專利名稱：使用mems技術(shù)的變壓器帶載抽頭變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及用于高電壓裝置的帶載抽頭變換器(on-loadtap changer), 并且確切地來說涉及利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的用于高功率變壓器的帶載抽頭變換
ο
背景技術(shù)：
目前，復(fù)雜的機(jī)械開關(guān)組裝件實現(xiàn)帶載抽頭變換器(OLTC)。機(jī)械OLTC機(jī)構(gòu)包括 電動機(jī)，用于對強(qiáng)力彈簧充電以打開和關(guān)閉這些OLTC機(jī)構(gòu)的開關(guān)組裝件中的開關(guān)。開關(guān)組 裝件中的開關(guān)以機(jī)械聯(lián)鎖協(xié)調(diào)的次序被機(jī)械地開動并和關(guān)，以便使開關(guān)打開和關(guān)閉與正確 的時序協(xié)同。這些機(jī)械聯(lián)鎖能約束并阻止開關(guān)動作發(fā)生。雖然已經(jīng)做出許多開發(fā)來減少開 關(guān)接觸電應(yīng)力(例如減少每個開關(guān)打開時的燃弧)，但是主要的故障模式是開關(guān)接觸故障。 而且，因為OLTC開關(guān)組裝件具有許多集成且機(jī)械的移動部件，所以它存在頻繁的問題并且 必須定期維護(hù)，這能是成本昂貴的。而且，因為常規(guī)OLTC開關(guān)組裝件浸入在絕緣媒體(例 如油或SF6氣體)中以減少燃弧問題，所以O(shè)LTC開關(guān)組裝件的維護(hù)能夠是成本昂貴且耗時 的。機(jī)械OLTC機(jī)構(gòu)還是體形大、緩慢且噪聲大的，這些可能是不合乎需要的。常規(guī)OLTC的 機(jī)械移動部件是包括OLTC的電力變壓器中的問題的顯著部分的源頭。已使用固態(tài)開關(guān)裝置以減少少許的故障模式，但已知的是，當(dāng)用作變壓器帶載抽 頭變換器應(yīng)用中的開關(guān)組件時具有其他故障或缺點(diǎn)。眾所周知，半導(dǎo)體開關(guān)部件展現(xiàn)寄生 能量損耗和不合乎需要的關(guān)態(tài)泄露(off-state leak)。甚至在半導(dǎo)體開關(guān)處于開時它們還 有正向電壓降。當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)處于打開位置時，它仍讓非常少的電流通過，這是不合乎需要 的。雖然固態(tài)開關(guān)能提供高開關(guān)速度，但是它們遭受顯著的功率損耗并且能夠是非常昂貴 的。因此，合乎需要的是具有一種用于高供電的變壓器的帶載抽頭變換器，其使用具 成本效率且能夠以小于一微秒并以通過分流能量而無電弧的方式來進(jìn)行開關(guān)的開關(guān)技術(shù)。 進(jìn)一步合乎需要的是具有一種用于高供電的變壓器的帶載抽頭變換器，其使用能減少或消 除常規(guī)開關(guān)的開關(guān)故障模式和消除半導(dǎo)體化開關(guān)部件的寄生能量損耗的開關(guān)技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于變壓器繞組的帶載抽頭變換器。該OLTC包 括串聯(lián)地與變壓器繞組上的第一抽頭和中性端子直接耦合的第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開 關(guān)模塊；串聯(lián)地與變壓器繞組上的第二抽頭和中性端子直接耦合的第二 MEMS開關(guān)模塊；以 及可操作地耦合到第一 MEMS開關(guān)模塊和第二 MEMS開關(guān)模塊的控制器，該控制器配置成生 成要分別由第一和第二 MEMS開關(guān)模塊接收的第一和第二信號，所述第一和第二信號引起 第一 MEMS開關(guān)模塊轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置以及引起第二 MEMS開關(guān)模塊轉(zhuǎn)換到打開位置以在第 一時間獲得變壓器繞組上的第一預(yù)定匝數(shù)比，該控制器還配置成生成到第二 MEMS開關(guān)模 塊的第三信號，所述第三信號引起第二 MEMS開關(guān)模塊在第一時間之后的第二時間轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置，該控制器還配置成生成要在第二時間之后的第三時間由第一 MEMS開關(guān)模塊接 收的第四信號，第一 MEMS開關(guān)模塊配置成響應(yīng)第四信號在檢測到的交流的零交叉(zero crossing)處從關(guān)閉位置轉(zhuǎn)換到打開位置以獲得變壓器繞組上的第二預(yù)定匝數(shù)比。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于變壓器繞組的0LTC。該帶載抽頭變換器 包括串聯(lián)地與變壓器繞組上的第一抽頭和中性端子直接耦合的第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 開關(guān)模塊；串聯(lián)地與變壓器繞組上的第二抽頭和中性端子直接耦合的第二 MEMS開關(guān)模塊； 可操作地耦合到第一 MEMS開關(guān)模塊和第二 MEMS開關(guān)模塊的控制器，該控制器配置成生成 要分別由第一和第二 MEMS開關(guān)模塊接收的第一和第二信號，所述第一和第二信號引起第 一 MEMS開關(guān)模塊轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置以及引起第二MEMS開關(guān)模塊轉(zhuǎn)換到打開位置以在第一時 間獲得變壓器繞組上的第一預(yù)定匝數(shù)比，該控制器還配置成生成到第二 MEMS開關(guān)模塊的 第三信號，所述第三信號引起第二 MEMS開關(guān)模塊在第一時間之后的第二時間轉(zhuǎn)換到關(guān)閉 位置，該控制器還配置成生成要在第二時間之后的第三時間由第一 MEMS開關(guān)模塊接收的 第四信號，第一 MEMS開關(guān)模塊配置成響應(yīng)第四信號在檢測到的交流的零交叉處從關(guān)閉位 置轉(zhuǎn)換到打開位置以獲得變壓器繞組上的第二預(yù)定匝數(shù)比；以及耦合到第一 MEMS開關(guān)模 塊和第二 MEMS開關(guān)模塊的控制電路，該控制電路配置成在第一 MEMS開關(guān)模塊和第二 MEMS 開關(guān)模塊各處于關(guān)閉位置中時阻止變壓器繞組之間的高循環(huán)電流的創(chuàng)建。根據(jù)本發(fā)明仍有的另一方面，提供一種用于裝配用于變壓器繞組的OLTC的方法。 該方法包括將第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)模塊與變壓器繞組上的第一抽頭和中性端子串 聯(lián)耦合；將第二 MEMS開關(guān)模塊與變壓器繞組上的第二抽頭和中性端子串聯(lián)耦合；以及可 操作地將控制器耦合到第一 MEMS開關(guān)模塊和第二 MEMS開關(guān)模塊，該控制器配置成生成要 分別由第一和第二 MEMS開關(guān)模塊接收的第一和第二信號，所述第一和第二信號引起第一 MEMS開關(guān)模塊轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置以及引起第二 MEMS開關(guān)模塊轉(zhuǎn)換到打開位置以在第一時間 獲得變壓器繞組上的第一預(yù)定匝數(shù)比，該控制器還配置成生成到第二 MEMS開關(guān)模塊的第 三信號，所述第三信號引起第二 MEMS開關(guān)模塊在第一時間之后的第二時間轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位 置，該控制器還配置成生成要在第二時間之后的第三時間由第一 MEMS開關(guān)模塊接收的第 四信號，第一 MEMS開關(guān)模塊配置成響應(yīng)第四信號在檢測到的交流的零交叉處從關(guān)閉位置 轉(zhuǎn)換到打開位置以獲得變壓器繞組上的第二預(yù)定匝數(shù)比。從結(jié)合附圖取得的以下描述中，這些和其他優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加明顯。


在說明書的結(jié)論部分的權(quán)利要求中特別指出視為本發(fā)明的主題并明確地對其要 求權(quán)利。從結(jié)合附圖取得的以下詳細(xì)描述中，明白本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是根據(jù)如本文公開的一示范實施例利用開關(guān)模塊的多個MEMS的變壓器繞組 的OLTC的示意圖；圖2是根據(jù)如本文公開的一示范實施例的流程圖，其提供一種用于操作利用MEMS 開關(guān)技術(shù)來改變變壓器繞組上的匝數(shù)比的OLTC的方法；圖3是根據(jù)如本文公開的一個示范實施例的透視圖，其示出用于多個MEMS開關(guān)模 塊的每一個的示范MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)；圖4是沿著剖面4-4的圖3中示出的MEMS開關(guān)的截面圖5A示出根據(jù)如本文公開的一示范實施例的處于關(guān)態(tài)中的圖3的MEMS開關(guān)的沿 剖面5-5的截面圖；以及圖5B示出根據(jù)如本文公開的一示范實施例的處于開態(tài)(ONstate)中的圖3的 MEMS開關(guān)的沿剖面5-5的截面圖；詳細(xì)描述參考附圖通過示例來解釋本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。
具體實施例方式示范實施例針對一種利用MEMS開關(guān)技術(shù)(例如，獨(dú)立的基于MEMS的開關(guān))來改變 變壓器繞組上的匝數(shù)比或匝數(shù)的量以及有效地改變跨變壓器繞組的交流(AC)的輸出電壓 的OLTC和用于裝配此OLTC的方法。示范實施例還針對一種用于操作利用MEMS開關(guān)技術(shù) 以改變變壓器繞組上的匝數(shù)比的OLTC的方法。在這些示范實施例中，使用MEMS開關(guān)減少 或消除常規(guī)開關(guān)的開關(guān)故障模式(例如，開關(guān)接觸故障)并避免半導(dǎo)體化開關(guān)部件的寄生 能量損耗。這些示范實施例提供一種0LTC，其利用能夠在少于一個微秒內(nèi)進(jìn)行開關(guān)的MEMS 開關(guān)，并且包括嵌入式方法以消除在開關(guān)被打開時的燃弧。當(dāng)在本文中使用時，術(shù)語“關(guān)”、“開”、“打開”、“關(guān)閉”、“串聯(lián)”和“并聯(lián)”具有其在
電子領(lǐng)域中普遍的含義。圖1示出根據(jù)一個示范實施例的帶載抽頭變換器10的簡化示意圖，帶載抽頭變換 器10耦合到具有內(nèi)線圈和芯組裝件(未示出)變壓器單元(未示出)的變壓器繞組12。 雖然未詳細(xì)示出變壓器單元的組件，但是應(yīng)該理解如本文描述的變壓器繞組12能夠是任 何常規(guī)變壓器單元的部分并且不應(yīng)限制于任何一種類型的變壓器配置。變壓器繞組12在 一端具有線路端子14而在另一端具有中性或地端子16。帶載抽頭變換器10包括多個MEMS開關(guān)模塊18A-18H，它們分別與多個抽頭 20A-20H串聯(lián)直接電耦合，其中這些抽頭如所示連接不同變壓器繞組。每個抽頭允許為變壓 器繞組選擇預(yù)定的匝數(shù)，從而向變壓器繞組提供可變匝數(shù)比并實現(xiàn)跨變壓器繞組的AC輸 出的電壓調(diào)整。一般來說，例如當(dāng)MEMS開關(guān)模塊18B關(guān)閉以構(gòu)成與抽頭20B的抽頭連接，而 其他MEMS開關(guān)模塊打開時，變壓器繞組12將獲得第一預(yù)定匝數(shù)比。在此相同的示例中，當(dāng) MEMS開關(guān)模塊18C關(guān)閉以構(gòu)成與抽頭20C的抽頭連接，而其他MEMS開關(guān)模塊(包括MEMS 開關(guān)模塊18A)打開時，變壓器繞組12將獲得與第一預(yù)定匝數(shù)比不同的第二預(yù)定匝數(shù)比。因 此，能夠相應(yīng)地將變壓器繞組12的電壓輸出“降壓”或增加(例如，從抽頭20B移動到抽頭 20A)或“升壓”或減少(例如，從抽頭20B移動到抽頭20C)。根據(jù)一個實施例，在正常變壓 器操作期間只可以關(guān)閉一個MEMS開關(guān)模塊。帶載抽頭變換器10可以包括比圖1中所示的更多或更少的MEMS開關(guān)模塊和抽 頭，這取決于應(yīng)用。但是，僅為了簡明的目的，圖1中示出8個模塊。為了便于討論，將更詳 細(xì)地討論MEMS開關(guān)模塊18B和MEMS開關(guān)模塊18C連同它們各自的抽頭(抽頭20B和20C)， 以通過舉例方式來說明根據(jù)一個示范實施例的利用MEMS開關(guān)技術(shù)的帶載抽頭變換器10的 開關(guān)操作。帶載抽頭變換器10還包括控制電路21，其電耦合在多個MEMS開關(guān)模塊與中性端 子16之間，如圖所示。控制電路21根據(jù)一個實施例配置成在抽頭開關(guān)操作期間阻止繞組 之間的大循環(huán)電流。換言之，控制電路控制開關(guān)操作并在抽頭開關(guān)操作期間以可操作方式從變壓器繞組分流非期望的能量，下文對此將更詳細(xì)地予以討論?？刂齐娐?1包括第一分流器(diverter)開關(guān)模塊22、第二分流器開關(guān)模塊24、 第三分流器開關(guān)模塊26、第四分流器開關(guān)模塊28?？刂齐娐?1還包括用于在抽頭開關(guān)操 作期間從變壓器繞組分散非期望的能量的第一和第二分流器阻抗30、32。僅參考MEMS開 關(guān)模塊18B和18C對這些組件的討論作為其操作的示例來提供；但是，它們可以結(jié)合本文描 述的任何MEMS開關(guān)模塊來使用。第一分流器開關(guān)模塊22電耦合在MEMS開關(guān)模塊18B與 中性端子16之間。第一分流器開關(guān)模塊22還電耦合在MEMS開關(guān)模塊18C與中性端子16 之間。第一分流器開關(guān)模塊22配置成根據(jù)用于變壓器繞組的期望匝數(shù)比在第一操作位置 和第二操作位置之間轉(zhuǎn)換。第二分流器開關(guān)模塊24電耦合在MEMS開關(guān)模塊18B與第一分 流器開關(guān)模塊22之間。第一分流器阻抗并聯(lián)地與第二分流器開關(guān)模塊24電耦合，并電耦 合到MEMS開關(guān)模塊18B，如圖所示。第三分流器開關(guān)模塊26電耦合在MEMS開關(guān)模塊18C 與第一分流器開關(guān)模塊22之間。第二分流器阻抗32并聯(lián)地與第三分流器開關(guān)模塊26電 耦合。最后，第四分流器開關(guān)模塊28串聯(lián)與第一分流器阻抗30和第二分流器阻抗32電耦 合，并與第一分流器開關(guān)模塊22并聯(lián)。根據(jù)一個示范實施例，控制器40與MEMS開關(guān)模塊18A-18H和分流器開關(guān)模塊22、 24,26和28進(jìn)行信號通信。根據(jù)一個示范實施例，控制器40配置成通過生成信號并將其 發(fā)送到MEMS開關(guān)模塊和分流器開關(guān)模塊以引起這些開關(guān)模塊在預(yù)定的時間打開或關(guān)閉， 協(xié)調(diào)分流器開關(guān)模塊和MEMS開關(guān)模塊的開關(guān)操作以便創(chuàng)建(例如關(guān)閉)抽頭連接、切斷抽 頭連接(例如打開)、阻止抽頭連接以及在抽頭之間開關(guān)(例如，打開和關(guān)閉序列)以有效 地改變和調(diào)整變壓器繞組處可用的對中性端子的電壓電平?？刂破?0根據(jù)預(yù)定開關(guān)序列 向MEMS開關(guān)模塊和分流器開關(guān)模塊發(fā)送信號以形成抽頭連接、切斷抽頭連接、阻止抽頭連 接和在抽頭之間開關(guān)。根據(jù)一個實施例，控制器40配置成接收來自每個MEMS開關(guān)模塊的 反饋(例如，開關(guān)位置)。根據(jù)一個示范實施例，控制器40能夠是帶載抽頭變換器10的集成組件。在一備 選實施例中，控制器40是將變壓器單元與帶載抽頭變換器10結(jié)合的子系統(tǒng)或系統(tǒng)的組件。 根據(jù)一個示范實施例，控制器40包括處理器，處理器具有硬件和/或軟件/固件與計算機(jī) 程序的組合，當(dāng)加載并執(zhí)行該計算機(jī)程序時，允許控制器的處理器操作以使得它執(zhí)行本文 描述的方法/操作?，F(xiàn)在將參考圖1中所示的以及上文描述的帶載抽頭變換器配置通過舉例來討論 控制器40執(zhí)行的開關(guān)序列。更確切地來說，將通過舉例來描述控制器40執(zhí)行的抽頭開關(guān) 操作和正常變壓器操作。這將說明帶載抽頭變換器10能夠利用MEMS開關(guān)技術(shù)在釋放另一 個抽頭連接之前創(chuàng)建一個抽頭連接的操作，在此示例中這在抽頭20B至20C之間進(jìn)行?，F(xiàn)在參考圖2，將參考圖1中所示的OLTC通過舉例來討論一種根據(jù)一個示范實施 例用于操作利用MEMS開關(guān)技術(shù)來改變變壓器繞組上的匝數(shù)比的OLTC的方法。在操作框200，以適當(dāng)?shù)某跏紶顩r來開始抽頭開關(guān)操作。適當(dāng)?shù)某跏紶顩r包括， MEMS開關(guān)模塊18B是關(guān)閉的，從而形成與抽頭20B的連接，而MEMS開關(guān)模塊18C是打開的 (以及所有其他抽頭開關(guān)18A、18D-18H均是打開的)，第一分流器開關(guān)模塊22置于第一操 作位置(位置A)中，第二分流器開關(guān)模塊24關(guān)閉，以及第三和第四分流器開關(guān)模塊26、28 是打開的。以這些初始狀況，變壓器繞組12正在正常操作模式中操作，以及為變壓器繞組12獲得第一預(yù)定匝數(shù)比。在這些初始狀況期間，負(fù)載電流穿過第二分流器開關(guān)模塊24到中 性端子16。根據(jù)一個示范實施例，控制器40使得這些初始狀況能夠通過生成信號并在預(yù) 定的序列中將其發(fā)送到開關(guān)組件來滿足。當(dāng)然，適當(dāng)設(shè)置的初始狀況能夠是MEMS開關(guān)模塊 18C是關(guān)閉的以及MEMS開關(guān)模塊18B是打開的或MEMS開關(guān)模塊中任何一個是關(guān)閉的而其 余的是打開的。但是，為了討論的緣故在本示例中將僅使用上文描述的初始狀況。在操作框202，將MEMS開關(guān)模塊18C關(guān)閉以創(chuàng)建與抽頭20C的抽頭連接。根據(jù)一 個示范實施例，MEMS開關(guān)模塊18C通過從控制器40接收引起MEMS開關(guān)模塊18C關(guān)閉的信 號來關(guān)閉。在此點(diǎn)，根據(jù)一個實施例，抽頭開關(guān)操作已經(jīng)由控制器40發(fā)起。在操作框204，將第二分流器開關(guān)模塊24打開以使變壓器繞組上的負(fù)載電流能夠 穿過第一分流器阻抗30。這使得MEMS開關(guān)模塊18B處的能量能通過第一分流器阻抗30分 散。根據(jù)一個示范實施例，控制器40向第二分流器開關(guān)模塊24發(fā)送信號以引起第二分流 器開關(guān)模塊24打開。在操作框206，將第四分流器開關(guān)模塊28關(guān)閉以使變壓器繞組上的負(fù)載電流能夠 穿過第一分流器阻抗30和第二分流器阻抗32。根據(jù)一個示范實施例，使用第一分流器阻抗 30和第二分流器阻抗32來分流MEMS開關(guān)模塊20B與MEMS開關(guān)模塊20C之間的繞組中存 儲的能量。根據(jù)一個示范實施例，第四分流器開關(guān)模塊28通過從控制器40接收引起第四 分流器開關(guān)模塊28關(guān)閉的信號來關(guān)閉。在操作框208，將第一分流器開關(guān)模塊22置于第二操作位置(位置B)中。這將使 得負(fù)載電流能夠在第二 MEMS開關(guān)模塊18C和中性端子16之間行進(jìn)并使得變壓器繞組能夠 獲得第二預(yù)定匝數(shù)比。在操作框210，打開第四分流器開關(guān)模塊28以使負(fù)載電流能夠通過第二分流器阻 抗32。這使得MEMS開關(guān)模塊18C處的能量能夠通過第二分流器阻抗32來分散。根據(jù)一個 示范實施例，第四分流器開關(guān)模塊28通過從控制器40接收引起第四分流器開關(guān)模塊28打 開的信號來打開。在操作框212，將第三分流器開關(guān)模塊26關(guān)閉以使負(fù)載電流能夠旁路第二分流器 阻抗32并穿過第三分流器開關(guān)模塊26到中性端子16，從而為變壓器繞組12獲得第二預(yù)定 匝數(shù)比。根據(jù)一個示范實施例，第三分流器開關(guān)模塊26通過從控制器40接收引起第三分 流器開關(guān)模塊26關(guān)閉的信號來關(guān)閉。在操作框214，在檢測到的交流的零交叉處打開MEMS開關(guān)模塊18B。這完成抽頭 開關(guān)操作。根據(jù)一個實施例，MEMS開關(guān)模塊18B響應(yīng)從控制器接收到引起MEMS開關(guān)模塊 18B打開的信號在檢測到的交流的零交叉處打開。本文示出的流程圖僅是示例。在不背離本發(fā)明的精神的情況下，可存在對本文描 述的步驟(或操作)或此圖的許多變化。例如，操作步驟可以在不同的次序中執(zhí)行，或可以 添加、刪除或修改步驟。所有這些變化被視為要求權(quán)利的本發(fā)明的一部分。應(yīng)該理解，能夠 采取相似的操作步驟來形成沿著變壓器繞組的不同抽頭連接。根據(jù)一個示范實施例，每個MEMS開關(guān)模塊包括一個或多個基于MEMS的開關(guān)，其配 置成在檢測到的交流的零交叉期間打開或通過旁路方法來旁路非對稱電流。根據(jù)一個實施 例，本文描述的基于MEMS的開關(guān)包括集成的電流傳感器，該電流傳感器能夠檢測交流的零 交叉。而且，根據(jù)一個實施例，本文描述的基于MEMS的開關(guān)配置成在打開位置中具有零泄
9露。根據(jù)一個示范實施例，每個分流器開關(guān)模塊包括與上文描述的那些相似的一個或 多個基于MEMS的開關(guān)。根據(jù)一個示范實施例，每個MEMS開關(guān)模塊包括具有串聯(lián)配置、并聯(lián)配置或二者組 合的基于MEMS的開關(guān)的陣列?？稍O(shè)想，此OLTC應(yīng)用中單獨(dú)或與其他基于MEMS的開關(guān)組合 使用的此類基于MEMS的開關(guān)能夠耐受高電壓/高電流變壓器而不會發(fā)生故障?，F(xiàn)在參考圖3，其示出能在本文描述的示范實施例中使用的MEMS開關(guān)300及其 基本組件的一個示例。MEMS開關(guān)300包括開關(guān)可移動元件308、支承結(jié)構(gòu)310和開關(guān)電極 (驅(qū)動部件)312。MEMS開關(guān)300在電介質(zhì)襯底304上連同兩個RF微帶線(分布式恒定線 (distributed constant line)) 302a和 302b —起形成。地(GND)板 306 安置在電介質(zhì)襯底 304的下表面上。微帶線302a和302b緊密地安置，彼此以間隙G分隔。每個微帶線(302a 和302b)的寬度是W。開關(guān)電極312安置在電介質(zhì)襯底304上的微帶線2a和2b之間。開關(guān)電極312形 成為具有比每個微帶線302a和302b的高度低的高度。在電信號的基礎(chǔ)上選擇性地將驅(qū)動 電壓應(yīng)用到開關(guān)電極312。開關(guān)可移動元件308布置在開關(guān)電極312上方。開關(guān)可移動元 件308由傳導(dǎo)構(gòu)件制成。因此電容器結(jié)構(gòu)由彼此相對的開關(guān)電極312和開關(guān)可移動元件 308形成。用于支承開關(guān)可移動元件308的支承結(jié)構(gòu)310包括樁部分310a和臂部分310b。 樁部分310a固定在電介質(zhì)襯底304上，按選定的距離與微帶線302a與302b之間的間隙G 分隔。臂部分310b從樁部分310a的上表面的一端延伸到間隙G。支承結(jié)構(gòu)310由電介質(zhì)、 半導(dǎo)體或?qū)w制成。開關(guān)可移動元件308固定在支承結(jié)構(gòu)310的臂部分310b的遠(yuǎn)端上。如圖4中所示，開關(guān)可移動元件308具有長度L，該長度大于間隙G。利用此結(jié)構(gòu)， 開關(guān)可移動元件308的遠(yuǎn)端部分308a和308b分別與微帶線302a和302b的遠(yuǎn)端部分302a 和302b的部分相對。開關(guān)可移動元件308的遠(yuǎn)端部分308a和308b定義為各從開關(guān)可移 動元件308的兩個端的對應(yīng)一端延伸長度(L-G)/2的部分。微帶線302a和302b的遠(yuǎn)端部 分302a和302b定義為各從微帶線302a和302b的相對端的對應(yīng)一端延伸長度(L-G)/2的 部分。開關(guān)可移動元件308的寬度比微帶線302a和302b的每個微帶線的寬度W小。因 此開關(guān)可移動元件308的遠(yuǎn)端部分308a和308b的每一個的面積小于微帶線302a和302b 的遠(yuǎn)端部分302a和302b的每一個的面積。圖5A和5B示出沿圖4中所示的MEMS開關(guān)300的剖面5_5截取的截面圖，MEMS開 關(guān)300處于(a)關(guān)態(tài)(圖5A)以及處于(b)開態(tài)(圖5B)。如圖5A中所示，開關(guān)可移動元 件308 —般定位在與微帶線302a和302b分離高度h的位置。在本例中，高度(h)約為幾 個微米(μπι)。因此，如果不對開關(guān)電極312應(yīng)用驅(qū)動電壓，則開關(guān)可移動元件308不與微 帶線302a和302b接觸。然而，開關(guān)可移動元件308具有與微帶線302a和302b相對的部分。因為電容器結(jié) 構(gòu)由開關(guān)可移動元件308和微帶線302a和302b的這些部分形成，所以微帶線302a和302b 通過開關(guān)可移動元件308與彼此電容耦合。開關(guān)可移動元件308與微帶線302a和302b之 間的電容與開關(guān)可移動元件308與微帶線302a和302b之間的相對面積成比例。
開關(guān)可移動元件308形成為具有比每個微帶線302a和302b的寬度W小的寬度， 從而減少了開關(guān)可移動元件308與微帶線302a和302b的相對部分之間形成的電容和相對 面積。因為這減弱了微帶線302a和302b之間的電容耦合，所以能在MEMS開關(guān)300的關(guān)態(tài) 中抑制能量泄漏。上文描述圖3-5B中的MEMS開關(guān)300僅是能根據(jù)本發(fā)明的示范實施例在MEMS開 關(guān)模塊和分流器開關(guān)模塊中采用的MEMS開關(guān)的構(gòu)造的示范實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn) 識到，可以在多種其他配置中構(gòu)造如本文描述的MEMS開關(guān)。例如，支承結(jié)構(gòu)310可包括膜 片(membrane)、懸臂、可偏離膜片、隔板(diaphragm)、彎曲構(gòu)件、空洞、表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)、梳 形結(jié)構(gòu)、橋或諸如此類。在其中使用膜片的示范實施例中，膜片的其余部分可對應(yīng)于關(guān)/開 態(tài)，以及膜片經(jīng)受的任何偏離可以導(dǎo)致開關(guān)翻轉(zhuǎn)到相反態(tài)。用作OLTC中的開關(guān)組件的MEMS開關(guān)的尺寸和可伸縮性有利地有助于封裝的便 利。而且，使用MEMS開關(guān)有利地消除對于像常規(guī)OLTC開關(guān)通常所做的那樣將帶載抽頭變 換器浸入具有絕緣媒體(例如油或SF6氣體)的封殼中的需要?？稍O(shè)想，具有MEMS開關(guān)技 術(shù)的OLTC能容放在與變壓器單元分開的空氣填充的封殼中，從而使得OLTC更容易地可用 于維護(hù)。本文使用的MEMS開關(guān)為設(shè)計者提供簡易性，因為MEMS開關(guān)是真正的機(jī)械開關(guān)，但 沒有通常與當(dāng)前在常規(guī)帶載抽頭變換器中使用的常規(guī)機(jī)械開關(guān)相關(guān)的問題。雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合僅有限數(shù)量的實施例來詳細(xì)描述，但是應(yīng)容易地理解，本發(fā) 明并不限于這些公開的實施例。相反，能將本發(fā)明修改為結(jié)合前文未描述但是與本發(fā)明的 精神和范圍相符的任何數(shù)量的變化、改變、替換或等效布置。此外，雖然描述了本發(fā)明的多 種實施例，但是要理解，本發(fā)明的多個方面可能只包含描述的實施例中的一些。因此，本發(fā) 明不應(yīng)視為由前文描述來限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍來限制。部件列表
10帶載抽頭變換器
12變壓器繞組
14線路端子
16中性端子
18A--18HMEMS開關(guān)模塊
20A--20H抽頭
21控制電路
22分流器開關(guān)模塊
24分流器開關(guān)模塊
26分流器開關(guān)模塊
28分流器開關(guān)模塊
30第一分流器阻抗
32第二分流器阻抗
40控制器
200操作框
202操作框
204操作框
11
206操作框
210操作框
212操作框
214操作框
300MEMS開關(guān)
302a微帶線
302b微帶線
304電介質(zhì)襯底
306地板
308開關(guān)可移動元件
308a和308b 遠(yuǎn)端部分
310支承結(jié)構(gòu)
310a樁部分
310b臂部分
312開關(guān)電極
說明書
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1權(quán)利要求
一種用于變壓器繞組(12)的帶載抽頭變換器(10)，包括第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)模塊(18)，串聯(lián)地與所述變壓器繞組(12)上的第一抽頭和中性端子(16)直接耦合；第二MEMS開關(guān)模塊(18)，串聯(lián)地與所述變壓器繞組(12)上的第二抽頭和所述中性端子(16)直接耦合；以及控制器(40)，可操作地耦合到所述第一MEMS開關(guān)模塊(18)和所述第二MEMS開關(guān)模塊(18)，所述控制器(40)配置成生成要分別由所述第一和第二MEMS開關(guān)模塊(18)接收的第一和第二信號，所述第一和第二信號引起所述第一MEMS開關(guān)模塊(18)轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置以及引起所述第二MEMS開關(guān)模塊(18)轉(zhuǎn)換到打開位置以獲得所述變壓器繞組(12)上的第一預(yù)定匝數(shù)比。
2.如權(quán)利要求1所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述控制器(40)配置成生成要 分別由所述第一和第二 MEMS開關(guān)模塊(18)接收的所述第一和第二信號，所述第一和第二 信號引起所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置以及引起所述第二 MEMS開關(guān)模 塊(18)轉(zhuǎn)換到打開位置以在第一時間獲得所述變壓器繞組(12)上的第一預(yù)定匝數(shù)比，所 述控制器(40)還配置成生成到所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)的第三信號以引起所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)在所述第一時間之后的第二時間轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置，所述控制器(40)還 配置成生成要在所述第二時間之后的第三時間由所述第一MEMS開關(guān)模塊(18)接收的第四 信號，所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)配置成響應(yīng)所述第四信號在檢測到的交流的零交叉處 從關(guān)閉位置轉(zhuǎn)換到打開位置以獲得所述變壓器繞組(12)上的第二預(yù)定匝數(shù)比。
3.如權(quán)利要求2所述的帶載抽頭變換器(10)，還包括耦合到所述第一MEMS開關(guān)模 塊(18)和所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)的控制電路(21)，所述控制電路(21)配置成在所 述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)和所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)各處于關(guān)閉位置中時阻止變 壓器繞組(12)之間的高循環(huán)電流的創(chuàng)建；所述控制電路(21)包括第一分流器開關(guān)模塊 (22-28)，耦合在所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)與所述中性端子(16)之間并且還耦合在所 述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)與所述中性端子(16)之間，所述第一分流器開關(guān)模塊(22-28) 配置成在所述第一時間轉(zhuǎn)換到第一操作位置以使負(fù)載電流能夠經(jīng)過所述第一 MEMS開關(guān)模 塊(18)與所述中性端子(16)之間并為所述變壓器繞組(12)獲得所述第一預(yù)定匝數(shù)比；第 二分流器開關(guān)模塊(22-28)，耦合在所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)與所述第一分流器開關(guān) 模塊(22-28)之間，所述第二分流器開關(guān)模塊(22-28)并聯(lián)地與第一分流器阻抗耦合，所述 第二分流器開關(guān)模塊(22-28)配置成響應(yīng)所述控制器(40)生成的第五信號在所述第二時 間之后的第四時間轉(zhuǎn)換到打開位置以在抽頭開關(guān)操作期間使負(fù)載電流能夠通過所述第一 分流器阻抗，所述第二分流器開關(guān)模塊(22-28)在所述第一時間處于關(guān)閉位置中；第三分 流器開關(guān)模塊(22-28)，耦合在所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)與所述第一分流器開關(guān)模塊 (22-28)之間，所述第三分流器開關(guān)模塊(22-28)并聯(lián)地與第一分流器阻抗(32)耦合，所述 第三分流器開關(guān)模塊(22-28)在所述時間處于打開位置中；第四分流器開關(guān)模塊(22-28)， 耦合在所述第一分流器阻抗與所述第一分流器阻抗(30)之間，以及還并聯(lián)地與所述第一 分流器開關(guān)模塊(22-28)耦合，所述第四分流器開關(guān)模塊(22-28)配置成響應(yīng)所述控制器 (40)生成的第六信號在所述第四時間之后的第五時間轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置以使負(fù)載電流能夠 通過所述第一分流器阻抗和所述第一分流器阻抗(32)，從而阻止抽頭開關(guān)操作期間變壓器繞組(12)之間高循環(huán)電流的創(chuàng)建，所述第四分流器開關(guān)模塊(22-28)在所述第一時間處于 打開位置中；其中所述第一分流器開關(guān)模塊(22-28)配置成響應(yīng)所述控制器(40)生成的 第七信號在所述第五時間之后的第六時間從所述第一操作位置轉(zhuǎn)換到第二操作位置以使 負(fù)載電流能夠經(jīng)過所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)與所述中性端子(16)之間并為所述變壓 器繞組(12)獲得所述第二預(yù)定匝數(shù)比；所述第四分流器開關(guān)模塊(22-28)配置成響應(yīng)所 述控制器(40)生成的第八信號在所述第六時間之后的第七時間轉(zhuǎn)換到打開位置以在抽頭 開關(guān)操作期間使負(fù)載電流能夠通過所述第一分流器阻抗(32)；所述第三分流器開關(guān)模塊 (22-28)配置成響應(yīng)所述控制器(40)生成的第九信號在所述第七時間之后的第八時間轉(zhuǎn) 換到關(guān)閉位置以使負(fù)載電流能夠經(jīng)過所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)與所述中性端子(16) 之間并為所述變壓器繞組(12)提供所述第二預(yù)定匝數(shù)比；所述第一MEMS開關(guān)模塊(18)響 應(yīng)所述第四信號在檢測到的交流的零交叉處從關(guān)閉位置轉(zhuǎn)換到打開位置以在所述第八時 間之后的所述第三時間獲得所述變壓器繞組(12)上的所述第二預(yù)定匝數(shù)比。
4.如權(quán)利要求1所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述第一和第二MEMS開關(guān)模塊 (18)各包括在處于打開位置中時可操作地具有零泄露的至少一個MEMS開關(guān)。
5.如權(quán)利要求2所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述第一和第二MEMS開關(guān)模塊 (18)各包括用于檢測交流的零交叉的至少一個電流傳感器。
6.一種用于變壓器繞組(12)的帶載抽頭變換器(10)，包括第一微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)模塊，串聯(lián)地與所述變壓器繞組(12)上的第一抽頭和中 性端子(16)直接耦合；第二 MEMS開關(guān)模塊(18)，串聯(lián)地與所述變壓器繞組(12)上的第二抽頭和所述中性端 子(16)直接耦合；控制器(40)，可操作地耦合到所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)和所述第二 MEMS開關(guān)模 塊(18)，所述控制器(40)配置成生成要分別由所述第一和第二 MEMS開關(guān)模塊(18)接收的 第一和第二信號，所述第一和第二信號引起所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置 并且引起所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)轉(zhuǎn)換到打開位置以在第一時間獲得所述變壓器繞組 (12)上的第一預(yù)定匝數(shù)比，所述控制器(40)還配置成生成到所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18) 的第三信號，所述第三信號引起所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)在所述第一時間之后的第二 時間轉(zhuǎn)換到關(guān)閉位置，以及控制電路(21)，耦合到所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)和所述第二 MEMS開關(guān)模塊(18)， 所述控制電路(21)配置成在所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)所述和第二 MEMS開關(guān)模塊(18) 各處于關(guān)閉位置中時阻止變壓器繞組(12)之間的高循環(huán)電流的創(chuàng)建。
7.如權(quán)利要求6所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述控制器(40)還配置成生成要 在所述第二時間之后的第三時間由所述第一 MEMS開關(guān)模塊(18)接收的第四信號，所述第 一MEMS開關(guān)模塊(18)配置成響應(yīng)所述第四信號在檢測到的交流的零交叉處從關(guān)閉位置轉(zhuǎn) 換到打開位置以獲得所述變壓器繞組(12)上的第二預(yù)定匝數(shù)比，以及其中所述第一 MEMS 開關(guān)模塊(18)包括用于檢測交流的零交叉的第一電流傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述第二MEMS開關(guān)模塊(18)包括 用于檢測交流的零交叉的第二電流傳感器。
9.如權(quán)利要求6所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述第一和第二MEMS開關(guān)模塊(18)各包括在打開位置中可操作地具有零泄露的至少一個MEMS開關(guān)。
10.如權(quán)利要求6所述的帶載抽頭變換器(10)，其中所述第一和第二 MEMS開關(guān)模塊 (18)各具有小于一微秒的開關(guān)速度。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“使用MEMS技術(shù)的變壓器帶載抽頭變換器”。公開一種用于變壓器繞組(12)的帶載抽頭變換器(10)。該OLTC包括串聯(lián)地與變壓器繞組(12)上的第一抽頭和中性端子(16)耦合的第一MEMS開關(guān)(18)。該OLTC還包括串聯(lián)地與變壓器繞組(12)上的第二抽頭和中性端子(16)耦合的第二MEMS開關(guān)。該OLTC還包括耦合到第一MEMS開關(guān)和第二MEMS開關(guān)的控制器(40)，控制器(40)配置成協(xié)調(diào)第一MEMS開關(guān)模塊(18)和第二MEMS開關(guān)模塊(18)的開關(guān)操作，從而為變壓器繞組(12)獲得第一預(yù)定匝數(shù)比和第二預(yù)定匝數(shù)比。
文檔編號H02M5/10GK101958651SQ20101023126
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者K·蘇布拉馬尼安, L·M·富吉塔 申請人:通用電氣公司