JP5346551B2 - 超小型電気機械システムをベースにしたスイッチング - Google Patents

Description

本発明は一般に、電流経路内の電流のオン／オフ切換え用のスイッチングデバイスに関し、特により高い電圧ホールドオフ閾値を与えるように構成された複数の超小型電子機械スイッチを有する、超小型電子機械システムをベースにしたスイッチングデバイスに関する。

電気システムで電流をオン／オフに切換えるために、１組の接点を使用できる。接点は電流を停止するために開位置に、また電流の流れを促進するために閉位置にすることができる。一般に、１組の接点は接触器、回路ブレーカ、電流遮断器、モータスタータ、または類似のデバイスで使用できる。しかし、電流のオン／オフ切換えの原理は、接触器の説明を通して理解されよう。

接触器は指令によって電気負荷をＯＮとＯＦＦに切換えるように設計された電気デバイスである。従来から、電子機械接触器は、電子機械接触器が電流の遮断容量までの切換えを処理できる制御ギヤで使用される。電子機械接触器はさらに、電流切換え用の電力システムにも用途がある。しかし、電力システムにおける故障電流は典型的には電子機械接触器の遮断容量よりも大きい。したがって、電力システムの用途で電子機械接触器を使用するには、接触器の遮断容量を超える全ての電流値で接触器を開にする前に、故障電流を遮断するように十分に迅速に動作する直列デバイスで接触器をバックアップすることによって、接触器を保護することが望ましいことがある。

電力システムでの接触器の使用を促進するために従来から考えられている解決方法には、例えば真空接触器、真空遮断器、およびエアブレーキ接触器が含まれる。残念ながら、真空接触器などの接触器は、接触器の先端部が密封され、真空にされた筐体内に封入されているため、容易には目視検査ができない。さらに、真空接触器は大型のモータ、変成器、およびコンデンサのスイッチングの処理には適しているものの、これらは、特に負荷がオフに切換えられると不都合な過渡過電圧を誘発することが知られている。

さらに、電子機械接触器は一般に機械的スイッチを使用する。しかし、これらの機械的スイッチは比較的遅い速度で開閉する傾向があるので、アーク放電を低減するためにゼロ交差の近傍での開／閉を促進するため、スイッチング事象の数十ミリ秒前であることが多いゼロ交差の発生を推定するための予測技術が利用される。このようなゼロ交差の予測は、この予測期間に多くの過渡事象が生ずることがあるので、エラーを生じ易い。

動作が遅い機械および電子機械スイッチの代替として、高速スイッチングの用途では高速ソリッドステートスイッチが使用されてきた。これらのソリッドステートスイッチは、電圧またはバイアスの制御された印加によって導通状態と非導通状態との間を切換える。例えば、ソリッドステートスイッチに逆方向バイアスを印加することによって、スイッチを非導通状態に移行させることができる。しかし、ソリッドステートスイッチは、非導通状態に切換えられる際に接点間に物理的なギャップを生じないので、漏れ電流が生ずる。さらに、ソリッドステートスイッチが導通状態で動作すると、内部抵抗により電圧降下が生ずる。電圧降下も漏れ電流も、通常の動作環境では過熱の発生を誘発し、これはスイッチの性能と寿命とを損なうことがある。さらに、ソリッドステートスイッチには少なくとも部分的に生来の漏れ電流が伴うので、回路ブレーカの用途でこれを使用することは実際的ではない。
米国特許第６，５６３，６８３ Ｂ１号公報

既存のスイッチ技術は意図する目的には適しているが、この分野には上記の欠点を克服する高いホールドオフ電圧を有する超小型電子機械スイッチ構成を有する直流電流制御デバイスおよび／またはスイッチが必要とされている。

第１の超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを含む電流制御デバイスが提供される。第１の対のＭＥＭＳスイッチはソース接続と、ドレン接続と、ゲート制御電極とを有している。ドレン接続と、ソース接続と、ゲート制御電極とを有する第２のＭＥＭＳスイッチも含まれている。第２のＭＥＭＳスイッチは、前記ＭＥＭＳスイッチのソース接続に結合されるように構成される。第１および第２のＭＥＭＳスイッチの開離を促進するため、回路は第１および第２のＭＥＭＳスイッチに電気的に接続される。

さらに、第１の対の超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）を有する電流制御デバイスも提供される。第１の対のＭＥＭＳスイッチは、直接結合された第１および第２のＭＥＭＳスイッチのソース接続と直列に構成された第１および第２のＭＥＭＳスイッチを含んでいる。第１のゲートドライバが第１の対のＭＥＭＳスイッチに結合され、第１の対のＭＥＭＳスイッチの開離を促進するため、回路は第１のゲートドライバスイッチに電気的に接続されている。

ドレン接続とソース接続とを有する第１の対のＭＥＭＳスイッチを有する電流制御デバイスが提供される。ドレン接続とソース接続とを有する第２のＭＥＭＳスイッチが第１のＭＥＭＳスイッチのソース接続に結合されている。第１および第２のＭＥＭＳスイッチはさらに、第１および第２のＭＥＭＳスイッチのソース端子に結合された単一の共通ゲート接続を有している。ゲート接続は、第１および第２のＭＥＭＳスイッチの状態を変更するように構成されている。

本発明の上記の、およびその他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の文字が同様の部品を示す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより明解に理解されよう。

例示的実施形態は、アーク放電を伴わない直流電流の遮断に適した電気遮断デバイスを提供する。遮断デバイスは超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを含んでいる。ＭＥＭＳスイッチを使用することで迅速な応答時間が得られる。ＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたハイブリッドアークレス制御テクノロジー（ＨＡＬＴ）によって、電流、電圧に関わらず所定の任意の時間にアーク放電を伴わないＭＥＭＳスイッチの開離が可能になる。あるいは、ＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたパルスを援用したターンＯＮ回路（図示せず）によって、所定の任意の時間にアーク放電を伴わないＭＥＭＳスイッチの閉成が可能になる。

図１は、例示的なアーク放電を伴わない超小型電子機械システムのスイッチ（ＭＥＭＳ）をベースにしたスイッチングシステム１０のブロック図を示す。現在、ＭＥＭＳとは一般に、例えば複数の機能的に別個の素子、例えば機械素子、電子機械素子、センサ、アクチュエータ、および電子素子を微細加工技術によって共通の基板上に統合可能なミクロンスケールの構造のことである。しかし、ＭＥＭＳデバイスで現在利用できる多くの技術および構造は、ナノテクノロジーをベースにしたデバイス、例えばサイズが１００ナノメートル未満の構造を介して僅か数年で利用できることが予期されている。したがって、本明細書を通して記載される例示的実施形態はＭＥＭＳをベースにしたスイッチングデバイスのことであるとしても、実施形態は広義に解釈され、ミクロンサイズのデバイスに限定されるべきではないことを提案するものである。

図１に示すように、アーク放電を伴わないＭＥＭＳをベースにしたスイッチングシステム１０は、ＭＥＭＳをベースにしたスイッチング回路１２と消弧回路１４とを含むものとして示されており、別名ハイブリッドアークレス制限テクノロジー（ＨＡＬＴ）デバイスとも呼ばれる消弧回路１４は、ＭＥＭＳをベースにしたスイッチング回路１２に作動的に結合されている。ある実施形態では、ＭＥＭＳをベースにしたスイッチング回路１２は全体を、消弧回路１４と共に例えば単一のパッケージ１６内に統合してもよい。別の実施形態では、ＭＥＭＳをベースにしたスイッチング回路１２のある部分またはコンポーネントを消弧回路１４と統合してもよい。

図２および図３を参照してより詳細に記載するように、現在企図されている構成では、ＭＥＭＳをベースにしたスイッチング回路１２は、１対または複数対のＭＥＭＳスイッチを含んでいてもよい。加えて、消弧回路１４は平衡ダイオードブリッジおよびパルス回路を含んでいてもよい。さらに、消弧回路１４を、ＭＥＭＳスイッチの閉から開への状態変化に応答してＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの伝達を受けることによって、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク放電の形成の抑止を促進するように構成してもよい。消弧回路１４を、交流電流（ＡＣ）、または直流電流（ＤＣ）に応答してアーク放電の形成の抑制を促進するように構成できることを付記しておく。

図１を参照して述べたように、ＭＥＭＳをベースにしたスイッチング回路１２は、図２に示すようなＭＥＭＳスイッチアレイ２０を含むことができる。ＭＥＭＳスイッチアレイ２０はＭＥＭＳスイッチの対２１、２３、２５として直列接続で構成されている。図示した実施形態では、第１の対のＭＥＭＳスイッチ２１は第１および第２のＭＥＭＳスイッチ２７、３５を有するものとして示されている。各ＭＥＭＳスイッチ２７、３５は第１の接続２２と、第２の接続２４と、ゲート制御電極３７とを有している。一実施形態では、第１の接続２２はドレンとして構成されてもよく、第２の接続２４はソースとして構成されてもよく、ゲート制御電極３７はゲートとして構成されてもよい。図２に示す実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２７、３５は、各ＭＥＭＳスイッチ２７、３５用のゲート制御電極３７が単一のゲート接続２６を共用できるように、各ＭＥＭＳスイッチ２７、３５のソース接続２４が直列に結合されるように構成されている。単一のゲート接続２６は単一のゲートドライバ３９に接続されている。ゲートドライバ３９は、電源入力（図示せず）、および各ＭＥＭＳスイッチ２７、３５の状態を変更する手段を付与する制御論理入力４３を含んでいる。この構成によって、ゲートドライバ３９の数を増やさずにＭＥＭＳスイッチアレイ２０の電圧処理特性を高める利点が得られる。１対または複数対の追加のＭＥＭＳスイッチ対２３、２５がＭＥＭＳスイッチ対２１に直列接続されている。ＭＥＭＳスイッチ対２３、２５は、ＭＥＭＳスイッチ対の１つのドレン接続２２が隣接のＭＥＭＳスイッチ対のドレン接続２２に接続されるように構成されている。

次に図３を参照すると、図１に示した例示的なＭＥＭＳをベースにしたスイッチングシステムの概略図１８が一実施形態によって示されている。電圧スナバ回路３３を、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０に並列に結合し、以下により詳細に説明するように、迅速な接点の分離中の電圧のオーバーシュートを制限するように構成できる。ある実施形態では、スナバ回路３３はスナバ抵抗器に直列に結合された（図５の７８を参照）スナバコンデンサ（図５の７６を参照）を含んでいてもよい。ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の開離の手順中に過渡電圧の共用を促進することができる。さらに、スナバ抵抗器は、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の閉成中にスナバコンデンサによって生成される電流パルスがあればこれを抑止することができる。ある他の実施形態では、電圧スナバ回路３３は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含んでいてもよい。

本技術のさらなる態様によれば、負荷回路４０がＭＥＭＳスイッチアレイ２０に直列に結合できる。負荷回路４０は電圧源Ｖ_ＢＵＳ４４を含むことができる。加えて、負荷回路４０はさらに負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６を含むことができ、ただし負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６は負荷回路４０から見た結合された負荷インダクタンスとバスインダクタンスとを表している。負荷回路４０はさらに、負荷回路４０から見た結合された負荷抵抗を表す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含むことができる。参照番号５０は、負荷回路４０とＭＥＭＳスイッチアレイ２０とを流れることができる負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤを表している。

さらに、図１を参照して述べたように、消弧回路１４は平衡ダイオードブリッジを含むことができる。図示した実施形態では、平衡ダイオードブリッジ２８は、第１の分岐２９および第２の分岐３１を有するものとして示されている。本明細書で使用される「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１と第２の分岐２９、３１の双方の両端間の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されたダイオードブリッジを示すために用いられる。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の分岐２９は、互いに結合されて第１の直列回路を形成する第１のダイオードＤ１ ３０と第２のダイオードＤ２ ３２を含むことができる。同様に、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の分岐３１は、互いに作動的に結合されて第２の直列回路を形成する第３のダイオードＤ３ ３４と第４のダイオードＤ４ ３６とを含むことができる。

一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０は、平衡ダイオードブリッジ２８の中間点の両端に並列接続されてもよい。平衡ダイオードブリッジ２８の中間点は、第１と第２のダイオード３０、３２の間に位置する第１の中間点と、第３と第４のダイオード３４、３６の間に位置する第２の中間点とを含むことができる。さらに、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０と平衡ダイオードブリッジ２８とは、平衡ダイオードブリッジ２８によって、特にＭＥＭＳスイッチアレイ２０への接続によって生ずる寄生インダクタンスの最小限化を促進するために密にパッケージすることができる。本技術の例示的態様によれば、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０および平衡ダイオードブリッジ２８は、後に詳述するＭＥＭＳスイッチ対２０のターンオフ中に、ダイオードブリッジ２８への負荷電流の伝達を搬送する際に、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０と平衡ダイオードブリッジ２８との間の固有インダクタンスが各ＭＥＭＳスイッチ２７、３５のドレン２２およびソース２４の両端間の電圧よりも数パーセント低いｄｉ／ｄｔ電圧を生成するように、互いに位置決めされることを付記しておく。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０とダイオードブリッジ２８とを相互に接続するインダクタンスを最小限にする意図で、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０は平衡ダイオードブリッジ２８と共に単一のパッケージ３８、または必要なら同じダイ内に統合されてもよい。

加えて、消弧回路１４は、平衡ダイオードブリッジ２８と作動的な関係で結合されたパルス回路５２を含むことができる。パルス回路５２を、切換え状態を検知し、切換え状態に応じてＭＥＭＳスイッチアレイ２０の開離を開始するように構成できる。本明細書で用いられる「切換え状態」という用語は、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の現在の開状態の変化を誘発する状態を意味する。例えば、切換え状態は、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の第１の閉状態が第２の開状態に変化し、またはＭＥＭＳスイッチアレイの第１の開状態が第２の閉状態に変化することができる。切換え状態は、回路の故障またはスイッチのＯＮ／ＯＦを含むが、それに限定されない幾つかの動作に応動して生ずることができる。

パルス回路５２は、パルススイッチ５４、およびパルススイッチ５４に直列に結合されたパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６を含むことができる。さらに、パルス回路は、パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８およびパルススイッチ５４に直列に接続された第１のダイオードＤ_Ｐ６０を含むことができる。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８、ダイオードＤ_Ｐ６０、パルススイッチ５４およびパスルコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６は直列に結合されて、パルス回路５２の第１の分岐を形成することができ、パルス電流成形およびタイミングを促進するように第１の分岐のコンポーネントを構成してもよい。さらに、参照番号６２は、パルス回路５２を流れることができるパルス回路電流Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}を表している。

例示的実施形態の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０は、ゼロに近い電圧ではあるが電流を搬送しつつ、第１の閉状態から第２の開状態へと迅速に（例えばピコ秒またはマイクロ秒台で）切換えることができる。これは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の接点と並列に結合された平衡ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２との複合動作によって達成できる。

次に、本発明の実施形態による例示的なソフトスイッチングシステム１１を示すブロック図４を参照する。図４に示されるように、ソフトスイッチングシステム１１は、互いに作動的に結合されたスイッチング回路１２と、検出回路７０と、制御回路７２とを含んでいる。検出回路７０を、スイッチング回路１２と結合され、負荷回路内の交流電源電圧（以下「ソース」電圧と言う）、または負荷回路の交流電流（以下「負荷回路電流」と言う）のゼロ交差の発生を検出するように構成できる。制御回路７２はスイッチング回路１２および検出回路７０に結合でき、交流ソース電圧または交流負荷電流の検出されたゼロ交差に応答してスイッチング回路１２内の１つまたは複数のスイッチのアークを発生しない切換えを促進するように構成できる。一実施形態では、制御回路７２を、少なくとも１つのスイッチング回路１２を備える１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチのアークを発生しない切換えを促進するように構成できる。

例示的実施形態の１つの態様によれば、ソフトスイッチングシステム１１をソフト、すなわちポイントオンウェーブ（ＰｏＷ）スイッチングを実施するように構成でき、それによってスイッチング回路１２内の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチは、スイッチング回路１２の両端間の電圧がゼロ、またはゼロに極めて近い場合は閉じられ、スイッチング回路１２を流れる電流がゼロまたはゼロに近い場合は開かれることができる。スイッチング回路１２の両端間の電圧がゼロ、またはゼロに極めて近い場合にスイッチが閉じられることによって、複数のスイッチが全て同時に閉じないとしても、スイッチが閉じる際に１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電界を低く保つことにより、プレストライク・アーク発生を回避することができる。同様に、スイッチング回路１２を流れる電流がゼロまたはゼロに近い場合にスイッチを開くことによって、スイッチング回路１２内の最後のスイッチを開く電流がスイッチの設計容量内にあるようにソフトスイッチングシステム１１を設計できる。上記に示唆したように、また一実施例によれば、制御回路７２は、スイッチング回路１２の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの開閉が交流ソース電圧または交流負荷電流のゼロ交差の発生と同期するように構成できる。

次に図５を参照すると、図４のソフトスイッチングシステム１１の一実施形態の概略図１９が示されている。図示した実施形態によれば、概略図１９はスイッチング回路１２、検出回路７０、および制御回路７２の一実施例を含んでいる。

説明目的で図２、図３および図４はＭＥＭＳスイッチアレイ２０内に３対のＭＥＭＳスイッチ２１、２３、２５を示しているが、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０は例えばソフトスイッチングシステム１１の電流および電圧処理の必要性に応じて１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチ対を含むことができる。一実施形態では、スイッチング回路１２はさらに、電流をＭＥＭＳスイッチ間で分割するように並列構成で互いに結合された複数のＭＥＭＳスイッチ対を含むスイッチモジュールを含んでいてもよい。さらに別の実施形態では、スイッチング回路１２の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチ対を単一のパッケージ７４内に統合してもよい。

さらに説明目的で、各ＭＥＭＳスイッチ対２１、２３、２５を、図２を参照して前述したＭＥＭＳスイッチ対に関連して説明する。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２２の電流状態の切換えを促進するため、制御論理入力４３を介して制御回路７２をゲートドライバ３９に結合してもよい。例示的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２７のソース２４はＭＥＭＳスイッチ３５のソース２４に結合されている。この配置によって、ＭＥＭＳスイッチ２７、３５用のゲート電極３７は単一のゲート接続２６を介して単一のゲートドライバ３９に結合可能になる。したがって、各ＭＥＭＳスイッチ対は、単一のゲートドライバ３９によって駆動される２つのＭＥＭＳスイッチを有している。以下により詳細に記載するように、ＭＥＭＳスイッチ対の配置によって、ＭＥＭＳスイッチを動作させるために必要なゲートドライバ３９の数を増やさずに、スイッチング回路１２のホールドオフ電圧を高めることにより利点が得られる。それによって、コンポーネント数を最小限にし、システム制御を簡略にしつつ性能を高めることができる。したがって、このより高い電圧の性能を達成するための関連製造コストは必要ない。

さらに、ある実施形態では、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の両端間の電圧の出現を遅延させるため、減衰回路（スナバ回路）３３をＭＥＭＳスイッチアレイ２０と並列に結合できる。図示のように、減衰回路３３は、例えばスナバ抵抗７８と直列に結合されたスナバコンデンサ７６を含むことができる。

加えて、図５にさらに示すように、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０を付加回路４０と直列に結合できる。現在企図される構成では、負荷回路４０は電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を含むことができ、代表的な付加インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６と負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８とを有することができる。一実施形態では、（ＡＣ電圧源とも言われる）電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を、交流ソース電圧および交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０を生成するように構成してもよい。

前述のように、検出回路７０を、負荷回路４０内の交流ソース電圧または交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差の発生を検出するように構成できる。交流ソース電圧は電圧検出回路８０を介して検出でき、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０は電流検出回路８２を介して検出できる。交流ソース電圧および交流負荷電流は例えば継続的に、または個々の周期で検出できる。

ソース電圧のゼロ交差を、例えば図示したゼロ電圧比較器８４などの比較器を使用して検出できる。電圧検出回路８０、およびゼロ電圧基準８６によって検出された電圧を、ゼロ電圧比較器８４への入力として使用できる。言い換えると、負荷回路４０のソース電圧のゼロ交差を表す出力信号８８を生成できる。同様に、図示したゼロ交差比較器９２などの比較器を使用することによって、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差も検出できる。電流検出回路８２とゼロ電流基準９０とによって検出された電流は、ゼロ交差比較器９２への入力として使用できる。言い換えると、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を表す出力信号９４を生成できる。

言いかえると制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の現在の動作状態をいつ変更するか（例えば開または閉）を決定するために出力信号８８および９４を使用する。より具体的には、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０の検出されたゼロ交差に応動して、負荷回路４０を遮断または開離するためにＭＥＭＳスイッチアレイ２０の開離を促進するように制御回路７２を構成できる。加えて、交流ソース電圧の検出されたゼロ交差に応動して、負荷回路４０を完結するためにＭＥＭＳスイッチアレイ２０の閉成を促進するように制御回路７２を構成できる。

一実施形態では、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０の現在の動作状態をイネーブル信号９６の状態に応じて少なくとも部分的に第２の動作状態に切換えるか否かを決定することができる。イネーブル信号９６は、例えば接触器の用途で電源オフ指令の結果として生じ得る。一実施形態では、イネーブル信号９６と出力信号８８および９４とを、図示のようにデュアルＤ型フリップフロップ９８への入力信号として使用できる。これらの信号を、イネーブル信号９６が能動状態にされた後（例えば立ち上がりエッジでトリガされた後）の最初のソース電圧ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチアレイ２０を閉じ、イネーブル信号９６が非能動状態にされた後（例えば立下りエッジでトリガされた後）の最初の負荷電流ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチアレイ２０を開くために使用できる。図４に示された概略図１９に関しては、イネーブル信号９６が能動状態（特定の実装に応じてハイまたはロー）にあり、出力信号８８または９４のいずれかが検出された電圧、または電流がゼロであることを示す場合は、常にトリガ信号１０２を生成できる。一実施形態では、トリガ信号１０２を、例えばＮＯＲゲート１００を介して生成できる。翻って、トリガ信号１０２はゲート起動信号１０６を生成するためにドライバ１０４に送られることができ、この信号はＭＥＭＳスイッチアレイ２０内の各ＭＥＭＳスイッチ対２１、２３、２５内のゲートドライバ３７の制御論理入力４２に制御電圧を印加するために使用できる。

前述のように、特定の用途向けに所望の定格電圧を達成するため、ＭＥＭＳスイッチアレイ２０内のＭＥＭＳスイッチ対２１、２３、２５を、隣接のＭＥＭＳスイッチ対のドレンに結合されたＭＥＭＳスイッチ対のドレンに作動的に直列結合できる。個々の各ＭＥＭＳスイッチ２７、３５はホールドオフ電圧と言われる電気特性を有している。これは、ＭＥＭＳスイッチ内にある静電力の影響下でＭＥＭＳスイッチの状態が開から閉に変更され、または閉から開に変更される電圧である。典型的なＭＥＭＳスイッチのホールドオフ電圧は約１００Ｖである。しかし、ある実施形態では、例えば４００Ｖなどのより高い電圧で動作することが望ましい。ＭＥＭＳスイッチ２７、３５は直列に配置されているので、このスイッチ対のホールドオフ電圧は各ＭＥＭＳスイッチのホールドオフ電圧の合計に等しい。スイッチのホールドオフ電圧が同一である場合、例えば１００Ｖである場合は、ＭＥＭＳスイッチ対２１のホールドオフ電圧は例えば２倍、すなわち２００Ｖであろう。さらにそれぞれのソースが接続されるようにＭＥＭＳスイッチ２７、３５を配置することによって、追加のゲート２６を使用しなくても電圧ホールドオフ能力のこのような増大が達成される。したがって、３つのＭＥＭＳスイッチ対２１、２３、２５は３倍の数のゲートドライバを有するだけで、単一のＭＥＭＳスイッチの６倍のホールドオフ電圧を有することができよう。この配置によって材料および組立のコストを削減する多くの利点が得られる。

ＭＥＭＳスイッチアレイ２０は、付加的な電流搬送容量を付与するためにＭＥＭＳスイッチ対２１、２３、２５と並列に配置される付加的なＭＥＭＳスイッチ対を含んでいてもよいことを理解されたい。ＭＥＭＳスイッチの複合された機能は、ホールドオフ電圧を高め、負荷回路が受ける連続的かつ過渡的な過負荷電流レベルを適切に搬送する両方のために設計できる。例えば、６倍の過渡的過負荷を有する１０アンペアのＲＭＳモータのコンデンサの場合、１０秒間にわたり６０アンペアのＲＭＳを搬送するために十分な並列に結合されたスイッチが必要であろう。５マイクロ秒以内に電流ゼロに達するＭＥＭＳスイッチを切換えるためにポイントオンウエーブ・スイッチングを使用すると、接点の開離時に１６０ミリアンペアが瞬間的に流れよう。したがって、各ＭＥＭＳスイッチは１６０ミリアンペアを「ウォームスイッチング」できることが必要であり、６０アンペアを搬送するために十分な数のこれらのＭＥＭＳスイッチを並列に配置する必要があろう。これに対して、単一のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングの瞬間に流れる電流の量またはレベルを遮断可能である必要があろう。

しかし、例示的実施形態は交流電流および／または制限波形のアーク放電を生じないスイッチングに限定されない。図６に示すように、例示的実施形態は、自然に発生するゼロ交差がない直流電流および／または複数の直流電流のアーク放電を生じないスイッチングにも応用できる。

図６は、例示的実施形態による例示的ＭＥＭＳスイッチを使用したスイッチングシステム１１２のブロック図を示している。図６に示すように、アーク放電が生じないＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１１２は、ＭＥＭＳスイッチング回路１１１と、消弧回路１１０とを含むものとして示されており、例えばＨＡＬＴおよびＰＡＴＯなどの消弧回路１１０はＭＥＭＳを使用してスイッチング回路１１１に作動的に結合されている。ある実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１１１の全体を消弧回路１１０と共に例えば単一のパッケージ１１３内に統合してもよい。別の実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１１１のある部分またはコンポーネントだけを消弧回路１１０と統合してもよい。

ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１１１は１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを含んでいてもよい。加えて、消弧回路１１０は平衡ダイオードブリッジおよびパルス回線および／またはパルス回路を含んでいてもよい。さらに、消弧回路１１０を、ＭＥＭＳスイッチの閉から開への（または開から閉への）状態変化に応答してＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの伝達を受けることによって、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク放電の形成の抑止を促進するように構成してもよい。消弧回路１１０を、交流電流（ＡＣ）、または直流電流（ＤＣ）に応答してアーク放電の形成の抑制を促進するように構成できることを付記しておく。

しかし、例示的実施形態は単一のＭＥＭＳスイッチ対を含む電流制御デバイスに限定されない。例えば、単一のＭＥＭＳスイッチ対と比較して異なる電圧定格または異なる電流処理能力を達成するために複数のＭＥＭＳスイッチ対を使用してもよい。例えば、前述のように、増大した電流処理能力を達成するために、複数のＭＥＭＳスイッチを並列に接続してもよい。同様に、より高い電圧定格を達成するために、複数のＭＥＭＳスイッチを直列に接続してもよい。さらに、所望の電圧定格および電流処理能力を達成するため、複数のＭＥＭＳスイッチを直列と並列の接続の組み合わせを含む回路網内に接続してもよい。このような組み合わせは全て例示的実施形態の範囲に含まれるものである。

図７は、各ＭＥＭＳスイッチ対が前述のように、各ＭＥＭＳスイッチ対のソースが単一のゲートに直列に接続されるように配置された複数のＭＥＭＳスイッチ対を含む別の例示的実施形態によるＭＥＭＳスイッチアレイ１５５のブロック図である。図７に示すように、複数の並列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１をさらに、電流経路１５４と直列に接続できる。各々の並列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１は、互いに並列に接続された複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。さらに図示するように、平衡ダイオードブリッジ１５２を複数の並列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１と並列に接続できる。例えば、平衡ダイオードブリッジ１５２は、図２に示した平衡ダイオードブリッジ２８、または図７に示した平衡ダイオードブリッジ１４１と実質的に同様のものでよい。図７にはさらに、ダイオードブリッジ１５２に作動的に接続されたパルス回路１５３も示されている。例えば、回路１５３は図２の回路５２を含んでいてもよい。したがって、回路１５３は複数の並列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１の開閉を促進できる。

図７にさらに示すように、電圧昇降回路網１５０が複数の並列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１の両端に接続され、電気的接続は各アレイ１５１の中間で行われる。電圧昇降回路網１５０は複数の直列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１の両端間の電圧を等化できる。例えば、電圧昇降回路１５０は、複数の直列ＭＥＭＳスイッチアレイ１５１の両端間に電圧割当てを行うための受動コンポーネント（例えば抵抗器）の回路網を含むことができ、および／または電流経路１５４に沿って存在することがある誘導性エネルギからの過電圧を抑止するためのエネルギ吸収を行うための受動コンポーネント（例えばコンデンサおよび／またはバリスタ）の回路網を含むことができる。したがって、図７に示したＭＥＭＳスイッチアレイを、電流経路沿いの電流を制御するために電流制御デバイス内に含めてもよい。

図８は、別の例示的実施形態による電流制御デバイスのブロック図である。図８に示すように、電流制御デバイス１６４はＭＥＭＳスイッチアレイ１６０と制御回路１６３とを含むことができる。ＭＥＭＳアレイ１６０は前述のように、各ＭＥＭＳスイッチのソースが直列に、かつ単一のゲートに接続されるように配置された少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対を含むことができる。例えば、ＭＥＭＳアレイ１６０は、図７に示したＭＥＭＳスイッチアレイ１５５、図６のＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１１２、または消弧回路を含むいずれかの適宜のＭＥＭＳスイッチングシステムと同様であるか、実質的に同様のものでよい。図示の通り、制御回路１６３は少なくとも１つのＭＥＭＳアレイ１６０を経て電流経路１５４と統合して配置されている。さらに、図５に関して前述したように、ＭＥＭＳアレイ回路から離隔した電流検出回路を介して、制御回路を電流経路と統合して配置してもよい。

別の例示的実施形態では、電流制御デバイス１６４は最終絶縁デバイス１６１を含むことができる。最終絶縁デバイス１６１は、電流経路１５４上の電気負荷の空隙安全絶縁を行うことができる。例えば、最終絶縁デバイスは、ＭＥＭＳアレイ１６０のスイッチ状態の変化に応動して開離されることができるコンデンサまたはその他の遮断デバイスを含むことができる。

別の例示的実施形態では、電流制御デバイス１６４はさらに、電子バイパスデバイス１６２を含んでいてもよい。バイパスデバイスは、電流過負荷の期間中にＭＥＭＳスイッチから電流を分流する１つまたは複数の電子コンポーネントを含んでいてもよい。例えば、電子バイパスデバイス１６２は、電流過負荷に応動して電流経路１５４から過負荷電流を受けることができる。したがって、電子バイパスデバイス１６２は、電流制御デバイス１６４の一時的な過負荷定格を拡張することができる。電流制御デバイス１６４はさらに、最終絶縁デバイス１６１および電子バイパスデバイス１６２のいずれかまたは両方を含むことができることを付記しておく。

前述のように、例示的実施形態による電流制御デバイスは、直流および交流の両方の電流の流れを遮断するために使用できる。次に図９および１０を参照すると、直流電流制御デバイスの例示的構成が示されている。

図９は例示的実施形態による単極遮断器構成のブロック図である。図９に示すように、ＭＥＭＳ遮断器電極１７０が電流経路上に配置されている。電流経路は電圧源１７１と負荷１７２とを含むことができる。ＭＥＭＳ遮断器極１７０は電流経路上の電流の流れを遮断し、それによって付加１７２への電流の流れを停止させることができる。しかし、電流経路上の複数のＭＥＭＳ遮断器極を使用してもよい。次に図１０を参照すると、複数のＭＥＭＳ遮断器極を含む構成例が示されている。

図１０は別の例示的実施形態による双極遮断器構成の略図である。図示の通り、ＭＥＭＳ遮断器極１７４と１７５とは電流経路上に配置されている。いずれかのＭＥＭＳ遮断器極が電流経路上の電流を遮断できる。同様に、両方のＭＥＭＳ遮断極ともほぼ同時に電流の流れを遮断できる。付加的な遮断保護が必要と思われる場合は、これは有用であろう。例えば、ＭＥＭＳ遮断器極１７０、１７４、および１７５は前述のように電流制御デバイスを含むことができる。

したがって、本明細書に記載の電流制御デバイスは電流回路と統合して配置された制御回路を含むことができ、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対が電流経路内に配置され、ＨＡＬＴ回路が少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対と並列に接続されており、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのアーク放電を生じない開離を促進し、かつＰＡＴＯ回路が少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対と並列に接続され、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのアーク放電を生じない閉成を促進することができる。

さらに、例示的実施形態は、電流経路を通過する電流を制御する方法を提供する。例えば、この方法は、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対から、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対と並列に接続されたＨＡＬＴ回路に電気エネルギを伝搬して、電流経路の開離を促進するステップを含むことができる。この方法はさらに、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対から、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ対と並列に接続されたＰＡＴＯ回路に電気エネルギを伝搬して、電流経路の閉成を促進するステップを含むことができる。したがって、例示的実施形態はさらに、アーク放電を生じない電流制御デバイス、およびアーク放電を生じない電流制御方法を提供することができる。

この記載要件は最良の形態を含む本発明を開示し、さらに当業者がいずれかのデバイスまたはシステムを製造および使用し、組み込まれた方法を実施することを含め、本発明を実施することができるような実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲はクレームによって決定されるものであり、当業者によって生ずる他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、クレームの文言と異ならなければ、またはクレームの文言とほとんど違わない等価の構造要素を含んでいれば、クレームの範囲内に含まれるものである。さらに、第１の、第２のなどの用語の使用は、何ら順番や重要度を示すものではなく、第１の、第２のなどの用語はむしろ１つの要素を別の要素と区別するために用いられている。さらに、数詞が明示されていないことは量の限定性を示すものではなく、むしろ少なくとも１つの関連品目が存在することを示すものである。

例示的実施形態による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。 図１に示した例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムを示す概略図である。 図２に示した例示的なＭＥＭＳスイッチ対のアレイを示す概略図である。 例示的実施形態、および図１のシステムの代替実施形態による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。 図３の示した例示的ＭＥＭＳベースのスイッチングシステムを示す概略図である。 例示的実施形態による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。 例示的実施形態によるＭＥＭＳスイッチアレイのブロック図である。 例示的実施形態による電流制御デバイスのブロック図である。 例示的実施形態による単局遮断器構造のブロック図である。 例示的実施形態による双極遮断器構造のブロック図である。

符号の説明

１０ ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１１ ソフトスイッチングシステム
１２ スイッチング回路
１４ 消弧回路
１６ 単一パッケージ
１８ 概略図
１９ 概略図
２０ スイッチアレイ
２１ 第１のＭＥＭＳスイッチ対
２２ 第１の接続
２３ 第２のＭＥＭＳスイッチ対
２４ 第２の接続
２５ ＭＥＭＳスイッチ対
２６ ゲート接続
２７ 第１のＭＥＭＳスイッチ
２８ 平衡ダイオードブリッジ
２９ 第１の分岐
３０ 第１のダイオード
３１ 第２の分岐
３２ 第２のダイオード
３３ スナバ回路
３４ 第３のダイオード
３５ 第２のＭＥＭＳスイッチ
３６ 第４のダイオード
３７ ゲート制御電極
３８ 単一パッケージ
３９ ゲートドライバ
４０ 負荷回路
４２ 制御論理入力
４３ 制御論理入力
４４ 電圧源
４６ 負荷インダクタンス
４８ 負荷抵抗
５０ 負荷回路電流
５２ パルス回路
５４ パルススイッチ
５６ パルスコンデンサ
５８ パルスインダクタンス
６０ ダイオード
６２ パルス回路電流
７０ 検出回路
７２ 制御回路
７４ 単一パッケージ
７６ スナバコンデンサ
７８ スナバ抵抗
８０ 電圧検出回路
８２ 電流検出回路
８４ ゼロ電圧比較器
８６ ゼロ電圧基準
８８ 出力信号
９０ ゼロ電流基準
９２ ゼロ電流比較器
９４ 出力信号
９６ イネーブル信号
１００ ＮＯＲゲート
１０２ トリガ信号
１０４ ドライバ
１０６ ゲート起動信号
１１０ 消弧回路
１１１ スイッチング回路
１１２ スイッチングシステム
１１３ 単一パッケージ
１５０ 電圧昇降回路網
１５１ アレイ
１５２ 平衡ダイオードブリッジ
１５３ パルス回路
１５４ 電流経路
１５５ スイッチアレイ
１６０ スイッチアレイ
１６１ 絶縁デバイス
１６２ バイパスデバイス
１６３ 制御回路
１６４ 電流制御デバイス
１７０ 遮断器極
１７１ 電圧源
１７２ 負荷
１７４ 遮断器極
１７５ 遮断器極

Claims (9)

1. 電流制御デバイスであって、
   直列に接続された複数のスイッチアレイ（２０）と、
   電圧昇降回路網（１５０）と、
   消弧回路（１４）と、
   を含み、
   前記複数のスイッチアレイ（２０）の各々は、
   ソース接続（２４）と、ドレン接続（２２）と、ゲート制御電極（３７）とを有する第１の超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（２７）と、
   ドレン接続（２２）と、ソース接続（２４）と、ゲート制御電極（３７）とを有し、前記第２のＭＥＭＳスイッチのソース接続（２４）が前記第１のＭＥＭＳスイッチのソース接続（２４）に結合された第２のＭＥＭＳスイッチ（３５）と、
   を備え、
   前記消弧回路（１４）は、
   前記第１および第２のＭＥＭＳスイッチの開離を促進すると共に、前記第１および第２のＭＥＭＳスイッチに電気的に接続され、
   前記複数のスイッチアレイ（２０）の両端に、前記電圧昇降回路網（１５０）の一端と前記電圧昇降回路網（１５０）の他の一端それぞれ接続し、
   前記電圧昇降回路網（１５０）は、前記複数のスイッチアレイ（２０）の中間に電気的に接続し、前記複数のスイッチアレイ（２０）の両端間の電圧を等化する、
   電流制御デバイス。
2. 前記第１および第２のＭＥＭＳのゲート制御電極（３７）に結合されたゲートドライバ（３９）をさらに備え、
   前記ゲートドライバ（３９）が、前記第１のＭＥＭＳスイッチ（２７）および第２のＭＥＭＳスイッチ（３５）を第１導電状態から第２の導電状態に切換えるように構成される請求項１に記載の電流制御デバイス。
3. 前記第１のＭＥＭＳスイッチ（２７）および前記第２のＭＥＭＳスイッチ（３５）は、前記第１のＭＥＭＳスイッチ（２７）と前記第２のＭＥＭＳスイッチ（３５）のホールドオフ電圧が前記第１のＭＥＭＳスイッチ（２７）と第２のＭＥＭＳスイッチ（３５）の各々のホールドオフ電圧の合計であるように構成される請求項２に記載の電流制御デバイス。
4. 前記消弧回路（１４）は、前記複数のスイッチアレイ（２０）と並列に接続すると共に、前記電圧昇降回路網（１５０）と並列に接続する、平衡ダイオードブリッジ（１５２）を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の電流制御デバイス。
5. 前記スイッチアレイに並列に結合し、前記第１のＭＥＭＳスイッチ（２７）及び／又は前記第２のＭＥＭＳスイッチ（３５）の接点の分離中の電圧のオーバーシュートを制限する電圧スナバ回路（３３）を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の電流制御デバイス。
6. 電圧源（４４）を含む負荷回路（４０）が前記複数のスイッチアレイ（２０）に直列に結合される請求項１乃至６のいずれかに記載の電流制御デバイス。
7. 前記負荷回路（４０）の交流ソース電圧を検出する電圧検出回路（８０）と、
   前記複数のスイッチアレイと結合し、前記交流ソース電圧のゼロ交差の発生を検出する検出回路（７０）と、
   前記複数のスイッチアレイ及び前記検出回路（７０）と結合し、前記ゼロ交差の検出に応答して前記複数のスイッチアレイ内の１つまたは複数のスイッチのアークを発生しない切換えを促進する制御回路（７２）と、
   を含む請求項７に記載の電流制御デバイス。
8. 前記負荷回路（４０）の交流負荷電流（５０）を検出する電流検出回路（８２）と、
   前記複数のスイッチアレイと結合し、前記交流負荷電流（５０）のゼロ交差の発生を検出する検出回路（７０）と、
   前記複数のスイッチアレイ及び前記検出回路（７０）と結合し、前記ゼロ交差の検出に応答して前記複数のスイッチアレイ内の１つまたは複数のスイッチのアークを発生しない切換えを促進する制御回路（７２）と、
   を含む請求項７に記載の電流制御デバイス。
9. 電流過負荷の期間中に前記複数のスイッチアレイから電流を分流する電子バイパスデバイス（１６２）を含む請求項１乃至９のいずれかに記載の電流制御デバイス。
   

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