CN102594222A - 包括微机电系统(mems)阵列的电源开关系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“包括微机电系统(MEMS)阵列的电源开关系统”。一种开关系统(4)，包括形成二极管电桥的多个二极管，以及紧密耦合到多个二极管的微机械系统(MEMS)开关阵列(12)。MEMS开关阵列(12)在(MxN)阵列中电连接。(MxN)阵列包括与第二MEMS开关支线(44)并联电连接的第一MEMS开关支线(40)。第一MEMS开关支线(40)包括串联电连接的第一多个MEMS管芯，而第二MEMS开关支线(44)包括串联电连接的第二多个MEMS管芯。

Description

包括微机电系统(MEMS)阵列的电源开关系统

技术领域

一般来说，本文所公开的主题涉及电源开关系统领域，并且更具体地说，涉及包括微机电系统阵列的电源开关系统。

背景技术

电系统采用触点来开关电流。触点闭合以允许电流通过，断开以停止电流。一般来说，触点可用于接触器、断路器、断流器或其它电装置。接触器是一种设计用于根据命令开关电负载的电装置。按传统方式，采用机电接触器以控制多种电负载(如电动机、灯等)的操作。取决于其额定值，电接触器能够处理多种电平的开关电流。常规机电接触器较慢。更具体地说，在故障状况下，机电接触器需要相当长的时间断开触点。在故障状况下，需要更多时间断开触点意味着更多的故障电流通过电路。因此，机电接触器针对高故障电流能力进行设计，以应对最差可能故障电流状况。考虑到携带高故障电流的需要，传统机电接触器相当庞大。

作为慢速机械或机电开关的替代，在高速开关应用中采用了快速固态开关。将意识到，固态开关通过电压或偏压的控制应用在导通状态和非导通状态之间变化。例如，通过对固态开关反向偏压，可将开关转变到非导通状态。常规固态开关仍缺乏所需的速度。因此，在检测到任何故障和断开开关之前，固态开关允许更多的故障电流流动。

在电流流动期间开关电流可产生一般不合需要的电弧或电闪。为了减少电弧或电闪，在交流(AC)系统中，机电或固态开关都在电流的过零处感测到故障状况时断开触点/进行开关。相比之下，直流(DC)通常没有过零点。并且因此，清除故障状况更是一个难题。因此，在DC系统中，在任何中断实例中出现电弧。

当前，正在考虑在开关系统中使用微机电系统(MEMS)开关。当前，MEMS一般指的是微米级结构，微米级结构例如能够通过微制造技术在共同衬底上集成多个功能不同的元件，例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子器件。MEMS开关提供适用于AC应用和DC应用两者的快速响应时间。但是，MEMS开关对电弧敏感。为了缓解电弧，MEMS开关与混合无弧限制技术(HALT)电路和脉冲辅助接通(PATO)电路并联连接。HALT电路便于MEMS开关的无电弧断开，而PATO电路便于MEMS开关的无电弧闭合。

发明内容

根据示范实施例的一个方面，开关系统包括形成二极管电桥的多个二极管，以及紧密耦合到多个二极管的微机械系统(MEMS)开关阵列。MEMS开关阵列在(MxN)阵列中电连接。(MxN)阵列包括与第二MEMS开关支线并联电连接的第一MEMS开关支线。第一MEMS开关支线包括串联电连接的第一多个MEMS管芯，而第二MEMS开关支线包括串联电连接的第二多个MEMS管芯。

根据示范实施例的另一个方面，一种起动电动机的方法，包括将电能传输到与微机电系统(MEMS)开关阵列并联电连接的脉冲辅助接通(PATO)电路，以中断到电动机的电流路径，MEMS开关阵列包括与第二MEMS开关支线并联连接的第一MEMS开关支线。第一MEMS开关支线和第二MEMS开关支线的每一个包括串联电连接的多个MEMS管芯，以建立MxN阵列。该方法还包括将电能传输到与MEMS开关阵列并联电连接的混合无弧限制技术(HALT)电路，以建立到电动机的电流路径。

通过以下结合附图的描述，这些及其它优点和特征将变得更显而易见。

附图说明

在本说明书的结论部分具体指出作为本发明的主题并且在权利要求中明确要求对其进行专利保护。通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述及其它特征和优点显而易见，在附图中：

附图是一种电动机起动器的示意电路图，该电动机起动器包括根据一示范实施例的、基于微机电系统(MEMS)的开关系统。

详细描述参照附图、作为举例来说明本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

在图1中，根据一示范实施例的电动机起动器系统一般表示为2。电动机起动器系统2包括操作地连接到电压源6和电负载8的开关系统4。在所示示范实施例中，电负载8描述为电动机10。但是，应该理解，电负载8可采取多种形式而没有背离本权利要求的范围。根据示范实施例，开关系统4采用微机电系统(MEMS)开关电连接电压源6与电动机10。使用基于MEMS的开关使得开关系统4能够通过非常紧凑的封装(form factor)来构建。

当前，MEMS一般指的是微米级结构，微米级结构例如能够通过微制造技术在共同衬底上集成多个功能不同的元件，例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子器件。但是，预期当前在MEMS装置中可用的许多技术和结构在最近几年经由基于纳米技术的装置是可用的，例如尺寸可小于100纳米的结构。相应地，即使本文档通篇所述的示范实施例可指基于MEMS的开关装置，但是也认为实施例应当被广义地理解，而不应当局限于微米尺寸装置。

根据一示范实施例，开关系统4包括紧密耦合到多个角二极管(corner diode)20-23的MEMS开关阵列12并且使MEMS开关阵列12在平衡二极管电桥(未单独标示)的中心点(未单独标示)连接。术语“紧密耦合”应理解为表示MEMS开关阵列12以尽可能小的回路区域耦合到角二极管20-23，从而将由与回路区域关联的寄生电感产生的电压限制到约1V以下。回路区域定义为每个MEMS装置或MEMS开关阵列12中的管芯与二极管电桥之间的区域。根据示范实施例的一个方面，通过维持MEMS开关阵列12与角二极管20-23之间的小回路电感来控制开关事件期间MEMS开关阵列12上的感应电压降。开关期间MEMS开关阵列12上的感应电压由三个因素确定：建立寄生电感水平的回路区域的长度；第二，每个平行支线的介于约1A到约10A之间的MEMS开关电流；以及第三，约1μsec的MEMS开关时间。

根据示范实施例的一个方面，MEMS开关阵列12中的每个管芯携带约10A的电流并能够在约1微秒内开关。在示范方面，传输到二极管电桥的总电流为管芯能力的2倍或20A。考虑到等式V＝L*di/dt，寄生电感将保持不大于约50nH。但是，如果MEMS开关阵列中的每个管芯配置成携带1A，则寄生电感可高达约500nH。

进一步根据示范实施例，例如通过在芯片的一侧安装MEMS开关阵列12，并且在与MEMS开关阵列12正相对的芯片的另一侧安装角二极管20-23，可实现所需的回路区域。根据另一个示例，角二极管20-23可直接定位于MEMS开关阵列12的MEMS开关的两个平行布置之间，如下文中更全面描述的。根据又一个示例，角二极管20-23可在MEMS开关阵列12的一个或多个MEMS管芯内整体形成。在任何情况下，应该理解，只要回路区域乃至电感维持尽可能小，MEMS开关阵列12和角二极管20-23的特定布置可变化。虽然描述的本发明实施例采用角二极管20-23，当将意识到，术语“角”不限定二极管的物理位置，而是更针对导致本文所公开的所需电感耦合度的二极管的放置。更具体地说，连接角二极管20-23以使得MEMS开关阵列12在角二极管20-23的中点上连接。

角二极管20-23布置在平衡二极管电桥中，以为通过MEMS开关阵列12的负载电流提供低阻抗路径。因此，布置角二极管20-23以限制电感，而电感又限制随时间的电压变化，即MEMS开关阵列12上的电压尖峰。在所示示例实施例中，平衡二极管电桥包括第一支路24和第二支路25。本文所使用的术语“平衡二极管电桥”描述了被配置成使得在每个支路24、25中的电流基本相等时第一支路和第二支路24和25上的电压降基本相等的二极管电桥。在第一支路24中，二极管20和二极管21耦合到一起以形成第一串联电路(未单独标示)。以相似的方式，第二支路25包括操作地耦合到一起以形成第二串联电路(未单独标示)的二极管22和二极管23。平衡二极管电桥还显示为包括连接电压源6和负载8的连接点34和35。

进一步根据示范实施例，MEMS开关阵列12包括串联连接(m)的第一MEMS开关支线40和同样串联连接(m)的第二MEMS开关支线44。更具体地说，第一MEMS开关支线40包括串联连接的第一MEMS管芯47，第二MEMS管芯48，第三MEMS管芯49以及第四MEMS管芯50。同样，第二MEMS开关支线44包括串联连接的第五MEMS管芯57，第六MEMS管芯58，第七MEMS管芯59以及第八MEMS管芯60。此时，应该理解，每个MEMS管芯47-50和57-60可配置成包括多个MEMS开关。根据示范实施例的一个方面，每个MEMS管芯47-50和57-60包括50-100个MEMS开关。但是，每个管芯47-50和57-60的开关数量可改变。第一MEMS开关支线40并联连接至第二MEMS开关支线44。通过此布置，第一MEMS开关支线和第二MEMS开关支线40、44形成(mXn)阵列，在所示示范实施例中为(4X2)阵列。当然，应该理解，串联连接(m)的和并联连接(n)的MEMS开关管芯数量可改变。

由于每个MEMS开关47-50和57-60包括相似连接，在理解其余MEMS开关48-50和57-60包括相应连接的前提下，下面将参照MEMS开关47进行详细描述。MEMS开关47包括第一连接70、第二连接71、第三连接72及第四连接73。在一个实施例中，第一连接70可配置为漏极连接，第二连接71要配置为源极连接，并且第三连接和第四连接73和74可配置为栅极连接。栅极连接73和74连接到MEMS开关57和第一栅极驱动器75。第一栅极驱动器75与MEMS开关47和48及57和58相关联。第二栅极驱动器76与MEMS开关49和50及59和60相关联。每个栅极驱动器75、76包括电耦合到MEMS开关47-50和57-60的多个隔离输出(未单独标示)，如图所示。第一栅极驱动器和第二栅极驱动器75和76还包括连接以从控制器80接收信号的控制逻辑输入78。使用此布置，栅极驱动器75和76提供选择性改变MEMS开关47-50和57-60的状态(断开/闭合)的方法。

仍根据示范实施例，开关系统4包括连接到第一MEMS开关管芯和第二MEMS开关管芯40和44的多个分极网络。更具体地说，开关系统4包括与第一和第五MEMS开关47和57并联电连接的第一分级网络90，与第二和第六MEMS开关48和58并联电连接的第二分级网络91，与第三和第七MEMS开关49和59并联电连接的第三分级网络92，以及与第四和第八MEMS开关50和60并联电连接的第四分级网络93。

第一分级网络90包括与第一电容器96并联连接的第一电阻器95。第一电阻器95具有约10千欧姆的值，而第一电容器96具有约0.1μF的值。当然，应该理解，第一电阻器95和第一电容器96的组可改变。第二分级网络91包括与第二电容器100并联连接的第二电阻器99。第二电阻器99和第二电容器100分别类似于第一电阻器95和第一电容器96。第三分级网络92包括第三电阻器103和第三电容器104。第三电阻器103和第三电容器104分别类似于第一电阻器95和第一电容器96。最后，第四分级网络93包括第四电阻器107和第四电容器108。第四电阻器107和第四电容器108分别类似于第一电阻器95和第一电容器96。分极网络90-93协助改变MEMS开关47-50和57-60中相应一个的位置。更具体地说，分级网络90-93确保每个串联连接的MEMS元件上的一致电压分布。

开关系统4还显示为包括第一中间分支电路110、第二中间分支电路111、第三中间分支电路112、第四中间分支电路113、第五中间分支电路114及第六中间分支电路115。中间分支电路110-115在第一栅极驱动器和第二栅极驱动器75和76与平衡二极管电桥的第一分支和第二分支24和25的相应的一个之间电连接。更具体地说，第一、第二和第五中间分支电路110、111和114在第一分支24与第一分级网络90之间连接；而第三、第四和第六中间分支电路112、113和115在第二分支25与第三分级网络92之间连接。

第一中间分支110包括第一中间二极管133和第一中间电阻器134。术语中间二极管应理解为表示相对于连接在整个MEMS开关阵列12上的角二极管的、仅连接在部分MEMS开关阵列12上的二极管。第二中间分支111包括第二中间二极管136和第二中间电阻器137。第三中间分支112包括第三中间二极管140和第三中间电阻器141，并且第四中间分支113包括第四中间二极管144和第四中间电阻器145。第五中间分支114包括第五中间二极管147和第五中间电阻器148。最后，第六中间分支电路115包括第六中间二极管150和第六中间电阻器151。中间分支电路110-115中的电阻器和二极管的布置确保流经中间分支110-115的电流保持低，由此允许中间分支110-115中连接的二极管的较低额定值。通过这种方式，中间二极管的成本和尺寸保持低。因此，在MxN MEMS阵列开关中，只有角二极管20-23需要拥有较高的电流额定值，即在故障状况下流经负载的可能最差电流范围内的电流额定值。而MEMS阵列的所有其它二极管可具有远远更小的电流额定值。

开关系统4还显示为包括单个混合无弧限制(HALT)/脉冲激活接通(PATO)电路164。也就是说，与每个MEMS构件需要单独HALT/PATO电路的现有MEMS布置相比，示范实施例仅为MEMS阵列12采用单个HALT/PATO电路。HALT/PATO电路164包括电连接到平衡二极管电桥的第一分支24的第一分支166，以及电连接到平衡二极管电桥的第二分支25的第二分支167。HALT/PATO电路164还包括通过共同电感器174在第一分支与第二分支166与167之间电连接的HALT电路部分169和PATO电路部分170。

HALT电路部分169与PATO电路部分170并联连接。HALT电路部分169包括显示为开关二极管181形式的HALT开关180。开关二极管181与HALT电容器183串联连接。PATO电路部分170包括显示为与脉冲电容器190和脉冲二极管191串联连接的开关二极管188形式的脉冲开关187。电感器194与第一分支166中的HALT电路部分和PATO电路部分169和170串联连接。HALT/PATO电路164还显示为包括HALT/PATO控制196，它选择性地在MEMS开关47-50和57-60闭合时激活HALT开关180，在MEMS开关47-50和57-60断开时激活PATO开关187。也就是说，HALT开关180闭合以为HALT电路部分169提供电力，从而闭合MEMS开关47-50和57-60，而脉冲开关187闭合以为PATO电路部分170提供电力，从而断开MEMS开关47-50和57-60。MEMS开关47-50和57-60的闭合建立电压源6与电动机10之间的电流路径。相反，断开MEMS开关47-50和57-60中断电压源6与电动机10之间的电流路径。

开关系统4还显示为包括与第一多个MEMS开关和第二多个MEMS开关40和44以及电压源6和电动机10并联连接的电压缓冲器(snubber)198。电压缓冲器198限制每个MEMS开关47-50和57-60的快速触点分离期间的电压过冲。电压缓冲器198显示为金属氧化物变阻器(MOV)200的形式。但是，本领域的普通技术人员应该意识到，电压缓冲器198可采取多种形式，包括具有与缓冲器电阻器串联连接的缓冲器电容器的电路。

此时，应该意识到，示范实施例提供一种采用MEMS开关的(mXn)阵列的开关系统，该阵列可携带较大电流以扩展开关系统的总体能力。此外，开关系统采用包括单个HALT/PATO电路的MEMS开关的(mXn)阵列。单个HALT/PATO电路取代常规MEMS开关阵列中采用的多个HALT/PATO电路。结合使用单个HALT/PATO电路与MEMS阵列使开关系统4能够支持较大的电动机，同时维持紧凑的封装并减少电路复杂度和成本。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是大家易于理解，本发明并不局限于所公开的实施例。更确切地，本发明可修改以结合上文未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的改变、变更、替换或等效布置。另外，虽然描述了本发明的多种实施例，但是要理解，本发明的方面可仅包括上述实施例中的一些。因此，本发明并不视为受上述描述的限制，而是仅由所附权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种开关系统(4)，包括：

形成二极管电桥的多个二极管；以及

紧密耦合到所述多个二极管的微机械系统(MEMS)开关阵列(12)，所述MEMS开关阵列(12)在(MxN)阵列中电连接，所述(MxN)阵列包括与第二MEMS开关支线(44)并联电连接的第一MEMS开关支线(40)，所述第一MEMS开关支线(40)包括串联电连接的第一多个MEMS管芯，并且所述第二MEMS开关支线(44)包括串联电连接的第二多个MEMS管芯。

2.如权利要求1所述的开关系统(4)，还包括：与所述(MxN)阵列电连接的单个混合无弧限制技术(HALT)电路(164)，为所述单个HALT电路(169)提供电力，以断开所述(MxN)阵列中的所述多个MEMS开关。

3.如权利要求2所述的开关系统(4)，还包括：与所述(MxN)阵列电连接的单个脉冲辅助接通(PATO)电路，为所述单个PATO电路(170)提供电力，以闭合所述(MxN)阵列中的所述多个MEMS开关。

4.如权利要求1所述的开关系统(4)，其中，所述多个二极管构成连接到所述MEMS开关阵列(12)以建立回路区域的角二极管(20、21、22、23)，所述回路区域配置成将通过每个MEMS管芯(47)的寄生电感限制为约50nH。

5.如权利要求1所述的开关系统(4)，其中，所述第一多个MEMS管芯包括第一MEMS管芯(47)、第二MEMS管芯(48)、第三MEMS管芯(49)及第四MEMS管芯(50)。

6.如权利要求5所述的开关系统(4)，还包括：第一分级网络(90)，其包括并联连接的第一电阻器(95)和第一电容器(96)，所述第一分级网络(90)与所述第一MEMS管芯和第二MEMS管芯(47、48)并联连接。

7.如权利要求6所述的开关系统(4)，还包括：第二分级网络(91)，包括与第三MEMS管芯和第四MEMS管芯(49、50)并联连接的第二电阻器(99)和第二电容器(100)。

8.如权利要求5所述的开关系统(4)，还包括：与所述第一MEMS管芯和第二MEMS管芯(47、48)串联连接的第一中间电阻器(134)和第一中间二极管(133)。

9.如权利要求8所述的开关系统(4)，还包括：与所述第三MEMS管芯和第四MEMS管芯(49、50)串联连接的第二中间电阻器(137)和第二中间二极管。

10.如权利要求1所述的开关系统(4)，还包括：与所述(MxN)阵列并联电连接的金属氧化物变阻器(MOV)(200)。

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