CN101673945B

CN101673945B - 串并联拓扑中的微机电开关保护

Info

Publication number: CN101673945B
Application number: CN200910176354.0A
Authority: CN
Inventors: W·J·普雷默拉尼; K·A·奥布赖恩; O·J·谢伦茨
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: US20100061024A1; JP2010067608A; EP2164089B1; US8687325B2; KR101647142B1; JP5448660B2; EP2164089A3; EP2164089A2; CN101673945A; KR20100031082A

Abstract

提供了一种电气切换装置。该电气切换装置包括多个串联耦合的开关组，各开关组包括多个并联耦合的开关。控制电路耦合到多个开关组并可配置成控制开关的断开和闭合。一个或多个中间二极管耦合在控制电路和各开关组对之间的各个点之间。

Description

串并联拓扑中的微机电开关保护

技术领域

本发明一般地涉及切换装置(switching device)的保护，更特别地，涉及基于微机电系统的切换装置的保护。

背景技术

断路器是设计用来保护电气设备免受电路中的故障所引起的损坏的电气装置。传统上，大多数传统的断路器包括大体积的微机电开关。不幸地是，这些传统的断路器尺寸较大，因而必要使用大的力量以开动切换机构。因此，为了在电力系统应用中使用机电接触器，可能需要通过用串联装置来后援它以保护接触器免受损坏，该串联装置在接触器中断容量之上的所有电流值处在该接触器断开之前，足够快地动作以中断故障电流。

作为慢机电开关的备选，快速固态开关已经在高速切换应用中得到使用。应该意识到，这些固态开关通过电压或偏置的可控施加而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，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触点之间产生物理间隙，因而它们经历泄漏电流。此外，固态开关用于包括一个或多个助于更高电压和电流操纵能力的开关阵列的串并联拓扑的组合中。然而，开关阵列异步断开或闭合，导致流过开关的不合需要的负载电流量。因此，负载电流可超过开关的电流操纵能力，引起短路或焊接和致使开关不可操作。因此，需要为这种开关阵列提供增强的保护。

发明内容

简单地说，提供了一种电气切换装置。电气切换装置包括串联的多个开关组，各开关组包括并联的多个开关。电气切换装置进一步包括耦合到多个开关组并可配置成控制开关断开和闭合的控制电路。电气切换装置进一步包括一个或多个耦合在控制电路和相应开关组对之间的各点之间的中间二极管。

在另一个实施例中，提供了一种电气切换系统。电气切换系统包括切换电路，该切换电路包括可配置成将系统从第一切换状态切换到第二切换状态的微机电系统开关。电气切换系统进一步包括耦合到切换电路的电压排出电路，其中电压排出电路可配置成在切换电路的触点处排出电压。电气切换系统进一步包括耦合到电压排出电路的控制电路，其中控制电路可配置成形成脉冲信号，并且其中，脉冲信号施加到与启动切换电路的操作有关的电压排出电路。

在另一个实施例中，提供了一种保护电气切换装置的方法。该方法包括经由控制电路将电流脉冲触发到至少一对二极管，其中该至少一对二极管耦合在多个开关组和控制电路之间。该方法进一步包括基于触发而偏置该至少一对二极管。该方法进一步包括通过偏置该一对二极管而使电压跨过多个开关组而放电。

附图说明

当结合附图(其中所有图中同样符号表示同样部件)阅读下述具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好理解，其中：

图1是根据本发明的一方面的在包含保护电路的串联配置中的基于微机电系统(MEMS)的并联开关组的框图；

图2是包含示例性保护电路的图1中基于MEMS的并联开关组的进一步框图；

图3是图2的保护电路中使用的二极管对的放大视图；

图4是如图2实施的二极管对的进一步实施例的放大视图。

具体实施方式

根据本发明的实施例，本文描述了结构和/或操作关系，该结构和/或操作关系可用来在基于微机电系统(MEMS)开关的开关阵列中提供电压可缩放性(例如以满足期望电压额定值)。典型地，MEMS指例如通过微制造技术将多个功能不同的元件(例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子装置)集成在共用衬底上的微型规模结构。然而，可预期地是，目前在MEMS装置上可用的许多技术和结构将经由基于纳米技术的装置(例如，尺寸上比100纳米还小的结构)而可用。此外，应该意识到，基于MEMS的切换装置，如本文提及的，可以广泛地解释，并不限于基于纳米技术的装置或微米级尺寸的装置。

图1是根据本发明一个方面的在串联配置中基于MEMS的并联开关组的框图。基于MEMS的开关组10(也指切换电路)包括开关20，该开关20耦合在电源28(经上游连接器30)和负荷32(经下游连接器34)之间，并可配置成助于或中断电源28和负荷32之间的电流流动。开关20进一步包括串联耦合的多个开关组12、14、16和18，各开关组具有并联耦合的多个开关。在本发明的一个方面，各并联开关组12、14、16和18中的多个开关使用MEMS开关来构造。例如，开关组12包括并联连接的多个MEMS开关。尽管图1中的开关20图示了多个MEMS开关组，应该意识到开关20可包括单个MEMS开关组。并联开关组12、14、16和18进一步经由连接器22、24和26串联耦合。串联连接的并联开关组具有增强的载流能力和增强的电压能力的优势。在另一个实施例中，超过四个并联开关组可串联连接以获得期望电流和电压额定值。

再次参考图1，控制电路36经端子38耦合到线路侧二极管(D_s)40、负载侧二极管(D_L)42和中间二极管块54。控制电路36可配置成经由脉冲信号在开关20断开(关断)和/或闭合(接通)的情况时控制二极管(通过提供正向偏置电压)。脉冲信号的示例可包括电流脉冲和/或足够的电压足以正向偏置二极管。控制电路36在切换循环的适当时间助于二极管40、42和中间二极管块内的二极管的正向偏置，以激活二极管中的导通模式。在一个实施例中，控制电路36可配置成提供适当的电压水平以用于通过端子38正向偏置二极管。在一个实施例中，控制电路包括混合电弧限制技术(HALT)和/或脉冲辅助接通(PATO)电路。

一对或多对二极管耦合在控制电路36和开关组12、14、16、18的相应对之间的各点之间。线路侧二极管(Ds)40耦合跨接(across)并联开关组12和控制电路36。类似地，负载侧二极管(D_L)42耦合跨接并联开关组18和控制电路36。根据本发明的一个实施例，线路侧二极管(Ds)40和负载侧二极管(D_L)42可配置成输送大部分的负载电流。在图示的实施例中，中间二极管块54包括中间二极管(D1)48、(D2)50和(D3)52，它们各自经由连接器56、58和60耦合跨接开关组12、14、16、18之间的各点。应该意识到，相比线路侧二极管(Ds)和负载侧二极管(D_L)而言，中间二极管(D1)48、(D2)50和(D3)52可输送相对较少的负载电流。根据本技术的一个方面，二极管(线路侧、负载侧和中间)可称作电压排出电路，因为在当开关20运行(接通和/或关断)时的情况，它们可配置成使电压跨过各开关组12、14、16和18而排出。

分级网络(grading network)62在并联开关组12、14、16和18之间的各点处通过线路侧的连接器64、负载侧的连接器66并经由中间位置处的连接器68、70和72耦合到开关20。在一个实施例中，分级网络62可配置成将电压横跨开关组12、14、16和18均等地分配。在示例性实施例中，分级网络62可配置成保护开关20不受电压和电流尖峰。

现在回到图2，其图示了图1的二极管40、42、48、50和52以及分级网络62的进一步详细实施例。分级网络62进一步包括多个块88。这种块88的每一个包括电阻器82、电容器84和非线性电压箝位装置86。块88在线路侧经由连接器64、在负载侧经由连接器66和在中间点经由连接器68、70和72在多个位置处耦合到开关20(如参照图1)。分级网络62通常有助于将电压横跨多个开关组12、14、16和18均等地分布。应该注意到，横跨多个并联开关组12、14、16和18的不等电压可导致横跨一开关组的过量电压，进而引起损坏。在示例性实施例中，作为分级网络62组成部分的非线性电压箝位装置86可配置成抑制快速的电压改变速率(也可指“过电压”)。非线性装置86也可配置成吸收可以在电感负载的中断和/或故障期间释放的电感能量。非线性装置的示例可包括但不限于变阻器和金属氧化物变阻器(varistor)。

应该注意到，当MEMS开关阵列被接通时，开关不全部在完全相同的时间闭合。这种异步切换可导致单一开关组的闭合以完成电源和负载之间的电路连接，从而引起在一个开关组中的满载电流流量。单一开关组可能未配置成载送该负载电流，从而引起其中焊接触点和永久性损伤。控制电路36用来在开关20的接通情况期间正向偏置二极管(线路侧、负载侧和中间)。二极管上的正向偏压完成供电电路，并且在这些MEMS开关正处于闭合的同时并且电流装入负载电路中的同时使横跨这些MEMS开关的电压陷落。在接通期间，首先施加脉冲，而触点闭合。触点在脉冲期间闭合，当脉冲结束时负载电流流过这些开关。

类似地，在关断期间，当开关20的触点仍然闭合但接触压力因开关断开过程而减少时，开关电阻增加。由于增加的电阻，如果异步切换的话，过量负载电流可流过一个开关组从而引起损坏，如上所述的那样。控制电路36配置成在关断情况时正向偏置二极管(线路侧、负载侧和中间)。正向偏置导致二极管导通，并且反过来引起负载电流开始从MEMS开关20转移到二极管。在当前条件下，二极管桥呈现对负载电路电流的相对低阻抗的路径并保护开关20免受过量电流。因此，如上所述，在接通和/或关断期间，负载电流可被转移到在线路侧、负载侧和中间位置的二极管，如在下述段落中详细描述的一样。

线路侧二极管40在较接近电源28的点处耦合在控制电路36和开关20之间。类似地，负载侧二极管42在较接近负载32的点处耦合到控制电路36和开关20之间的点。线路侧二极管40进一步包括通常被看作接通二极管96和关断二极管98的一对二极管。类似地，负载侧二极管42包括接通二极管100和关断二极管102。此外，中间二极管48、50和52耦合在并联开关组12、14、16、18和控制电路36之间的中间位置。中间二极管48、50和52分别包括接通二极管104、108、112和关断二极管106、110和114。

典型地，线路侧二极管40可以这种方式配置，使得接通二极管(96，100)在接通的情况期间在开关20正打算闭合时(开始导通负载电流)激活。类似地，关断二极管(98，102)在关断的情况期间在开关20正打算断开时(停止导通负载电流)激活。在示例性实施例中，接通二极管96、100、104、108和112在接通时被正向偏置。典型地，在接通期间，横跨各并联开关组12、14、16和18的电压期望为零，其通过正向偏置这些接通二极管96、100、104、108和112而获得。类似地，在关断期间，横跨各并联开关组12、14、16和18的电压期望相等，以避免可损坏某开关组12、14、16和/或18的不等电压分配以及避免了用于减少负载电流的备选路径(最小电阻路径)。在示例性实施例中，在关断时正向偏置关断二极管98、102、106、110和114为负载电流提供备选路径以及提供横跨并联开关组12、14、16和18的等电压分配。

本领域技术人员应该了解到，二极管在它们运行期间载送负载电流，并需要如负载电流一样的足够的电流额定值。然而，可以注意到大部分的负载电流可流过线路侧二极管40和负载侧二极管42。因此，相比较线路侧二极管40或负载侧二极管42而言，低额定值的二极管可用作中间二极管48、50和52。应当注意的是，将脉冲供应以正向偏置这些二极管的控制电路36上的负荷通过使这种较低额定值的中间二极管48、50和52参与其中而没有相当大地增加。在一个实施例中，类似的额定二极管可选作二极管40、42、48、50和52。然而，多个二极管并联支路可用于线路侧二极管40或负载侧二极管42。在另一个实施例中，较高额定值的二极管可选作线路侧或负载侧二极管40和42，较低额定值的二极管可选作中间二极管48、50和52。然而，应该注意的是，例如是低正向压降的二极管属性可选择用于所有的二极管(线路侧、负载侧和中间)，以便助于控制电路上的较低电流负荷。

图3是用于图2中的线路侧二极管40的放大视图。在示例性实施例中，以参考数字120表示的线路侧二极管40的图示实施例包括多个接通二极管96、122和124以及多个关断二极管98、128和130。应该注意的是，许多这种二极管分支可被包括如以数字126和132表示的。本文所示的二极管40是用作示例的。此外，这种二极管配置(如二极管120所示)可以实现用于其它二极管，例如前面描述的负载侧二极管和中间二极管。

图4图示了中间二极管(例如可在图2中实现的中间二极管48)的一个实施例。应当了解地是，尽管为了简单起见仅图示了单一的中间二极管48，当此实施例可用于各个中间二极管48、50和52中。中间二极管48的放大视图包括各自耦合到接通二极管104、136和138的串联电阻器144、146和148。类似地，串联电阻器150、152和154各自耦合到关断二极管106、140和142。中间二极管48可输送比线路侧和/或负载侧二极管40和42更少的负载电流，如上所述。与二极管串联耦合的电阻器进一步限制流过中间二极管48、50和52的负载电流。此外，限制中间二极管48、50和52中的电流也减少了控制电路36上的负载需求(负荷)，因为大部分的电流将流过线路侧二极管和/或负载侧二极管。此外，取决于所需的电流输送能力和控制电路36的负载电流(负荷)操纵能力，多个二极管分支可并联式被包括如参考数字156和158所图示的。

有利地，如本文所描述的这种二极管布置和分级网络有助于获得横跨开关的相等电压分配。使用这种二极管配置相当大地减少了杂散电容影响和电路不同部件之间的RC时间常数差。中间二极管确保多个开关配置中的各个开关两端的电压钳位为零。此外，中间二极管的减少的电流额定值不会引起控制电路上以驱动二极管的额外负载。

尽管本文仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员应当想到许多修改和改变。因此，应当理解地是，附加权利要求旨在覆盖落入本发明真正精神内的全部这种修改和改变。

Claims

1.一种电气切换装置，包括：

在共用点处串联耦合的多个微机电系统开关组(20)，每个开关组包括多个开关，其中所述多个开关的每一个在第一共用点和第二共用点之间并联耦合并与所述第一共用点和所述第二共用点相邻；

控制电路(36)，其耦合到所述多个开关组并配置成控制这些开关的断开和闭合；以及

一个或多个中间二极管(40,42,54)，其耦合在所述控制电路和相应开关组对之间的各点之间。

2.如权利要求1所述的装置，其包括跨接每个开关组耦合的分级网络(62)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分级网络耦合到所述多个开关组上游(30)的点，并耦合到所述多个开关组下游(34)的点，以及耦合到各邻近开关组对之间的点。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，线路侧二极管(40)和负载侧二极管(42)相应地耦合在所述控制电路和这些开关组的线路侧上的点及负载侧上的点之间，其中，所述控制电路配置成正向偏置所述线路侧二极管(40)和所述负载侧二极管(42)。

5.一种电气切换系统，包括：

切换电路(10)，其包括配置成将所述系统从第一切换状态切换到第二切换状态的多个微机电系统开关组，每个开关组包括多个开关，其中所述多个开关的每一个在第一共用点和第二共用点之间并联耦合并与所述第一共用点和所述第二共用点相邻；

耦合到所述切换电路的电压排出电路(40,42,54)，其中所述电压排出电路包括至少一对二极管并配置成在所述切换电路的触点处排出电压，其中所述至少一对二极管包括线路侧二极管、负载侧二极管或者中间二极管中的至少一个，所述中间二极管包括比所述线路侧二极管或所述负载侧二极管更低的额定值；以及

耦合到所述电压排出电路的控制电路(36)，其中所述控制电路配置成形成脉冲信号，并且其中，将所述脉冲信号施加到所述电压排出电路以启动所述切换电路的操作。

6.一种保护电气切换装置的方法，包括：

经由控制电路(36)将电流脉冲触发到至少一对二极管(40,42,54)，其中所述至少一对二极管耦合在于共用点处串联耦合的多个微机电系统开关组(20)和所述控制电路之间，并且其中，每个开关组包括多个开关，其中所述多个开关的每一个在第一共用点和第二共用点之间并联耦合并与所述第一共用点和所述第二共用点相邻，所述至少一对二极管耦合在共用点和所述控制电路之间；

基于所述触发而偏置所述至少一对二极管；以及

通过偏置所述至少一对二极管而使电压跨过所述多个开关组而放电。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括通过多个线路侧二极管和多个负载侧二极管引流大部分的电流。

8.如权利要求6所述的方法，进一步包括经由分级网络(62)将电压横跨所述多个开关组均等地分配。