基于微机电系统的电动机起动器的制作方法

专利名称：基于微机电系统的电动机起动器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般而言涉及电动控制，更具体而言涉及基于微机电系统(MEMS)的电动机起动器，例如可以用于控制电动机操作 和保护电动机以免过载和/或出现故障状态。
背景技术：
在电动机控制领域中，常规电动机起动器可包含接触器 (contactor)和电动机过载继电器(relay )。接触器典型为三刀开关， 其通常由连续激励的电磁铁线圈来操作。由于接触器控制电动机的工 作，即，起动和停止，该装置通常额定用于好几千次工作。过载继电器通常为电动机提供过载保护以免出现过载情况。例如， 当设备工作于超过正常满载额定值时，例如当导体承载超过可施加的 安培额定值的电流时，出现过载情况。持续足够长时间的过载情况将 损坏设备或使设备过热。术语"过载"、"过载保护"和"过载继电器"在 本领域中是公知的。例如见National Electrical Manufacturers Association (NEMA) standard ISC2,其内容通过引用结合于此。为了保护电动机免受需要瞬时保护的故障(例如短路故障、接地 故障)，通常使用诸如瞬时解扣电路(trip circuit)断路器的电路断路 器。此外，这些电路断路器可以用做手动断开开关(断开)，用于在维 持工作期间隔离电动才几。在单个外壳中组合电动机起动器功能和电路断路器的瞬时保护的 装置在本领域中已知为组合起动器。然而，瞬时解扣电路断路器的电 流承载元件是由重的铜条和大尺寸的鴒接触构成。例如，铜条/接触可 以超要求设计以经受得住短路故障，然而在短路故障时，负载会与短 路并联，因此这种超要求设计对短路电流的电平影响甚小。大的元件尺寸将短路断路器的尺寸增大至电路断路器无法容纳在 特定标准的亚洲和欧洲电路断路器外壳中的程度。此外，瞬时解扣电 路可包括使用机电释放机构的复杂的和/或昂贵的机械开关。如上所述，这些常规电路断路器尺寸大，由此需要使用大的力来激励该开关机构。另外，这些电路断路器的开关通常工作速度较低。 此外，这些电路断路器构建非常复杂，因此制作成本昂贵。另外，当 常规电路断路器中开关机构的接触物理分离时，电弧通常形成于接触 之间，该接触继续传送电流直至电弧自然熄灭。再者，与电弧相关的 能量导致接触退化和/或在特定类型环境例如靠近易燃气体或材料时会 产生其他不期望的状况。作为慢速机电开关的备选，较快的固态开关已经应用于高速开关 应用。应当理解的是，通过控制应用电压或偏置，这些固态开关在导 通状态和非导通状态之间切换。例如，通过反向偏置固态开关，该开 关可转变成非导通状态。然而，由于固态开关在其切换到非导通状态 时不在接触之间产生物理间隙，因此固态开关遭遇漏电流。再者，由 于内部阻抗，固态开关工作于导通状态时经历电压降落。该电压降落 及漏电流均导致在正常工作情况下产生过量的热，这对于开关性能和 寿命来讲是有害的。全文引用结合于此的2005年12月20日提交的美国专利申请 No.ll/314，336 (Attorney Docket No， 162711-1 )描述了一种高速微才几电 系统(MEMS)基开关装置，该开关装置包括用于抑制在微机电系统 开关的接触之间形成电弧的电路和技术。这种开关电路的响应时间是 在微秒至纳秒的量级(例如，快于常规熔丝或断路器)。鉴于前述考虑，期望提供一种电动机起动器，用于执行快速电流 限制，在故障状态下实现低的允通电流，例如显著低于使用诸如电流还期望提^一种组合:动机起动器，从而在高:集s系统中提供诸如电动机控制、故障保护、以及过载保护的各种功能。发明内容一般而言，本发明的方面提供了一种包括微机电系统(MEMS) 开关电路的电动机起动器。第 一过电流保护电路可以与该微机电系统 开关电路并联连接。该第一过电流保护电路可配置成响应于该微才几电 系统开关电路的第一开关事件而瞬间形成导电通路。例如，该第一开 关事件可以是该微机电系统开关电路接通至导电状态。该导电通路形 成与该微机电系统开关电路并联的电路，以抑制在该第一开关事件期间该凝:才几电系统开关电路的接触之间形成电弧。本发明的另外方面提供了 一种包括微机电系统开关电路的电动机 起动器。该系统可进一步包括与该微:机电系统开关电路耦合成并联电 路的固态开关电路。控制器耦合到该微机电系统开关电路和该固态开 关电路，该控制器配置成，响应于适合该微机电系统开关电路和该固 态开关电路相应之一的工作能力的电动机负载电流，来4丸行该农i机电 系统开关电路和该固态开关电路之间的电动机负载电流的选择性切 换。


当参考附图阅读如下详细描述时，可以更好地理解本发明的这些 和其他特征、方面及优点，附图中相同的符号总是代表相同的部件，其中图1为根据本发明方面的示例性MEMS基电动机起动器的方框图；图2为说明图1所示的示例性MEMS基电动机起动器的示意性图示；图3至5为说明图2所示的MEMS基电动机起动器的示例性工作 的示意性流程图；图6为说明MEMS开关的串联-并联阵列的示意性图示； 图7为i兌明分级MEMS开关的示意性图示；图8为描述具有图1所示的MEMS基电动机起动器的系统的工作 流程的流程图；图9为代表电动机起动器断开的实验结果的曲线表示； 图IO为说明依据本发明方面的示例性电动机起动器的方框图； 图11、 12和13分别说明图10的电动机起动器的一个示例性实施 例的电路细节，其中图ll说明例如在负载开始事件期间通过相应固态 开关电路的电流通路，图12说明例如在稳态工作期间通过相应MEMS 基开关电路的电流通路，图13说明例如在故障状态期间通过过电流保 护电路的电流通路； 、图14说明具有双过电流保护电路的电动机起动器的一个示例性 实施例的示意图；图15说明图10电动机起动器的一个示例性实施例的电路细节； 图16说明示例性实施例，其中固态开关电路包括连接成反向串联 电路布置的一对固态开关；以及图17为MEMS基反向电动机起动器的一个示例性实施例。
具体实施方式
依据本发明的 一 个或多个实施例，在本文中描述了用于微机电系 统基电动机起动器的设备或系统。在下述详细描述中，给出许多具体 细节从而提供对本发明各种实施例的全面理解。然而，本领域技术人 员将理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践， 并且本发明不限于所描述的实施例，本发明可以通过各种备选实施例 来实践。换言之，未详细地描述公知方法、程序和部件。此外，按照有助于理解本发明的实施例的方式，可以将各种操作 描述成多个离散步骤。然而，描述的顺序不应解读成这些操作需要按 照所给出的顺序来执行，也不应解读成存在顺序依存性。此外，短语"在 一个实施例中"的反复使用不一定是指同 一实施例，尽管可能是指同一 实施例。最后，本申请中使用的术语"包含"、"包括"、"具有"等是同 义的，除非另外说明。图1说明依据本发明的方面的示例性微机电系统(MEMS)基电 动机起动器10的方框图。目前，MEMS通常是指一种微米尺度的结构， 其例如可以通过微加工技术在公共基板上集成诸如机械元件、机电元 件、传感器、致动器和电子元件的多个功能迥异的元件。然而，人们 认为，MEMS装置中目前可获得的许多技术和结构仅过几年即可通过 基于纳米技术的装置而获得，该基于纳米技术的装置例如为尺寸小于 100纳米的结构。因此，尽管本文通篇所述的示例性实施例都是指 MEMS基电动机起动器，但应理解的是，本发明的创造性方面应广义 地理解，而不限于微米尺寸的装置。本发明的发明人已经创新性地意识到一种MEMS基开关电路的 调整，该MEMS基开关电路可用于实现一种改进的电动才几起动器的实 际系统水平的实施，其有益于更可靠和低成本地解决在常规电动机起 动器中遇到的开关、过载和短路问题。例如，从系统设计角度，常规 的电动机起动器一般可以视为拼凑在一起以提供所需起动器功能的各种电子元件的集合。如图1所示，MEMS基电动机起动器IO示为包括MEMS基开关 电路12和过电流保护电路14,其中过电流保护电路14可工作地耦合 到MEMS基开关电路12。在特定实施例中，MEMS基开关电路12例 如可以与过电流保护电路14完全集成在单个封装16内。在其他实施 例中，MEMS基开关电路12仅特定部分或元件可以与该过电流保护电 路14集成。在结合图2至5更详细描述的目前考虑的配置中，MEMS基开关 电路12可包4舌一个或多个MEMS开关。此外，过电流4呆护电路14可 包括平衡二极管电桥和脉沖电路。此外，过电流保护电路14可配置成 有利于抑制一个或多个MEMS开关的接触之间形成电弧。注意，过电 流保护电路14可配置成有利于响应于交流(AC)或直流(DC)来抑 制电弧形成。现在转到图2,依据一个实施例说明图1所示的示例性MEMS基 电动机起动器的示意图18。参考图1， MEMS基电动机起动器12可包 ^括一个或多个MEMS开关。在所示实施例中，第一MEMS开关20示 为具有第一接触22、第二接触24和第三接触26。在一个实施例中， 第一接触22可以配置为漏极，第二接触24可以配置为源极，第三接 触26可以配置为栅极。此外，如图2所示，电压緩冲电路33可以与 MEMS开关20并联耦合且配置成在快速接触分离时限制电压过沖，如 下文更详细所解释的。在特定实施例中，緩沖电路33可包括与緩沖电 路电阻器(未示出)串联耦合的緩冲电路电容器(未示出)。緩冲电路緩沖电路电阻器可抑制MEMS开关20闭合(closing )工作期间由该緩 沖电路电容器产生的任何电流脉冲。在一个示例性实施例中，緩沖电 路33可包括一种或多种电路，例如R/C緩沖电路和/或固态緩沖电路(例如，金属氧化物变阻器(MOV),或者任何合适的过电压保护电 路，例如被耦合以馈送电容器的整流器)。依据该技术的另外方面，诸如电动机器或电动机的负载电路40可 以与第一MEMS开关20串联耦合。负载电路40可以连接到适当的电 圧源Vbus44。此外，负载电路40可以包括负载电感46LLOAD，其中该负载电感LLOAD 46代表组合的负载电感和由负载电路40观察到的总线电感。负载电路40还可包括负载电阻RLOAD48,其代表由负载电路40 观察到的组合的负载电阻。参考数字50代表流过负载电路40和第一 MEMS开关20的负载电路电流ILOAD。此外，参考图1所示，过电流保护电路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描述为具有第一支路29和第二 支路31。如此处所使用，术语"平衡二极管电桥"用于表示按照第一和 第二支路29、 31两端的电压降落都基本上相等的方式配置的二极管电 桥。平衡二极管电桥28的第一支路29可包括耦合在一起形成第一串 联电路的第一二极管Dl 30和第二二极管D2 32。按照类似的方式，平 衡二极管电桥28的第二支路31可包括可工作地耦合在一起形成第二 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可并联耦合跨过平衡二极 管电桥28的中点。该平衡二极管电桥的中点可包括位于第一及第二二 极管30、 32之间的第一中点和位于第三及第四二极管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可紧密封 装以利于最小化由平衡二极管电桥28且尤其是连接到MEMS开关20 引起的寄生电感。注意，依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彼此相对布置，使得第一 MEMS开关20和平 衡二极管电桥28之间的固有电感产生L*di/dt电压，其中L代表寄生 电感。所产生的该电压小于下文中将更详细描述的在MEMS开关20 断开期间、当传送负载电流到二极管电桥28的转移时MEMS开关20 的源极24和漏极22两端电压的百分之几。在一个实施例中，第一 MEMS开关20可以与平衡二极管电桥28集成在单一封装38内或者可 选地在同一芯片内，旨在最小化互联MEMS开关20和二极管电桥28 的电感。另外，过电流保护电路14可包括与平衡二极管电桥28可工作地 相关联耦合的脉沖电路52。脉沖电路52可配置成检测开关状况并响应 于开关状况来起动MEMS开关20的断开。本文中使用的术语"开关状 况"是指，触发改变MEMS开关20当前工作状态的状况。例如，该开 关状况可导致MEMS开关20的第一闭合状态改变为第二断开状态或 者MEMS开关20的第一断开状态改变为第二闭合状态。开关状况可 响应于许多动作而产生，这些动作包括但不限于电路故障、电路过载、或开关ON/OFF请求。脉冲电路52可包括脉冲开关54以及串联耦合到脉沖开关54的脉 沖电容器CpuLSE56。此外，该脉沖电路还可包括脉冲电感器LPULSE58 以及与脉冲开关54串联耦合的第一二极管DP 60。脉冲电感器LPULSE 58、 二极管Dp60、脉沖开关54和脉冲电容器CpuLSE56可串联耦合以 形成脉沖电路52的第一支路，其中第一支路的部件可配置成利于脉冲 电流整形和定时。另外，参考数字62代表可流过脉沖电路52的脉沖电路电-充IpULSE。依据将在下文更详细描述的本发明的方面，MEMS开关20可/人 第一闭合状态快速切换(例如，皮秒或纳秒的量级)到第二断开状态， 同时传送的电流为零或接近零。通过负载电路40和脉沖电路52的组 合操作可实现这一点，其中该脉沖电路52包括并联耦合跨过MEMS 开关20的接触的平衡二极管电桥28。图3至5作为示意性流程图，用于说明图2所示的MEMS基电动 机起动器18的示例性工作。继续参考图2，说明MEMS基电动机起动 器18的示例性工作的初始状况。MEMS开关20描述成开始于第一闭 合状态。此外，如所示，负载电路40中存在值基本上等于VBUS/RLOAD的负载电流lLOAD 50。此外，为了讨论MEMS基电动机起动器18的该示例性工作，假 设与MEMS开关20相关联的电阻充分小，使得由流过MEMS开关20 的电阻的负载电流产生的电压对脉冲时二极管电桥28中点之间的近零 电压差值4又产生可忽略的影响。例如，可以^f叚i殳与MEMS开关20相 关联的电阻充分小，从而产生由于最大预期负载电流引起的小于几毫 伏的电压降落。注意，在MEMS基电动4几起动器18的该初始状况下，脉冲开关 54处于第一断开状态。此外，脉沖电路52中不存在脉沖电路电流。另 外，在脉冲电路52中，电容器CpULSE 56可以预充电至电压VpULSE, 其中Vpulse为可以产生半正弦脉沖电流的电压，该半正弦脉沖电流的 峰值显著大于(例如10x)该负载电流传送间隔期间的预期负载电流 Iload 50。注意，CPULSE 56和LPULSE 58包括串联谐振电路。图3说明示意性图示64，描述了脉冲电路52的触发过程。注意， 检测电路(未示出)可耦合到脉沖电路52。检测电路可包括感测电路(未示出)，其配置成感测例如负载电路电流Iload 50的电平和/或电压 源Vbus44的电压电平。此外，该检测电路可配置成检测如上所述的开 关状况。在一个实施例中，由于该电流电平和/或电压电平超过预定阈 值，可出现该开关状况。脉冲电路52可配置成检测开关状况，以利于将MEMS开关20的 当前闭合状态切换到第二断开状态。在一个实施例中，该开关状况可生的故障状况。然而将理解的是，该开关状况还可包括监测斜坡电压 以为MEMS开关20获得给定的系统依存的接通时间。在一个实施例中，脉沖开关54可响应于接收到由于^r测的开关状 况而形成的触发信号来产生正弦脉沖。脉冲开关54的触发可在脉冲电 路52中开始形成谐振正弦电流。脉冲电路电流的电流检测用参考数字 66和68表示。另外，流过平衡二极管电桥28第一支路29的第一二极 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值分别用 电流矢量72和70表示。类似地，电流矢量76和74分别表示流过第三 二才及管34和第四二才及管36的脉沖电路电流的电流方向和相对幅值。峰值正弦电桥脉沖电流的值可以由脉沖电容器Cpulse 56上的初 始电压、脉沖电容器CPULSE 56的值以及脉沖电感器LPULSE 58的值决 定。脉沖电感器Lpulse 58和脉冲电容器CPULSE 56的值还决定半正弦 脉冲电流的脉沖宽度。电桥电流脉沖宽度可以调整为满足基于负载电 流变化率(VBUS/LLOAD)以及负载故障状况期间期望的峰值允通电流所 预计的系统负载电流断开要求。根据本发明的方面，脉沖开关54可配 置成在断开MEMS开关20之前处于导通状态。注意，脉沖开关54的触发可包括通过平衡二极管电桥28控制脉 沖电路电流Ipulse 62的时序，以利于形成与断开间隔期间经过MEMS 开关20的接触的通路阻抗相比更低阻抗的通路。此外，脉冲开关54 可触发成使得期望的电压降落呈现在MEMS开关20的接触的两端。在一个实施例中，脉沖开关54可以是可配置成具有例如在纳秒至 微秒范围内的开关速度的固态开关。脉沖开关54的开关速度应该相对 快于故障状态下负载电流的预期上升时间。MEMS开关20要求的电流 额定值可依赖于负载电流的上升速率，该负载电流的上升速率反过来 依赖于如前所述的负载电路40内的电感LLOAD 46和总线电源电压VbUs44。如果与电桥脉冲电路的速度能力相比，负载电流lLOAD50快速上升，则MEMS开关20可恰当地调整额定值以处理更大的负载电 流Iload 50。脉沖电路电流Ipulse 62从零值增大，且在平衡二极管电桥28的 第一支路29和第二支路31之间均等地分割。依据一个实施例，平衡 二极管电桥28的支路29、 31两端电压降落的差值设计为可忽略，如 前文所述。此外，如前所述，二极管电桥28平衡，使得二极管电桥28 的第一和第二支路两端的电压降落基本上相等。再者，由于当前闭合状态下MEMS开关20的电阻比較j氐，因此MEMS开关20两端的电 压降落较小。然而，如果MEMS开关20两端的电压降落恰巧更大(例 如，由于MEMS开关的固有设计)，由于二极管电桥28可工作地与 MEMS开关20并联耦合，故二极管电桥28的平衡会受到影响。依据 本发明的方面，如果MEMS开关20的电阻导致MEMS开关20两端 显著的电压降落，则二极管电桥28可通过增大峰值电桥脉沖电流的幅 值来容纳脉冲电桥的结果不平衡。现在参考图4说明示意性图示78,其中MEMS开关20的断开被 启动。如前所述，在MEMS开关20断开之前，脉沖电路52内的脉沖 开关54被触发。当脉沖电流IpuLSE 62增大时，脉冲电容器CpULSE 56 两端的电压由于脉冲电路52的谐振动作而减小。在该开关闭合且接通 的接通状况下，MEMS开关20为负载电路电流lLOAD 50提供了较低阻 抗的通路。一旦脉沖电路电流Ipulse 62的幅值变为大于负载电路电流Iload 50的幅值(例如，由于脉沖电路52的谐振动作)，施加到MEMS开关 20的栅极接触26的电压可以恰当地偏置，以将MEMS开关20的当前 工作状态从第一闭合且导通状态切换到其中MEMS开关20开始断开 (例如，其中接触仍然闭合，但由于开关断开过程，接触压力逐渐减 小)的增大电阻状态，该MEMS开关20开始断开导致开关电阻增大， 这反过来导致负载电流开始从MEMS开关20转移到二极管电桥28内。在该当前状况下，平衡二极管电桥28向负载电路电 流Iload 50提 供了与经过MEMS开关20的通路相比较低阻抗的通路，该MEMS开 关20现在表现增大的接触电阻。注意，负载电路电流ILOAD 50经过 MEMS开关20的这种转移与负载电路电流ILOAD 50变化率相比是极快的过程。如前所述，期望的是，与MEMS开关20及平衡二极管电桥 28之间连接相关联的电感器L！ 84和L2 88的值非常小，以避免对该快 速电流转移的抑止。从MEMS开关20到脉沖电桥的该电流传送过程继续增大第一二 才及管30和第四二极管36内的电流，而同时第二二极管32和第三二极 管34内的电流逐渐减小。当MEMS开关20的才几+成接触22、 24分离而 形成物理间隙时该传送过程完成，且所有负载电流是由第一二极管30 和第四二极管36承载。负载电路电流Iload从MEMS开关20沿方向86转移到二极管电 桥28之后，二极管电桥28的第一支路29和第二支路31两端形成不平衡。此外，随着脉沖电路电流衰减，脉沖电容器CpuLSE56两端的电压接着反向(例如，充当"反电动势")，这导致负载电路电流Iload最終 减小为零。二极管电桥28内的第二二极管32和第三二极管34变为反 向偏置，这使得该负载电路现在包括脉沖电感器Lpulse 58和电桥脉沖 电容器Cpulse 56并变为串联谐振电路。现在转到图5,说明连接成用于减小负载电流过程的电路元件的 示意性图示94。如上文提及，在MEMS开关20的接触分开的时刻， 获得无穷大的接触电阻。再者，二极管电桥28不再维持MEMS开关20接触两端的近零电压。此外，负载电路电流lLOAD现在等于经过第一二极管30和第四二极管36的电流。如前所述，现在没有电流经过 二极管电桥28的第二二极管32和第三二极管34。此外，从MEMS开关20漏极24到源极26的显著开关接触电压 差值现在上升至约为Vm;s电压两倍的最大值，上升的速率是由包括脉 冲电感器LPULSE 58、脉沖电容器CPULSE 56和负载电路电感器LLOAD 46 的净谐振电路以及由于负载电阻Rload 48和电路损耗引起的阻尼决 定。此外，在某些时刻等于负载电路电流ILOAD 50的脉冲电路电流 Ipulse62由于谐振而减小为零值，且该零值由于二极管电桥28和二极 管Dp 60的反向阻挡动作而维持。由于谐振引起的脉冲电容器Cpulse 56 两端的电压将极性反转为负峰值，且该负峰值将维持直至脉冲电容器 Cpulse 56再次充电。二才及管电桥28可配置成维持MEMS开关20接触两端的近零电 压，直至该接触分离以断开MEMS开关20,由此通过抑止在断开时趋于形成于MEMS开关20接触之间的任何电弧来防止损伤。另外，在 大幅减小的接触电流经过MEMS开关20的情况下，MEMS开关20的 接触接近断开状态。另外，存储于电路电感、负载电感和源极内的任 何能量可以传送到脉沖电路电容器CPULSE 56,且可以通过电压耗散电 路(未示出)被吸收。电压緩沖电路33可配置成，限制在快速接触分 离期间由于保留在电桥和MEMS开关之间界面电感内的感应能量引起 的电压过沖。此外，断开期间MEMS开关20接触两端的再施加电压 的增大率可以通过使用緩沖电路(未示出)而得到控制。另外注意，尽管在断开状态时MEMS开关20的接触之间形成间 隙，但是漏电流仍存在于MEMS开关20附近的负载电路40和二极管 电桥电路28之间。(也可能形成经过MOV和/或R/C緩沖电路的通 路)。通过引入串联连接于负载电路40内的次级机械开关(未示出) 以产生物理间隙，则可以抑止该漏电流。在特定实施例中，该积4成开 关可包括第二 MEMS开关。图6说明示例性实施例96，其中开关电路12 (见图1)可包括例 如布置成串联或串联-并联阵列的多个MEMS开关。此外，如图6所 示，MEMS开关20可由电学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的至少一个可进一步耦合成并联电路，其中该并联电路可包括 第二组两个或多个MEMS开关(例如，参考数字100、 102)。依据本 发明的方面，静态分级电阻器和动态分级电容器可以与该第一或第二 组MEMS开关的至少一组并联耦合。现在参考图7，描述分级MEMS开关电路的示例性实施例104。 分级开关电路104可包括至少一个MEMS开关106、分级电阻器108 和分级电容器110。分级开关电路104可包括布置成例如如图6所示的 串联或串联-并联阵列的多个MEMS开关。分级电阻器108可与至少 一个MEMS开关106并联耦合，以为该开关阵列提供电压分级。在一 示例性实施例中，分级电阻器108大小可调整为提供该串联开关之间 充分的稳态电压平衡(分压)，同时提供针对具体应用的可接受的漏电。 再者，分级电容器110和分级电阻器108均可设为与该阵列的每个 MEMS开关106并联，以在开关期间动态地以及在断开状态下静态地 提供共享。注意，附加的分级电阻器或分级电容器或二者可添加到该开关阵列中的每个MEMS开关。在特定其他实施例中，分级开关电路 104可包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示出)。图8为用于将MEMS基电动机起动器从当前工作状态切换到第二 状态的示例性逻辑112的流程图。依据本技术的示例性方面，给出了 一种开关方法。如前所述，检测电路可工作地耦合到过电流保护电路 且配置成检测开关状况。此外，检测电路可包括配置成感测电流电平 和/或电压电平的感测电路。如块114所示，通过例如该感测电路，可以感测诸如负载电路40 (见图2)的负载电路内的电流电平和/或电压电平。另外，如决定块期值。在一个实施例中，(例如通过该检测电路)判定感测的电流电平 或感测的电压电平是否超过相应的预定阈值电平。备选地，可以监测 电压或电流斜坡速率以检测实际上无故障发生的开关状况。如果感测的电流电平或感测的电压电平变化或不同于预期值，则 如块118所示，产生一开关状况。如前所述，术语"开关状况"是指触 发改变MEMS开关的当前工作状态的状况。在特定实施例中，开关状 况可以响应于故障信号而产生，且可被采用以利于启动MEMS开关的 断开。注意，块114-118代表产生开关状况的一个示例。然而将理解，如块120所示，脉沖电路可^皮触发以响应于开关状况而启动脉冲 电路电流。由于脉沖电路的谐振动作，脉冲电路电流电平持续增大。 至少部分由于该二才及管电桥28，如果脉沖电路电流的瞬时幅值显著大 于负载电路电流的瞬时幅值，则近零电压降落可维持在MEMS开关的 接触的两端。此外，经过MEMS开关的负载电路电流可以vMv该MEMS 开关转移到该脉沖电路，如块122所示。如前所述，二极管电桥提供 与经过该MEMS开关的通路相反的4交低阻抗通路，其中当MEMS开 关的接触开始分离时，较高的阻抗增大。该MEMS开关随后以无电弧 的方式断开，如块124所示。如前所述，MEMS开关接触两端的近零电压降落可以维持，只要 脉沖电路电流的瞬时幅值显著大于负载电路电流的瞬时幅值，由此有 利于断开MEMS开关并抑止该MEMS开关接触两端形成任何电弧。 因此，如前文所述，MEMS开关可以在MEMS开关接触两端近零电压状况下、且大幅减小的电流经过该MEMS开关的情况下断开。图9为依据本技术的方面，表示切换该MEMS基电动机起动器的 MEMS开关当前工作状态的实验结果的图解性图示130。如图9所示， 随时间变化134绘制幅值变化132。此外，参考数字136、 138和140 表示图解性图示130的第一部分、第二部分和第三部分。响应曲线142表示负载电路电流幅值变化与时间的函数。脉冲电 路电流幅值变化与时间的函数用响应曲线144表示。按照类似方式， 栅极电压幅值变化与时间的函数用响应曲线146表示。响应曲线148 表示零栅极电压参考，而响应曲线150为断开之前负载电流的参考电平。此外，参考数字152代表响应曲线142上发生开关断开过程的区 域。类似地，参考数字154代表响应曲线142上MEMS开关接触已经 分离且该开关处于断开状态的区域。而且，从图解性图示130的第二 部分138可以看出，栅极电压拉低以利于启动MEMS开关的断开。再 者，从图解性图示130的第三部分140可以看出，平衡二极管电桥接 通一半内的负载电路电流142和脉沖电路电流144正在衰减。本发明的方面包括电路和/或技术，其可靠且低成本地藉由固态 (例如基于半导体的)开关电路能够耐受冲击电流(例如，在起动事 件或瞬时状况时)，且能够例如利用MEMS基开关电路用于稳态工作 以及用于解决可能出现的故障状况。本领域技术人员将理解，在启动诸如电动机或其他类型电学设备 的电学负载时，或者在瞬时状况下，沖击电流会产生。起动事件时沖 击电流的值经常包括稳态负载电流值的几倍(例如，六倍以上)，且可 以持续好几秒，例如10秒的量级。图10为实施本发明的方面的电动机起动器200的方框图。在一个 示例性实施例中，电动机起动器200将MEMS基开关电路202、固态 开关电路204和过电流保护电路206连接成并联电路，在一个示例性 实施例中例如可包括如图1至9所示和/或其上下文中所述的脉沖电路 52和平衡二极管电桥31。控制器208可耦合到MEMS基开关电路202、固态开关电路204 和过电流保护电路206 。控制器208可配置成通过执行一控制策略而选 择性地在该MEMS基开关电路和该固态开关电路之间来回传送电流，该控制策略配置成，确定何时致动过电流保护电路206以及此外何时 断开和闭合每个相应的开关电路，该控制策略例如可响应于适合相应 每个开关电路的电流传送能力的负栽电流状况和/或在可能影响该电动 机起动器的故障状况期间被执行。注意，在这种控制策略中，期望的 是，在相应开关电路202和204之间来回传送电流时准备执4亍故障电 流限制，以及当负载电流接近任一开关电路的最大电流处理能力时执 行电流限制和负载去激励。实施前述示例性电路的系统可以控制，佳_ -得该沖击电流不由 MEMS基开关电路202传送，且该电流相反地由固态开关电路204传 送。稳态电流将由MEMS基开关电路202传送，且在系统工作期间通 过过电流保护电路206可获得过电流和/或故障保护。将理解，在广义 上讲，所提出的概念不限于MEMS基开关电路。例如，包括与一个或 多个固态开关并联的一个或多个标准才几电开关(即，非MEMS基才几电 开关电路)以及合适的控制器的系统可以类似地受益于本发明的方面 提供的优点。下面给出在发生电动机起动事件时，该电动机起动器中的示例性 开关状态序列以及示例性电流值。数字后面的字母X表示与稳态状况 下典型电流值的若干倍相对应的示例性电流值。因此，6X表示与稳态 状况下典型电流值的6倍相对应的电流值。1. 固态开关电路-断开MEMS基开关电路-开路电流-02. 固态开关电路-闭合MEMS基开关电路-开路电流-6X3. 固态开关电路-闭合MEMS基开关电路-闭路电流- IX4. 固态开关电路-断开MEMS基开关电路-闭路电流-IX图11说明一个示例性实施例，其中电动机起动器200中的固态开 关电路204包括与过电流保护电路206和MEMS基开关电路202并联 连接的两个FET (场效应晶体管)开关210和212 (与二极管214及 216连接成反向并联配置以用于允许导电AC电流)。可通过接通FET 开关210和212来激励电学负载(未示出)，这允许起动电流(用"Istart" 表示)开始流到该负载，且反过来允许FET开关210和212在负载启 动期间传送该电流。将理解的是，固态开关电路204既不限于图11所 示的电路布置，也不限于FET开关。例如，提供双向电流导电能力的 任何固态或半导体功率开关装置可同等适用于给定AC应用。本领域技术人员将理解，该双向能力可以是开关装置中，例如TRIAC、 RCT中 所固有的，或者可以通过恰当地布置至少两个这种装置，例如IGBT、 FET、 SCR、 MOSFET等来获得。图16说明一示例性实施例，其中固态开关电路204包括连接成反 向串联电路布置的一对MOSFET开关240和242。注意，二极管244 和246包括体二极管。也就是说，这些二极管包括其相应MOSFET开 关的积分部分。零栅极驱动电压时，每个开关断开；因此开关将分别 阻挡交流电压的相反极性，同时另一开关的每个相应二极管4皮正向偏 置。当从门驱动电路222施加合适的栅极驱动电压时，每个MOSFET 将回复到低电阻状态，而与呈现于开关端子的交流电压的极性无关。本领域技术人员将理解，反向串联连接的MOSFET对两端的电压 降落为两个Rdson (接通电阻)开关的IR降落，代替了一个Rdson加 上二极管的电压降落，而反向并联布置的情形则是这样的。因此，在 一个示例性实施例中，MOSFET的反向串联配置可能是期望的，这是 因为其能够提供较低的电压降落，因此功耗、发热及能耗更低。将进一步理解，在一个示例性实施例中，其中固态开关电路204 包括双向闸流晶体管(或者反向并联闸流晶体管对)，而该布置在更低 电流下可能导致比较高损耗，这种布置具有由于在高电流时比较低的 电压降落而能够耐受比较高的短期电流沖击的优点，以及瞬时热响应特性。考虑在一个示例性实施例中，固态开关电路204可用于通过控制 电流脉沖来执行电动机的软起动(停止)。通过根据交流负载电压或交 流负载电流的可变相位角来切换固态电路，可以调整由施加于电动机 的电流脉沖流产生的电能。例如，当电动机首先被激励时，固态开关 电路204可以被接通而在电压接近零时接近电压零。这只会形成小的 电流脉沖。电流将上升，在大约电压接近零时达到峰值，且在电压反 转时降到零。点弧角(firing angle)(相位角)逐渐增大以产生更大的 电流脉沖，直至该电流达到期望值，例如三倍于额定负载。最终，当 电动机起动且电流幅值继续衰减时，点弧角进一步增大直至最终全线 电压连续施加到该电动机。对于期望了解有关使用固态开关电路的示 例性软起动技术的一般背景信息的读者，可参考题为"Apparatus and Three Phase Induction Motor Starting and Stopping Control Method"的美国专利No. 5,341,080,该专利共同转让给本发明的受让方，且通过引 用结合于此。在初始起动电流降低到合适电平之后，使用合适的MEMS兼容开 关技术，或者如果该电压降落包含比较小的电压则通过闭合到降落在 该固态开关电路两端的电压，则可接通MEMS基开关电路202。此时， FET开关210和219可断开。图12说明电动机起动器200的状况，其 中稳态电流(用"Iss"表示)是由MEMS基开关电路202传送。本领域技术人员将理解，MEMS基开关电路在其开关接触两端存 在电压时，不应闭合为接通的开关状态，且在电流传递经过该接触时， 也不应断开为不接通的开关状态。MEMS兼容开关技术的一个示例可 以是脉沖形成技术，如图l至9所示和/或其上下文中所述。通过将该电动机起动器配置成执行软切换或波形上点(point on wave)切4灸，由此该开关电路202中的一个或多个MEMS开关在开关 电路202两端的电压为零或非常接近零时闭合，且在流过开关电路202 的电流为零或非常接近零时断开，如此可以实现MEMS兼容开关技术 的另一个示例。对于期望了解有关该技术的背景信息的读者，可参考 其全文引用结合于此的如下专利申请2005年12月20日提交的题为 "Micro-Electromechanical System Based Soft Switching"的美国专利申 请No. 11/314,879 ( Attorney Docket No. 162191-1 )。通过在开关电路202两端的电压为零或非常接近零时闭合开关， 在一个或多个MEMS开关闭合时将该一个或多个MEMS开关的接触 之间保持低电场，则可避免预击穿电弧，即使多个开关不全部同时闭 合。如上所述，控制电路可配置成将开关电路202的一个或多个MEMS 开关的断开和闭合与交流电源电压或交流负载电路电流零交叉的出现 同步。万一在起动事件期间出现故障，过电流保护电路206配置成保 护下游负载以及相应开关电路。如图13所示，通过将故障电流(Ifault) 转移到过电流保护电路206来实现该保护。注意，尽管以最高级观看时机电开关电路和固态开关电路在扭无念 上看上去彼此基本上相似，然而实践中这种开关电路会表现各自独特 的工作特性，因为它们的工作是基于显著不同的物理原理，并因此该 过电流保护电路必须恰当地配置以应对这种特性且仍然要恰当地致动 该开关电路。例如，MEMS开关通常涉及悬臂梁的机械移动以断开接触，而场效应固态开关通常涉及电荷载流子在电压感应通道内的移动， 双极固态开关涉及将电荷载流子注入反向偏置结内。清除载流子所花 的时间称为恢复时间，且该恢复时间的范围为从〈ljlS的时间到>100|18的时间。例如，如果固态开关在故障时闭合，则过电流保护电路206 应能够吸收故障电流并保护该固态开关和下游负载，直至该开关的通 道被彻底清除且该开关完全断开。如果过电流保护电路206包括脉沖 电路52和平衡二极管电桥31，则可以表明，脉沖特性(例如由该脉冲 电路形成的脉冲的宽度和/或高度)会影响下游保护的质量。例如，过 电流保护电路206应能够产生具有充分宽度和/或高度的脉沖以容纳该 并联固态开关电路的恢复时间以及容纳MEMS基开关电路的故障保 护。本领域技术人员将理解，就故障电流中断而言，存在两种常见类 型的固态开关电路。某些固态开关(例如FET)可以在断开时固有地 强加零电流状况。其余(例如SCR)无法强加这种零电流状况。可以 强加零电流状况的固态开关电路无需过电流保护电路206的辅助，以 在故障期间执行电流限制。无法强加零电流状况的固态开关电路通常 需要过电流保护电路206。如前所述，应实施合适的控制技术以选择性地在MEMS基开关电 路和固态开关电路之间来回传送电流。在一个示例性实施例中，这种 控制技术可以基于针对每个开关电路的相应电损耗模型。例如，MEMS 基开关电路中的电损耗(以及伴随的温度上升)通常正比于负载电流 的平方，而固态开关电路中的损耗(以及伴随的温度上升)通常正比 于负载电流的绝对值。此外，固态装置的热容通常大于MEMS基开关 电路的热容。因此，对于正常值的负载电流，预期MEMS基开关电路 将承载该电流，而对于瞬间过载电流，预期固态开关电路将承载该电 流。因此，预期在瞬时过载情形中将来回传送电流。我们将在下文讨论在MEMS基开关电路和固态开关电路之间选 择性地来回传送负载电流的三种示例性技术。 一种示例性技术考虑使 用双过电流保护电路，例如图14所示，其中第一过电流保护电路206t 和第二过电流保护电路2062与MEMS基开关电路和固态开关电路连接 成并联电路来辅助该传送(在一个示例性实施例中，该第二过电流保 护电路还可包括脉冲电路52和平衡二极管电桥31,如图1至9所示和/或上下文中所述)。注意，如果电动机起动器仅使用单个过电流保护电路206,则该 单个过电流保护电路将在MEMS基开关电路开关事件时被起动。然而， 如果是在之后很短时间发生故障，则该单个过电流保护电路206无法 准备再次起动以保护该开关电路。如前所述，过电流保护电路206基 于脉沖技术操作，因此这种电路无法在脉冲触发时瞬时地准备即刻工 作。例如，需要等待一时间段以对脉沖电路52内的脉沖电容器再次充 电。涉及冗余过电流保护电路的技术确保剩下 一 个过电流保护电路(例如，电路2062)空闲和准备在故障状态下辅助电流限制，即使当 另 一 个过电流保护电路206l刚刚执行与正常开关事件(非故障驱动的开关事件)相关联的脉冲辅助开关。这种技术被认为提供了巨大的设 计灵活性，具有比较简单的控制，但是需要双过电流保护电路而不是 单个过电流保护电路。注意，这种技术与任意类型的固态开关电路相 兼答。将会理解，在包含冗余过电流保护电路的示例性实施例中，这种 电路应包括两个脉沖电路52,但无需包括两个平衡二极管电桥31。例 如，如果第 一过电流保护电路包括相应的脉冲电路52和相应的平衡二 极管电桥31,则第二过电流保护电路可仅包括配置成(在需要时)施 加合适的脉沖电流至第一过电流保护电路的平衡二极管电桥31的相应 脉沖电路52。相反，如杲第二过电流保护电路包括相应的脉沖电路52 和相应的平衡二极管电桥31,则第一过电流保护电路可仅包括配置成 (在需要时)施加合适的脉沖电流至第二过电流保护电路的平衡二极 管电桥31的相应脉冲电路52。第二种示例性技术是对该传送的执行定时与电流零相符。这消除 了对第二过电流保护电路的需要，且也与任意类型的固态开关电路相 兼容。然而，这种技术涉及相对更精细的控制，并在某些情形下要求 系统完全关掉。第三种示例性技术是通过协调MEMS开关电路和固态 开关电路的断开和闭合来执行电流传送。本领域技术人员将理解，如 果固态开关电路具有较小的电压降落，则可以使用这种技术。在任意情况下，应理解的是，该控制策略可以配置成判定何时操 作该过电流保护电路(单个或双过电流保护电路)并判定何时断开和闭合相应的开关电路，例如响应于适合相应一个开关电路的电流承载 能力的负载电流状况。 一般的积无念为，准备在交流电流通路之间来回 传送电流的同时执行故障电流限制，以及在负载电流接近任一 负载电 流承载通路的最大容量时执行电流限制和电路去激励。
一种示例性控制策略如下考虑到将会有大的初始电流，因此使用固态开关电路激励负载。 在该电流落在MEMS基开关电路的额定值内之后，将负载传送到 MEMS基开关电路。当期望在正常状况下去激励该负载时，此时无论哪个开关电路承 载该电流，尽可去激励该负载。如果是MEMS基开关电路，则使用波 形上点开关在电流零时断开。基于模拟或感测的温度，确定MEMS基开关电路和固态开关电路 二者的相应温度。如果任一该温度确定为接近相应热额定值上限，或 者如果负载电流接近相应的最大电流承载容量，(例如在故障状况或 严重过载时)进行瞬时电流中断(由过电流保护电路辅助)，且均断开 MEMS基开关电路和固态开关电路。该动作将优先于任何其他控制动 作。在允许重新闭合开关动作之前等待复位。在正常工作时，每个相应开关电路的相应热学状况可用于判定电 流是流经MEMS基开关电路还是流经固态开关电路。如果一个开关电 路接近其热学或电流极限而另一个开关电路仍具有热学余量，则传送 可以自动地进行。精确定时将依赖于开关传送技术。例如，在脉沖辅 助传送中，该传送可以在一旦需要传送时基本上瞬时地发生。在基于 波形上点开关的传送中，将直到出现电流的下一个可获得的零交叉时 才执行这种传送(例如延迟)。对于延迟传送，在设置中应提供一定余 量用于传送该决定，从而使得该传送可成功地延迟直至下一个电流零。图15说明电动4几起动器的一个示例性实施例的电路细节。例如， 图15说明响应于来自控制器208的控制信号分别驱动MEMS基开关 电路206、固态开关电路204、第一脉沖开关54和第二脉沖开关229 的相应驱动器220、 222、 224和228。在一个示例性实施例中，第一脉 冲开关54耦合到相应脉沖电容器56和脉沖电感器58，且可以配置成 在MEMS基开关电路接通事件时施加脉沖到电桥二极管28，如图l至 9的上下文中所述。也就是说，为了在恰当选定的时间形成脉沖，从而保证当MEMS基开关电路闭合时，MEMS基开关电路的端子两端的电 压等于零(或基本上接近零)。基本上，脉沖信号是在微机电系统开关 电路接通到导通状态时产生。在该示例性实施例中，第二脉沖开关229耦合到相应脉沖电感器 230和脉沖电容器234,且可以配置成在MEMS基开关电路断开事件 时施加脉沖到电桥二极管28。也就是说，为了在恰当选定的时间形成 脉沖，从而保证当MEMS基开关电路断开时，流过MEMS基开关电 路的电流等于零(或基本上接近零)。基本上，脉沖信号是在微机电系 统开关电路断开到非导通状态时产生。这可以与所提到的波形上点 (POW)技术组合来达成，由此为电动机起动器设计提供了增加的鲁 棒性水平。例如可以想到，这种脉冲辅助接通技术使得实施本发明方 面的电动才几起动器可以应用于在l义采用POW开关时电源电压质量不 适于一致可靠工作的应用。注意，第三脉沖电路将确保一个脉沖电路 空闲和准备在故障状态下辅助电流限制，即，即使当第一和第二脉沖 电路均刚刚执行与正常开关事件(非故障驱动的开关事件)相关联的 脉冲辅助开关。这是结合图14所述的冗余过电流保护概念的扩展。图15还说明连接到控制器208以感测电流的电流传感器226,感 测的电流可用于判定适合相应每个开关电路的电流承载容量的负载电 流状况以及可能影响电动机起动器的故障状况。在工作中，实施本发明方面的电动机起动器可以用于三相、非反 向、AC电动才几应用。然而将理解，实施本发明方面的电动才几起动器可 以容易地适用于任意数目的电学相位、AC或DC电压、以及反向或非 反向应用。本领域技术人员将理解，在某些应用中需要电动机轴旋转 方向的反向。例如，在三相电感电动机中，实施本发明方面的MEMS 基电动机起动器可适用于提供开关和控制电路以提供反向电动机工 作，例如通过将三线路连接的任意两个线路重新连接到电动机。图17为MEMS基反向电动才几起动器的一个示例性实施例。例如， 由过电流保护电路14提供的各种有利的工作特性如上所述。在三相电 动才几的一个示例性实施例中，在MEMS开关电路12中将两个附加的 MEMS开关互联，这将响应于来自恰当配置的控制器的相应门控信号 而交换该三个电学相位中的两个电学相位。例如，通过接通标有字母 "F"的开关，则可以沿正向操作该电动机，以及通过接通标有字母"R"的开关，则可以沿反向操作该电动机。注意，常规起动器通常需要至少十个接触器(contactor)以提供电动才几反向功能，而MEMS基起动 器仅需五个MEMS开关以提供相同的反向功能。在常规起动器中需要 附件元件来核查和确保恰当的机械和/或电学互锁，例如确保反向接触 器不与正向接触器同时接通。在MEMS反向电动机起动器中，可以通 过恰当配置的例如存储于控制器内的软件控制模块来有利地进行这种 核查。示例性的电动机起动器输入信号可包括三相线输入功率、电气 接地、以及诸如接通-断开激励信号和/或可选的手动接通-断开激励 的控制信号。输入功率可以是任何合适的电压或频率，且控制信号可 以是模拟或者数字信号。用户界面可为输入功率线提供连接(例如， 通过端子块)。服务断开(例如闸刀开关)可提供闭锁(lockout)(封 锁(tagout))服务断开。控制界面(例如按钮型)可向用户提供手动 接通/断开控制。 一旦线路功率被连接，电源电路可配置成提供诸如逻 辑电路、MEMS开关栅极驱动器、固态开关栅极驱动器、脉冲电路等 的各种装置所需的控制功率。一个示例性实施例可以4吏用相应的相到相(phase-to-phase )电势 作为控制电源，这在多相系统中是惯例。对于单相系统，可以从分离 的源供给该电势或者可以从相到地(phase-to-ground )电势得到该电势。 除了提供电路电源之外，电源电路可包括线路瞬态抑制器。 一旦建立 控制功率，控制电路可以提供恰当的控制以及电流/电压感测。例如， 合适的控制器(例如可编程逻辑控制器(PLC)或者微控制器，视功 能电平而定)可配置成执行决策算法并连同传感器信息收集输入命令， 以及进行有关MEMS基开关电路和/或固态开关电路的断开/闭合的逻 辑决定。在一个示例性实施例中，模块间控制可以中继初始输入命令，例 如，为电压可缩放的MEMS开关电路模块的阵列提供电流隔离的控制 信号。采用与MEMS基开关电路并联的电压分级网络和过电流保护电 路，在断开状态时会有一些漏电流。因此，对于在跳闸(tripped)状 态需要零漏电流的应用，可以添加隔离接触器。将理解的是，这种隔 离接触器无需设计成中断高电平的负栽电流，因此可以仅设计成承载额定电流和耐受可应用的介电电压，这大幅缩小了隔离接触器的尺寸。 对于本领域技术人员来讲显而易见的是，如前述说明书所披露的 实施本发明的方面的电路，能够以可靠和低成本方式来实现需要从电 路断路器获得的各个要素和/或工作功能。例如，可用于表征电路断路器的反向时间关系，例如一由(IA2*t=K，其中过载的容许持续时间为 使得，时间(t)和电流(I)平方的乘积为常数K)定义的过电流曲线一基 于电流幅值可以通常划分为三个区段例如，长时间(例如，较大的K) 区段、短时间(例如，较小的K)区段、以及瞬时区段。注意，长时 间和短时间区段通常涉及比半个周期长得多的时间，因此可经受波形 上点开关。然而还要注意，瞬时区段一般需要非常快的子半周期开关， 这一点可以由MEMS基开关电路提供，因为瞬时区段可能是短路而造 成的，其可以在小于一毫秒内爆发性地达到千安培的潜在电流。因此，的每个要素2/或工作功能，从而在例如每v前述工作区段i满足其-作要求。尽管本文中仅说明和描述本发明的特定特征，但是本领域技术人 员可以想到诸多改进和变化。因此应理解，所附权利要求旨在涵盖所 有落在本发明真实精神内的所有这种改进和变化。部件10獨U/L电系统(MEMS)基电动才几起动器12 MEMS基开关电路14过电流保护电路16单一封装(用于过电流保护电路)18微机电系统(MEMS)基电动机起动器的示意性图示22第一MEMS开关第一接触(漏极)24第二接触(源极)26第三接触(栅极)28平衡二极管电桥29第一支路30第一二极管Dl 31第二支路 32第二二极管D2 33电压緩沖电路 34第三二极管D3 36第四二极管D4 40负载电路 44电压源Vbus 46负载电感LLOAD48负载电阻RLOAD 50负载电流lLOAD52脉冲电路54脉沖开关56脉沖电容器CPULSE58脉冲电感LpULSE60第一二极管Dp62脉沖电路电流ipusle64用于触发脉沖电路的过程的示意性图示66脉冲电路电流的反向68脉沖电路电流的反向70电流矢量72电流矢量74电流矢量76电流矢量78断开MEMS开关的示意性图示84电感Lt86负载电流方向88电感L294连接成为了减小负载电流的电路元件的示意性图示 96多个MEMS开关 98 MEMS开关100MEMS开关104分级MEMS开关电路106MEMS开关108分级电阻器110分级电容器112开关MEMS基电动才几击114块116块118块120块122块124块130实验结果的图解性.图示132幅值变化134时间变化136图解性图示的第一-部分138图解性图示的第二-部分140图解性图示的第三.部分142响应曲线144响应曲线146响应曲线148响应曲线150响应曲线152响应曲线的区&戈154响应曲线的区;或200 电动才几起动器202 并联电路MEMS基开关电路204 固态开关电路206 过电流保护电路208 控制器210 FET (场效应晶体管)212 FET (场效应晶体管)214 二极管216 二极管219 FET开关 222 门驱动电路 240 MOSFET开关 242 MOSFET开关 244 二极管246 二极管220 驱动器 222 驱动器 224 驱动器 226 电流传感器 228 驱动器228 控制器229 第二脉冲电路230 脉冲电感器 234 脉沖电容器
权利要求
1.一种电动机起动器，包括微机电系统开关电路(202)；以及与所述微机电系统开关电路连接成并联电路的至少第一过电流保护电路(206)，所述第一过电流保护电路配置成响应于所述微机电系统开关电路的第一开关事件瞬间形成导电通路，所述导电通路与所述微机电系统开关电路连接成并联电路，以抑制在所述第一开关事件期间所述微机电系统开关电路的接触之间形成电弧。
2. 如权利要求l所述的电动机起动器，其中所述导电通路由平衡二 极管电桥(28)形成。
3. 如权利要求2所述的电动机起动器，还包括耦合至所述平衡二极 管电桥的第一脉冲电路(52),所述脉沖电路包括用于形成脉沖信号以使 脉沖电流流经所述平衡二极管电桥的脉沖电容器(56),所述脉沖信号是 在所述微机电系统开关电路接通至导通状态时产生，所述接通构成所述 第一开关事件。
4. 如权利要求1所述的电动机起动器，还包括与所述微机电系统开 关电路和所述第一过电流保护电路连接成并联电路的第二过电流保护电 路(2062),所述第二过电流保护电路配置成响应于所述微机电系统开关 电路的第二开关事件瞬间形成导电通路，所述导电通路与所述微机电系 统开关电路连接成并联电路，以抑制在所述第二开关事件期间所述微机 电系统开关电路的接触之间形成电弧。
5. 如权利要求4所述的电动机起动器，还包括耦合至所述平衡二极 管电桥的第二脉冲电路(229),所述脉沖电路包括用于形成脉冲信号以 使脉沖电流流经所述平衡二极管电桥的脉沖电容器，所述脉沖信号是在 所述微机电系统开关电路断开至非导通状态时产生，所述断开构成所述 第二开关事件。
6. 如权利要求l所述的电动机起动器，还包括与所述微机电系统开 关电路及所述第一过电流保护电路耦合成并联电路的固态开关电路(204 )。
7. 如权利要求6所述的电动机起动器，还包括耦合到所述微机电系 统开关电路和所述固态开关电路的控制器(208)，所述控制器配置成对 来自连接到所述电动机起动器的电动机的负载电流执行选择性切换，所述选择性切换是响应于适合相应各个开关电路的工作能力的负载电流状 况，而在所述微机电系统开关电路和所述固态开关电路之间执行的。
8. 如权利要求7所述的电动机起动器，其中所述控制器配置成响应 于交流电源电压或交流负载电流的检测的零交叉来执行所述微机电系统 开关电路的无电弧开关。
9. 如权利要求7所述的电动机起动器，其中所述控制器配置成通过 依据交流电源电压或交流负载电流中的可变相位角来开关所述固态开关 电路以执行软电动机起动，由此调整由用于起动所述电动机的电流脉沖 流产生的电能数量。
10. 如权利要求1所述的电动机起动器，其中所述微机电系统开关 电路包括布置成执行电动机反向工作的相应的微机电系统开关。
全文摘要
本发明提供了一种电动机起动器(200)。该电动机起动器包括微机电系统开关电路(202)。该系统还包括与该微机电开关电路耦合成并联电路的固态开关电路(204)，以及耦合至该微机电开关电路和该固态开关电路的控制器(208)。该控制器可配置成对来自连接到该电动机起动器的电动机的负载电流执行选择性切换。该切换响应于适合相应各个开关电路的工作能力的负载电流状况，而在该微机电系统开关电路和该固态开关电路之间执行的。
文档编号H02P1/16GK101227159SQ200810003039
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月10日 优先权日2007年1月10日
发明者B·C·孔菲尔, C·S·皮岑, D·J·勒斯利, E·K·霍韦尔, F·陶, J·I·赖特, J·N·帕克, K·A·奥布里恩, K·苏布拉马尼安, R·J·卡加诺, W·J·普雷默拉尼 申请人:通用电气公司