
122 电流分流方块
124 无电弧打开方块
130 实验结果的图形表示
132 幅庋变化
134 时间变化
136， 138， 140 表示图形代表130的笫一、笫二和第三部分的标号 142 响应曲线 144 响应曲线 146 响应曲线
148 响应曲线
152表示开关打开的过程的响应曲线142的区域
154 表示开关的打开状态的响应曲线142的区域
200 能量吸收电路
具体实施例方式
按照本发明的一个或多个实施例，这里描述了基于微机电系统的 无电孤切换的系统和方法.在下面的详细说明中，阐述了多个具体细 节，以便提供对本发明的各种实施例的透彻的了解.然而，本领域技 术人员将会看到，本发明的实施例可以不用这些具体的细节而被实 践；本发明不限于所描述的实施例；以及本发明可以以各种各样的替 换实施例被实践.在其它情况下，熟知的方法、过程、和部件都不作 详细说明。
此外，各种操作可被描述为以有助于了解本发明的实施例的方式 而执行的多个分开的步骤.然而，说明的次序不应当看作为暗示这些 操作需要以它们被呈现的次序执行，也不应看作为它们是取决于次序 的。而且，词组"在一个实施例中"的重复使用不一定涉及到同一个 实施例，虽然它可以是同一个实施例.最后，在本专利申请中使用的 术语"包括"、"具有"等等打算作为同义词，除非另外表示的话.
图1显示按照本发明的各个方面的示例性的基于无电孤微机电系 统开关(MEMS)的开关系统10的框图.现在，MEMS总的涉及例如通 过微制造技术可以把多个功能不同的单元(例如机械元件、机电元件、 传感器、执行机构和电子装置)集成在一个公共的基片上的微尺度结 构.然而，可以设想，在MEMS装置中现在可得到的许多技术和结构将 在仅仅几年后就可经由基于纳米技术的设备(例如，尺寸上小于100 纳米的结构)而成为可得到的。因此，虽然在本文件中描述的示例性 实施例可能涉及到基于MEMS的开关装置，但本发明的发明性方面应当 广义地解译，并且不应当只限于微米尺寸的装置。
如图1所示，基于MEMS的无电弧开关系统10被显示为包括基于 MEMS的开关电路12和电弧抑制电路14，其中电弧抑制电路14工作时 被耦合到基于MBMS的开关电路12。在某些实施例中，基于MEMS的开 关电路12例如可以整个地与电孤抑制电路14合并成单个封装16。在
其它实施例中，只有基于MEMS的开关电路12的某些部分或部件可以 与电弧抑制电路14合并。
在正如参照图2-5更详细地描述的现在设想的配置中，基于MEMS 的开关电路12可包括一个或多个MEMS开关.另外，电弧抑制电路14 可包括平衡的二极管电桥和脉冲电路.另外，电孤抑制电路14可被配 置成便于对一个或多个MEMS开关的触点之间的电弧形成进行抑制。可 以指出，电孤抑制电路14可被配置成响应于交流(AC)或直流(DC) 而便于对电孤形成进行抑制。
现在转到图2，图上显示按照一个实施例的图1所示的基于示例性 的无电弧MEMS的开关系统的示意图.正如参照图1指出的，基于MEMS 的开关电路12可包括一个或多个MEMS开关。在说明性实施例中，第 一 MEMS开关20被显示为具有第一触点22、第二触点24和第三触点 26。在一个实施例中，第一触点22可被配置为漏极，第二触点24可 被配置为源极，以及笫三触点26可被配置为栅极.另外，如图2所示， 电压緩冲器电路33可以与MEMS开关20并联地相耦合，并被配置成限 制在快速触点分离期间的电压过冲，正如此后更详细地说明的。在某 些实施例中，緩冲电路33可包括与緩冲电阻(未示出)串联耦合的緩 冲电容器(未示出)。緩冲电容器可以促进对在打开MEMS开关20的 顺序期间共享的瞬态电压的改进。另外，緩冲电阻可以抑制在MEMS开 关20的闭合操作期间由緩冲电容器生成的任何电流脉冲。在某些其它 实施例中，电压緩冲电路33可包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示 出)。
按照本技术的另外的方面，负载电路40可以与第一MEMS开关20 串联耦合'负载电路40可包括电压源VBUS 44.另外，负载电路"还 可包括负载电感46 Luud，其中负载电感LwD 46代表由负栽电路40看 到的组合的负栽电感与总线电感.负栽电路40还可包括负栽电阻R"ad 48，代表由负栽电路40看到的组合的负载电阻。标号50代表流过负 栽电路40与笫一MEMS开关20的负栽电路电流Iu)ad。
此外，如参照图l指出的，电弧抑制电路14可包括平衡的二极管 电桥。在说明性实施例中，平衡二极管电桥28被显示为具有笫一支路 29和第二支路31。正如这里使用的，术语"平衡二极管电桥"用于表 示它被配置成在第一和第二支路29， 31上的电压降是基本上相等的二
极管电桥.平衡二极管电桥28的第一支路29可包括第一二极管Dl 30 和第二二极管D2 32，它们被耦合在一起形成第一串联电路。同样地， 平衡二极管电桥28的第二支路30可包括第三二极管D3 34和第四二 极管D4 36，它们在工作时被耦合在一起形成第二串联电路，
在一个实施例中，第一MEMS开关20可以并联地耦合到平衡的二 极管电桥28的中点.平衡的二极管电桥28的中点可包括位于第一和 第二二极管30， 32之间的第一中点和位于第三和第四二极管34， 36 之间的第二中点。另外，第一MEMS开关20与平衡二极管电桥28可以 紧密地封装起来，以便于使平衡的二极管电桥28，特別是与MEMS开关 20的连接所引起的寄生电感最小化.可以指出，按照本技术的示例性 方面，第一MEMS开关20与平衡二极管电桥28互相相对地放置，使得 在MEMS开关20关断期间当传送负栽电流到二极管电桥28时在第一 MEMS开关20与平衡的二极管电桥28之间的固有电感产生的di/dt电 压小于在MEMS开关20的漏极22与源极24间的电压的百分之几，这 在后面更详细地描述，在一个实施例中，第一MEMS开关20可以与平 衡二极管电桥28合并在单个封装38内，或任选地，同一个管芯内， 其意图是使互联MEMS开关20和二极管电桥28的电感最小化.
另外，电弧抑制电路14可包括脉冲电路52，它工作时被耦合到平 衡的二极管电桥28.脉冲电路52可被配置成检测一个切换条件，和根 据切换条件发起把MEMS开关2 0打开.正如这里使用的，术语"切换 条件"是指触发去改变MEMS开关20的现在的工作状态的条件。例如， 切换条件可以导致把MEMS开关20的第一闭合状态改变到第二打开状 态或把MEMS开关20的第一打开状态改变到第二闭合状态.开关条件 可以根据多个行动而发生，其中包括但不限于电路故障或开关接通/关 断请求.
脉冲电路52可包括脉冲开关54和与脉冲开关54串联辆合的脉冲 电容器CmsB 56。另外，脉冲电路还可包括与脉冲开关54串联耦合的 脉冲电感Lp。"b 58和第一二极管Dp 60。脉冲电感L肌sB 58、 二极管Dp 60、脉冲开关54和脉冲电容器56可以串联耦合，形成脉冲电路52的 第一支路，其中第一支路的各部件可被配置成便于脉冲电流的成形和 定时.另外，标号62代表可流过脉冲电路52的脉冲电路电流ImsB。
按照本发明的各个方面，如此后更详细地描述的，MEMS开关20
可以从第一关闭状态快速地切换(例如，微微秒或纳秒的量级)到第 二打开状态，而同时即使在接近零的电压下也栽送电流。这可以通过
把负栽电路40和包括并联耦合到MEMS开关20的触点的平衡二极管电 桥28的脉冲电路52组合运行而达到。
图3-5被用作为示意性流程图以显示图2所示的基于无电孤MEMS 的开关系统18的示例性操作.继续参照困2，图上k示基于无电弧MEMS 的开关系统18的示例性操作的初始条件.MEMS开关20被显示为开始 处在第一闭合状态.另外，如图所示，有负栽电流Imn50，具有基本 上等于在负栽电路40中V肌s/IU函的数值.
此外，为了讨论基于无电弧MEMS的开关系统18的示例性操作， 可以假设与MEMS开关20有关的电阻足够小，使得在加上脉冲时由流 过MEMS开关20的电阻的负栽电流产生的电压，对于在二极管电桥28 的中间点之间的接近零电压差只有可忽略的影响.例如，与MEMS开关 20有关的电阻可以假设为足够小，因此由预期的最大负栽电流产生小 于几毫伏的电压降.
可以指出，在基于MEMS的开关系统18的这种初始条件下，脉冲 开关54处在第一打开状态。此外，在脉冲电路52中没有没有脉冲电 路电流。另外，在脉冲电路52中，电容器C,",。 56可以预先充电到电 压VPUl"，其中V州"是可以在负栽电流的过渡间隔期间产生脉冲电流的 半个正弦，它具有远大于(例如，两倍)预期的负栽电流L(HD50的峰 值幅度，可以指出，可选择CmsB 56和LmsB 58使它们互相谐振，
图3显示描绘使脉冲电路52触发的过程的示意图64。可以指出， 检测电路(未示出)可被耦合到脉冲电路52 检测电路可包括传感电 路(未示出)，它被配置成例如感知负栽电路电流ILOAD50的大小和 电压源V愿44的电压电平.另外，检测电路可被配置成检测如上所述 的切换条件.在一个实施例中，切换条件可以因电流电平和/或电压电 平超过预定的阈值而发生.
脉冲电路52可被配置成检测切换条件，以便把MEMS开关20的现 在的闭合状态切换到第二打开状态.在一个实施例中，切换条件可以 是由于负栽电路40中的电压电平或负栽电流超过预定的阈值而生成的 故障条件.然而，正如将会看到的，切换条件也可包括监视斜坡电压 以实现对MEMS开关20的给定的与系统相关的ON (接通)时间. '
在一个实施例中，脉冲开关54可以响应于接收到因检测到切换条 件的结果而造成的触发信号而生成正弦脉冲，脉冲开关54的触发可以 引起脉冲电路52中的谐振正弦电流.脉冲电路电流的电流方向可以由 标号66和68表示.而且，流过平衡的二极管电桥28的第一支路29 的笫一二极管30和第二二极管32的脉冲电路电流的电流方向和相对 幅度可以分别由电流向量72和70表示。同样地，电流向量76和72 分别表示流过第三二极管34和第四二极管36的脉冲电路电流的电流 方向和相对幅度.
峰值正弦电桥脉冲电流的数值可以由在脉冲电容器Cm" 56上的
初始电压、脉冲电容器CmsB 56的值、和脉冲电感LmsB 58的值来确
定.脉冲电感LmsB 58和脉冲电容器Cpd"b 56的值也确定脉冲电流的 半个正弦的脉冲宽度。电桥电流脉冲宽度可被调节成满足根据负栽电
流的改变的速率(Vbus/Ll"d)和在负栽故障条件期间想要的峰值允通电
流所预测的系统负栽电流的关断要求。按照本发明的各个方面，脉冲
开关54可被配置成在打开MEMS开关20之前处在导通状态。
可以指出，对脉冲开关54的触发可包括控制流过平衡二极管电桥 28的脉冲电路电流ImsB 62的时序，以便于建立一个比起在开路期间 通过MEMS开关20的触点的路径有更低阻抗的路径。另外，脉冲开关 54可被触发，以使得在MEMS开关20的触点上呈现想要的电压降，
在一个实施例中，脉冲开关54可以是固态开关，它可被配置成具 有例如纳秒到微秒的范围的开关速度。脉冲开关54的开关速度，与在 故障条件下负栽电流的预期的上升时间相比较，应当是相对较快的. MEMS开关2 0的电流额定值取决于负栽电流的上升的速率，后者又取决 于在负载电路40中电感Luhd 46和总线电源电压Vm 44，如前面所述 的.MEMS开关20可以适当地按处理更大的负载电流IuuD 50来确定其 额定值，如果负栽电流Il"d50与电桥脉冲电路的速度能力相比可以快 速地上升的话。
脉冲电路电流ImsB 62从零的数值增加，并在平衡二极管电桥28 的第一和第二支路29， 31之间相等地划分。按照一个实施例，在平衡 二极管电桥28的第一和第二支路29， 31上的电压降的差值可被设计 成可忽略的，如前面描述的，另外，如前所述，二极管电桥28是平衡 的，以使得在二极管电桥28的第一和第二支路上的电压降是基本上相
等的.此外，由于在现在的闭合状态下MEMS开关20的电阻是相对较 低的，在MEMS开关开关20上有相对较小的电压降.然而，如果在MEMS 开关开关20上的电压降正好是较大的，(例如，由于MEMS开关的固 有的设计)，则二极管电桥28的平衡可能被影响，因为二极管电桥28 工作时并联地耦合到MEMS开关20.按照本发明的各方面，如果MEMS 开关20的电阻造成在MEMS开关20上很大的电压降，则二极管电桥28 可以通过增加峰值电桥脉冲电流的幅度而适应脉冲电桥的最终的非平 衡。
现在参照图4，困上显示其中发起MEMS开关20的打开的示意图 78。如前所述，在脉冲电路52中的脉冲开关54是在打开MEMS开关20 之前被触发的。当脉冲电流62增加时，在脉冲电容器C肌sb 56 上的电压由于脉冲电路52的谐振作用而减小。在开关是闭合和导通的 ON条件下，MEMS开关20对于负栽电路电流Iuhd 50提供相对较低的阻 抗的路径，
一旦脉冲电路电流Ip lSB 62的幅度变为大于负载电路电流Iuud 50 (例如，由于脉冲电路52的谐振作用)，施加到MEMS开关20栅极触 点26的电压就可以被适当地偏置，以便把MEMS开关20的现在的工作 状态从第一闭合和导通状态切换到增加电阻的条件，在其中MEMS开关 20开始关断(例如，其中触点仍旧闭合，但由于开关打开过程触点压 力减小)，这使得开关电阻增加，它又使得负栽电流开始从MEMS开关 20分流到二极管电桥28'
在现在这种条件下，与通过MEMS开关20而现在呈现增加接触电 阻的路径相比较，平衡二极管电桥28对于负栽电路电流Il。w 50呈现 相对较低阻抗的路径。可以指出，流过MEMS开关20的负载电路电流 L。ad 50的这种分流，与负栽电路电流Iuud 50的改变速率相比较，是 极其快速的过程.如前所述，可能希望与在MEMS开关20与平衡二极 管电桥28之间的连接相关的电感L1 84和L2 88的数值是非常小的， 以避免阻止电流的快速分流.
电流从MEMS开关20转移到脉冲电桥的过程不断增加第一二极管 30与第四二极管36中的电流，而同时第二二极管32与第三二极管34 中的电流减小。转移过程在MEMS开关20的机械触点22， 24分离开以 形成物理缝隙和所有的负栽电流通过第一二极管30与第四二极管36
被载送时完成。
负栽电路电流Iuud 50从MEMS开关20换向到在方向86上的二极 管电桥28后，在二极管电桥28的笫一和第二支路29， 31上形成不平 衡.另外，由于脉冲电路电流衰减，在脉冲电容器Cpu"b 56上的电压 继续反向(例如，用作为"反电动势")，这使得负栽电路电流IUUD 最终减小到零。二极管电桥28的第二二极管32与第三二极管34变为 逆向偏置，这导致负栽电路这时包括脉冲电感LmsB 58和电桥脉冲电 容器CmsB 56，并变为串联谐振电路.
现在转到图5，图上显示为减小负栽电流的过程而连接的电路元件 的示意图94.如上所述，在MEMS开关20的触点分开的时刻，达到无 穷大接触电阻.另外，二极管电桥28不再保持在MEMS开关20的触点 上的接近零的电压。另外，负栽电路电流IuMD现在等于流过第一二极 管30与第四二极管36中的电流.如前所述，这时没有电流流过笫二 二极管32与第三二极管34中。
另外，从MEMS开关20的漏极24到源极26的明显的开关触点电 压差现在可以以由包括脉冲电感L 58、脉冲电容器Cpu"b 56、负载电 路电感LuuD 46的网络谐振电路和由于负载电阻R"m) 48与电路损耗造 成的衰减所确定的速率而上升到约两倍的V薦电压的最大值.此外，脉
冲电路电流ImsB 62—这时等于负栽电路电流Iuud 50~可以谐振地减
小到零值，并由于二极管电桥28和二极管DP 60的反向阻挡作用而保 持在零值.在脉冲电容器C肌sb 56上的电压反向谐振到负的峰值，并 保持该负的峰值直至脉冲电容器CmsB 56重新充电为止，
二极管电桥28可被配置成使MEMS开关20的触点上保持接近零电 压，直至触点分开，从而打开MEMS开关20为止，由此通过抑制在打 开期间在MEMS开关20的触点之间易于形成的任何电弧而防止损坏。 此外，MEMS开关20的触点在接近于打开状态时流过MEMS开关20的 触点电流将大为降低，另外，在电路电感、负栽电感和源中任何存储 的能量可被转移到脉冲电路电容器CmsB 56，并可以经由电压耗散电路 (未示出)而被吸收.电压緩冲器33可被配置成限制在触点快速分离 期间由于在电桥与MEMS开关之间的交界面电感中剩余的电感性能量造 成的电压过冲.另外，在打开期间在MEMS开关20的触点上再施加的 电压的增加速率可以通过使用緩冲电路(未示出)而被控制.
还可以指出，虽然当在打开状态时在MEMS开关20的触点之间造 成间隙，但在MEMS开关20的周围的负栽电路40与二极管电桥电路28 之间仍然存在泄漏电流.这个泄漏电流可以通过引入串联连接到负载 电路40的辅助机械开关(未示出)以便产生物理缝隙而被抑制。在某 些实施例中，机械开关可包括第二MEMS开关.
图6显示开关电路12 (见图1)可包括被安排成例如串行或串行-并行阵列的多个MEMS开关的示例性实施例96.另外，如图6所示，MEMS 开关20可以用被电耦合成串联电路的第一组两个或多个MEMS开关 98，100所替代，在一个实施例中，第一组MEMS开关98，100中的至少 一个MEMS开关还可以被耦合成并联电路，其中并联电路可包括第二组 两个或多个MEMS开关(例如，标号100， 102 ),按照本发明的各方面， 静态分级电阻和动态分级电容可以与第一或第二组MEMS开关中的至少 一个并联耦合.
现在转到图7，图上显示分级MEMS开关电路的示例性实施例.分 级开关电路104可包括至少一个MEMS开关106、分级电阻108和分级 电容110。分级开关电路104可包括被安排成如图6所示的串行或串行 -并行阵列的多个MEMS开关。分级电阻108可以与至少一个MEMS开关 106并联地耦合，以便为开关阵列提供电压分级，在示例性实施例中， 分级电阻108可被这样来确定其大小以提供在串联开关之间的适当的 稳态电压平衡(划分)，而同时提供对于具体的应用可接受的泄漏电 流。此外，分级电容110和分级电阻108两者都可以对阵列的每个MEMS 开关106并联提供，以便在切换期间动态地和在关断状态时静态地提 供分享。可以指出，还可以把附加分级电阻或分级电容或二者同时加 到开关阵列的每个MEMS开关。
图8是用于把基于MEMS的开关系统从现在的工作状态切换到第二 状态的示例性逻辑112的流程图.按照本技术的示例性方面，给出用 于切换的方法。如前所述，检测电路工作时可被耦合到电孤抑制电路， 和被配置成去检测切换条件。另外，检测电路可包括传感电路，它被 配置成感知电流大小和/或电压电平.
如由方块114表示的，在诸如负载电路40 (见图2)那样的负栽 电路中的电流大小和/或电压电平可以经由传感电路被感知。另外，如 由方块116表示的，可以确定感知的电流大小或感知的电压电平是否
对预期值有变化或超过预期值.在一个实施例中，可以(例如经由检 测电路)确定感知的电流大小或传感的电压电平是否超过相应的预定 的阈值。替换地，可以监视电压或电流的斜率，以便在实际上没有发 生故障时检测切换条件。
如果感知的电流大小或感知的电压电平发生变化或偏离预期值，
则可以生成切换条件，如由方块118表示的.如前所述，术语"切换 条件"是指触发改变MEMS开关的现在的工作状态的条件.在某些实施 例中，切换条件可以响应于故障信号而被生成，并可被用来发起打开 MEMS开关。可以指出，方块114-118表示生成切换条件的一个例子， 然而，正如将会看到的，按照本发明的各方面，也可以设想生成切换 条件的其它方法.
如由方块120表示的，脉冲电路可以响应于切换条件而被触发以 启动脉冲电路电流。由于脉冲电路的谐振特性，脉冲电路电流大小可 以连续增加.如果脉冲电路电流的瞬时幅度明显大于负栽电路电流的 瞬时幅度，则至少部分地由于二极管电桥28，在MEMS开关的触点上可 以保持近于零的电压降。另外，流过MEMS开关的负栽电路电流可以从 MEMS开关分流到脉冲电路，如方块122所示.如前所述，二极管电桥 提供与通过MEMS开关的路径相反而阻抗相对较低的路径，其中相对较 高的阻抗随MEMS开关的触点开始分离而增加.这样，MEMS开关以无 电孤方式被打开，如方块122所示，
如前所述，在MEMS开关的触点上可保持接近零的电压降，只要脉 冲电路电流的瞬时幅度明显大于负栽电路电流的瞬时幅度，由此，方 便了 MEMS开关的打开和抑制在MEMS开关的触点上任何电孤的形成。 因此，如上所述，MEMS开关可以在MEMS开关的触点在接近零电压条 件下被打开，以及显著减小了流过MEMS开关的电流.
图9是表示按照本技术的各方面对基于MEMS的开关系统的MEMS 开关的现在的工作状态进行切换的实验结果的图形表示130,如图9 所示，图上显示幅度132的变化对时间134的变化的图。另外，标号 136， 138和140表示图形表示130的第一部分、第二部分和第三部分。
响应曲线142表示作为时间的函数的负栽电路电流幅度变化.响 应曲线144表示作为时间的函数的脉冲电路电流幅度变化。同样，响 应曲线146表示作为时间的函数的栅极电压幅度变化，响应曲线148表示零栅极电压基准，而响应曲线150是关断之前负栽电流的参考值.
另外，标号152表示出现开关打开的过程时响应曲线142的区域. 同样，标号154表示MEMS开关的触点分离和开关处在打开状态时响应 曲线142的区域.另外，正如从图形表示130的笫二部分138可以看 到的，栅极电压被拉到低电平，以便发起对MEMS开关的打开.另夕卜， 正如从图形代表130的第三部分140可以看到的，在平衡二极管电桥 的导通的那一半部分中负栽电路电流142和脉冲电路电流144在减 小。本发明的附加的方面包括添加能量吸收电路200，如图IO所示， 它适合于在受保护的负栽电路在切换的负栽电流中断期间吸收(例 如，吸收或承接)电能，这例如可以是随故障条件而发生的.这个电 路与平衡的二极管电桥28连接成并联电路.这种添加预期能使得因在 负栽电路中可能形成的故障条件而造成的负栽电流中断最佳化，并有 助于在体现本发明各方面的开关电路中减小允许通过的(let through)电流量。此外，本发明的各方面应当简化电路设计过程，还 应当能够使得基于MEMS的开关系统中的电路部件最佳化，诸如使得对 于给定的应用能进行适当的电路选择，和减小开关系统的重量和成 本。
在一个示例性实施例中，能量吸收电路200与脉冲电路52并联连 接到平衡二极管电桥28的DC—侧，如图10所示。电路200可包括电 阻Rt、 二极管Dt和能量吸收元件，诸如电容器Ct。为了描述由电路 200实施的互动操作，让我们从把MEMS开关20打开到非导通状态和 关断两个互相成对角线的电桥二极管(例如，二极管32和34)开始， 该二极管在限制故障电流的过程中可以分流电流.二极管电桥电压快 速地上升到超过被存储在电容器Ct上的初始电压值(Vtlni)，然后 二极管Dt接通。将会看到，在发生故障时被存储在电容器Ct上的电 能可以容易地通过适当的放电电阻(图IO上未示出)放电。
本发明的发明人创新地认识到结构上的和/或工作的关系允许对 给定的断路器应用的脉沖电路52和能量吸收电路200独立地进行最佳 化。这个最佳化可导致部件的合理选择和/或对给定应用明显地减小成 本。例如，脉冲电容器Cp的数值和它的初始电压(Vplni )可以有利 地与能量吸收电容器Ct无关地进行选择(例如，选择电容器Cp的足
够小的电容值)，以达到最佳峰值脉冲电流和/或脉冲宽度.即，与能 量吸收的要求无关，不然的话除了脉冲形成要求以外，还必须藉助于
脉冲电容器C固B实行.同样地，能量吸收电容器Ct的数值和它的初始 电压(Vtlni)可以独立地选择(例如，选择能量吸收电容器Ct的足 够大的电容值)，以便在故障间隔期向快速吸收故障能量.即，与由 电容器Cp所实施的脉冲形成要求无关.
体现本发明的方面的电路装置应当导致使故障的允通电流量减小 和断路器能量耗散较低.如上所述，二极管电桥28和MEMS开关20可 被封装成互相紧密地合并在一起(例如，组合封装)，以便减小在二 极管电桥中的寄生电感和与MEMS开关相应的互联.这进一步减小了在 这样的互联中所存储的电能量.否则，在打开MEMS开关期间，相应的 电能增加量必须由MEMS开关的打开的触点所耗散，这是因为在触点接 合断开时，连接到緩冲器33的互联的附加电感将减弱由连接到MEMS 开关20的保护电路(例如，緩冲器33)实施的保护性动作.应当指出， 緩冲器33的一个重要的功能是延迟(例如，减慢)在触点的打开动作 期间MEMS开关上的电压上升，以阻止由于电压梯度过大的增长造成的 电弧，直至全部分离和达到电压隔离能力为止.
工作时，(响应于可以在负栽电路中形成的故障)负栽电流的可 靠的和明显快速的关断可以通过以下的示例性事件序列被完成，这是 可以在体现本发明的方面的基于MEMS的开关系统中执行的电容器 CmsB和Ct可以分别一开始用图10所示的各个示例性电压极性充电到 初始电压Vplnit和Vtlnit。 MEMS开关20最初响应于经由接触栅极 26加上的选通信号而处在0N (例如，导通)状态。在出现故障时，负 载电流将以相对较快速的速率(例如，高的di/dt值)上升.例如， 当负载电流的幅度超过预定的阈值和/或负栽电流的改变速率 (di/dt)超过预定值时，脉冲开关54被触发到ON状态。1—"电流值 然后将增加到超过故障电流值的适当的预置(设计)值。如前面所讨 论的，脉冲二极管电桥28被配置成使MEMS开关20上的电压降接近为 零.在刚好达到Ipu,"电流的峰值之前的时间，MEMS开关20将被选通 到OFF (非导通)状态。
由于MEMS开关触点压强随减小的选通信号而减小，增加的接触电 阻迫使电流从负栽电路转移到二极管电桥28.流过开关触点22和24
的电流在这些触点分离之前减小到基本上为零，触点22和24将在接 近零电压的条件下打开。故障电流现在由二极管电桥28运栽。IPUls。 电流值在达到它的峰值后将减小(例如，以正弦方式).当U"。电流 值减小到与增加的故障电流的瞬时值相匹配时，二极管D2和D3将停 止导通.这时，二极管Dl和D4将导通来自负栽电路的故障电流.脉 冲电容器C—"的电压也减小，直至它的电压极性颠倒为止。由故障电 流造成而存储在电容器Cp""上的反向电压幅度的增加将与总线源电压 44相反，这将使得故障电流的上升速率di/dt减小.
跨越DC输入而加到二极管电桥28的电压然后将快速增加，以及 当它的数值达到被存储在电容器Ct上的初始电压(Vtlnit)时，二极 管Dt将开始导通和电路200将承受故障电流.电容器Ct在它被充电 时，产生反向电动势，它颠倒故障电流的上升速率(例如，负的di/dt ). 例如，当在电容器Ct上的电压达到总线源电压时，则故障电流将减小 到零。从上述的说明，将会看到，能量吸收电容器Ct适合于吸收故障 造成的电能而与脉冲电流无关，并且通过它用负栽和脉冲电感造成的 谐振特性造成极其快速地把负栽电流减小到零。
将会看到，体现本发明的方面的电路装置有利地把由电容器Ct和 C一w提供的功能分开。另外，具有能量吸收电容器Ct的电路支路可以 在控制(例如，抑制)在二极管电桥上的电压的改变速率(例如，上 升速率)以及吸收负载/源系统能量的意义下被概念化为用作为"緩冲 器" 这在一个示例性实施例中可以通过在电容器Ct上可调节的预充 电而达到。
图11以图形的形式综合了上面讨论的工作概念，这种讨论是通过 对图10所示的基于MEMS的开关系统的仿真的电路信号作为时间的函 数而进行的.这些信号被显示为随故障条件而在负栽电流的接通-关断 期间在IO微秒的示例性时间间隔上(这对于理解有关开关系统的示例 性初始瞬态响应的操作细节可能是有用的)而画出的，而图12显示在 更长的时间间隔上--诸如在120微秒上一画出的这样的仿真的电路信 号(这对于理解在更长的时间间隔上和有关开关系统在关断负栽电流 后的示例性响应的操作细节可能是有用的)。
图11和12上的信号图是对于图10所示的泉统被识别如下Idl 和Id2代表分别由二极管电桥Dl和D2导通的电流，Ip"，。代表脉冲电
流。Isw-in代表流过MEMS开关20的触点22和24的电流，Itrap代 表流过能量吸收电路200的电流.负栽电流(Load Current)代表响 应于故障条件的负栽电流，这样的电流被图10所示的系统有效地限
制。V-Cpu"。代表在脉冲电容器56上的电压。VbH"e代表在二极管电桥
28上的电压.Vd2代表在二极管D2上的电压。Vsw代表在MEMS开关 20的触点22和24上的电压.Vtrap代表在能量吸收电容器Ct上的电 压.
虽然这里只显示和描述本发明的某些特性，但本领域技术人员可 以作出许多修改和改变.所以，应当看到，打算由所附权利要求覆盖 属于本发明的真正的精神范围内的所有的这样的修改和改变.
权利要求
1.一种系统，包括微机电系统开关(20)；平衡的二极管电桥(28)，被配置成抑制在微机电系统开关的触点之间形成电弧；脉冲电路(52)，被耦合到平衡的二极管电桥，该脉冲电路包括脉冲电容器，它适合于形成一个脉冲信号以使脉冲电流流过平衡的二极管电桥，该脉冲信号随耦合到微机电系统开关的负载电路中的故障条件而被生成；以及能量吸收电路(200)，与脉冲电路耦合成并联电路，该电路包括能量吸收电容器(Ct)，它适合于吸收由故障条件造成的电能而不影响由脉冲电路形成脉冲信号，其中能量吸收电容器还适合于在发生故障条件时限制在二极管电桥上形成的电压的改变速率。
2. 权利要求l的系统，其中脉冲电容器的电容值被选择去控制脉 冲信号的一个或多个脉冲信号特性而与能量吸收电容器的电容值无 关。
3. 权利要求2的系统，其中脉冲信号的一个或多个脉冲信号特性 是从包含脉冲信号的宽度、脉冲信号的峰值和它们的组合的组中选择 的。
4. 权利要求l的系统，其中能量吸收电容器的电容值被选择去控 制由能量吸收电容器吸收的电能量而与脉冲电容器的电容值无关。
5. 权利要求l的系统，其中能量吸收电容器还包括与能量吸收电 路连接成串联电路的二极管(Dt)，该被连接的所述二极管当在二极 管电桥上形成的电压达到与存储在能量吸收电路的初始电压值相匹配 时处在导通状态，其中所述二极管的导通状态使得能量吸收电路接收 故障电流。
6. 权利要求l的系统，其中平衡的二极管电桥包括第一和第二支 路，以及其中第一支路包括被耦合成第一串联电路的第一二极管与第 二二极管，和笫二支路包括被耦合成第二串联电路的第三二极管与第 四二极管。
7. 权利要求6的系统，其中微机电系统开关被并联地耦合到平衡 的二极管电桥的中点，以及其中第一中点位于第一与第二二极管之 间，和第二中点位于第三与第四二极管之间.
8. 权利要求l的系统，其中微机电系统开关与平衡二极管电桥被 集成在单个封装内。
9. 权利要求l的系统，其中脉冲电路还被配置成去检测一个故障 条件，和响应于故障条件而发起打开微机电系统开关.
10. 权利要求1的系统，还包括笫一多个微机电开关，它们被电 辆合成串联电路.
11. 权利要求10的系统，其中第一多个微机电开关的至少一个开 关还被耦合在包括第二多个微机电开关的并联电路中.
全文摘要
基于微机电系统的无电弧开关。本发明提出了一种系统(图10)。该系统包括微机电系统开关(20)。此外，系统包括平衡的二极管电桥(28)，它被配置成抑制在微机电系统开关的触点之间形成电弧。一个脉冲电路(52)被耦合到平衡的二极管电桥，以响应于故障条件而形成脉冲信号。能量吸收电路(200)与脉冲电路被耦合成并联电路，并适合于吸收由故障条件造成的电能，而不影响由脉冲电路形成脉冲信号。
文档编号H01H9/54GK101192477SQ200710127330
公开日2008年6月4日 申请日期2007年7月2日 优先权日2006年11月28日
发明者J·I·赖特, J·N·帕克, K·苏布拉马尼安, W·J·普雷默拉尼 申请人:通用电气公司