与固态开关电路并联的机电开关电路的制作方法

专利名称：与固态开关电路并联的机电开关电路的制作方法
技术领域：
本发明的实施例 一 般涉及用于将电流切换至可选择电流路径的开 关系统，更具体而言涉及基于微机电系统的开关装置。
背景技术：
断路器是一种设计成保护电学设备免受由于电路故障引起的损伤 的电学装置。传统上，最常规的断路器包括笨重的机电开关。不幸的是， 这些常规断路器尺寸大，由此使得必须使用大的力来激励开关机构。另 外，这些断路器的开关通常工作速度较低。此外，这些断路器缺点在于 构建复杂，因此制作成本昂贵。另外，当常规断路器中开关机构的接触(contact)物理分离时，电弧(arc)通常形成于接触之间，该电弧继续 传送电流直至电路停止。另外，与电弧相关的能量严重地损伤接触与/ 或对操作人员造成烧伤危险。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。可以理解，通过电压或偏置的受控施加，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，固态开关遭遇漏电流。此外，由于内部阻抗，固态 开关在工作于导通状态时经历电压降。该电压降及漏电流导致在正常工 作情况下产生过量的热，这对于开关性能和寿命是有害的。此外，至少 部分地由于与固态开关相关联的固有漏电流，固态开关在断路器中的应 用是不可能的。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.11/314,336 (Attorney Docket No. 162711-1 )描述了一种基于拔支才几电 系统(MEMS)的开关装置，该开关装置包括适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。该开关装置可以是必须吸收或耐受与马达或其他工业设备启动相 关联的冲击电流的电流限制保护装置的一部分。这种冲击电流经常包含 稳态负载电流值的多倍(例如六倍或以上)，且可以持续长达10秒。处理这种电流的一种已知技术为并联组合多个MEMS开关(例如，处理 稳态电流所需的开关数目的六倍)。随着MEMS开关阵列的成本和产率 改善，这种技术在将来某时可能变得成本有效，但是目前使用六倍的 MEMS开关数目将使成本增大为原来的六倍，且这些额外MEMS开关 在仅约10秒操作时间起作用。因此，期望提供一种电流与/或技术，其 可靠且成本有效地处理这种沖击电流，同时仍能使用MEMS开关用于 稳态操作以及用于解决可能产生的故障状况。发明内容一般而言，本发明一些方面提供了一种包括机电开关电路的开关系 统。该系统可进一步包括与该机电开关电路成并联电路耦合的固态开关 电路，以及耦合到该机电开关电路和该固态开关电路的控制器。该控制 器可配置成响应于适于所述开关电路中相应开关电路的操作能力的负 载电流状况，执行在该机电开关电路和该固态开关电路之间的负载电流 的选择性切换。本发明的另一些方面提供了一种包括微机电系统开关电路的开关 系统。该系统可进一步包括固态开关电路。第一过电流保护电路可以与 该微机电系统开关电路和该固态开关电路成并联电路连接，其中该第一 过电流保护电路可配置成抑制该微机电系统开关电路的接触之间的电 弧形成。控制器可耦合到该微机电开关电路、该固态开关电路以及该第 一过电流保护电路。该控制器可配置成响应于适于所述开关电路中相应 开关电路的操作能力的负栽电流状况，执行在该机电开关电路和该固态 开关电路之间的负载电流的选择性切换。


当参考附图阅读下述详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面 及优点将更容易理解，且附图中相同的参考数字总是表示相同的部件， 其中图1为依据本技术一些方面的示例性MEMS基开关系统的方框图；图2为说明图1所示示例性MEMS基开关系统的示意性图示；图3至5为说明图2所示MEMS基开关系统的示例性操作的示意性流程图；图6为说明MEMS开关的串联-并联阵列的示意性图示； 图7为说明分级MEMS开关的示意性图示；图8为描述具有图1所示MEMS基开关系统的系统的搡作流程的 流程图；图9为表示该开关系统的关断的实验结果的图解性表示； 图IO为说明依据本发明的示例性开关系统的方框图； 图11、 12和13分别说明图10的开关系统的一个示例性实施例的 电路细节，其中图11说明诸如在负栽起动事件期间通过相应固态开关 电路的电流路径，图12说明诸如在稳态操作期间通过相应MEMS基开 关电路的电流路径，以及图13说明诸如在故障状态期间通过过电流保 护电路的电流路径；图14说明具有双过电流保护电路的开关系统的一个示例性实施例 的示意图；图15说明图IO的开关系统的一个示例性实施例的电路细节；以及 图16说明一示例性实施例，其中固态开关电路包括连接成反向串 联电路布置的一对开关。
具体实施方式
依椐本发明的一个或多个实施例，在本文中描述了基于微机电系统 的无电弧开关系统和方法。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，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/>知方法、过程和部件。此外，可以将各种操作描述成按照有助于理解本发明的实施例的方 式执行的多个分立的步骤。然而，描述的顺序不应解读成意味着这些操 作需要按照所给出的顺序来执行，也不应解读成这些操作甚至是依赖于 顺序的。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说明依据本发明的示例性无电弧微机电系统开关(MEMS)基开关系统10的方框图。目前，MEMS通常是指一种微米尺度的结构， 其例如可以通过微制作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，认为 MEMS装置中目前可获得的许多技术和结构在仅仅几年内将通过基于 纳米技术的装置(例如尺寸小于100纳米的结构)获得。因此，即使本 文通篇所描述的示例性实施例是指MEMS基开关装置，但应理解，本 发明的创造性方面应广义上解读且不应限于微米尺寸的装置。如图l所示，无电弧MEMS基开关系统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可操作地耦合 到该MEMS基开关电路12。在某些实施例中，MEMS基开关电路12 例如可整体与该过电流保护电路14集成在单个封装16内。在其他实施 例中，MEMS基开关电路12的仅某些部分或部件与该过电流保护电路 14集成。在将参考图2至5更详细描述的目前考虑的配置中，MEMS基开关 电路12可包括一个或多个MEMS基开关。此外，过电流保护电路14 可包括平衡的二极管桥和脉冲电路。此外，过电流保护电路14可配置 成有利于抑制该 一 个或多个MEMS开关的接触之间的电弧产生。注意， 该过电流保护电路14可配置成有利于抑制响应于交流(AC)或直流 (DC)的电弧产生。现在转到图2,依据一个实施例说明图1所述的示例性无电弧 MEMS基开关系统的示意性图示18。结合图1所示，该MEMS基开关 电路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描述成具有第一接触22、第二接触24和第三接触26。在一个 实施例中，第一接触22可配置成漏极，第二接触24可配置成源极，且 第三接触26可配置成栅极。此外，如图2所示，电压緩冲电路33可与 该MEMS开关20并联耦合，且配置成限制快速接触分离过程中的电压 过沖，如下文所更详细解释。在某些实施例中，緩冲电路33可包括与 緩沖电阻器(未示出)串联耦合的緩冲电容器(未示出)。该緩冲电容 器有利于在MEMS开关20开路顺序期间瞬时电压共享的改善。此外， 该緩沖电阻器可抑制在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。在某些其他实施例中，电压緩沖电路33可包括金属 氧化物变阻器(MOV)(未示出)。依据本发明另外方面，负载电路40可与第一MEMS开关20串联 耦合。负栽电路40可包括电压源VBUS 44。此外，负栽电路40还可包 括负栽电感46 Lload，其中负载电感lload 46代表负载电路40见到的 组合的负载电感和总线电感。负载电路40还可包括表示负载电路40见 到的组合负载电阻的负载电阻RmAD 48。参考数字50表示流过负载电 路40和第一MEMS开关20的负栽电路电流lLOAD。此外，如参考图l所示，过电流保护电路14可包括平衡二极管桥。 在所示实施例中，平衡的二极管桥28描述成具有第一支路29和第二支 路31。如本文中所使用，术语"平衡二极管桥"用于表示配置成使得跨 过第一支路29和第二支路31的电压降基本上相等的二极管桥。平衡二 极管桥28的第一支路29可包括耦合在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。按照类似的方式，该平衡二极管桥 28的第二支路31可包括可操作地耦合在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可跨过平衡二极管桥28的 中点并联耦合。该平衡二极管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和平衡二极管桥28可紧密封装以利于最 小化由平衡二极管桥28且尤其是到MEMS开关20的连接引起的寄生电 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 管桥28相对彼此这样布置，即，使得第一MEMS开关20和平衡二极管 桥28之间的固有电感产生di/dt电压，该电压小于在MEMS开关20关 断期间当传送负栽电流到二极管桥28的转移时跨过该MEMS开关20 的源极22和漏极24的电压的百分之几，下文中将更详细描述。在一个 实施例中，该第一 MEMS开关20可以与该平衡二极管桥28集成在单一 封装38内或者可选地在同一管芯内，旨在最小化互联该MEMS开关20 和二极管桥28的电感。另外，过电流保护电路14可包括与平衡二极管桥28可操作地相关 联耦合的脉冲电路52。该脉冲电路52可配置成;f企测开关条件并响应于 开关条件来启动MEMS开关20的断开。本文中使用的术语"开关条件，， 是指触发改变MEMS开关20当前操作状态的条件。例如，该开关条件 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。开关条件可响应于许多 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的脉冲电容器CpULSE 56。此外，该脉沖电路还可包括脉沖电感LpuLSE 58以及串联耦合到该脉冲开关54的第一二极管Dp 60。脉冲电感Lpulse 58、 二极管Dp 60、脉冲开关S4和脉冲电容器CpuLSE 56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代表可流过脉冲电路52的脉冲电路电流IpULSE。依据将在下文更详细描述的本发明的方面，MEMS开关20可从第 一闭合状态快速切换(例如，约皮秒或纳秒)到第二断开状态，尽管同 时在接近零的电压下传送电流。通过负载电路40和脉沖电路52的组合 操作可实现这一点，该脉冲电路52包括跨过MEMS开关20的接触并联 耦合的平衡二极管桥28。图3至5作为示意性流程图，用于说明图2所示的无电弧MEMS 基开关系统18的示例性操作。继续参考图2，说明该无电弧MEMS基 开关系统18的示例性操作的初始状况。MEMS开关20描述成开始于第 一闭合状态。此外，如所示，负栽电路40中存在值基本上等于VBUS/RLOAD的负栽电流lLOAD50。此外，为了讨论无电弧MEMS基开关系统18的该示例性操作，假 设与MEMS开关20相关联的电阻充分小，以使得由流过MEMS开关 20的电阻的负载电流产生的电压对脉冲时二极管桥28中点之间的近零 电压差仅产生可忽略影响。例如，可以假设与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。注意，在MEMS基开关系统18的该初始状况下，脉冲开关54处 于第一断开状态。此外，脉冲电路52中不存在脉沖电路电流。而且， 在脉沖电路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冲电流的电压，该半正弦脉冲电流的峰幅值 显著大于(例如两倍于)负栽电流的传送间隔期间的预期负载电流Iload 50。注意，CpuL犯56和LpuLSE5S构成串联谐振电路。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。检测电路可包括读出电路(未 示出)，其酉己置成感测例如负栽电路电流Iload 50的水平与/或电压源 VBUS 44的电压水平。此外，该检测电路可配置成检测如上所述的开关 条件。在一个实施例中，由于该电流水平与/或电压水平超过预定阈值， 可出现该开关条件。脉冲电路52可配置成检测开关条件，以便于将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，该开关条件可以 是由于负栽电路40中的电压水平或负栽电流超过预定阈值水平而产生 的故障状况。然而将理解，该开关条件还可包括监测斜坡电压以获得 MEMS开关2 0的给定的取决于系统的导通时间。在一个实施例中，脉冲开关54可响应于接收到由检测的开关条件 导致的触发信号来产生正弦脉冲。脉冲开关54的触发可在脉冲电路52 中启动谐振正弦电流。脉冲电路电流的电流方向用参考数字66和68表 示。另外，流过平衡二极管桥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值。峰值正弦桥脉冲电流的值可以由脉冲电容器Cpulse 56上的初始电 压、脉冲电容器CpuL犯56的值以及脉冲电感LpuLSESS的值决定。脉冲 电感Lpulse 58和脉沖电容器Cpulse 56的值还决定半正弦脉冲电流的脉 冲宽度。桥电流脉沖宽度可以调整为满足基于负栽故障状况期间期望的 峰值允通电流以及负载电流变化率(VBUS/LL0AD)所预计的系统负载电 流关断要求。根据本发明，脉冲开关54可配置成在断开MEMS开关20 之前处于导通状态。注意，脉冲开关54的触发可包括控制通过平衡二极管桥28的脉冲 电路电流Ipulse 62的时序，以利于在断开间隔期间形成与经过MEMS 开关20的接触的路径的阻抗相比阻抗更低的路径。此外，脉沖开关54 可触发成使得期望的电压降呈现在MEMS开关20的接触之间。在一个实施例中，脉冲开关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。脉冲开关54的开关速度应该相对 快于故障状态下负栽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，该负栽电流的上升速率依赖于如与桥脉沖电路的速度能力相比负栽电流Iload 50快速上升，则MEMS 开关20可恰当地定额(rated)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，且在平衡二极管桥28的第一 支路29和第二支路31之间等分。依据一个实施例，平衡二极管桥28 的支路29、 31上的电压降的差值设计为可忽略，如前文所述。此外， 如前所述，二极管桥28平衡使得二极管桥28的第一和第二支路上的电 压降基本上相等。此外，由于当前闭合状态下MEMS开关20的电阻比 较低，因此MEMS开关20上的电压降较小。然而，如果MEMS开关 20上的电压降恰巧较大(例如，由于MEMS开关的固有设计)，由于二 极管桥28可操作地与MEMS开关20并联耦合，二极管桥28的平衡会 收到影响。依据本发明，如果MEMS开关20的电阻导致MEMS开关 20上显著的电压降，则二极管桥28可通过增大峰值桥脉冲电流的幅值 来容纳所导致的脉冲桥的不平衡。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，触发脉冲电路52内的脉冲 开关54。当脉沖电流IpuLSE62增大时，脉沖电容器CpuLSE56上的电压 由于脉冲电路52的谐振动作而减小。在该开关闭合且导电的导通状况 下，MEMS开关20为负载电路电流ILOAD 50提供了较低阻抗的路径。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成将MEMS开关20的当前操作状 态从第一闭合且导电状态切换到电阻增大状态，电阻增大状态中MEMS 开关20开始关断(例如，其中接触仍然闭合但由于开关断开过程接触 压力减小)，这导致开关电阻增大，进而导致负载电流开始从MEMS开 关20向二极管桥28内转移。在该当前状况下，平衡二极管桥2S向负载电路电流lLOAD 50提供了与经过MEMS开关20的路径相比阻抗较低的路径，该MEMS开关 20现在表现增大的接触电阻。注意，经过MEMS开关20的负载电路电 流Iload 50的这种转移与负栽电路电流Iload 50的变化率相比是极快的 过程。如前所述，期望与MEMS开关20和平衡二极管桥28之间连接相 关联的电感I^ 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到脉沖桥的该电流转移过程继续，增大了第一二 极管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内的电流减小。当MEMS开关20的机械接触22、 24分离形成物 理间隙时该转移过程完成，且所有负栽电流由第一二极管30和第四二 极管36承栽。负载电路电流Iload 50从MEMS开关20沿方向86转移到二极管 桥28之后，跨过二极管桥28的第一支路29和第二支路31形成不平衡。此外，随着脉冲电路电流衰减，脉冲电容器CpULSE 56上的电压继续反 向(例如，充当"反电动势")，这导致负载电路电流ILOAD最终减小为零。二极管桥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冲电感器Lpulse 58和桥脉沖电容器 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栽电流的过程的电路元件的 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。此外，二极管桥28不再维持MEMS开关20接触之间的近零电压。而且，负栽电路电流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桥28 的第二二极管32和第三二极管M。此外，从MEMS开关20漏极24到源极26的显著开关接触电压差 现在上升至约为VBUS电压两倍的最大值，上升的速率由包括脉沖电感 器LPULSE 58、脉冲电容器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器RLOAD 48和电路损耗引起的阻尼决定。此 外，在某些点等于负栽电路电流Iload 50的脉冲电路电流IPULSE 62由于 谐振而减小为零值，且该零值由于二极管桥28和二极管DP60的反向阻 挡动作而维持。由谐振导致的脉沖电容器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。二极管桥28可配置成维持MEMS开关20接触之间的近零电压直 至接触分离以断开MEMS开关20，由此通过抑止在断开过程中趋于形 成于MEMS开关20的接触之间的任何电弧来防止损坏。另外，在远小 得多的接触电流经过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、负栽电感和源极内的任何能量可以转移到脉冲电路电容器Cpulse 56，且可以通过电压耗散电路(未示 出)被吸收。电压緩冲电路33可配置成限制在快速接触分离期间由于 保留在桥和MEMS开关之间的界面电感内的感应能量引起的电压过 冲。此外，断开期间MEMS开关20接触之间的再施加电压的增加率可 以通过使用緩冲电路(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附近的负栽电路40和二极管桥28 之间。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。在某些实施例中，该枳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 中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，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开关的至少其中之一并联耦合。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大小可调整为提供这些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泄漏。此外，106并联，以在开关期间动态地以及在关断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。图8为用于将MEMS基开关系统从当前操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，给出了一种切 换方法。如前所述，检测电路可操作地耦合到过电流保护电路且配置成检测开关条件。此外，检测电路可包括配置成感测电流水平与/或电压水 平的读出电路。如块114所示，例如通过该读出电路来感测诸如负栽电流40 (见 图2)的负载电路内的电流水平与/或电压水平。另外，如判断块116所 示，判断所感测的电流水平或感测的电压水平是否偏离或超过预期值。 在一个实施例中，(例如通过该检测电路)判断所感测的电流水平或感 测的电压水平是否超过相应的预定阈值水平。或者，可以监测电压或电 流斜坡速率(ramp rate)以在实际上无故障发生的情况下检测开关条件。如果感测的电流水平或感测的电压水平变化或偏离预期值，则如区 块118所示产生开关条件。如前所述，术语"开关条件"是指触发改变 MEMS开关的当前操作状态的条件。在某些实施例中，开关条件可以响 应于故障信号而产生，且可以用以促进启动MEMS开关的断开。注意， 块114-118代表产生开关条件的一个示例。然而将理解，依据本发明 也可以构思出产生开关条件的其他方法。如块120所示，脉冲电路可#:触发以响应于开关条件而启动脉沖电 路电流。由于脉冲电路的谐振动作，脉冲电路电流水平持续增大。至少 部分由于该二极管桥28，如果脉冲电路电流的瞬时幅值显著大于负栽电 路电流的瞬时幅值，则可跨过MEMS开关的接触维持近零电压降。此 外，经过MEMS开关的负载电路电流可以从该MEMS开关转移到该脉 沖电路，如块122所示。如前所述，二极管桥呈现的路径与经过该MEMS 开关的路径相比阻抗较低，其中当MEMS开关的接触开始分离时，较 高阻抗增大。该MEMS开关随后以无电弧的方式断开，如块124所示。如前所述，跨过MEMS开关的接触的近零电压降可以维持，只要 脉沖电路电流的瞬时幅值显著大于负栽电路电流的瞬时幅值，由此有利 于断开MEMS开关并抑止在该MEMS开关的接触之间形成任何电弧。 因此，如前文所述，MEMS开关可以在MEMS开关的接触之间电压近 零的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为依据本技术的多个方面，表示切换该MEMS基开关系统的 MEMS开关当前操作状态的实验结果的图解性表示130。如图9所示， 随时间134变化绘制了幅值变化132。此外，参考数字136、 138和140 表示图解性表示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关系。脉沖电路电流幅值变化与时间的关系用响应曲线144表示。按照类似方式，栅极 电压幅值变化与时间的关系用响应曲线146表示。响应曲线148表示零 栅极电压参考，而响应曲线150为关断之前负栽电流的参考水平。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开关的接触已经 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，栅极电压被拉低以便启动MEMS开关的断开。此外， 从图解性图示130的第三部分140可以看出，平衡二极管桥的导通的那 半内的负栽电路电流142和脉冲电路电流144正在衰减。本发明的一些方面包括这样的电路与/或技术，其可靠且成本有效 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， 在启动事件或瞬时状况期间)，同时能够例如利用MEMS开关电路用于 稳态操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，在启动诸如电机或其他类型电学设备的电 学负栽时，或者在瞬变状态下，冲击电流会产生。启动事件期间冲击电 流的值经常包括稳态负栽电流值的几倍(例如，六倍或以上)，且可以 持续几秒，例如约10秒。图10为实施本发明的一些方面的开关系统200的方框图。在一个 示例性实施例中，系统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所示与/或其上下文中所述的脉沖电路52和平衡二极管 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选择 性地在MEMS基开关电路和固态开关电路之间来回转移电流，该控制 策略配置成确定何时启动过电流保护电路206以及何时断开和闭合各个 相应的开关电路，例如可响应于适于所述开关电路中相应开关电路的载流能力的负栽电流状况与/或在可能影响该开关系统的故障状况期间被 执行。注意，在这种控制策略中，期望在相应开关电路202和204之间 来回转移电流的同时准备执行故障电流限制，以及当负栽电流接近任一 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为使得沖击电流不由MEMS基开关电路202承栽，而是该电流由固态开关电路204承载。稳态电流 将由MEMS基开关电路202承栽，且在系统操作期间通过过电流保护电 路206可荻得过电流与/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 的一个或多个标准机电开关(即，非MEMS基机电开关电路)以及合 适的控制器的系统可以类似地受益于本发明提供的优点。下面给出在发生负栽启动事件时该开关系统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 值的几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-断开 电流-02. 固态开关电路-闭合 MEMS基开关电路-断开 电流-6X3. 固态开关电路-闭合 MEMS基开关电路-闭合 电流-IX4. 固态开关电路-断开 MEMS基开关电路-闭合 电流-IX图11说明一个示例性实施例，其中开关系统200中的固态开关电两个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传导AC电流)。可通过导通FET开关210 和212来激励电学负栽(未示出)，这允许启动电流(用"Istart"表示) 开始流到该负栽，从而允许FET开关210和212在负载启动期间传送该 电流。将理解，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，提供双向电流传导能力的任何固态或半导体功 率开关装置可同等适用于特定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 整体部分。零栅极驱动电压时，各个开关关断；因此这些开关将每一个 阻挡交变电压的交变极性，同时另一开关的每个相应二极管正向偏置。 当从栅极驱动电路222施加合适的栅才及驱动电压时，每个MOSFET将回 复到低电阻状态，而与呈现于开关端子处的AC电压的极性无关。本领域技术人员将理解，跨过反向串联连接的MOSFET对的电压 降为两个Rdson(开态电阻)开关的IR降，而不是一个Rdson加上电压 二极管降落，在反向并联布置中将是如此。因此，在一个示例性实施例 中，MOSFET的反向串联配置是期望的，因为其能够提供比较低的电压 降，因此功耗、发热及能耗更低。将进一步理解，在一个实施例中，其中固态开关电路204包括双向 晶闸管(或者反向并联晶闸管对)而该布置在更低电流下可能导致比较 高损耗，这种布置的优点在于能够耐受比较高的短期电流冲击，这是因 为在高电流时比较低的电压降落，以及瞬态热响应特性。在初始启动电流下降到合适水平之后，使用合适的MEMS兼容开 关技术，或者通过靠近至(closing into)跨过该固态开关电路的电压降 (如果该电压降包含比较小的电压)，可导通该MEMS基开关电路202。 此时，FET开关210和219可关断。图12说明开关系统200的状况， 其中稳态电流(用"Iss"表示)由MEMS基开关电路202承栽。本领域技术人员将理解，MEMS基开关电路在其开关接触之间存在 电压时不应闭合为导通的开关状态，且在电流传递经过所述接触时，该 电路也不应断开为不导通的开关状态。MEMS兼容开关技术的一个示例 可以是脉沖形成技术，如图1至9所示与/或其上下文中所述。通过将该开关系统配置成执4于4欠开关或波形上点(point on wave) 开关，由此该开关电路202中的一个或多个MEMS开关在开关电路202 上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，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i青No. 11/314,879 (Attorney Docket No. 162191-1 )。通过在跨过开关电路202的电压为零或非常接近零时闭合开关，将 一个或多个MEMS开关的接触之间的电场在其闭合时保持低，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 配置成以交变源电压或交变负载电路电流的过零点的出现来同步该开 关电路202的一个或多个MEMS开关的断开与闭合。万一在启动事件期 间出现故障，过电流保护电路206配置成保护下游负栽以及相应开关电 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，尽管在最高水平观看，机电开关电路和固态开关电路在概念 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 操作特性，因为它们的操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考虑到这种特性且仍恰当地启动该开关 电路。例如，MEMS开关通常涉及悬臂梁的机械移动以断开接触，而固 态开关通常涉及电压感应通道内的栽荷子的移动。清除该栽流子通道所 花的时间称为恢复时间，且该恢复时间的范围为< 1 y s的时间到> 10 0 y s 的时间。例如，如果固态开关闭合成故障，则过电流保护电路206应能 够吸收该故障电流并保护该固态开关和下游负栽，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包括脉冲电路52 和平衡二极管桥31,则可以显示出，脉沖特性(例如由该脉冲电路形成 的脉沖的宽度与/或高度)会影响下游保护的质量。例如，过电流保护电 路206应能够产生这样的脉冲，该脉冲的宽度与/或高度足以容纳该并联 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。 一些固态开关电路(例如FET开关)可以在关断时固 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的辅助来在 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，合适的控制技术应实施为选择性地在MEMS基开关电路和固态开关电路之间来回转移电流。在一个示例性实施例中，这种控制技术可以基于各个开关电路相应的电学损耗模型。例如，MEMS基开比例，而固态开关电路中的损耗(以及伴随的温度l升)通常与负栽电 流的绝对值成比例。此外，固态装置的热容通常大于MEMS基开关电 路。因此，对于负载电流的正常值，预期MEMS基开关电路将承栽该 电流，而对于临时过栽电流，预期固态开关电路将承栽该电流。因此， 预期在瞬时过栽情形中将来回转移电流。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 性地来回转移负栽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206!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 联电路来辅助该转移(该第二过电流保护电路在一个示例性实施例中也 可包括脉沖电路52和平衡二极管桥31，如图l至9所示与/或其上下文中所述)。注意，如杲开关系统仅使用单个过电流保护电路206,则该单个过 电流保护电路将在与MEMS基开关电路相关联的开关事件时被启动。 然而，如果其后短时间内发生故障，则该单个过电流保护电路206可能 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 基于脉冲技术操作，因此这种电路无法在脉冲点火后短时间内即刻准备 好工作。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。涉及双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)空闲和准备好在故障情况下辅助电流限制，即使当另一 个过电流保护电路206!刚刚执行与正常开关事件(非故障驱动的开关事 件)相关联的脉沖辅助开关。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，但是要求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容。将会理解，在包含双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,但无需两个平衡二极管桥31。例如，如果第^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)施加合适的脉冲电流至第一过电流保护电路的平衡二极管桥31的相应的脉冲电路52。相 反，如果第二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 适的脉冲电流至第二过电流保护电路的平衡二极管桥31的相应的脉冲 电路52。第二种示例性技术是对该转移的执行进行定时以与电流零相一 致。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，在某些情形下这种技术可涉及相对更精细的控制 并要求系统完全关掉。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转移。本领域技术人员将理 解，如果固态开关电路具有比较小的电压降，则可以使用这种技术。在任意情况下，应理解，该控制策略可以配置成判断何时操作该过 电流保护电路(单个或双过电流保护电路)并判断何时断开和闭合相应 的开关电路，例如响应于适于这些开关电路中相应开关电路的电流承栽 能力的负载电流状况。 一般的概念为，准备在交替的电流路径之间来回 转移电流的同时执行故障电流限制，以及在负栽电流接近任一 负栽电流 承栽路径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 略如下使用固态开关电路激励负载，期待将会有大的初始电流。在该电流 落在MEMS基开关电路的额定值内时，将负栽转移到MEMS基开关电路。当在正常状况下期望去激励负栽时，此时无论哪个开关电路承栽该 电流，去激励该负栽。如果是MEMS基开关电路，则使用波形上点开 关来关断于电流零。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极限，或者 如果负栽电流接近相应的最大载流能力，(例如在故障状况或严重过栽 时)进行瞬时电流中断(由过电流保护电路辅助)且断开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。在正常操作时，各个相应开关电路的相应热学状况可用于判断电流 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余量，则可以自动地进行转移。精确定时将依赖于开关转移技术(switching transfer technique )。例如，在脉冲辅助转移中，转移可以在一旦需要转移时基 本上瞬时地发生。在基于波形上点开关的转移中，将直到出现电流的下 一个可获得的过零点时才执行这种转移(例如延迟)。对于延迟转移， 在转移判定的设置中应提供一定余量，从而使得转移可成功地延迟直至 下一个电流零点成为可能。图15说明图10的开关系统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和脉沖开关54的相应驱动器220、 222 和224。图15还说明连接到控制器208以感测电流的电流传感器226， 这可用于确定适于所述开关电路中相应开关电路的电流承栽能力的负 载电流状况以及可能影响该开关系统的故障状况。尽管本文中仅说明和描述本发明的某些特征，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，所附权利要求旨在包括所有落 在本发明真实精神内的所有这种改进和变化。部件列表10无电弧微机电系统开关MEMS基开关系统 12MEMS基开关电路 14过电流保护电路 16单个封装18无电弧的基于微机电系统开关(MEMS)的开关系统的示意性图示 20 MEMS开关 22第一接触 24第二接触28平衡二极管桥29平衡二极管桥的第一支路30第一二极管Dl31平衡二极管桥的第二支路32第二二极管D233电压緩冲电路34第三二极管D336第四二极管D438单个封装40负载电路44电压源VBUS46负载电感48负载电阻RLOAD 50负载电流lLOAD52脉沖电路54脉沖开关56脉沖电容器CPULSE58脉沖电感Lpulse60第一二极管Dp62脉冲电路电流Ipusle64用于触发脉沖电路的过程的示意性图示66, 68 脉冲电路电流的方向72, 74 电流矢量76， 78 电流矢量84， 88 电感86负载电流方向94电路元件的示意性图示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 分级电阻器110 分级电容器112 示例性逻辑的流程图114 感测块116 判断块118 产生开关条件的块120 触发块122 电流转移块124 无电弧断开块130 实验结果的图解性表示132 幅值变化134 时间变化136, 138, 140代表图解性表示130的第一、第二和第三部分的参考数 字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 表示开关断开过程的响应曲线142的区域154 表示开关断开状态的响应曲线142的区域200 开关系统202 MEMS基开关电路204 固态开关电路206 过电流保护电路206,第一过电流保护电路2062 第二过电流保护电路208 控制器210， 212FET (场效应晶体管)开关214, 216 二极管219 FET开关222 栅极驱动电路226 电流传感器240, 242 MOSFET开关244， 246 二极管220, 222， 224:驱动器
权利要求
1.一种开关系统，包括微机电系统(202)开关电路；固态开关电路(204)；与所述微机电系统开关电路和所述固态开关电路成并联电路连接的第一过电流保护电路(2061)，其中所述第一过电流保护电路配置成抑制所述微机电系统开关电路的接触之间的电弧形成；以及耦合至所述机电开关电路、所述固态开关电路和所述第一过电流保护电路的控制器(208)，所述控制器配置成响应于适于所述开关电路中相应开关电路的操作能力的负载电流状况，执行在所述机电开关电路和所述固态开关电路之间的负载电流的选择性切换。
2. 如权利要求1所述的开关系统，其中所述第一过电流保护电路 包括平衡二极管桥(28 )。
3. 如权利要求2所述的开关系统，其中所述第一过电流保护电路 还包括耦合至所述第一过电流保护电路的平衡二极管桥的第一脉沖电 路(52)，所述脉冲电路包括适于形成脉沖信号以使脉冲电流流经所述 平衡二极管桥的脉冲电容器(56)，所述脉沖信号与所述微机电系统开 关电路的开关事件相关联地产生。
4. 如权利要求1所述的开关系统，其中所述开关系统还包括与所 述微机电系统开关电路、所述固态开关电路和所述第 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)。
5. 如权利要求4所述的开关系统，其中所述第二过电流保护电路 配置成能够防止连接到所述开关系统的负载电路中的故障电流，而无需 在所述第一过电流保护电路中的第一脉冲电路刚与所述微机电系统开 关电路的开关事件相关联地产生的脉冲信号之后，等待所述第一过电流 保护电路的就绪。
6. 如权利要求5所述的开关系统，其中所述第二过电流保护电路 包括耦合至所述第一过电流保护电路的平衡二极管桥的第二脉沖电 路，该脉沖电路包括适于形成脉冲信号以使脉沖电流流经所述平衡二极 管桥的脉沖电容器，所述脉沖信号由所述第二脉沖电路响应于故障电流 而产生。
7. 如权利要求4所述的开关系统，其中所述第二过电流保护电路包括平衡二极管桥。
8. 如权利要求7所述的开关系统，其中所述第二过电流保护电路 还包括耦合至所述第二过电流保护电路的平衡二极管桥的第二脉冲电 路，所述脉冲电路包括适于形成脉沖信号以使脉冲电流流经所述平衡二 极管桥的脉沖电容器，所述脉冲信号由所述第二脉冲电路响应于连接到 所述开关系统的负载电路中的故障电流产生。
9. 如权利要求8所迷的开关系统，其中所述第一脉沖电路耦合至 所述第二过电流保护电路的平衡二极管桥，所述脉冲电路包括适于形成脉冲信号以使脉沖电流流经所述平衡二极管桥的脉冲电容器，所述脉冲 信号与所述微机电系统开关电路的开关事件相关联地产生。
10. 如权利要求1所述的开关系统，其中各个开关电路的操作能力 选自包括电流处理容量、热容量、及其组合的组。
11. 如权利要求1所述的开关系统，其中所述控制器配置成响应于 检测到的交变源电压或交变负载电流的过零点，来执行所述微机电系统 开关电路的无电弧开关。
全文摘要
本发明提供了一种开关系统。该开关系统包括诸如微机电系统开关电路(202)的机电开关电路。该系统还包括与该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)。该控制器可配置成响应于适于所述开关电路中相应开关电路的操作能力的负载电流状况而执行在该机电开关电路和该固态开关电路之间的负载电流的选择性切换。
文档编号H03K17/0814GK101227185SQ20071019692
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月6日 优先权日2006年12月6日
发明者E·K·霍韦尔, J·I·怀特, 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