基于微机电系统的开关的制作方法

专利名称：基于微机电系统的开关的制作方法
技术领域：
本发明的实施例大体涉及用于断开电流通路中的电流的开关装 置，更具体地涉及基于微机电系统的开关装置。
背景技术：
为了防止损坏，电气设备和线路应被保护以免遭导致电流水平高 于其额定值的状况。过电流状况可由破坏发生前所需的时间分类，可
分组成为两类时限过电流状况和瞬时过电流状况。
定时过电流状况或故障被看作是不太严重的变化，并且通常需要 配电保护设备以在给定的时间段之后使电流通路失效，该给定时间段 取决于状况的水平。定时过电流故障典型地包括电流水平仅高于电流 额定值，以及电流水平可延伸至并超过8-10倍的配电保护设备的电流 额定值。系统布线和设备典型地可处理一段时间内的这些状况，但是 配电保护设备设计成当电流水平没有及时降低时使电流通路失效。典
对线路，线路对地，线路对中性点)的高阻抗通路。
也称为短路故障的瞬时过电流状况是严重的故障，并且典型地包 括电流水平高于10倍的配电保护设备的额定电流。这些故障典型地 起因于相对极性线路之间的低阻抗通路。短路故障包括极值电流，可 严重地破坏设备和人员，并且因此应尽快消除。在短路期间的最小化 响应时间以及因此允通电能(let-through energy)成为首要问题。目前， 两种装置，保险丝和断路器，为电气设备和线路提供过电流保护。
保险丝典型地比断路器具有更多的选择性，并在响应短路状况时 具有较少的变化，但是在其执行保护功能之后必须更换。保险丝具有很多形状和尺寸，但是设计成允许其快速插入和快速拔出以易于更换 的保险丝座。制造商遵守取决于保险丝规格和额定值的用于保险丝和 保险丝座的标准尺寸，使得简易替换较容易。
保险丝设计有串联元件，其在预设的过电流时熔化并因此断开电 流通路。因此，保险丝在设计上是单相装置，使得当用于各保险丝彼 此独立地操作的多相系统时会导致潜在的问题。在诸如马达负载的许 多应用中，失去一相电力将导致其它相的需求增加。其它相上增加的 需求将增加损坏的风险。例如，马达负载可在失去一相的条件下继续 运行，使得在其它相上产生额外的加热和应力。
为了增加便利性，在许多应用中保险丝已由断路器替换。尽管断 路器提供相似的保护，并提供在操作或跳闸之后能够复位而不是更换 的便利性，但是它们典型地包括复杂的机械系统，该复杂的机械系统 具有相对于保险丝较慢的响应时间，并且在短路故障期间在上游和下 游断路器之间较少的选择性。
在具有电子跳闸单元的断路器中的电子故障检测方法典型地包 括计算时间，该计算时间增加对故障的决定时间并因此增加对故障的
反应时间。此外， 一旦决定跳闸，由于机械惯性该机械系统响应较慢。 因此，响应于短路，断电器可允许较大量的能量(也称为允通电能)通 过断路器。
接触器是设计成根据指令将电负载切换为闭合和断开的电气装 置。传统地，机电接触器用于控制机构中，其中机电接触器能够处理 高达其断开容量的开关电流。机电接触器还可应用于电力系统中用于 切换电流。然而，电力系统中的故障电流典型地高于机电接触器的断 开容量。因此，为了在电力系统应用中采用机电接触器，需要通过使 用串联装置对其进行备用来保护接触器免遭破坏，在高于接触器的断 开容量的所有电流值条件下，该串联装置在接触器断开之前可足够迅 速地动作以中断故障电流。
以前设想的便于接触器在电力系统中的使用的解决方案包括例如真空接触器、真空中断器和空气接触器。不幸地是，由于接触器末端封装在密封的、抽空的壳体中，故诸如真空接触器的接触器不使其易于目测检查。此外，尽管真空接触器非常适合于处理大马达、变压器和电容器的切换，但是已知它们导致不期望的瞬时过电压，尤其是当负载断开时。
此外，机电接触器通常使用机械开关。然而，由于这些机械开关
倾向于以较慢的速度切换，故采用预测技术以估计零交叉(zerocrossing)的发生，该零交叉的发生通常是在切换事件将发生之前的数十微秒，以便于在零交叉时的断开/闭合以降低电弧。由于在预测时间间隔内可能发生许多瞬变，故这种零交叉预测易于出错。
作为慢的机械开关和机电开关的替代，高速固态开关已在高速开关应用中采用。将认识到的是，这些固态开关通过电压或偏压的控制应用而在传导状态和非传导状态之间切换。例如，通过反向偏置固态开关，开关可转换成非传导状态。然而，由于固态开关在它们切换到非传导状态时在触点之间不产生物理间隙，故它们经历漏电流。此外，由于内部阻抗，当固态开关在传导状态操作时，它们经历电压降。电压降和漏电流在正常操作状况下都有助于过热的产生，这可影响开关性能和寿命。此外，至少部分地由于与固态开关相关的内在漏电流，它们在断路器中的应用为不实用的。
因此，本领域存在对克服这些缺陷的电流开关电路保护布置的需求。

发明内容
本发明的实施例包括电流控制装置。该电流控制装置包括控制电路系统和与控制电路系统集成地布置的电流通路。该电流通路包括一组传导界面和布置在一组传导界面之间的微机电系统(MEMS)开关。该组传导界面具有限定的保险丝终端几何结构(fbse terminal geometry)的几何结构，并包括布置在电流通路的一端的第 一界面和布置在电流通路的相对端的第二界面。MEMS开关响应于控制电路系统以便于中断通过电流通5^的电流。
本发明的另 一个实施例包括控制通过电流通i 各的电流的方法，该电流通路具有几何结构为限定的保险丝终端几何结构的一组传导界面。该方法包括经由与电流通路集成地布置的控制电路系统测量电流以及经由布置在这组传导界面之间并响应于控制电路系统的MEMS开关便于电流的中断。


当参考附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的字符表示相同的部件，其中
图1是根据本发明实施例的示例性的基于MEMS的开关系统的框
图2是示出图1所示的示例性的基于MEMS的开关系统的示意
图3是根据本发明实施例的、作为图1所示系统的替代的示例性的基于MEMS的开关系统的框图4是示出图3所示的示例性的基于MEMS的开关系统的示意
图5是#^居本发明实施例的电流控制装置的示意图6是^f艮据本发明实施例的包括电流控制装置的壳体的示图7是才艮据本发明实施例的电流控制装置的示图；以及
图8是根据本发明实施例的控制电流的方法的处理步骤的流程图。
具体实施例方式
本发明的实施例提供适用于配电系统的电气保护装置。这种提出
9的装置封装成以便其可改造以用于现有的保险丝座内，或者替换现有
的保险丝应用。微机电系统(MEMS)开关的使用提供快速响应时间，因此便于消除中断故障的允通电能。与MEMS开关并联的混合式无弧限制技术(HALT)使MEMS开关能够在任何给定时间不产生电弧的情况下断开或闭合，而与电流或电压无关。
图1示出根据本发明方面的示例性的无弧的基于微机电系统开关(MEMS)的开关系统IO的框图。现在，MEMS通常指例如可通过^:制造技术将诸如机械元件、机电元件、传感器、执行器和电子元件的多个功能不同的元件集成在共用基底上的微尺度结构。然而，可预知的是，目前在MEMS装置中可获得的许多技术和结构将在几年后可经由基于纳米技术的装置获得，例如，在尺寸上小于100纳米的结构。因此，即使在本文中通篇描述的示例性实施例可能参考基于MEMS的开关系统，但应认为的是，本发明的发明方面应该广泛理解而不应局限于微米尺寸的装置。
如图l所示，无弧的基于MEMS的开关系统10示出为包括基于MEMS的开关电路系统12和消弧电路系统14,其中，另外称为混合式无弧限制技术(HALT)装置的消弧电路系统14操作地联接到基于MEMS的开关电路系统12。在某些实施例中，例如，基于MEMS的开关电^^系统12可与消弧电^^系统14完全集成到例如单一封装16中。在其它实施例中，仅仅基于MEMS的开关电路系统12的某些部分或构件可与消弧电路系统14集成。
在将参考图2更详细描述的当前构想的构造中，基于MEMS的开关电路系统12可包括一个或更多个MEMS开关。另外，消弧电路系统14可包括平衡二极管电桥和脉沖电路。此外，消弧电路系统14可构造成便于通过响应于从闭合到断开的MEMS开关变化状态从MEMS开关接收电能传递而在一个和更多个MEMS开关的触点之间抑制电弧形成。应注意的是，消弧电路系统14可构造成便于抑制响应于交流(AC)或直流(DC)的弧形成。
10现在转向图2,示出才艮据一个实施例的图1所示的示例性的无弧
的基于MEMS的开关系统的示意图18。如参考图1所知，基于MEMS的开关电路系统12可包括一个或更多个MEMS开关。在该所示实施例中，第一 MEMS开关20示出为具有第一触点22、第二触点24和第三触点26。在一个实施例中，第一触点22可构造成漏极，第二触点24可构造成源极，以及第三触点26可构造成栅极。此外，如图2所示，电压緩沖电路33可与MEMS开关20并联，并构造成如随后将详细说明的在快速触点分离期间限制电压过冲。在某些实施例中，緩冲电路33可包括与緩沖电阻器(见图4的78)串联的緩冲电容器(见图4的76)。緩沖电容器可便于改善在MEMS开关20的断开的排序(sequencing)期间的瞬态均压。此外，緩冲电阻器可抑制在MEMS开关20闭合操作期间由緩冲电容器产生的任何电流脉冲。在某些实施例中，电压緩冲电路33可包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示出)。
根据本技术的其它方面，负载电路40可与第一 MEMS开关20串联。负载电路40可包括电压源VBUS 44。此外，负载电路40还可包括负载电感LwAD46,其中，负载电感LujAD46表示合成的负载电感和负载电路40所示的总线电感。负载电路40还可包括表示负载电路40所示的合成的负载阻抗的负载阻抗RLOAD 48。附图标记50表示可流过负载电路40和第一 MEMS开关20的负载电路电流IL0AD。
此外，如参考图1所知，消弧电路系统14可包括平衡二极管电桥。在所示实施例中，平衡二极管电桥28示出为具有第一支路29和第二支路31。如本文所用，术语"平衡二极管电桥"用于表示构造成以便跨过第一和第二支路29,31的电压降大致相等的二极管电桥。平衡二极管电桥28的第一支路29可包括联接到一起以形成第一 串联电路的第一二极管D1 30和第二二极管D2 32。以同样的方式，平衡二极管电桥28的第二支路31可包括操作地联接到一起以形成第二串联电路的第三二极管D3 34和第四二极管D4 36。
在一个实施例中，第一 MEMS开关20可跨过平衡二极管电桥28的中点并联。平衡二极管电桥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。此外，第一MEMS开关20和平衡二极管电桥28可紧密地封装， 以便于由平衡二极管电桥28和尤其是到MEMS开关20的连接导致的 寄生电感的最小化。应认识到的是，根据本技术的示例性方面，第一 MEMS开关20和平衡二极管电桥28彼此相对定位，以便当MEMS 开关20在本文之后将更详细描述的MEMS开关20断开期间传递负载 电流到二极管电桥28上时，在第一 MEMS开关20和平衡二极管电桥 28之间的内在电感产生小于跨过MEMS开关20的漏极22和源极24 的电压的几个百分点的电压di/dt。在一个实施例中，第一 MEMS开 关20可与平衡二极管电桥28集成在单一封装38中，或者可选地集 成在相同芯片中，以便最小化互连MEMS开关20和二极管电桥28 的电感。
此外，消弧电路系统14可包括以操作关系与平衡二极管电桥28 联接的脉沖电^各52。脉冲电路52可构造成^r测开关状态并响应于该 开关状态启动MEMS开关的断开。如本文所用，术语"开关条件"指 触发而改变MEMS开关20的目前操作状态的条件。例如，开关条件 可导致将MEMS开关20的第一闭合状态改变成第二断开状态或将 MEMS开关20的第一断开状态改变成第二闭合状态。开关条件可响 应于包括但不限于电路故障或开关闭合/断开请求的很多动作而发生。
脉冲电路52可包括脉冲开关54和串联到脉冲开关54的脉冲电 容Cpui^e56。此外，脉冲电路还可包括与脉沖开关54串联的脉沖电感 Lpulse58和第一二板管Dp60。脉沖电感LpuLSE58、 二极管Dp60、脉 沖开关54和脉沖电容CPULSE56可串联以形成脉沖电路52的第 一 支路， 其中第一支路的构件可构造成便于脉冲电流的成形和定时。另外，附 图标记62表示可流经脉冲电路52的脉沖电路电流IpULSE。
#>据本发明的方面，当传送即使接近零电压的电流时，MEMS开 关20可从第一闭合状态迅速切换到第二断开状态(例如，以皮秒或纳
12秒数量级)。这可通过负载电路40和脉沖电路52的结合操作实现，该 脉冲电路52包括跨过MEMS开关20的触点并联的平衡二极管电桥 28。
现在参考图3,其示出根据本发明方面的示例性软开关系统11的 框图。如图3所示，软开关系统11包括操作地联接到一起的开关电 路系统12、检测电路系统70和控制电路系统72。检测电路系统70 可联接到开关电路系统12并构造成检测在负载电路中的交变源电压 (此处称为"源电压，，)或者在负载电路中的交变电流(此处称为"负载 电路电流")的零交叉的发生。控制电路系统72可联接到开关电路系 统12和^r测电^各系统70,并可构造成^_于响应于4全测到的交变源电 压或交变负载电路电流的零交叉而无弧切换开关电路系统12中的一 个或更多个开关。在一个实施例中，控制电路系统72可构造成便于 包括至少部分的开关电路系统12的一个或更多个MEMS开关的无弧 切换。
根据本发明的一个方面，软开关系统11可构造成执行软切换或 波点(point-on-wave)(PoW)切换，借此开关电路系统12中的一个或更 多个MEMS开关当跨过开关电路系统12的电压为零或非常接近零时 可闭合，并且当通过开关电路系统12的电流为零或接近零时可断开。 通过在跨过开关电路系统12的电压为零或非常接近零时闭合开关， 预击穿电弧通过将一个和更多个MEMS开关的触点之间的电场在它 们闭合时保持较低而避免，即使多个开关不同时闭合。相似地，通过 在通过开关电路系统12的电流为零或者接近零时断开开关，软开关 系统11可设计成以便开关电路系统12中最后一个断开的开关落入开 关的设计容量内。如上所述和根据一个实施例，控制电路系统72可 构造成使发生交变源电压或交变负载电路电流的零交叉的开关电路 系统12的一个或更多个MEMS开关的断开和闭合同步。
转向图4，示出图3的软开关系统11的一个实施例的示意图19。 根据所示的实施例，示意图19包括开关电路系统12、检测电路系统70和控制电路系统72的一个示例。
尽管为了描述的目的图4仅示出开关电路系统12中的单一 MEMS开关，但是开关电路12系统可根据例如软开关系统11的电流 和电压的处理要求而包括多个MEMS开关。在一个实施例中，开关电 路系统12可包括开关模块，其包括以并联构造的方式联接到一起以 在MEMS开关之间分配电流的多个MEMS开关。在另 一个实施例中，
分配电压的MEMS开关的阵列。在又一个实施例中，开关电^各系统 12可包括以串联构造的方式联接到一起以同时在MEMS开关模块之 间分配电压和在各模块的MEMS开关之间分配电流的MEMS开关模 块的阵列。在一个实施例中，开关电路系统12的一个和更多个MEMS 开关可集成到单一封装74内。
示例性MEMS开关20可包括三个触点。在一个实施例中，第一 触点可构造成漏极22,第二触点可构造成源极24，以及第三触点可 构造成栅极26。在一个实施例中，控制电路系统72可联接到栅极触 点26以便于切换MEMS开关20的电流状态。此外，在某些实施例中， 阻尼电路(緩冲电路)33可与MEMS开关20并联以延迟出现跨过 MEMS开关20的电压。如图所示，例如，阻尼电路33可包括与緩冲 电阻器78串联的緩沖电容器76。
此外，MEMS开关20可与负载电路40串联，如图4进一步所示。 在本文设想的结构中，负载电路40可包括电压源VSOURCE44，并可具 有代表性的负载电感Lu)AD 46和负载阻抗RL0AD 48。在一个实施例中， 电压源VS0URCE 44(也称为AC电压源)可构造成产生交变源电压和交变
负载电流Iu)ae)50。
如前所知，检测电路70可构造成检测负载电路40中的交变源电 压或交变负载电流koAD 50的零交叉的发生。交变源电压可经由电压 传感电路系统80检测，交变负载电流Iload 50可经由电流传感电路系 统82检测。交变源电压和交变负载电流例如可持续地或以离散的时200780053353.6 段被检测。
源电压的零交叉可通过例如使用诸如所示的零电压比较器84的 比较器检测。由电压传感电路系统80检测的电压和零电压参考86作 为到零电压比较器84的输入。转而，可产生表示负载电路40的源电 压的零交叉的输出信号88。类似地，负载电流Iu)Ao50的零交叉也可 通过诸如所示的零电流比较器92的比较器检测。由电流传感电路系 统82检测的电流和零电流参考90作为到零电流比较器92的输入。 转而，可产生表示负载电流Iu)Ao50的零交叉的输出信号94。
控制电路系统72又可利用输出信号88和94以确定何时改变(例 如，断开或闭合)MEMS开关20(或MEMS开关阵列)的当前操作状态。 更具体地，控制电路系统72可构造成便于以无弧方式断开MEMS开 关20，以响应于交变负载电流Iu)AD 50的检测到的零交叉而中断或断 开负载电路40。此外，控制电路系统72可构造成便于以无弧方式闭 合MEMS开关20，以响应于交变源电压的检测到的零交叉而完成负 载电路40。
在一个实施例中，控制电路系统72可至少部分地基于使能信号 96的状态确定是否将MEMS开关20的目前操作状态切换到第二操作 状态。使能信号9 6可由于例如接触器应用中的断电指令而产生。
在一个实施例中，^_能信号96和输出信号88和94可作为到如 图所示的双D触发器98的输入信号。这些信号可用于在使能信号96 被激活(例如，上升边缘触发)之后在第一源电压零点处闭合MEMS开 关20，并在使能信号96被停用(例如，下降边缘触发)之后在第一负载 电流零点处断开MEMS开关20。关于图4所示的示意图19，每当使 能信号96激活时(取决于具体实施或高或低)和输出信号88或94指示 检测到的压力零点或电流零点时，可产生触发信号102。在一个实施 例中，触发信号102可经由例如或非(NOR)门100产生。触发信号102 又可通过MEMS门驱动器104以产生门激活信号106,该门激活信号 106可用于将控制电压施加到MEMS开关20的4册极26(或者在MEMS阵列情况下的栅极)。
如前所知，为了实现用于特定应用的期望的电流额定值，多个
MEMS开关可操作地并联(例如，形成开关模块)以代替单一 MEMS开 关。MEMS开关的结合容量可设计成足够传送负载电路可经历的连续 的和瞬态的过载电流水平。例如，对于具有6X瞬态过载的10安培 RMS马达接触器时，应具有足够多的并联的开关以传送60安培RMS 达10秒钟。通过使用波点开关以在达到电流零点的5微秒内切换 MEMS开关，在触点断开时将具有160毫安的瞬时电流。因此，对于 此应用，各MEMS开关应能够"热开关"160毫安，并且应并if关布置 足够多的MEMS开关以传送60安培。另一方面，单一MEMS开关应 能够中断在切换时流动的电流量或电流水平。
现在参考图5,示出电流控制装置125的实施例的示意图。电流 控制装置125包括主体130和一组传导界面135。该组传导界面135 包括布置在装置125 —端的第一界面140和布置在装置125相对端的 第二界面145。该组传导界面135具有限定的保险丝终端几何结构的 几何结构，以便电流控制装置125的电流通路160可直接与具有限定 的保险丝终端几何结构的标准保险丝互换，电流控制装置125的该组 传导界面135因此具有与终端或者标准保险丝的传导界面相同的尺 寸。
布置在装置125的主体130内的是控制电路150(本文也称为控制 电路系统)和MEMS开关155(类似于上述结合图1描述的附图标记 12)。 MEMS开关155布置在第一界面140和第二界面145之间，以 便第一界面140、第二界面145和MEMS开关155限定与布置在装置 125的主体130内的控制电路系统150集成地布置的电流通路160。 MEMS开关155响应于控制电路系统150以断开电流通路160，并因 此中断通过电流通路160的电流。
在实施例中，装置125还包括上述的HALT消弧电路14、电压緩 冲电路33和软开关系统11(本文也称为软开关电路)中的至少一个。应认识到的是，HALT消弧电路14、电压緩冲电路33和软开关系统11 可为离散的电路或者集成到控制电路系统150内。
控制电路150的功能包括基于时间的确定，诸如例如设定基于限 定跳闸事件的跳闸参数的跳闸时间曲线。控制电路150还提供例如电 压和电流测量、MEMS开关155的可编程序性或可调整性、MEMS 开关155的闭合/再闭合逻辑的控制以及与HALT装置14相互作用以 提供冷切换或者无弧切换。控制电路150的拽取功率(powerdraw)是最 小的，并且可由线路输入提供，而不需要提供任何额外的外部电力供 应。应认识到的是，由控制电路150提供的前述功能的集成(或离散) 的各种程度被构想在本发明的范围内，本文所述实施例用于说明性目 的，而不用于限制性目的。控制电路系统150和MEMS开关155可构 造成用于交流(AC)或直流(DC)。
控制电路系统150构造成测量与通过电流通路160的电流相关的 参数，并将测量的参数与诸如例如电流量和过电流事件的时间的对应 于一个或更多个限定跳闸事件的参数相比较。响应于通过传导通路 160的电流参数(当提及"电流"时，隐含地是指前面已经介绍的"电 流"。所提及的是哪个电流呢？)，诸如电流的瞬间增加的量非常高以 指示短路，控制电路系统150产生信号，该信号致使MEMS开关155 断开并将短^各能量乂人MEMS开关155传递到HALT装置14(参考图1 更好地看出)，并因此^^于中断通过电流通^各160的电流。此外，响应 于如下参数，诸如电流增加的限定的持续时间的量小于短路，这可指 示为限定的定时过电流故障，控制电路系统150同样产生致使MEMS 开关155断开和中断电流的信号。
在实施例中，电流控制装置125还包括与控制电路150处于信号 连接的一个或更多个用户界面164，以便于操作状态的互通和装置125 的操作参数的限定。诸如例如发光二极管(LED)的指示器165响应于 控制电路150,并指示限定跳闸事件已经发生并已导致MEMS开关155 的断开以便于中断通过电流通^各160的电流。诸如复位按钮的激励器
17170提供信号或指令到控制电路150以在限定跳闸事件之后闭合 MEMS开关155，该跳闸事件先前致使MEMS开关155断开以便于中 断电流。诸如例如一组按钮(例如， 一个按钮用于选择参数和两个其他 按钮用于增加或减少选定的参数)或标度盘的输入装置175输入或者 限定该限定跳闸事件的一个或更多个参数以及装置125的操作参数。 诸如LED或液晶显示器(LCD)的显示器180与输入175相结合使用以 用于选择和限定参数，以及显示一个或更多个限定参数的值。
实施例包括与控制电路系统150处于信号互通的互通连接件183， 其提供与外部装置184的外部连网互通，该外部装置184诸如包括例 如计算机、仪表或示波器的控制、诊断和监控装置中的至少一种。互 通连接件183提供用于监控装置125的目前状态的互通连接，以便经 由例如外部装置184诊断装置125的状态和/或观测通过电流通路160 的电流。互通连接件183还提供互通连接用于经由外部装置184手动 地控制装置125,以改变MEMS开关155的闭合/断开状态，从而提 供与例如接触器相联的功能性。在实施例中，互通连接件183是有线 互通连接和无线互通连接中的一种。此外，互通连接件183可将一个 或更多个装置125连接在一起，如下文将进一步描述的。
现在参考图6,示出包括电流控制装置125的实施例的壳体185。 壳体185包括保险丝断路(fosed disconnect) 190，其构造成用于与具有 限定尺寸的保险丝相结合使用。本领域技术人员应认识到的是，图6 所示的壳体185仅仅提供用于包括断路190的足够空间，而不存在用 于包括接触器、过载继电器和控制变压器(未示出)的足够空间。在包 括与保险丝相结合的保险丝断路190的壳体185的应用中，期望提供 包括适当的接触器、过载继电器和控制变压器中的至少一个的至少一 个额外的壳体。可选地，壳体185的尺寸可增加以在其中为除接触器、 过载继电器和控制变压器中的至少 一个之外的保险丝断路190提供必 需的空间。
鉴于前述，应认识到的是，电流控制装置125的实施例提供标准保险丝的功能性以降低与短路电流相关的能量。另外，电流控制装置
125的实施例可提供标准接触器的功能性以断开和闭合电流通路160，
并提供接触器和过载继电器的结合的功能性以响应于定时过流故障
和中断通过电流通路160的电流。此外，电流控制装置125提供标准 断路器的功能性，以允许装置125的实施例可复位，并且传导通路在 跳闸事件之后闭合而不需要更换装置。因此，使用电流控制装置125 在给定的安培/电压等级上提供前述功能性的结合，并且同时允许使用 集成尺寸小于在尺寸方面构造成包含标准构件(断路、接触器、过载继 电器和控制变压器)的壳体的壳体185,以在相同的给定安培/电压等级 上提供相同的功能性的结合。可选地，本文所述的电流控制装置125 对于给定电流等级的给定功能性提供降低的空间要求。
第一界面140和第二界面145布置并在尺寸方面构造成具有界面 的几何结构或限定保险丝的终端几何结构。因此，电流控制装置125 的使用可互换至具有诸如例如夹子和保险丝座的保险丝接收器195的 壳体185，该保险丝接收器构造成与标准保险丝对接。该保险丝接收 器195与包围保险丝的伴随的可用空间相结合，在本领域可被称为"保 险丝孔(fusehole)"。因此，电流控制装置125构造成安装在"保险丝 孔，，内，并为了改造应用与具有保险丝接收器195的保险丝断路190 相兼容，该保险丝接收器已经处于安装状态和应用中，由此提供本文 所述的功能性和优点。
图7示出构造成与诸如例如三相系统的多相系统相结合使用的电 流控制装置200的实施例。装置200包括多个电流通路205,210,215， 其各与控制电路系统220集成布置并处于信号互通。各电流通路 205,210,215包括第一界面140、第二界面145和如本文公开的布置在 第一界面140和第二界面145之间的MEMS开关155。如上所述，控 制电路系统220测量通过多个电流通路205,210,215的电流。响应于 满足限定跳闸事件的多个电流通路205,210,215中的任何一个，控制 电路系统220产生并提供信号到各MEMS开关155以中断通过所有电流通路205,210,215的电流。因此，多相系统的任何单一相的跳闸事 件将导致所有电流相的中断，因此防止单相运行和与可由经由剩余相 继续操作造成的任何相关的损坏。
图8示出控制通过诸如电流通路160的电流通路的电流的方法的 处理步骤的流程图。该方法在步骤255处开始，其通过经由与电流通 路160集成布置的控制电路系统150测量电流，该电流通路160包括 与具有限定的保险丝筒(fUse barrel)尺寸的界面相对应的一组传导界面 135。该方法包括在步骤260处便于经由响应于控制电路系统150的 MEMS开关155中断电流。
在实施例中，在步骤260处的中断包括由控制电路系统150确定 被测电流是否满足或超过限定跳闸事件的参数。响应于确定被测电流 确实满足或超过限定跳闸事件的参数，控制电路系统150使MEMS 开关155可获得中断信号以使MEMS开关155断开和中断通过电流通 路160的电流。
在实施例中，电流通路160包括多相系统的多个电流通路 205,210,215， MEMS开关155包括多个MEMS开关155,多个MEMS 开关155各与多个电流通路205,210,215中的相应一个相关联。在步 骤255处的测量电流包括经由与多个电流通路205,210,215中的各个 电流通路205,210,215集成布置的控制电路系统220测量电流。在步 骤260处的便于中断包括便于经由与多个电流通路205,210,215中的 各电流通路205,210,215相对应的多个MEMS开关155中断电流。另 外，中断包括由控制电路系统220确定多个电流通路205,210,215中 的任何一个的电流是否满足或超过限定跳闸事件的参数。响应于确定 多个电流通^各205,210,215的任何一个的电流满足或超过限定跳闸事 件的参数，该方法包括使多个MEMS开关155的各个MEMS开关155 可获得中断信号以保护多相系统的所有相。在实施例中，在步骤260 处的便于中断包括响应于MEMS开关155从闭合到断开的变化状态将 电能从MEMS开关155传递到HALT装置14。尽管本发明的实施例描述成具有与各电流通路处于物理和信号
连接的一个控制电路220，但是将认识到的是，本发明的范围不限制
于此，并且经由可为有线连接和无线连接中的至少一种的互通连接件
183(参考图5最好地示出)连接诸如电流通^各205,210,215的分离电流 通路被构想成在本发明实施例的范围内。
尽管电流控制装置125的实施例描述成具有圓柱筒形状，但是将 认识到的是，本发明的范围不限制于此，本发明还将适用于具有各种 几何形状的电流控制装置125,以便该组传导界面135与对应于限定 的保险丝终端几何形状的保险丝接收器195相兼容。此外，将认识到 的是，电流控制装置125的实施例将包括几何形状布置成并在尺寸方 面构造成对应于保险丝终端的一组传导界面135，该保险丝终端具有 可不包括圆柱形保险丝筒的几何形状，诸如例如具有刀刃终端的几何 形状的保险丝、矩形保险丝、方形保险丝和妒形保险丝，并且该组传 导界面135与具有对应于这种保险丝终端的保险丝接收器195的壳体 185相兼容。
如本公开所述，本发明的一些实施例可包括下列优点中的一些 为交流或直流通路提供电流保护的能力；改进本文安装的保险丝座的 能力；通过提供更快的响应时间和降低的允通电能改善相比于保险丝 和断路器的保护的能力；编制跳闸事件的参数的能力；复位用于保险 丝接收器的电路保护装置的能力；提供状态指示、远程闭合/断开选择 和经由用户界面确认参数的能力；利用保险丝断开壳体提供相不平衡 保护的能力；以及使电流保护装置连网的能力。
尽管本发明参考示例性实施例进行描述，但是本领域技术人员将 理解的是，在不脱离本发明的范围内可进行各种改变，并且等同物可 替换其中的元件。另外，在不脱离本发明的范围内可进行许多修改以 使特定的情况和材料适应于本发明的教导。因此，意图本发明不局限 于作为构想成用于实施本发明的最好或仅有模式进行公开的特定实 施例，而意图本发明将包括所有在权利要求范围内的所有实施例。并
21且，在附图和说明书中，公开了本发明的示例性实施例，尽管采用了 具体的术语，但是除非另有说明，否则它们仅在一般和描述意义上使 用，并不用于局限的目的，因此本发明的范围不限制于此。再者，术 语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，相反术语第一、第 二等用于将一个元件与另一个元件相区别。此外，术语一、 一个等的 使用不表示数量限制，而是表示存在至少一个参考项目。
权利要求
1.一种电流控制装置，其包括控制电路系统；和与所述控制电路系统集成地布置的电流通路，所述电流通路包括几何形状为限定保险丝终端几何形状的一组传导界面，所述一组传导界面包括布置在所述电流通路的一端的第一界面和布置在所述电流通路的相对端的第二界面；和微机电系统(MEMS)开关，其布置在所述第一界面和所述第二界面之间，所述MEMS开关响应于所述控制电路系统以便于中断通过所述电流通路的电流。
2. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于，所述控制 电路系统响应于满足限定跳闸事件的参数的所述电流，以断开所述 MEMS开关。
3. 根据权利要求2所述的电流控制装置，其特征在于，所述限定 跳闸事件的参数包括时间、电流水平或两者结合中的至少 一种。
4. 根据权利要求2所述的电流控制装置，其特征在于，所述电流 控制装置还包括激励器，其与所述控制电路系统处于信号互通以在所 述限定跳闸事件之后基于指令闭合所述MEMS开关。
5. 根据权利要求2所述的电流控制装置，其特征在于，所述电流 控制装置还包括指示器，其与所述控制电路系统处于信号互通以指示 所述限定跳闸事件的发生。
6. 根据权利要求2所述的电流控制装置，其特征在于，所述电流 控制装置还包括输入装置，其与所述控制电路系统处于信号互通以输 入所述限定跳闸事件的参数。
7. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于，所述电流 控制装置还包括混合式无弧限制技术(HALT)消弧电路，其布置成与所述MEMS开关处于电气互通，以响应于所述MEMS开关乂人闭合到断 开的变化状态从所述MEMS开关接收电能传递。
8. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于，所述电流 控制装置还包括与所述MEMS开关并联的电压緩冲电路。
9. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于，所述电流 控制装置还包括软开关电路，以使所述MEMS开关的状态变化与通过 所述传导通路的交变电流和所述传导通路相对于绝对零参考的交变 电压中的至少一个的零交叉的发生同步。
10. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于 所述电流通路是多个电路通^各中的一个；和所述多个电流通路中的各电流通路与所述控制电路系统集成地 布置。
11. 根据权利要求10所述的电流控制装置，其特征在于，所述 MEMS开关是对应于所述多个电流通路的多个MEMS开关中的 一个， 所述多个MEMS开关中的各MEMS开关响应于所述控制电路系统， 以1更于中断通过所述多个电流通路中的各个的相应一个的电流。
12. 根据权利要求11所述的电流控制装置，其特征在于，所述控 制电路系统响应于满足限定跳闸事件的参数的通过所述多个电流通 路中的任何一个的电流，以便于经由所述多个MEMS开关中的各 MEMS开关中断通过所述多个电流通路中的各电流通3各的电流。
13. 根据权利要求12所述的电流控制装置，其特征在于，所述限 定跳闸事件的参数包括时间、电流水平或两者结合中的至少 一种。
14. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于所述电流通路可与具有所述限定终端几何结构的保险丝直接互换。
15. 根据权利要求1所述的电流控制装置，其特征在于，所述电 流控制装置还包括互通连接件，其与所述控制电路系统处于信号连接；其中，所述控制电路系统响应于与所述互通连接件处于信号连接的外部装置，以控制所述MEMS开关的状态。
16. —种控制通过电流通^各的电流的方法，所述方法包括经由与所述电流通路集成地布置的控制电路系统测量所述电流， 所述电流通路包括几何结构为限定保险丝终端几何结构的 一组传导 界面S 和便于经由响应于所述控制电路系统的MEMS开关中断所述电流， 所述MEMS开关布置在所述一组传导界面的第一界面和所述一组传 导界面的第二界面之间，所述第一界面布置在所述电流通路的一端， 所述第二界面布置在所述电流通路的相对端。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述便于包括 由所述控制电路系统确定所述电流是否满足或超过限定跳闸事件的参数；和响应于确定所述电流满足或超过所述限定跳闸事件的参数，使所 述MEMS开关可获得中断信号。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述中断还包括 响应于在所述MEMS开关处接收到的所述中断信号，断开所述MEMS开关，从而便于中断所述电流。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述参数包括时 间、电流水平或两者结合中的至少一种。
20. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述电流通路是多个电流通路中的 一个，所述MEMS开关是多个 MEMS开关中的 一个，所述多个MEMS开关中的各MEMS开关与所 述多个电流通路中的相应一个相关联；所述测量包括经由控制电路系统测量所述电流，所述控制电路系 统与所述多个电流通路中的各电流通路集成地布置；以及所述便于包括便于经由所述多个MEMS开关中断所述电流，所述 多个MEMS开关中的各MEMS开关布置在所述多个电流通路中的各相应的电流通路的所述第一界面和所述第二界面之间。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述中断包括 由所述控制电^^系统确定所述多个电流通i 各中的任何一个的电流是否满足或超过限定跳闸事件的参数；和响应于确定所述多个电流通^各中的任何 一 个的电流满足或超过 所述限定跳闸事件的参数，使所述多个MEMS开关中的各MEMS开 关可获得中断信号。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述参数包括时 间、电流水平或两者结合中的至少一种。
23. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述便于中断所 述电流还包括响于所述MEMS开关从闭合到断开的变化状态，将电能从所述 MEMS开关传递到HALT装置。
全文摘要
公开了一种电流控制装置。该电流控制装置包括控制电路系统和与控制电路系统集成地布置的电流通路。该电流通路包括一组传导界面和布置在该组传导界面之间的微机电系统(MEMS)开关。该组传导界面具有限定保险丝终端几何结构的几何结构，并包括布置在电流通路的一端的第一界面和布置在电流通路的相对端的第二界面。MEMS开关响应于控制电路系统，以便于中断通过电流通路的电流。
文档编号H01H50/00GK101681743SQ200780053353
公开日2010年3月24日 申请日期2007年6月20日 优先权日2007年6月12日
发明者B·C·库姆菲尔, C·S·皮岑, J·N·帕克, K·苏布拉马尼安, M·E·瓦尔德斯, R·J·卡加诺, W·J·普雷默拉尼 申请人:通用电气公司