專(zhuān)利名稱(chēng)：基于微機(jī)電系統(tǒng)的軟開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及開(kāi)關(guān)裝置，更特別地涉及基于微機(jī)電系統(tǒng)的 開(kāi)關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，在控制機(jī)構(gòu)中采用機(jī)電接觸器，其中機(jī)電接觸器能夠處 理高達(dá)其斷流容量的開(kāi)關(guān)電流。機(jī)電接觸器還可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)以 用于開(kāi)關(guān)電流。然而，電力系統(tǒng)中的故障電流通常大于機(jī)電接觸器的 斷流容量。因此，為了在電力系統(tǒng)應(yīng)用中采用機(jī)電接觸器，可能希望 通過(guò)利用一個(gè)足夠快地起作用的串聯(lián)裝置來(lái)支持接觸器，以便在接觸 器斷開(kāi)之前中斷處于在接觸器的斷流容量之上的所有電流值的故障電 流，從而保護(hù)該接觸器免受損壞。以前為便于在電力系統(tǒng)中采用接觸器而想到的解決方案包括例如 真空接觸器、真空斷路器和空氣斷路接觸器。遺憾的是，諸如真空接 觸器之類(lèi)的接觸器不適于容易的視覺(jué)檢查，因?yàn)榻佑|器觸點(diǎn)被密封在 封閉的、抽空的密封體中。此外，雖然真空接觸器非常適用于處理大 型電動(dòng)機(jī)、變壓器和電容器的開(kāi)關(guān)，但是已知它們會(huì)產(chǎn)生破壞性瞬時(shí) 過(guò)電壓，尤其是在負(fù)載被斷開(kāi)時(shí)。而且，機(jī)電接觸器通常采用機(jī)械開(kāi)關(guān)。然而，由于這些機(jī)械開(kāi)關(guān) 往往會(huì)以相對(duì)較慢的速度進(jìn)行開(kāi)關(guān)，所以需要預(yù)測(cè)性技術(shù)以便估計(jì)零 交叉的出現(xiàn)，通常是在發(fā)生開(kāi)關(guān)事件之前的數(shù)十毫秒。由于在此時(shí)會(huì) 出現(xiàn)許多瞬態(tài)，所以這種零交叉預(yù)測(cè)容易出錯(cuò)。發(fā)明內(nèi)容筒單地說(shuō)，根據(jù)本技術(shù)的多個(gè)方面，提出一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 檢測(cè)電路，該檢測(cè)電路被配置成檢測(cè)交流電源電壓或交流負(fù)栽電流的 零交叉的出現(xiàn)。該系統(tǒng)還包括開(kāi)關(guān)電路，該開(kāi)關(guān)電路被耦合到該檢測(cè) 電路并且包括微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)。另外，該系統(tǒng)包括控制電路，該控制 電路被耦合到該檢測(cè)電路和該開(kāi)關(guān)電路，并且被配置成響應(yīng)于檢測(cè)到的交流電源電壓或交流負(fù)載電流的零交叉而執(zhí)行微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的無(wú) 電弧切換。根據(jù)本技術(shù)的另一方面，提出一種方法。該方法包括檢測(cè)交流電源電壓或交流負(fù)載電流的零交叉的出現(xiàn)。另外，該方法包括響應(yīng)于 檢測(cè)到的零交叉而切換微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的當(dāng)前狀態(tài)，使得響應(yīng)于檢測(cè) 到的該交流負(fù)載電流的零交叉而以無(wú)電弧方式斷開(kāi)該微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi) 關(guān)，從而中斷負(fù)載電路，以及響應(yīng)于檢測(cè)到的該交流電源電壓的零交 叉而以無(wú)電弧方式閉合該微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，從而使負(fù)載電路完整 (complete)。根據(jù)本技術(shù)的更多方面，提出一種方法。該方法包括監(jiān)視開(kāi)關(guān)陣 列中的交流電源電壓或交流負(fù)載電流，其中該開(kāi)關(guān)電路包括多個(gè)串聯(lián) 耦合的開(kāi)關(guān)模塊。此外，該方法包括檢測(cè)該交流負(fù)載電流或該交流電 源電壓的零交叉的出現(xiàn)。該方法還包括響應(yīng)于檢測(cè)到的零交叉而產(chǎn)生 觸發(fā)信號(hào)，其中該觸發(fā)信號(hào)被配置成便于切換該微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的當(dāng) 前操作狀態(tài)。另外，該方法包括響應(yīng)于該觸發(fā)信號(hào)而切換所述多個(gè)開(kāi) 關(guān)模塊的每一個(gè)的當(dāng)前狀態(tài)。


當(dāng)參考附圖來(lái)閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它的特 征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中相同的附圖標(biāo)記在整個(gè)附圖中 表示相同的部件，其中圖1是根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的 方框圖；圖2是說(shuō)明根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系 統(tǒng)的示意圖；圖3是說(shuō)明根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)模 塊的示意圖；圖4是說(shuō)明根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)陣 列的示意圖；圖5是說(shuō)明根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系 統(tǒng)的系統(tǒng)模型的示意圖；圖6是描繪根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的操作示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的步驟的流程圖7是根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的表示圖2的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng) 中的MEMS開(kāi)關(guān)閉合的示例性仿真結(jié)果的圖示；以及
圖8是根據(jù)本技術(shù)多個(gè)方面的表示圖2的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng) 中的MEMS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的示例性仿真結(jié)果的圖示。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在此描述了用于基于微機(jī)電系統(tǒng)的無(wú)電弧 切換的系統(tǒng)和方法。在下面的詳細(xì)描述中陳述了許多特定細(xì)節(jié)，以便 提供對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì) 理解，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下被實(shí)行，本 發(fā)明不限于所述的實(shí)施例，并且本發(fā)明可以以
各種可選實(shí)施例來(lái)實(shí) 行。在其它實(shí)例中，沒(méi)有詳細(xì)描述公知的方法、過(guò)程和部件。而且，各種操作可以被描述為多個(gè)離散步驟，這些離散步驟以有 助于理解本發(fā)明實(shí)施例的方式來(lái)執(zhí)行。然而，描述的順序不應(yīng)當(dāng)被解 釋為意味著這些操作需要以它們出現(xiàn)的順序來(lái)執(zhí)行，也不應(yīng)當(dāng)被解釋 為意味著它們甚至是依賴(lài)于順序的。此外，重復(fù)使用短語(yǔ)"在一個(gè)實(shí) 施例中"不一定是指同一個(gè)實(shí)施例，盡管它可以是同一個(gè)實(shí)施例。最 后，如在本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)"包括"、"包含"、"具有"等等打 算是同義的，除非另有說(shuō)明。
圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明多個(gè)方面的示例性軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10的方框圖。 如圖1所示，軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10包括可操作地耦合在一起的開(kāi)關(guān)電路12、 檢測(cè)電路14、以及控制電路16。檢測(cè)電路14可以被耦合到開(kāi)關(guān)電路 12，并且被配置成檢測(cè)負(fù)載電路中的交流電源電壓(下文稱(chēng)作"電源 電壓")或者負(fù)載電路中的交流電流(下文稱(chēng)作"負(fù)載電路電流")的 零交叉的出現(xiàn)?？刂齐娐?6可以被耦合到開(kāi)關(guān)電路12和檢測(cè)電路14, 并且可以被配置成響應(yīng)于檢測(cè)到的交流電源電壓或交流負(fù)栽電路電流 的零交叉而對(duì)開(kāi)關(guān)電路12中的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行無(wú)電弧切換。在一 個(gè)實(shí)施例中，控制電路16可以被配置成便于對(duì)包括開(kāi)關(guān)電路12的至 少一部分的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)行無(wú)電弧切換。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)IO可以被配置成執(zhí)行軟開(kāi)關(guān) 或者波點(diǎn)(point-on-wave)開(kāi)關(guān)，從而開(kāi)關(guān)電路12中的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)當(dāng)在開(kāi)關(guān)電路12上的電壓為零或非常接近零時(shí)可以閉 合，以及當(dāng)通過(guò)開(kāi)關(guān)電路12的電流為零或接近零時(shí)可以斷開(kāi)。通過(guò)當(dāng) 在開(kāi)關(guān)電路12上的電壓為零或非常接近零時(shí)閉合開(kāi)關(guān)，電弧預(yù)放電可 以通過(guò)將閉合的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)之間的電場(chǎng)保持為低來(lái) 避免，即使多個(gè)開(kāi)關(guān)沒(méi)有同時(shí)全部閉合。類(lèi)似地，通過(guò)當(dāng)通過(guò)開(kāi)關(guān)電 路12的電流為零或接近零時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，該軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10可以被設(shè)計(jì) 成使得開(kāi)關(guān)電路12中斷開(kāi)的最后一個(gè)開(kāi)關(guān)中的電流落入開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)能 力之內(nèi)。如上所暗示并且根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制電路16可以被配置成 使得開(kāi)關(guān)電路12的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合與交流電源 電壓或交流負(fù)載電路電流的零交叉的出現(xiàn)同步。轉(zhuǎn)到圖2，說(shuō)明了圖1的軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例的示意圖18。 根據(jù)所示實(shí)施例，該示意圖18包括開(kāi)關(guān)電路12、檢測(cè)電路14和控制 電路16的一個(gè)實(shí)例。雖然為了描述的目的，圖2僅示出單個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)20，但是開(kāi)關(guān) 電路12仍然可以包括多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)，這取決于例如軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10 的電流和電壓處理要求。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電路12可以包括一個(gè) 開(kāi)關(guān)模塊，該開(kāi)關(guān)模塊包括多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)，這些MEMS開(kāi)關(guān)以并 聯(lián)結(jié)構(gòu)耦合在一起，以便在MEMS開(kāi)關(guān)之間分流。在另一個(gè)實(shí)施例中， 開(kāi)關(guān)電路12可以包括MEMS開(kāi)關(guān)的陣列，這些MEMS開(kāi)關(guān)以串聯(lián)結(jié) 構(gòu)耦合，以便在MEMS開(kāi)關(guān)之間分壓。在又一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電路 12可以包括MEMS開(kāi)關(guān)模塊的陣列，這些開(kāi)關(guān)模塊以串聯(lián)結(jié)構(gòu)耦合在 一起，以便同時(shí)在MEMS開(kāi)關(guān)模塊之間分壓以及在每個(gè)模塊中的 MEMS開(kāi)關(guān)之間分流。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電路12的一個(gè)或多個(gè) MEMS開(kāi)關(guān)可以被集成到單個(gè)封裝28中。示例性MEMS開(kāi)關(guān)20可以包括三個(gè)觸點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，第 一觸點(diǎn)可以被配置作為漏極22，第二觸點(diǎn)可以被配置作為源極24，以 及第三觸點(diǎn)可以被配置作為柵極26。在一個(gè)實(shí)施例中，控制電路16可 以-故耦合到柵極觸點(diǎn)26，以^更于切換MEMS開(kāi)關(guān)20的當(dāng)前狀態(tài)。此 外在某些實(shí)施例中，阻尼電路29可以與MEMS開(kāi)關(guān)20并聯(lián)耦合，以 便延遲在MEMS開(kāi)關(guān)20上的電壓的出現(xiàn)。如所示，所述的阻尼電路 29可以包括例如與緩沖電阻器32串聯(lián)耦合的緩沖電容器30。另外，MEMS開(kāi)關(guān)20可以與負(fù)栽電路34串聯(lián)耦合，如圖2進(jìn)一步所示。在當(dāng)前想到的一種結(jié)構(gòu)中，負(fù)載電路34可以包括電壓源 VSOURCE36,并且可以具有代表性負(fù)載電感LLOAD38以及負(fù)載電阻 Rload40。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓源VsouRCE36(也被稱(chēng)為AC電壓源) 可以被配置成產(chǎn)生交流電源電壓和交流負(fù)載電流ILoad 42 。如前所述，檢測(cè)電路14可以被配置成檢測(cè)負(fù)載電路34中的交流 電源電壓或交流負(fù)載電流ILOAD 42的零交叉的出現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)電壓檢 測(cè)電路46來(lái)檢測(cè)該交流電源電壓，并且可以通過(guò)電流檢測(cè)電路48來(lái) 檢測(cè)該交流負(fù)栽電流ILOAD 42。例如可以連續(xù)地或者在離散周期檢測(cè)該 交流電源電壓和交流負(fù)載電流?？梢酝ㄟ^(guò)例如利用諸如所示的零電壓比較器52之類(lèi)的比較器來(lái)檢 測(cè)電源電壓的零交叉?？梢詫㈦妷簷z測(cè)電路46所檢測(cè)的電壓和參考零 電壓54用作零電壓比較器52的輸入。然后，可以產(chǎn)生表示負(fù)載電路 34的電源電壓的零交叉的輸出信號(hào)56。類(lèi)似地，也可以通過(guò)利用諸如 所示的零電流比較器60之類(lèi)的比較器來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流ILOAD 42的零交 叉?？梢詫㈦娏鳈z測(cè)電路48所檢測(cè)的電流和參考零電流58用作零電 流比較器60的輸入。然后，可以產(chǎn)生表示負(fù)栽電流lLOAo42的零交叉 的輸出信號(hào)62?？刂齐娐?6然后可以利用輸出信號(hào)56和62來(lái)確定何時(shí)改變(例 如斷開(kāi)或閉合)MEMS開(kāi)關(guān)20 (或MEMS開(kāi)關(guān)的陣列)的當(dāng)前操作 狀態(tài)。更具體而言，控制電路16可以?xún)羝づ渲贸身憫?yīng)于檢測(cè)到的交流負(fù) 載電流ILOAD42的零交叉而便于以無(wú)電弧方式斷開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)20，從 而中斷或斷開(kāi)負(fù)載電路34。另夕卜，控制電路16可以被配置成響應(yīng)于檢 測(cè)到的交流電源電壓的零交叉而便于以無(wú)電弧方式閉合MEMS開(kāi)關(guān) 20，從而使負(fù)載電路34完整。在一個(gè)實(shí)施例中，控制電路16可以至少部分地基于使能信號(hào)64 的狀態(tài)來(lái)確定是否將MEMS開(kāi)關(guān)20的當(dāng)前操作狀態(tài)切換到第二操作 狀態(tài)。例如，在接觸器應(yīng)用中，可以作為斷電命令的結(jié)果來(lái)產(chǎn)生使能 信號(hào)64。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將使能信號(hào)64和輸出信號(hào)56與62用 作雙D觸發(fā)器66的輸入信號(hào)，如所示。正如將關(guān)于圖7-8進(jìn)一步詳 細(xì)描述的那樣，這些信號(hào)可以被用于在使能信號(hào)64激活(例如上升沿 觸發(fā))之后在第一電源電壓零點(diǎn)處閉合MEMS開(kāi)關(guān)20，以及在使能信 號(hào)64失效(例如下降沿觸發(fā))之后在第一負(fù)栽電流零點(diǎn)處斷開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)20。關(guān)于圖2的所示示意圖18，每當(dāng)使能信號(hào)64激活(根據(jù)特定 實(shí)施方式處于高或低電位)以及輸出信號(hào)56或62表示檢測(cè)到的電壓 或電流零點(diǎn)時(shí)，可以產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)72。在一個(gè)實(shí)施例中，可以例如通 過(guò)NOR門(mén)70來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)72。然后觸發(fā)信號(hào)72可以通過(guò)MEMS 柵極驅(qū)動(dòng)器74，以便產(chǎn)生柵極激活信號(hào)76,該柵極激活信號(hào)可以被用 于將控制電壓施加到MEMS開(kāi)關(guān)20的柵極26(或者在MEMS陣列的 情況下為多個(gè)柵極)。如前所述，為了對(duì)于特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)期望的額定電流，可以可操作 地并聯(lián)耦合多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)(例如以形成開(kāi)關(guān)模塊)來(lái)代替單個(gè) MEMS開(kāi)關(guān)?？梢詫⑦@些MEMS開(kāi)關(guān)的組合能力設(shè)計(jì)成足以承載負(fù)栽 電路可能經(jīng)歷的連續(xù)且瞬時(shí)的過(guò)載電流電平。例如，對(duì)于具有6X瞬時(shí) 過(guò)載的10安培RMS電動(dòng)機(jī)接觸器，應(yīng)該并聯(lián)耦合足夠多的開(kāi)關(guān)來(lái)承 載60安培RMS達(dá)10秒鐘。利用波點(diǎn)開(kāi)關(guān)在達(dá)到電流零點(diǎn)的5微秒之 內(nèi)切換MEMS開(kāi)關(guān)，在觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)將有160毫安培的瞬時(shí)流動(dòng)。因此， 對(duì)于該應(yīng)用，每個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)都應(yīng)當(dāng)能夠"熱開(kāi)關(guān)"160毫安培，以 及應(yīng)當(dāng)并聯(lián)設(shè)置足夠多這種開(kāi)關(guān)來(lái)承載60安培。另 一方面，單個(gè)MEMS 開(kāi)關(guān)應(yīng)當(dāng)能夠中斷在切換的時(shí)刻將流動(dòng)的電流量。圖3說(shuō)明基于MEMS的開(kāi)關(guān)模塊92的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。如 所示，開(kāi)關(guān)模塊92可以包括多個(gè)可操作地并聯(lián)耦合在導(dǎo)線(xiàn)98和100 之間的MEMS開(kāi)關(guān)。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)模塊92中的多個(gè)MEMS 開(kāi)關(guān)可以包括一個(gè)或多個(gè)負(fù)載觸點(diǎn)94。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制電路16 (參見(jiàn)圖1)可以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來(lái)促使多個(gè)負(fù)載觸點(diǎn)94基本上 同時(shí)開(kāi)始斷開(kāi)或閉合。由于負(fù)載觸點(diǎn)94之間的設(shè)計(jì)存在微小差別，所 以很可能不是所有負(fù)載觸點(diǎn)都將同時(shí)斷開(kāi)或閉合。這樣，可能存在最 后切換的一個(gè)負(fù)載觸點(diǎn)，因此它將短時(shí)期(例如幾個(gè)微秒的數(shù)量級(jí)) 承載開(kāi)關(guān)模塊92的整個(gè)電流。負(fù)載觸點(diǎn)94因此可以被設(shè)計(jì)成相對(duì)較小，并且仍然能夠處理負(fù)載電路34 (參見(jiàn)圖2)的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流lLOAD42(參見(jiàn)圖2),該穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流也相當(dāng)小(例如大約50毫安至大約1 安培的數(shù)量級(jí))。然而，開(kāi)關(guān)模塊92中最后斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)會(huì)被要求中斷從大約10毫 安至100毫安，這取決于開(kāi)關(guān)陣列的設(shè)計(jì)以及開(kāi)關(guān)控制。在一個(gè)實(shí)施 例中，除了一個(gè)或多個(gè)負(fù)載觸點(diǎn)94之外，還可能希望采用開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)102以便于開(kāi)關(guān)模塊92中的負(fù)栽電流的最終中斷。該開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)102可以被 設(shè)計(jì)成處理比負(fù)載觸點(diǎn)94大的電流。雖然開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)102的栽流能力的 增加可能需要將開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)成大于負(fù)載觸點(diǎn)94，但是可以使用較少 數(shù)量的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)102。而且，在某些實(shí)施例中，可以采用諸如變阻器之類(lèi)的非線(xiàn)性電阻 器104來(lái)吸收來(lái)自開(kāi)關(guān)模塊92的任何剩余的電感能量。非線(xiàn)性電阻器 104可以包括例如金屬氧化物變阻器(MOV)。這種非線(xiàn)性電阻器104 可以被包括在開(kāi)關(guān)模塊92的設(shè)計(jì)中，以便限幅恢復(fù)電壓的峰值和/或吸 收來(lái)自負(fù)載電路的任何剩余電感能量.可以基于峰值電壓、峰值電流 以及能量吸收特性來(lái)選擇MOV。在某些實(shí)施例中，負(fù)載電路的峰值電 壓可以被設(shè)定為穩(wěn)態(tài)額定電壓的峰值的大約1.6倍。該1.6倍有助于控 制MOV所吸收的能量。額定電流可以被設(shè)定為當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)預(yù)期流動(dòng) 的峰值電流。另外，開(kāi)關(guān)模塊92可以包括耦合在非線(xiàn)性電阻器104兩端的緩沖電路。該緩沖電路可以包括與緩沖電阻器RSNUB108串聯(lián)耦合的緩沖電容器CSNUB106。緩沖電容器Csnub106可以便于改進(jìn)在MEMS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)序列期間共享的瞬時(shí)電壓。而且，緩沖電阻器RSNUB108可以抑制在開(kāi)關(guān)模塊92的閉合操作期間由緩沖電容器Csnub 106所產(chǎn)生的任何電 流脈沖。另外，開(kāi)關(guān)模塊92可以包括與非線(xiàn)性電阻器104串聯(lián)耦合的 漏觸點(diǎn)110。可以注意到，該漏觸點(diǎn)IIO可以包括MEMS開(kāi)關(guān)。該漏 觸點(diǎn)IIO可以被配置成通過(guò)從開(kāi)關(guān)模塊92中除去任何電容性以及非線(xiàn) 性電阻性元件(例如非線(xiàn)性電阻器104、 Csnub106和Rsnub108)的影 響來(lái)減小通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊92的穩(wěn)態(tài)漏電流。開(kāi)關(guān)模塊92還可包括一個(gè) 或多個(gè)漏電阻器112、 114，其中漏電阻器112、 114可以被配置成提供 在開(kāi)關(guān)模塊92中的任何漏電流的導(dǎo)電路徑。正如多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)可以被可操作地并聯(lián)耦合以形成開(kāi)關(guān)模塊從 而實(shí)現(xiàn)期望額定電流那樣，多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)或開(kāi)關(guān)模塊可以被可操作 地串聯(lián)耦合以實(shí)現(xiàn)期望額定電壓。圖4是說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例 性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)陣列116的示意圖。如圖4所示，開(kāi)關(guān)陣列116 可以包括多個(gè)可操作地串聯(lián)耦合的開(kāi)關(guān)模塊118。可以注意到，多個(gè)開(kāi) 關(guān)模塊118中的每一個(gè)可以包括至少一個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)。在一個(gè)實(shí)施例 中， 一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊118可以表示圖3的開(kāi)關(guān)模塊92。在當(dāng)前想到的一種結(jié)構(gòu)中，開(kāi)關(guān)陣列116被示出為包括可操作地串聯(lián)耦合在導(dǎo) 線(xiàn)122和124之間的兩個(gè)或更多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊118。串聯(lián)耦合的模塊的數(shù) 量"M，，可以由軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)IO (參見(jiàn)圖1)的峰值額定電壓來(lái)確定。而且，多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊118中的每一個(gè)可以包括耦合在多個(gè)開(kāi)關(guān)模 塊118中的每一個(gè)兩端的相應(yīng)分級(jí)電阻器RGRADE 126。分級(jí)電阻器 Rgrade 126在面臨到地的非常微弱的漏電流時(shí)可以提供用于穩(wěn)態(tài)分級(jí) 電壓的導(dǎo)電路徑。更具體而言，在開(kāi)關(guān)陣列116中，當(dāng)所有MEMS開(kāi) 關(guān)都斷開(kāi)時(shí)，從MEMS開(kāi)關(guān)到地的漏電流會(huì)導(dǎo)致非常不均勻的電壓分 布。通過(guò)分級(jí)電阻器rgrade 126可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電壓共享，這允許一部 分微安培流過(guò)開(kāi)關(guān)陣列116，從而在面臨到地的漏電流時(shí)迫使均勻的電 壓分布?？梢曰谄谕ㄟ^(guò)MEMS開(kāi)關(guān)的線(xiàn)地漏電流來(lái)選擇分級(jí)電阻 器Rgrade126。另外，開(kāi)關(guān)陣列116還可以包括電容器130、 132，它 們被配置成便于控制恢復(fù)電壓的上升速率。現(xiàn)在參考圖5，說(shuō)明了示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的系統(tǒng)模 型的示意圖134。該示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)134凈皮示出為包 括開(kāi)關(guān)陣列136，例如圖4的開(kāi)關(guān)陣列116。如所示，基于MEMS的 開(kāi)關(guān)系統(tǒng)134包括交流(AC )電壓源Vsource 138、源電感LSOURCE140 以及源電阻Rsource 142。 AC電壓源VSOURCE138、源電感LSOURCE140 以及源電阻RSOURCE 142可以表示電源的Thevenin等效電路，它可以 在將功率傳送到開(kāi)關(guān)陣列136的過(guò)程中源自例如變壓器的次級(jí)線(xiàn)圏。 而且，源電感LsouRCEl40可以表示由開(kāi)關(guān)陣列136所看到的總線(xiàn)和電 纜的組合電感。另外，基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)134被示出為包括無(wú)源負(fù)栽，其中 該無(wú)源負(fù)載可以包括與負(fù)載電阻Rload 148串聯(lián)耦合的負(fù)載電感LLOAD 146?；贛EMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)134還可包括源電容器Csource144和負(fù) 載電容器CLOADl50。源(CSOURCE144)和負(fù)載電容器(CLOAD150)可 以控制開(kāi)關(guān)陣列136兩端的恢復(fù)電壓的上升速率。在沒(méi)有這樣的源和 負(fù)載電容器的情況下，在電感負(fù)載電流中斷期間有可能在開(kāi)關(guān)陣列136中電弧放電。可以注意到，源電容器CsouRCEl44和負(fù)載電容器cload150可以從線(xiàn)路被耦合到地，而不是直接耦合到開(kāi)關(guān)陣列136兩端，從 而抑制當(dāng)處于斷開(kāi)或非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列136的電容性漏電 流。另外，源(CSOURCE144)和負(fù)載(CLOAD150)電容器可以便于減小在負(fù)載中斷期間對(duì)于開(kāi)關(guān)陣列136的電壓應(yīng)力?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6，提供了說(shuō)明用于將示例性的基于MEMS軟開(kāi)關(guān)系 統(tǒng)從當(dāng)前操作狀態(tài)切換到第二狀態(tài)的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖 196。如前所述，檢測(cè)電路和控制電路可以被可操作地耦合到開(kāi)關(guān)電 路，其中檢測(cè)電路可以被配置成檢測(cè)AC電源電壓或AC負(fù)載電流的零 交叉，而控制電路可以被配置成便于響應(yīng)于檢測(cè)到的零交叉而對(duì) MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)行無(wú)電弧切換。如圖6所示，可以監(jiān)視負(fù)載電路中的電流電平和/或電源電壓電 平，如方框198所示。在一個(gè)實(shí)施例中，可以例如通過(guò)檢測(cè)電路14(參 見(jiàn)圖1)來(lái)監(jiān)視該電流電平和/或電源電壓水平。另外，如方框200所 示，可以例如通過(guò)檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)電源電壓和負(fù)載電流的零交叉?？?以響應(yīng)于檢測(cè)到的零交叉而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，如方框202所示。觸發(fā)信 號(hào)可以被配置成便于切換MEMS開(kāi)關(guān)的當(dāng)前操作狀態(tài)，如方框204所 示。參考圖7和8可以更好地理解方框198-204。圖7是根據(jù)本發(fā)明 多個(gè)方面的表示在基于MEMS的軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中MEMS開(kāi)關(guān)在接近零 電壓時(shí)的閉合的示例性仿真結(jié)果的圖示206。如圖7所示，相對(duì)于時(shí)間 210的變化繪出幅度208的變化。響應(yīng)曲線(xiàn)212表示作為時(shí)間的函數(shù)的、使能信號(hào)電壓的幅度變化。 而且，參考數(shù)字214表示響應(yīng)曲線(xiàn)212上使能信號(hào)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯 高狀態(tài)的區(qū)域。作為時(shí)間的函數(shù)的、電源電壓的幅度變化由響應(yīng)曲線(xiàn) 216來(lái)表示。以類(lèi)似的方式，在響應(yīng)曲線(xiàn)218中表示作為時(shí)間的函數(shù)的、 負(fù)載電流的幅度變化。響應(yīng)曲線(xiàn)220表示作為時(shí)間的函數(shù)的、柵極電 壓的幅度變化。而且，由參考數(shù)字222表示響應(yīng)曲線(xiàn)220上柵極電壓 過(guò)渡到邏輯高狀態(tài)的區(qū)域。而且，參考數(shù)字224表示電源電壓的零交 叉。如前參考圖2所述，通過(guò)檢測(cè)電路連續(xù)地檢測(cè)電源電壓和負(fù)栽電 流。而且，采用檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)電源電壓和負(fù)載電流的零交叉。然后 采用關(guān)于檢測(cè)到的零交叉的該信息來(lái)設(shè)定使能信號(hào)的狀態(tài)。在由圖7 所示的實(shí)施例中，響應(yīng)于檢測(cè)到的電源電壓的零交叉而將使能信號(hào)212 設(shè)定為邏輯高狀態(tài)。而且，使能信號(hào)212的電壓被示出為在參考點(diǎn)214 達(dá)到穩(wěn)態(tài)高狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)示例方面，在使能信號(hào)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯高狀態(tài)之后，在電源電壓的第一零交叉處可以閉合MEMS開(kāi)關(guān)。在使能信 號(hào)212達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯高狀態(tài)之后的電源電壓216的第一零交叉由參考 數(shù)字224來(lái)表示。在與第一電源電壓零交叉224相關(guān)的時(shí)刻，柵極電 壓220會(huì)被拉高，以便于將MEMS開(kāi)關(guān)切換到閉合狀態(tài)。結(jié)果，負(fù)栽 電流開(kāi)始流過(guò)MEMS開(kāi)關(guān)，如由響應(yīng)曲線(xiàn)218所示。因此，響應(yīng)于檢 測(cè)到的AC電源電壓的零交叉而以無(wú)電弧方式閉合MEMS開(kāi)關(guān)，從而 使負(fù)載電路完整。換言之，在接近零電源電壓處閉合MEMS開(kāi)關(guān)，從 而抑制可能形成在MEMS開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)之間的任何電弧。圖8是根據(jù)本發(fā)明多個(gè)方面的表示在基于MEMS的軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中 MEMS開(kāi)關(guān)在接近零電流時(shí)的斷開(kāi)的示例性仿真結(jié)果的圖示226。如 圖8所示，相對(duì)于時(shí)間230的變化來(lái)繪出幅度228的變化。響應(yīng)曲線(xiàn)232表示作為時(shí)間的函數(shù)的、使能電壓的幅度變化。而 且，參考數(shù)字234表示響應(yīng)曲線(xiàn)232上使能信號(hào)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯低 狀態(tài)的區(qū)域。作為時(shí)間的函數(shù)的、電源電壓的幅度變化由響應(yīng)曲線(xiàn)236 來(lái)表示。以類(lèi)似的方式，在響應(yīng)曲線(xiàn)238中體現(xiàn)作為時(shí)間的函數(shù)的、 負(fù)栽電流的幅度變化。響應(yīng)曲線(xiàn)240表示作為時(shí)間的函數(shù)的、柵極電 壓的幅度變化。而且，參考數(shù)字242表示響應(yīng)曲線(xiàn)242上柵極電壓過(guò) 渡到邏輯低狀態(tài)的區(qū)域。從圖8可見(jiàn)，響應(yīng)于檢測(cè)到的負(fù)載電流的零交叉，當(dāng)前處于邏輯 高狀態(tài)的使能信號(hào)232的電壓被設(shè)定為邏輯低狀態(tài)。而且，使能信號(hào) 232的電壓被示出為在參考點(diǎn)234達(dá)到邏輯低狀態(tài)。在使能信號(hào)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯低狀態(tài)之后，可以在負(fù)載電流的第 一零交叉處斷開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)。在使能信號(hào)232達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯低狀態(tài)之 后的負(fù)栽電流238的第一零交叉也由參考數(shù)字234來(lái)表示。在與第一 負(fù)載電流零交叉234相關(guān)的時(shí)刻，柵極電壓240會(huì)被拉低，以便于將 MEMS開(kāi)關(guān)切換到斷開(kāi)狀態(tài)。因此，以前處于非導(dǎo)通狀態(tài)的電源電壓 開(kāi)始出現(xiàn)在MEMS開(kāi)關(guān)兩端，如由響應(yīng)曲線(xiàn)236所示。因此，響應(yīng)于 檢測(cè)到的AC負(fù)載電流的零交叉而以無(wú)電弧方式斷開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)，從 而中斷負(fù)載電路。換言之，在接近零負(fù)載電流時(shí)斷開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)，從 而抑制可能形成在MEMS開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)之間的任何電弧。雖然在此說(shuō)明并描述了本發(fā)明的僅僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此應(yīng)當(dāng)理解，所附的權(quán)利要求書(shū)打算 覆蓋落入本發(fā)明的實(shí)際精神之內(nèi)的所有這樣的修改和變化。附圖標(biāo)記列表10軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng) 12開(kāi)關(guān)電路 14檢測(cè)電路 16控制電路18示例性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)20 MEMS開(kāi)關(guān)22漏極24源極26柵極28單個(gè)封裝29阻尼電路30緩沖電容器32緩沖電阻器34負(fù)栽電路36 AC電壓源38負(fù)栽電感40負(fù)栽電阻42負(fù)載電流44接地46電壓檢測(cè)電路48電流檢測(cè)電路52零電壓比較器54參考零電壓56零電壓比較器的輸出58零電流比較器60參考零電流62零電流比較器的輸出64使能信號(hào)66雙D觸發(fā)器70 NOR門(mén)72觸發(fā)信號(hào)74 MEMS柵極驅(qū)動(dòng)器76柵極激活信號(hào)92開(kāi)關(guān)模塊94負(fù)栽觸點(diǎn)98導(dǎo)線(xiàn)100導(dǎo)線(xiàn)102開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)104非線(xiàn)性電阻器106緩沖電容器108緩沖電阻器110漏觸點(diǎn)112漏電阻器114漏電阻器116開(kāi)關(guān)陣列118第一開(kāi)關(guān)模塊120第二開(kāi)關(guān)模塊122第一導(dǎo)線(xiàn)124第二導(dǎo)線(xiàn)126分級(jí)電阻器130電容器132電容器134開(kāi)關(guān)系統(tǒng)136開(kāi)關(guān)陣列138電壓源140源電感器142源電阻器144源電容器146負(fù)載電感器148負(fù)載電阻器150負(fù)栽電容器152恢復(fù)電壓模型154第一開(kāi)關(guān)模塊156第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn) 158第一分級(jí)電阻器 160第一分級(jí)電容器 162第二開(kāi)關(guān)模塊 164第二開(kāi)關(guān) 166第二分級(jí)電阻器 168第二分級(jí)電容器 170電壓源 172源電感器 174源電容器 176負(fù)栽電感器 178負(fù)栽電容器180第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的恢復(fù)電壓模型182電壓源184源電流186源電容器電壓188負(fù)載電流190負(fù)載電容器電壓192第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的恢復(fù)電壓模型194電壓源196說(shuō)明開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的操作的流程圖198-204在流程圖196中所包括的步驟206表示開(kāi)關(guān)裝置的零電壓開(kāi)啟的仿真結(jié)果的圖示208幅度210時(shí)間212使能信號(hào)214使能信號(hào)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯高狀態(tài)的區(qū)域 216電源電壓 218負(fù)載電流 220柵極電壓222柵極電壓過(guò)渡到邏輯高狀態(tài)的區(qū)域 224電源電壓的零交叉226表示開(kāi)關(guān)裝置的零電流關(guān)斷的仿真結(jié)果的圖示 228幅度 230時(shí)間 232使能信號(hào)234使能信號(hào)電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)邏輯低狀態(tài)的區(qū)域 236電源電壓 238負(fù)載電流 240柵極電壓242柵極電壓過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)邏輯低狀態(tài)的區(qū)域
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)(10)，包括檢測(cè)電路(14)，其被配置成檢測(cè)交流電源電壓(36)或交流負(fù)載電流(42)的零交叉的出現(xiàn)；開(kāi)關(guān)電路(12)，其被耦合到該檢測(cè)電路(14)并且包括微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)；以及控制電路(16)，其被耦合到該檢測(cè)電路(14)和該開(kāi)關(guān)電路(12)，并且被配置成響應(yīng)于檢測(cè)到的交流電源電壓(36)或交流負(fù)載電流(42)的零交叉而執(zhí)行微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)的無(wú)電弧切換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10)，其中控制電路(16)被配置 成響應(yīng)于檢測(cè)到的交流負(fù)載電流(42)的零交叉而以無(wú)電弧方式斷開(kāi) 微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)，從而中斷負(fù)栽電路(34)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10)，其中控制電路(16)被配置 成響應(yīng)于檢測(cè)到的交流電源電壓(36)的零交叉而以無(wú)電弧方式閉合， 從而使負(fù)載電路(34)完整。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10)，還包括緩沖電路(106， 108)， 該緩沖電路被配置成延遲微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)兩端電壓的出現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10)，其中開(kāi)關(guān)電路(12)還包括 開(kāi)關(guān)模塊(92)，該開(kāi)關(guān)模塊被耦合到控制電路(16)和檢測(cè)電路(14) 并且包括多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)，其中控制電路(16)被配置成 響應(yīng)于檢測(cè)到的交流電源電壓(36)或交流負(fù)載電流(42)的零交叉 而執(zhí)行所述多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)中的至少一個(gè)的無(wú)電弧切換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10)，其中開(kāi)關(guān)電路(12)還包括 耦合成串聯(lián)電路的多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(92)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊中的至少 一個(gè)包括負(fù)載觸點(diǎn)；以及開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其中負(fù)載觸點(diǎn)和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)中的至少 一個(gè)包括微機(jī)電系 統(tǒng)開(kāi)關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(10)，還包括與至少一個(gè)開(kāi)關(guān)模 塊(118)并聯(lián)耦合的分級(jí)電阻器(126)。
9. 一種方法(196)，包括監(jiān)視(198)開(kāi)關(guān)陣列(116, 136)中的交流電源電壓(36)或交 流負(fù)載電流(42)，其中該開(kāi)關(guān)電路包括多個(gè)串聯(lián)耦合的開(kāi)關(guān)模塊 (118);檢測(cè)(200)該交流負(fù)栽電流(42)或該交流電源電壓(36)的零 交叉的出現(xiàn)；響應(yīng)于檢測(cè)到的零交叉而產(chǎn)生(202)觸發(fā)信號(hào)(72)，其中該觸 發(fā)信號(hào)(72)被配置成便于切換該微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)的當(dāng)前操作 狀態(tài)；以及響應(yīng)于該觸發(fā)信號(hào)(72)而切換(204)所述多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(118) 中的每個(gè)的當(dāng)前狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法(196)，其中切換當(dāng)前狀態(tài)包括觸發(fā)負(fù)載觸點(diǎn)(94)和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(102)，使得在至少一 個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(102)之前觸發(fā)負(fù)載觸點(diǎn)(94);以無(wú)電弧方式斷開(kāi)負(fù)載觸點(diǎn)(94)和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(102)以 便中斷開(kāi)關(guān)電路中的非零電流，使得(12)在至少一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(102) 之前斷開(kāi)負(fù)載觸點(diǎn)(94);以及以無(wú)電弧方式閉合負(fù)栽觸點(diǎn)(94)和至少一個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)(102)， 以便在開(kāi)關(guān)兩端出現(xiàn)非零電壓時(shí)使開(kāi)關(guān)電路(12)完整。
全文摘要
提出一種系統(tǒng)(10)。該系統(tǒng)(10)包括檢測(cè)電路(14)，該檢測(cè)電路被配置成檢測(cè)交流電源電壓(36)或交流負(fù)載電流(42)的零交叉的出現(xiàn)。該系統(tǒng)還包括開(kāi)關(guān)電路(12)，該開(kāi)關(guān)電路被耦合到該檢測(cè)電路(14)并且包括微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)。另外，該系統(tǒng)(10)包括控制電路(16)，該控制電路被耦合到該檢測(cè)電路(14)和該開(kāi)關(guān)電路(12)，并且被配置成響應(yīng)于檢測(cè)到的交流電源電壓(36)或交流負(fù)載電流(42)的零交叉而執(zhí)行微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)(20)的無(wú)電弧切換。
文檔編號(hào)H01H9/54GK101335141SQ20071012631
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者A·阿楚坦, C·凱梅爾, J·I·賴(lài)特, J·N·帕克, K·M·科洛西, K·蘇布拉馬尼安, S·巴拉瓦拉, W·J·普雷默拉尼, 王文森 申請(qǐng)人:通用電氣公司