CN101743606A - 基于微机电系统的开关 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电流控制装置。该电流控制装置包括与电流路径整体地布置的控制电路，以及设置在电流路径中的至少一个微机电系统(MEMS)开关(20)。该电流控制装置还包括与所述至少一个MEMS开关并联的混合式无电弧限制技术(HALT)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧断开，以及与所述至少一个MEMS开关并联的脉冲辅助接通(PATO)电路(52)，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧闭合。

Description

基于微机电系统的开关
技术领域
本发明的实施例总体涉及用于接通/断开电流路径中的电流的开关装置，更具体涉及基于微机电系统的开关。
背景技术
为了接通/断开电系统中的电流，可以使用一组接触。这些接触可以被放置为开路以停止电流，以及闭路以促进电流流动。一般，该组接触可以在接触器，断路器，电流断续器，电动机起动器，或者类似的设备中使用。然而，接通/断开电流的原理可以通过解释接触器来理解。
接触器是一种设计为按需要接通和断开电流负载的电器件。传统上，电机械接触器在控制装置中使用，其中电机械接触器能够处理高达它们的断续容量的开关电流。电机械接触器也可以在电力系统中找到切换电流的应用。然而，电力系统中的故障电流通常大于电机械接触器的断续容量。因此，为了在电力系统应用中采用电机械接触器，可能期望用一个串联器件来支持它来保护该接触器不受损坏，该串联器件足够快速动作以在接触器以在接触器的断续容量之上的全值的电流断开之前中断故障电流。
之前设想的解决方案是促进接触器在电力系统中的使用，包括例如真空接触器，真空断续器和空气断路式接触器。不幸的是，诸如真空接触器的接触器并不有助于容易的视觉检查，因为接触器末端装入在密封的，抽空的外壳中。此外，尽管真空接触器很适合于处理大的电动机，变压器和电容器的开关，已知它们会引起不期望的瞬态过电压，特别是当负载被断开时。
此外，电机械接触器一般使用机械开关。然而，由于这些机械开关趋向于以相对慢的速度开关，采用预测技术以便估计过零的发生，通常在开关事件要发生前几十毫秒，以便促进在过零附近的断开/闭合以减少电弧发生。这种过零预测容易出现错误，因为在该预测时间间隔内可能发生很多瞬变。
作为对慢的机械和电机械开关的一种替代，快速固态开关已经在高速开关应用中被采用。如将理解的，这些固态开关通过受控施加电压或偏置而在导通和非导通状态之间切换。例如，通过反转偏置固态开关，开关可以转变到非导通状态。然而，因为固态开关在它们被切换到非导通状态中时不产生接触之间的物理间隙，它们经受漏电流。此外，由于内部电阻，如果固态开关在导通状态工作，它们受到电压降。电压降和漏电流都贡献于在常规工作环境下产生过热，这会影响开关性能和寿命。此外，至少部分由于与固态开关相关联的固有漏电流，它们在电路断续器应用中的使用是不实际的。
此外，在电流流动过程中断开或接通电流可产生电弧，或者电闪光，这通常是不期望的。如上所述，接触器可以在过零点处或者附近切换交流电流(AC)，在过零点处电流与交流电流正弦曲线上的其他点相比是减少的。相反，直流(DC)通常不具有过零点。这样，电弧可能在任何中断事件时发生。
因此，直流电流中断与交流电流中断相比有不同的开关要求。例如，如果有很高的电流或电压，交流电流断续器可能在断路之前等待AC正弦负载或者故障电流达到自然发生的零点。
相反，DC断续器不经受自然发生的零点，并且因此必须强行促成较低的电流或电压以便减少电弧发生。诸如晶体管或者场效应晶体管的电子器件可以迫使DC电流到较低的等级，但是有具有高导通电压降和功耗损失的缺点。
因此，领域中存在对克服这些缺点的直流电流控制装置和/或断续器结构的需求。
发明内容
本发明的一实施例包括一种电流控制装置。该电流控制装置包括与电流路径整体地布置的控制电路，以及设置在电流路径中的至少一个微机电系统(MEMS)开关。该电流控制装置还包括与所述至少一个MEMS开关并联的混合式无电弧限制技术(HALT)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧断开，以及与所述至少一个MEMS开关并联的脉冲辅助接通(PATO)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧闭合。
本发明的另一实施例包括一种控制流过电流路径的电流的方法。该方法包括从至少一个MEMS开关向与所述至少一个MEMS开关并联的混合式无电弧限制技术(HALT)电路转移电能，以帮助断开电流路径。该方法还包括从至少一个MEMS开关向与所述至少一个MEMS开关并联的脉冲辅助接通(PATO)电路转移电能，以帮助闭合电流路径。
附图说明
本发明的这些和其他特征，方面和优点在参考附图阅读下列详细描述时将被更好地理解，贯穿所有附图，附图中相似的符号代表相似的部件。
图1是根据本发明一实施例的示例性基于MEMS的开关系统的框图；
图2是示出图1所绘示例性基于MEMS的开关系统的示意图；
图3是根据本发明一实施例并且作为图1所绘系统的替换的示例性基于MEMS的开关系统的框图；
图4是示出图3所绘示例性基于MEMS的开关系统的示意图；
图5是根据本发明一实施例的示例性基于MEMS的开关系统的框图；
图6是示出图5所绘示例性基于MEMS的开关系统的示意图；
图7是根据本发明一实施例的MEMS开关阵列的框图；
图8是根据本发明一实施例的电流控制装置的框图；
图9是根据本发明一实施例的单极断续器配置的框图；
图10是根据本发明一实施例的双极断续器配置的框图。
具体实施方式
本发明的一实施例提供一种适合于直流电流的无电弧断续的电断续器件。该断续器件包括微机电系统(MEMS)开关。使用MEMS开关提供快速的响应时间。与MEMS开关并联的混合式无电弧限制技术(HALT)电路为MEMS开关提供了这样的能力：在任何给定的时间与电流或电压无关地没有电弧发生地打开。与MEMS开关并联的脉冲辅助接通(PATO)电路为MEMS开关提供了这样的能力：在任何给定的时间没有电弧发生地闭合。
图1示出了根据本发明的方面的、示例的无电弧的基于微机电系统(MEMS)开关的开关系统10的框图。目前，MEMS一般指例如可通过微制造技术在共同衬底上集成多种多样的功能性不同的元件的微米级结构，所述元件例如机械元件，电机械元件，传感器，致动器以及电子器件。然而，预期目前在MEMS器件中可用的很多技术和结构将在仅几年内通过基于纳米技术的器件而可用，例如尺寸可能小于100纳米的结构。因此，尽管贯穿本文描述的示例实施例可能参考基于MEMS的开关器件，也主张本发明的发明性方面应当被宽泛地解释并且不应当限制于微米尺寸的器件。
如图1所示，无电弧的基于MEMS的开关系统10示出为包括基于MEMS的开关电路12和电弧抑制电路14，其中电弧抑制电路14，或者称为混合式无电弧限制技术(HALT)装置，操作地耦合于基于MEMS的开关电路12。在某些实施例中，基于MEMS的开关电路12可以以其整体与电弧抑制电路14集成在例如单个封装16中。在其他实施例中，仅基于MEMS的开关电路12的某些部分或者组件可以与电弧抑制电路14集成。
在如将参考图2更详细地描述的目前预期的配置中，基于MEMS的开关电路12可以包括一个或多个MEMS开关。此外，电弧抑制电路14可以包括平衡二极管电桥和脉冲电路。此外，电弧抑制电路14可以配置为，通过响应于MEMS开关从闭合到打开改变状态，接收来自MEMS开关的电能转移，帮助抑制该一个或多个MEMS开关的接触之间的电弧形成。应当注意，电弧抑制电路14可以被配置为响应于交流(AC)或直流(DC)来帮助抑制电弧形成。
现在转到图2，示出了根据一实施例的图1所示示例性无电弧的基于MEMS的开关系统的示意图18。如参考图1所述，基于MEMS的开关电路12可以包括一个或多个MEMS开关。在所示的实施例中，第一MEMS开关20被示出为具有第一接触22，第二接触24和第三接触26。在一个实施例中，第一接触22可以被配置为漏极，第二接触24可以被配置为源极，第三接触26可以被配置为栅极。此外，如图2中所示，电压缓冲器电路33可以与MEMS开关20并联，并且配置为在快速接触分离期间限制电压过冲，如下面将详细描述的。在某些实施例中，缓冲器电路33可以包括与缓冲电阻器(见78，图4)串联的缓冲电容器(见76，图4)。缓冲电容器可以帮助改进在MEMS开关20的断开的定序期间的瞬态电压共享。此外，缓冲电阻器可以抑制在MEMS开关20的闭合操作期间缓冲电容器产生的任何电流脉冲。在某些其他实施例中，电压缓冲器电路33可以包括金属氧化物压敏电阻器(MOV)(未示出)。
根据本技术的其他方面，负载电路40可以与第一MEMS开关20串联。负载电路40可以包括电压源VBUS44。此外，负载电路40还可以包括负载电感LLOAD46，其中负载电感LLOAD46代表了负载电路40看到的组合的负载电感和总线电感。负载电路40还可以包括负载电阻RLOAD48，其代表了负载电路40看到的组合的负载电阻。附图标记50代表了可流过负载电路40和第一MEMS开关20的负载电路电流ILOAD。
此外，如前面关于图1提到的，电弧抑制电路14可以包括平衡二极管电桥。在示出的实施例中，平衡二极管电桥28示出为具有第一分支29和第二分支31。如此处所使用的，术语“平衡二极管电桥”用于代表这样的二极管电桥，其配置为使得跨第一和第二分支29和31的电压降基本相等。平衡二极管电桥28的第一分支29可以包括第一二极管D1 30和第二二极管D2 32，它们耦接在一起形成第一串联电路。以相似的方式，平衡二极管电桥28的第二分支31可以包括第三二极管D3 34和第四二极管D4 36，它们操作地耦接在一起形成第二串联电路。
在一个实施例中，第一MEMS开关20可以跨平衡二极管电桥28的中点并联耦接。平衡二极管电桥的中点可以包括位于第一和第二二极管30，32之间的第一中点，和位于第三和第四二极管34，36之间的第二中点。此外，第一MEMS开关20和平衡二极管电桥28可以紧密地封装以帮助最小化平衡二极管电桥28，特别是到MEMS开关20的连接引起的寄生电感。注意到，根据本技术的示例性方面，第一MEMS开关20和平衡二极管电桥28相对定位为使得，第一MEMS开关20和平衡二极管电桥28之间的固有电感，当在MEMS开关20断开期间携带负载电流到二极管电桥28的转移时，产生小于跨MEMS开关20的漏极22和源极24的电压的几个百分点的di/dt电压，如下面将进一步详细描述的。在一个实施例中，第一MEMS开关20可以与平衡二极管电桥28集成在单个封装38中，或者可选地，在同一芯片上，目的是最小化互连MEMS开关20与二极管电桥28的电感。
此外，电弧抑制电路14可以包括与平衡二极管电桥28操作关联地耦接的脉冲电路52。脉冲电路52可配置为检测开关条件并响应于开关条件启动MEMS开关20的打开。如这里所使用的，术语“开关条件”指的是触发改变MEMS开关20的当前工作状态的条件。例如，开关条件可以引起将MEMS开关20的第一闭合状态改变到第二打开状态，或者MEMS开关20的第一打开状态改变到第二闭合状态。开关条件可以响应于多个动作发生，包括但不限于电路故障或者接通/断开请求。
脉冲电路52可以包括脉冲开关54和与脉冲开关54串联耦接的脉冲电容器CPULSE56。此外，脉冲电路可以还包括与脉冲开关54串联耦接的脉冲电感LPULSE58和第一二极管DP60。脉冲电感LPULSE58，二极管DP60，脉冲开关54和脉冲电容器CPULSE56可以串联耦接以形成脉冲电路52的第一分支，其中第一分支的组件可以配置为帮助脉冲电流整形和定时。另外，附图标记62代表可以流过脉冲电路52的脉冲电路电流IPULSE。
根据本发明的方面，MEMS开关20可以在携带电流的同时快速地(例如，以皮秒或纳秒的量级)从第一闭合状态切换到第二打开状态，尽管在接近零的电压下。这可以通过负载电路40，以及包括并联跨MEMS开关20的接触耦接的平衡二极管电桥28的脉冲电路52的组合操作来实现。
现在参考图3，其示出了根据本发明的方面的示例软开关系统11的框图。如图3中所示，软开关系统11包括操作地耦接在一起的开关电路12，检测电路70，以及控制电路72。检测电路70可以耦接到开关电路12，并且配置为检测负载电路中交流源电压(下文称为“源电压”)，或者负载电路中的交流电流(下文称为“负载电路电流”)的过零的发生。控制电路72可以与开关电路12和检测电路70耦接，并且可以配置为，响应于检测到的交流源电压或者交流负载电路电流的过零，帮助开关电路12中的一个或多个开关的无电弧开关。在一个实施例中，控制电路72可以配置为帮助构成开关电路12的至少部分的一个或多个MEMS开关的无电弧开关。
根据本发明的一个方面，软开关系统11可以配置为执行软或者波形上的点(PoW)开关，由此开关电路12中的一个或多个MEMS开关可以在跨开关电路12的电压处于或者非常接近于零的时候闭合，并且在通过开关电路12的电流处于或者接近于零的时候打开。通过在跨开关电路12的电压处于或者非常接近于零的时候闭合开关，可以通过保持在所述一个或多个MEMS开关的接触之间的电场在接触闭合的时候很低，避免击前(pre-strike)电弧发生，即使多个开关并不都在同一时刻闭合。类似地，通过在通过开关电路12的电流处于或者接近于零的时候一次打开这些开关，软开关系统11可以被设计为使得开关电路12中最后要打开的开关中的电流落在该开关的设计能力之内。如上面暗示的并且根据一个实施例，控制电路72可以配置为将开关电路12的一个或多个MEMS开关的打开与闭合与交流源电压或者交流负载电路电流的过零的发生同步。
转到图4，示出了图3的软开关系统11的一个实施例的示意图19.根据该示例的实施例，示意图19包括开关电路12，检测电路70和控制电路72的一个实例。
尽管为了描述的目的，图4示出了开关电路12中的仅单个MEMS开关20，开关电路12可以包括多个MEMS开关，这取决于例如软开关系统11的电流和电压处理要求。在一个实施例中，开关电路12可以包括一个开关模块，该开关模块包括以并联配置耦接在一起的多个MEMS开关，以在这些MEMS开关之间分电流。在另一个实施例中，开关电路12可以包括以串联配置耦接的MEMS开关的阵列，以在这些MEMS开关之间分电压。在还有另一实施例中，开关电路12可以包括以串联配置耦接在一起的MEMS开关模块的阵列，以同时在MEMS开关模块之间分电压，以及在每个模块中的MEMS开关之间分电流。在一个实施例中，开关电路12的一个或多个MEMS开关可以集成到单个封装74中。
示例MEMS开关20可以包括三个接触。在一个实施例中，第一接触可以被配置为漏极22，第二接触可以被配置为源极24，第三接触可以被配置为栅极26。在一个实施例中，控制电路72可以耦接到栅极接触26以帮助切换MEMS开关20的电流状态。另外，在某些实施例中，阻尼电路(缓冲器电路)33可以与MEMS开关20并联耦接，以延迟跨MEMS开关20的电压的出现。如所示的，阻尼电路33例如可以包括与缓冲电阻器78串联耦接的缓冲电容器76。
此外，MEMS开关20可以与负载电路40串联耦接，如图4中进一步示出的。在目前预期的配置中，负载电路40可以包括电压源VSOURCE44，并且可以有代表负载电感LLOAD46，和负载电阻RLOAD48。在一个实施例中，电压源VSOURCE44(也称为AC电压源)可以配置为产生交流源电压和交流负载电流ILOAD50。
如前面所述，检测电路70可以配置为检测负载电路40中的交流源电压或者交流负载电流ILOAD50的过零的发生。交流源电压可以通过电压感测电路80来感测，而交流负载电流ILOAD50可以通过电流感测电路82来感测。交流源电压和交流负载电流可以例如持续地或者以离散的周期感测。
源电压的过零可以例如通过使用诸如示出的零电压比较器84的比较器来检测。电压感测电路80感测的电压和零电压参考86可以用作对零电压比较器84的输入。接着，可以生成代表负载电路40的源电压的过零的输出信号88。类似地，负载电流ILOAD50的过零也可以通过使用诸如示出的零电流比较器92的比较器来检测。电流感测电路82感测的电流和零电流参考90可以用作对零电流比较器92的输入。接着，可以生成代表负载电流ILOAD50的过零的输出信号94。
接着，控制电路72可以利用输出信号88和94来确定何时改变(例如打开或闭合)MEMS开关20(或者MEMS开关的阵列)的电流工作状态。更具体地，控制电路72可以被配置为响应于检测到的交流负载电流ILOAD50的过零，帮助以无电弧的方式打开MEMS开关20，以中断或者断开负载电路40。此外，控制电路72可以配置为响应于检测到的交流源电压的过零，帮助以无电弧的方式闭合MEMS开关20，以使负载电路40完整。
在一个实施例中，控制电路72可以至少部分基于使能信号96的状态，确定是否将MEMS开关20的当前工作状态切换到第二工作状态。使能信号96例如可以作为接触器应用中的断电命令的结果而产生。在一个实施例中，使能信号96和输出信号88和94可以用作对如图所示的双D触发器98的输入信号。这些信号可以用于在使能信号96被变得活动(例如上升沿触发的)之后的第一个源电压零点闭合MEMS开关20，以及在使能信号96被变得不活动(例如，下降沿触发的)之后的第一个负载电流零点打开MEMS开关20。关于图4的示出的示意图19，每当使能信号96活动(或者高，或者低，取决于特定的应用)，并且输出信号88或者94的任一个指示感测的电压或者电流零点，触发信号102可以生成。在一个实施例中，例如可以通过NOR门100生成触发信号102。触发信号102接着可以传过MEMS栅极驱动器104来生成栅极激活信号106，该信号106可以用于施加控制电压到MEMS开关20的栅极26(或者在MEMS阵列的情况下，到多个栅极)。
如前面提到的，为了实现对于特定应用的期望的电流额定，多个MEMS开关可以操作地并联耦接(例如，形成开关模块)，来代替单个MEMS开关。这些MEMS开关的组合的能力可以被设计为适当地承载负载电路可能受到的连续的和瞬态的过载电流等级。例如，在有6X瞬态过载的10安培RMS电动机接触器的情况下，应该有足够的开关并联耦接来承载60安培RMS 10秒种。使用波形上的点开关来在达到电流零点的5微秒之内开关这些MEMS开关，将会有160微安瞬时，在接触断开时流动。因此，对于该应用，每个MEMS开关应当能够“暖开关”160微安，并且应当有足够的MEMS开关被并联以承载60安培。另一方面，单个MEMS开关应当能够中断将在开关的时刻流动的电流量或等级。
然而，示例实施例不限于交流电流和/或正弦波型的无电弧开关。如图5所示，示例实施例也可以应用于没有自然发生的零点的直流电流的无电弧开关。
图5示出了根据本发明一实施例的示例性基于MEMS的开关系统112的框图。如图5所示，无电弧的基于MEMS的开关系统112示出为包括基于MEMS的开关电路111和电弧抑制电路110，其中电弧抑制电路110，或者称为混合式无电弧限制技术(HALT)和脉冲辅助接通(PATO)电路，操作地耦接于基于MEMS的开关电路111。在某些实施例中，基于MEMS的开关电路111可以以其整体与电弧抑制电路110集成在例如单个封装113中。在其他实施例中，仅基于MEMS的开关电路111的某些部分或者组件可以与电弧抑制电路110集成。
在如将参考图6更详细地描述的目前预期的配置中，基于MEMS的开关电路111可以包括一个或多个MEMS开关。此外，电弧抑制电路110可以包括平衡二极管电桥和脉冲电路。此外，电弧抑制电路110可以配置为，通过响应于MEMS开关从闭合到打开(或从打开到闭合)改变状态，接收来自MEMS开关的电能转移，帮助抑制该一个或多个MEMS开关的接触之间的电弧形成。应当注意，电弧抑制电路110可以被配置为响应于交流(AC)或直流(DC)来帮助抑制电弧形成。
现在转到图6，示出了根据一实施例的图5所示示例性的基于MEMS的开关系统的示意图。如参考图5所述，基于MEMS的开关电路111可以包括一个或多个MEMS开关。在所示的实施例中，第一MEMS开关123被示出为具有第一接触120，第二接触122和第三接触121。在一个实施例中，第一接触120可以被配置为漏极，第二接触122可以被配置为源极，第三接触121可以被配置为栅极。
根据本技术的其他方面，负载电路140可以与第一MEMS开关123串联。负载电路140可以包括电压源VBUS118。此外，负载电路140还可以包括负载电感LLOAD117，其中负载电感LLOAD117代表了负载电路140看到的组合的负载电感和总线电感。附图标记116代表了可流过负载电路140和第一MEMS开关123的负载电路电流ILOAD。
此外，如前面关于图5提到的，电弧抑制电路112可以包括平衡二极管电桥。在示出的实施例中，平衡二极管电桥141示出为具有第一分支142和第二分支143。如此处所使用的，术语“平衡二极管电桥”用于代表这样的二极管电桥，其配置为使得跨第一和第二分支142和143的电压降基本相等。平衡二极管电桥141的第一分支142可以包括第一二极管D1 124和第二二极管D2 125，它们耦接在一起形成第一串联电路。以相似的方式，平衡二极管电桥141的第二分支143可以包括第三二极管D3 126和第四二极管D4 127，它们操作地耦接在一起形成第二串联电路。
在一个实施例中，第一MEMS开关123可以跨平衡二极管电桥141的中点并联耦接。平衡二极管电桥的中点可以包括位于第一和第二二极管124，125之间的第一中点，和位于第三和第四二极管126，127之间的第二中点。此外，第一MEMS开关123和平衡二极管电桥141可以紧密地封装以帮助最小化平衡二极管电桥141，特别是到第一MEMS开关123的连接引起的寄生电感。注意到，根据本技术的示例性方面，第一MEMS开关123和平衡二极管电桥141相对定位为使得，第一MEMS开关123和平衡二极管电桥141之间的固有电感，当在MEMS开关123断开/接通期间携带负载电流到二极管电桥141的转移时，产生小于跨第一MEMS开关123的漏极120和源极122的电压的几个百分点的di/dt电压，如下面将进一步详细描述的。在一个实施例中，第一MEMS开关123可以与平衡二极管电桥141集成在单个封装119中，或者可选地，在单个芯片上，目的是减小互连第一MEMS开关123与二极管电桥141的电感。
此外，电弧抑制电路110可以包括与平衡二极管电桥141操作关联地耦接的脉冲电路138和139。脉冲电路139可配置为检测开关条件并响应于开关条件启动MEMS开关123的打开。类似地，脉冲电路138可配置为检测开关条件并响应于开关条件启动MEMS开关123的闭合。如这里所使用的，术语“开关条件”指的是触发改变MEMS开关123的当前工作状态的条件。例如，开关条件可以引起将MEMS开关123的第一闭合状态改变到第二打开状态，或者MEMS开关20的第一打开状态改变到第二闭合状态。开关条件可以响应于多个动作发生，包括但不限于电路故障或者接通/断开请求。
脉冲电路138包括脉冲开关133和与脉冲开关133串联耦接的脉冲电容器CPULSE1129。此外，脉冲电路138可以包括与脉冲开关133串联耦接的脉冲电感LPULSE1137。脉冲电感LPULSE1137，脉冲开关133和脉冲电容器CPULSE1129可以串联耦接以形成脉冲电路138的第一分支，其中第一分支的组件可以配置为帮助脉冲电流整形和定时。脉冲电流整形和定时可以从跨电容器CPULSE1的初始电压(由充电电路产生)，以及从CPULSE1和LPULSE1分别的电容和电感值确定。因此，脉冲电流整形和定时可以通过选择初始电压，CPULSE1的电容和LPULSE1的电感的不同值来促进。另外，附图标记136代表可以流过脉冲电路138的脉冲电路电流IPULSE1。
脉冲电路138可以操作地连接到包括电阻器128和电压源130的电容充电网络142。电容充电网络可以将电荷传到脉冲电容器129。在一个开关事件中，脉冲电容器129的放电可以帮助将能量从MEMS开关123传到脉冲电路138。因此，脉冲电路138可以是用于帮助第一MEMS开关123的无电弧闭合的脉冲辅助接通(PATO)电路。
脉冲电路139包括脉冲开关132和与脉冲开关132串联耦接的脉冲电容器CPULSE2131。此外，脉冲电路139可以包括与脉冲开关132串联耦接的脉冲电感LPULSE2134。脉冲电感LPULSE2134，脉冲开关132和脉冲电容器CPULSE2131可以串联耦接以形成脉冲电路139的第一分支，其中第一分支的组件可以配置为帮助脉冲电流整形和定时。另外，附图标记135代表可以流过脉冲电路52的脉冲电路电流IPULSE2。
脉冲电路139也可以操作地连接到包括电阻器128和电压源130的电容充电网络142。电容充电网络142可以将电荷传到脉冲电容器131。在一个开关事件中，脉冲电容器131的放电可以帮助将能量从MEMS开关123传到脉冲电路139。因此，脉冲电路139可以是用于帮助第一MEMS开关123的无电弧打开的混合式无电弧限制技术(HALT)电路。
如上所述，脉冲电路138和139可以包括脉冲电感137和134。然而，在某些实施例中，脉冲电路138和139可以共享电感，从而减少电弧抑制电路中的组件的数量。
根据本发明的方面，第一MEMS开关123可以在携带电流的同时快速地(例如，以皮秒或纳秒的量级)从第一闭合状态切换到第二打开状态，尽管在接近零的电压下。这可以通过负载电路140，以及包括并联跨第一MEMS开关123的接触耦接的平衡二极管电桥141的脉冲电路138，139的组合操作来实现。例如，能量可以从第一MEMS开关123传到脉冲电路138。这可以通过脉冲电容129的放电来促进。类似地，能量可以从第一MEMS开关123传到脉冲电路139。这可以通过脉冲电容131的放电来促进。应当理解电阻器128和电压源130帮助对脉冲电容器129和131充电。因此，通过本发明的实施例，MEMS开关123的无电弧操作是可能的。
然而，示例实施例不限于包括单个MEMS开关的电流控制装置。例如，可以使用多个MEMS开关来实现与单个MEMS开关相比不同的电压额定，或者不同的电流处理能力。例如，可以将多个MEMS开关并联连接以实现增加的电流处理能力。类似地，可以将多个MEMS开关串联连接以实现更高的电压额定。此外，可以将多个MEMS开关连接在包括串联和并联连接的组合的网络中，以实现期望的电压额定和电流处理能力。预期所有这种组合在本发明示例实施例的范围内。
图7是根据本发明一个实施例的MEMS开关阵列155的框图，其包括多个MEMS开关。如图7中所示，多个并联MEMS开关阵列151可以串联连接在电流路径154中。每个并联MEMS开关阵列151可以包括相互并联连接的多个MEMS开关。如进一步示出的，平衡二极管电桥152可以与该多个并联MEMS开关阵列151并联连接。例如，平衡二极管电桥152可以基本类似于图2所示的平衡二极管电桥28，或者图6所示的平衡二极管电桥141。图7中还示出的是操作地连接到二极管电桥152的脉冲电路153。例如，脉冲电路152可以包括图6的脉冲电路138和139，或者图2的脉冲电路52。因此，脉冲电路53可以帮助该多个并联MEMS开关阵列151的无电弧打开和闭合。
如图7中还示出的，电压分级网络150跨该多个并联MEMS开关阵列151连接，每个阵列151之间有电连接。电压分级网络150可以使跨该多个并联MEMS开关阵列151的电压相等。例如，电压分级网络150可以包括无源组件(例如电阻器)的网络，来提供跨该多个并联MEMS开关阵列151的电压分配，和/或无源组件(例如电容器和/或压敏电阻器)的网络来提供能量吸收，以抑制来自可能沿电流路径154存在的电感性能量的过电压。因此，图7所示的MEMS开关阵列可以包括在电流控制装置中来控制沿电流路径的电流。
图8是根据本发明一实施例的电流控制装置的框图。如图8中所示电流控制装置164可以包括MEMS开关阵列160和控制电路163。MEMS阵列160可以包括至少一个MEMS开关。例如，MEMS阵列160可以与图7的MEMS开关阵列155，图5的基于MEMS的开关系统112，或者任何适当的包括电弧抑制电路的MEMS开关系统相同或者基本相似。如图所示，控制电路163与通过至少MEMS阵列160的电流路径154整体地布置。此外，如前面对于图4所述，控制电路可以与通过与MEMS阵列电路分开的电流感测电路的电流路径整体地布置。
在一示例性实施例中，电流控制装置164可以包括最终隔离装置161。该最终隔离装置161可以提供电流路径154上的电负载的空气间隙安全隔离。例如，该最终隔离装置可以包括接触器或者其他断续装置，其可以响应于MEMS阵列160改变开关条件而被打开。
在另一示例实施例中，电流控制装置164可以还包括电子旁路装置162。旁路装置可以包括在电流过载期间将过载电流从MEMS开关分流的一个或多个电组件。例如，电子旁路装置162可以响应于电流过载而从电流路径154接收过载电流。因此，电子旁路装置162可以扩展电流控制装置164的临时过载额定。注意到电流控制装置164可以包括最终隔离装置161和电子旁路装置162中的任一个或者两者，而不偏离本发明的示例实施例。
如上所述，根据示例实施例的电流控制装置可以用于中断直流和交流两者的电流流动。转到图9和10，示出了直流控制装置的示例配置。
图9是根据本发明一实施例的单极断续器配置的框图。如图9所示，MEMS断续器极170布置在电流路径上。该电流路径可以包括电压源171和负载172。MEMS断续器极170可以中断电流路径上的电流，从而停止电流向负载172的流动。然而，多个MEMS断续器极可以在电流路径上使用。转到图10，示出了包括多个MEMS断续器极的示例配置。
图10是根据本发明一实施例的双极断续器配置的框图。如图所示，MEMS断续器极174和175布置在电流路径上。MEMS断续器极中的任一可以中断电流路径上的电流。类似地，两个MEMS断续器极可以在基本上相同的时间中断电流。如果认为需要额外的中断保护，这样可能是有用的。例如，MEMS断续器极170，174，和175可以包括如前所述的电流控制装置。
因此，如本文所述的电流控制装置可以包括与电流路径整体地布置的控制电路，设置在电流路径中的至少一个微机电系统(MEMS)开关，与所述至少一个MEMS开关并联的混合式无电弧限制技术(HALT)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧断开，以及与所述至少一个MEMS开关并联的脉冲辅助接通(PATO)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧闭合。
此外，示例实施例提供了控制流过电流路径的电流的方法。例如，该方法可以包括从至少一个微机电系统(MEMS)开关向与所述至少一个MEMS开关并联的混合式无电弧限制技术(HALT)电路转移电能，以帮助断开电流路径。该方法还可以包括从所述至少一个MEMS开关向与所述至少一个MEMS开关并联的脉冲辅助接通(PATO)电路转移电能，以帮助闭合电流路径。因此，本发明的示例实施例提供了无电弧的电流控制装置，以及无电弧电流控制的方法。
尽管已经参照示例实施例描述了本发明，本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围下可以做出各种变化，并且等价物可以替换其特征。此外，可以进行很多修改来适应特定的情况或材料到本发明的教导，而不偏离其基本范围。因此，意图是本发明不限于揭示为用于实现本发明的最佳或者仅有的模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。另外，在附图和说明书中，揭示了本发明的示例实施例，并且，尽管使用了特定的术语，除非另有说明，它们仅以普通的和描述性的意义使用，而不是为了限制，因此不应这样限制本发明的范围。此外，术语“第一”，“第二”等的使用不表示任何次序或重要性，而是术语“第一”，“第二”等的使用是为了区分一个特征与另一个特征。此外，术语“一”，“一个”等的使用不表示量的限制，而是表示存在至少一个所引的项。

Claims (20)

1.一种电流控制装置，包括：
与电流路径整体地布置的控制电路；
设置在电流路径中的至少一个微机电系统(MEMS)开关；
与所述至少一个MEMS开关电连接的混合式无电弧限制技术(HALT)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧断开；以及
与所述至少一个MEMS开关电连接的脉冲辅助接通(PATO)电路，帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧闭合。
2.如权利要求1所述的电流控制装置，其中HALT电路包括脉冲电感，脉冲电容，以及脉冲开关，每一个脉冲器件与每一个其他脉冲器件串联连接。
3.如权利要求2所述的电流控制装置，其中脉冲电容的放电帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧断开。
4.如权利要求1所述的电流控制装置，其中HALT电路配置为响应于MEMS开关从闭合到断开改变状态，从MEMS开关接收电能的转移。
5.如权利要求1所述的电流控制装置，其中PATO电路包括脉冲电感，脉冲电容，以及脉冲开关，每一个脉冲器件与每一个其他脉冲器件串联连接。
6.如权利要求5所述的电流控制装置，其中脉冲电容的放电帮助所述至少一个MEMS开关的无电弧闭合。
7.如权利要求1所述的电流控制装置，其中PATO电路配置为响应于MEMS开关从断开到闭合改变状态，从MEMS开关接收电能的转移。
8.如权利要求1所述的电流控制装置，其中HALT电路和PATO电路包括与所述至少一个MEMS开关并联连接的平衡二极管电桥。
9.如权利要求1所述的电流控制装置，还包括与所述至少一个MEMS开关并联连接的电子旁路电路，用于响应于电流路径中的电流过载，从电流路径接收过载电流。
10.如权利要求9所述的电流控制装置，还包括设置在电流路径中的最终隔离电路，用于提供电流路径上的电负载的空气间隙安全隔离。
11.如权利要求1所述的电流控制装置，还包括设置在电流路径中的最终隔离电路，用于提供电流路径上的电负载的空气间隙安全隔离。
12.如权利要求1所述的电流控制装置，其中所述至少一个MEMS开关是沿电流路径串联连接的多个MEMS开关中的一个。
13.如权利要求12所述的电流控制装置，还包括电连接到所述多个MEMS开关中的每个的电压分级网络，用于使所述多个MEMS开关上的电压相等。
14.如权利要求12所述的电流控制装置，其中：
平衡二极管电桥跨所述多个MEMS开关并联连接。
15.如权利要求1所述的电流控制装置，其中该电流控制装置配置为电流路径上的无电弧直流电路断路器。
16.如权利要求1所述的电流控制装置，其中该电流控制装置配置为电流路径上的无电弧直流断续器极。
17.如权利要求1所述的电流控制装置，其中该电流控制装置配置为电流路径上的无电弧直流接触器。
18.一种控制流过电流路径的电流的方法，该方法包括：
从设置在电流路径中的至少一个微机电系统(MEMS)开关向与所述至少一个MEMS开关并联连接的混合式无电弧限制技术(HALT)电路转移电能，以帮助用所述至少一个MEMS开关断开电流路径；以及
从所述至少一个MEMS开关向与所述至少一个MEMS开关并联连接的脉冲辅助接通(PATO)电路转移电能，以帮助用所述至少一个MEMS开关闭合电流路径。
19.如权利要求18所述的方法，其中从所述至少一个MEMS开关向HALT电路转移电能包括：
放电所述HALT电路的脉冲电容。
20.如权利要求18所述的方法，其中从所述至少一个MEMS开关向PATO电路转移电能包括：
放电所述PATO电路的脉冲电容。
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