CN109643891A - 使用mems开关用于故障中断的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电气系统包括操作MEMS开关和与操作MEMS开关串联地定位的故障中断MEMS开关，操作MEMS开关能够在导通和截止状态操作以使得电流能够流向负载和禁止电流流向负载。故障中断MEMS开关能够在导通和截止状态操作，以使得电流能够流向电力负载和禁止电流流向电力负载，其中不管操作MEMS开关的状态如何，故障中断MEMS开关在截止状态的操作禁止电流流向负载。故障传感器控制系统操作以感测系统变量，分析系统变量以检测故障是否正影响电气系统，并且一旦检测到故障，则将故障中断MEMS开关从导通状态切换到截止状态，以中断电流通过操作MEMS开关流向负载。

Description

使用MEMS开关用于故障中断的系统和方法
背景技术
本发明的实施例大体上涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)开关，并且更具体地涉及使用MEMS开关用于故障中断的系统和方法。
MEMS是一种技术，以其最通常的形式，其可以定义为使用微型制造技术制成的小型化的机械和机电元件(即器件和结构)。MEMS器件的临界物理尺寸可以从尺寸谱的较低端的远低于一个微米一直到几个毫米变化。同样，MEMS器件的类型可以从没有任何运动元件的相对简单的结构到具有在集成微电子的控制下的多个运动元件的极端复杂的机电系统变化，其中，独立式(free-standing)MEMS结构或“梁(beam)”经常充当例如继电器。
关于具有运动元件的MEMS器件，这种运动元件可以是独立式和悬挂式MEMS结构的形式，其被配置为其中第一端锚定到衬底(例如，熔融石英、玻璃、硅衬底)、以及第二自由端具有触点的悬臂。当MEMS器件被激励时，独立式MEMS结构移动其触点抵靠器件衬底上并在MEMS结构触点下方的衬底触点。
具体关于MEMS器件，还认识到，在操作中，独立式结构与衬底触点的接触可以使独立式结构(即独立式结构的触点)经历由于以下情况造成的机械磨损：与衬底触点的重复物理冲击、由焦耳加热造成独立式结构触点的加热以及独立式结构触点和衬底触点之间的放电。独立式结构触点的这种磨损可能最终导致MEMS开关中的可靠性问题。
在MEMS开关中由于独立式结构触点的磨损产生的一个常见可靠性问题是触点变成卡在闭合状态。可能造成卡在闭合状态的触点失效模式的其它条件有由于热切换条件造成的电弧、由于德瓦尔斯力(van der Waals force)造成的静摩擦、梁的塑性形变、或当MEMS器件处于导通条件时的栅极驱动器失效。取决于MEMS开关所安装的系统，卡在闭合状态的故障条件可能引起卡住的MEMS开关的上游或下游的更多的失效，且在包括大量的MEMS开关的应用中可能是特别有问题的。
要认识到，在MEMS开关中卡在闭合状态的失效模式不是可能出现在电气系统中的唯一失效模式。其它失效模式包括例如短路、开路、电压暂态或电力剧变或尖峰、电力故障、电力跌落、电压不足或欠电压条件、过电压条件、电力线路噪声、频率变化、开关暂态、谐波畸变和冷却系统失效。如同在MEMS开关中的卡在闭合状态的失效模式一样，上面列出的失效中的任何一种如果没有被适当地检测和管理则会对系统造成破坏。
因此，期望提供快速动作和成本有效的解决方案以中断包含在正经历失效的电气系统中的MEMS开关的电路。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种具有故障中断MEMS开关单元的电气系统包括位于第一电路径中的第一操作MEMS开关，所述第一操作MEMS开关能够在使得电流能够流向第一电力负载的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载的截止状态操作。所述电气系统还包括与所述第一操作MEMS开关串联地定位的第一故障中断MEMS开关，所述第一故障中断MEMS开关能够在使得电流能够流向所述第一电力负载的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载的截止状态操作，其中，不管所述第一操作MEMS开关的状态如何，所述第一故障中断MEMS开关在所述截止状态的操作都禁止电流流向所述第一电力负载。所述电气系统还包括定位成感测第一系统变量的第一故障传感器；以及控制系统，所述控制系统被编程为：从所述第一故障传感器接收所述第一系统变量；分析所述第一系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统；以及一旦检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关流向所述第一电力负载。
根据本发明的另一方面，一种在检测到故障条件时中断电路中的电流的方法包括：在所述电路的输入处接收电力；以及一旦对所述电路通电，则通过控制器闭合第一故障隔离MEMS开关，以便允许电流从所述输入流向第一电路负载，所述第一故障隔离MEMS开关定位在第一电流路径中。所述方法还包括选择性地操作与所述第一故障隔离MEMS开关串联的第一操作MEMS开关，以将电流通过所述第一电流路径提供至所述第一电路负载，并中断电流通过所述第一电流路径；通过第一故障传感器测量正影响所述电路的第一特性；以及将所述测量的第一特性提供至所述控制器。所述方法还包括通过所述控制器监测所述测量的第一特性，以检测故障条件是否存在；以及一旦检测到故障条件存在，则通过所述控制器打开所述第一故障隔离MEMS开关，以便中断电流流向所述第一电力负载的，并防止对所述电路造成破坏。
根据本发明的又一方面，一种具有MEMS开关失效保护的电力系统包括：电源；从所述电源接收电力的第一系统负载；以及沿第一电路路径设置在所述电源和所述第一系统负载之间的第一过程MEMS开关，所述第一过程MEMS开关能够在闭合位置和打开位置操作，以选择性地控制电流从所述电源流向所述第一系统负载。所述电力系统还包括失效隔离MEMS开关模块，所述失效隔离MEMS开关模块具有：与所述第一过程MEMS开关串联地定位的第一失效隔离MEMS开关，所述第一失效隔离MEMS开关能够在闭合位置和打开位置操作，以选择性地控制电流流过所述第一过程MEMS开关；第一失效传感器，所述第一失效传感器测量与所述第一过程MEMS开关的位置对应的第一系统特性；以及控制单元，所述控制单元被编程为：从所述第一失效传感器接收所述第一系统特性；使用所述第一系统特性，确定所述第一过程MEMS开关是否被卡在所述闭合位置；以及一旦确定所述第一过程MEMS开关被卡在所述闭合位置，则将所述第一失效隔离MEMS开关从所述闭合位置切换到所述打开位置，以将所述第一系统负载与所述电源电隔离。
从以下详细描述和图式，将使各种其它特征和优点显而易见。
附图说明
附图示出用于执行本发明的目前想到的实施例。
在附图中：
图1是根据本发明的示范性实施例的MEMS开关的示意透视图。
图2是图1的MEMS开关处于打开位置的示意侧视图。
图3是图1的MEMS开关处于闭合位置的示意侧视图。
图4是根据本发明的实施例的并入故障中断MEMS开关模块的电力系统的示意图。
图5是根据本发明的另一实施例的并入故障中断MEMS开关模块的电力系统的示意图。
具体实施方式
本文中陈述的本发明的实施例涉及在使用MEMS开关的故障条件或失效模式期间中断电力或电路或系统。提供了一种故障或失效中断或隔离MEMS开关模块，其包括在故障期间用于中断电力或电气系统或电路的故障或失效中断或隔离MEMS开关，以将电源与电力负载隔离。一旦系统通电或启动，在MEMS开关模块中的控制系统闭合故障中断MEMS开关，并基于来自故障或失效传感器的反馈打开故障中断MEMS开关，所述故障或失效传感器对代表是否已经出现故障条件的特性或变量进行测量。
参照图1-3，示出根据本发明的示范性实施例的静电微机电系统(MEMS)开关10的示意透视图。根据图1-3中所示的示范性实施例，MEMS开关10包括衬底触点12，其包括导电材料(例如金属)。MEMS器件10还包括独立式(free-standing)和悬挂式MEMS结构14，其包括独立式结构/机械元件16-例如梁-其中独立式结构16具有在触点12上方延伸的悬臂部分18，独立式结构16的底侧或底表面17在示范性实施例中被机械地耦合到所述结构并与所述结构电连接的种子层20覆盖，这将在下面更详细地讨论。独立式结构16由锚部分22支撑，悬臂部分18从锚部分22延伸，锚部分22可以与独立式结构16集成。锚部分22用来将独立式结构16的悬臂部分18连接至底层支撑结构，例如在衬底24上形成的导电安装件21。衬底24可以由适合MEMS器件制造的许多种材料中的任何一种材料形成，包括例如硅和基于硅的衬底(例如碳化硅(SiC))、熔融石英或玻璃。
如图2和图3中所示，独立式结构16可以被构造成可在图2中所示的第一非接触、截止或打开位置或状态和图3中所示的第二接触、导通或闭合位置或状态之间选择性地可移动，在第一非接触、截止或打开位置或状态中，独立式结构16(和种子层20)与触点12分开分隔距离d，在第二接触、导通或闭合位置或状态中，独立式结构16(和种子层20)形成与触点12的电接触。如所示，种子层20充当为用于独立式结构16的电触点。因此，当种子层20形成与电触点12的机械接触和电连通时，种子层20将独立式结构16和触点12电耦合。而且，独立式结构16和种子层20可以被构造成当在接触位置和非接触位置之间移动时经历变形，使得独立式结构16和种子层20自然设置(即在没有外部施加的力时)在非接触位置，且可以变形以便占据接触位置，同时在其中存储机械能。在其它实施例中，独立式结构16和种子层20的未变形构造可以是接触位置。
再参照图1，MEMS开关10还可包括电极26，电极26在被适当充电时，在电极26和独立式结构16和种子层20之间提供电位差，导致静电力将独立式结构16和种子层20朝电极26拉动并抵靠触点12。给电极26施加充足的电压，静电力使独立式结构16和种子层20变形，从而使独立式结构16和种子层20从图2中所示的非接触(即打开或非导电)位置位移到图3中所示的接触(即闭合或导电)位置。因此，电极26可以对于MEMS开关10充当“栅极”，其中施加到电极26的电压(称作“栅极电压”)用来控制MEMS结构14的打开或闭合。电极26可以与栅极电压源28连通，使得栅极电压VG可以被选择性地施加到电极26。
触点12、独立式结构16和种子层20是电路30的部件。示范性电路30具有第一侧32和第二侧34，当第一侧32和第二侧34相互断开时，其相对于彼此处于不同的电位(因为只有一侧连接至电源36)。触点12和独立式结构16通过种子层20可以分别连接至电路30的任一侧32、34，使得独立式结构16和种子层20在第一和第二位置之间的形变用来分别使电流从其通过和中断电流通过。独立式结构16和种子层20可以以由为使用MEMS结构14的施加所确定的频率(或者均匀地或者非均匀地)反复地移动以与触点12接触或不与触点12接触。当触点12和包括种子层20的独立式结构16的底表面17彼此间隔开时，触点12和独立式结构16之间的电压差称作“隔离电压(stand-off voltage)”。
在一个实施例中，独立式结构16和种子层20可以与电源36连通(例如，通过锚结构22)，并且触点12可以与具有负载电阻RL的电力负载38连通。电源36可以作为电压源或电流源操作。独立式结构16和种子层20充当电接触(即欧姆接触)，使得当独立式结构16和种子层20处于接触位置时负载电流从电源36通过独立式结构16和种子层20流入到触点12中，并且流向电力负载38，另外当独立式结构16和种子层20处于非接触位置时，打断或中断电路径，并阻止电流从电源流向负载。
上面描述的MEMS结构14可用作包括其它开关结构的电气或电力系统或电路的一部分，不管设计上是否相似或不相似，以便提高整体电路的电流和电压容量。这种开关结构可以串联或并联配置以促进当开关结构打开时隔离电压的均匀分布以及当开关结构闭合时电流的均匀分布。
现在参照图4，根据本发明的实施例，示出并入故障或失效中断或隔离MEMS开关模块或单元44的电气或电力系统或电路42的示意图。故障中断MEMS开关模块44在故障条件或失效模式期间通过中断电流流过电力系统42并将每个电力负载与每个电源隔离来保护电力系统42。MEMS开关模块44包括故障或失效隔离或中断MEMS开关46、故障或失效传感器48和控制系统或单元50，控制系统或单元50基于从故障传感器48接收的测量的或感测的电路或系统特性或变量控制故障中断MEMS开关46。电力系统42沿电流或电路径56还包括电源或系统、电路或电力负载52和电源或系统、电路或电力负载54。电路径56通过故障中断MEMS开关46和操作或过程MEMS开关58将源或负载52电连接或耦合到源或负载54。
电力系统42还可包括可选的电源、电路或电力负载60。尽管示出两个可选的源或负载60，但电力系统42不应当局限于四个源或负载52、54、60，且根据需要可包括附加的源或负载。如果电力系统42包括可选的源或负载60，则可选的源或负载60通过沿电流或电路径62、64的故障中断MEMS开关46和附加的操作或过程MEMS开关58电连接至或耦合到源或负载54。在一些实施例中，控制系统50根据电力系统42的常规操作控制过程MEMS开关58。在其它实施例中，另一控制系统或单元(未示出)根据电力系统42的常规操作控制过程MEMS开关58。故障中断MEMS开关模块44沿与控制系统50通信的电路径62、64还可包括可选的故障或失效传感器66。
尽管参考数字52和54指示源或负载，但源或负载52和源或负载54中的一个将是源，源或负载52和源或负载54中的一个将是负载。例如，在一个实施例中，源或负载52是电源，且源或负载54是电力负载。在另一个实施例中，源或负载54是电源，且源或负载52是电力负载。同样，如果可选的源或负载60被包括于电力系统42中，则源或负载60将跟随源或负载52，使得如果源或负载52是源，则源或负载60是源，并且如果源或负载52是负载，则源或负载60是负载。例如，在一个实施例中，源或负载52和源或负载60是电源，且源或负载54是电力负载。在另一个实施例中，源或负载54是电源，且源或负载52和源或负载60是电力负载。在任何情况下，每个电流路径56、62、64贯穿故障中断MEMS开关46。此外，过程MEMS开关58可以实施为个别开关或实施为开关阵列。
故障中断MEMS开关46和过程MEMS开关58可以各自为静电MEMS开关，诸如，例如图1的MEMS开关10的形式。此外，每个MEMS开关46、58可在打开或截止状态或位置和闭合或导通状态或位置操作，打开或截止状态或位置防止或禁止电流从其流过，闭合或导通状态或位置允许或使得电流能够流过。MEMS开关的实例打开和闭合位置分别示于图2和图3中。而且，如果故障中断MEMS开关46与过程MEMS开关58为相同构造，则故障中断MEMS开关46和任何对应的互连电路可以在与过程MEMS开关58相同的单块衬底上并行地构造，使得故障中断MEMS开关46和过程MEMS开关为相同的开关架构的一部分，且附加的故障中断MEMS开关46对电力系统42的构造增加很少或不增加成本。
如上面描述的，一旦出现可能造成对电力系统42破坏或至少影响其性能的故障或失效，则MEMS开关模块44操作来保护电力系统42。一旦系统通电，则控制系统50将故障中断MEMS开关46从打开位置切换到闭合位置，使得源或负载52能够电耦合或连接至源或负载54。如果故障中断MEMS开关46为图1的静电MEMS开关10的形式，则控制系统50通过将足够大的栅极电压施加到电极26闭合MEMS开关46，以如图3中所示将独立式结构16拉向触点12。故障传感器48以及如果被包括在MEMS开关模块44中，每个可选的故障传感器66测量或感测一个或多个系统或电路特性或变量。
尽管在图4中故障传感器48、66显示为在电流路径56、62、64中的电流传感器，但故障传感器48、66不应当局限于所示的电流传感器，电流路径56、62、64或该数量的故障传感器48、66。故障传感器48、66可以用来检测可用于确定故障条件是否出现在电力系统42中的任何类型的变量，诸如，例如电压、电流、逻辑状态和温度。每个故障传感器48、66可以用来测量不同类型的变量，或者可以与其它故障传感器48、66结合使用。在任何情况下，故障传感器48、66接着将其测量值传送到控制系统50。
控制系统50接着分析或监测测量的变量，以确定或检测是否存在正影响或可能影响电力系统42的现有的故障条件。控制系统50监测的一种类型的故障条件是卡在闭合状态的条件，在卡在闭合状态的条件期间，过程MEMS开关58出于以前描述的原因不能够打开。在该情况下，控制系统50可以监测在电流路径56、62、64中的电流，以检测过程MEMS开关58在它们应当打开时是否闭合。然而，控制系统50还可以分析上面陈述的附加/替代性变量，用于其它故障条件，诸如，例如短路、开路、电压暂态或电力剧变或尖峰、电力故障、电力跌落、电压不足或欠电压条件、过电压条件、电力线路噪声、频率变化、开关暂态、谐波畸变和冷却系统失效。控制系统50可以使用电力系统42内或外部的任何数量的测量值，来监测上面提到的任何故障条件，其中图4图示电力系统42可以连接至外部系统65，外部系统65可以具有一个或多个可选的故障传感器67用于测量与任何上面描述的故障条件关联的一个或多个变量。例如，电力系统42可以连接至具有故障传感器67的外部冷却系统65，故障传感器67用于感测指示外部冷却系统是否已经失效的变量。
如果控制系统50确定不存在任何故障条件，则控制系统50继续将故障中断MEMS开关46保持在闭合位置。然而，如果控制系统50检测到故障条件，则控制系统50将故障中断MEMS开关46从闭合位置切换到打开位置，以禁止源或负载52电耦合或连接至源或负载54。例如，如果一个或多个过程MEMS开关58卡在闭合位置，则控制系统50将检测卡在闭合状态的条件，并打开故障中断MEMS开关46。如果故障中断MEMS开关46为图1的静电MEMS开关10的形式，则控制系统50通过停止将栅极电压施加到电极26打开MEMS开关46，使得如图2中所示独立式结构16与触点12分离。
当故障中断MEMS开关46处于打开位置时，则不管过程MEMS开关58的位置如何，电流都不可以在源或负载52和源或负载54之间流动。这是因为每个电流路径56、62、64只可以在故障中断MEMS开关46处于闭合位置时是完整的。因此，将故障中断MEMS开关46从闭合位置切换到打开位置将使电力系统42中断，并将源或负载54与源或负载52、60隔离。由故障中断MEMS开关46提供的隔离防止电力系统42因为故障条件招致任何更多的破坏。而且，因为故障中断MEMS开关46可能只必须打开一次，所以故障中断MEMS开关46的可靠性将远超过过程MEMS开关58的可靠性。MEMS开关46的此提高的可靠性使电力系统42受益，原因是过程MEMS开关58在热切换条件操作，这将使其可靠性退化得比冷切换条件快得多。
尽管认识到熔丝或晶体管可代替故障中断MEMS开关46使用，但故障中断MEMS开关46相比熔丝或者晶体管中的任一个提供明显的优点。熔丝和晶体管两者不如故障中断MEMS开关46成本有效，原因是如上面描述的故障隔离MEMS开关46和任何对应的互连电路可与过程MEMS开关58在相同的单块衬底上并行地制造。在许多地方需要故障中断的系统中(例如包括数十、数百或数千个过程MEMS开关的系统中)，故障中断MEMS开关46将明显节约成本。而且，相对于可在故障中断MEMS开关46上执行的系统重置，熔丝将需要人工重置。而且，熔丝将比故障中断MEMS开关46工作要慢得多。此外，作为机械继电器，故障中断MEMS开关46提供比可能经历泄露的晶体管更多的隔离。
现在参照图5，示出根据本发明的另一实施例的并入故障或失效中断或隔离MEMS开关模块或单元70的电气或电力系统或电路68的示意图。电力系统68包括类似于图4的电力系统42的部件的许多个部件，因此，用来指示图4中的部件的数字也用来指示图5中的相似部件。故障中断MEMS开关模块72在故障条件或失效模式期间通过中断电流流过电力系统68并将每个电力负载与每个电源隔离来保护电力系统68。故障中断MEMS开关模块70包括故障或失效隔离或中断MEMS开关46、故障或失效传感器48和控制系统或单元72，控制系统或单元72基于从故障传感器48接收的测量的或感测的电路或系统特性或变量，控制故障中断MEMS开关46。电力系统68还包括电源或系统、电路或电力负载74和电源或系统、电路或电力负载76。电力系统68还可包括可选的电源、电路或电力负载78、80、82、84。尽管只示出四个可选的源或负载78,80,82,84，但电力系统68不应当局限于六个源或负载74、76、78、80、82、84，且根据需要可包括附加的源或负载。
与图4的源或负载52、54、60一样，源或负载74、76、78、80、82、84被配置成使得源只电连接至负载，且负载只电连接至源。源或负载74、76、78、80、82、84可沿电流或电路路径86、88和可选的电流或电路路径90以许多种方式彼此电连接或耦合。然而，尽管只示出一个选择电路径90，但电力系统68应当不局限于一个可选的电路径90，且根据需要可包括附加的电路径。
源或负载74、78、82可以任何可想到的组合沿分开的、并行的或独立的电路径86、88、90电耦合到一个或全部的源或负载76、80、84。例如，在一个实施例中，电力系统68只包括源或负载74、76，源或负载74、76在多相电力系统中通过电路径86、88或电路径86、88、90彼此电耦合。在另一实施例中，电力系统68只包括源或负载74、76、78、82，使得源或负载74、78、82通过电路径86、88电耦合到源或负载76。在又一示例中，电力系统68只包括源或负载74、76、78、80、82、84，使得源或负载74通过电路径86电耦合到源或负载76，源或负载78通过电路径88电耦合到源或负载80，源或负载80通过电路径90电耦合到源或负载82。上面的示例不意味着是电力系统68的实施例的穷尽列表，只为图示源或负载74、76、78、80、82、84之间的可能的电连接的目的进行描述。
在任一情况下，每个并联电路径86、88、90包括过程MEMS开关58和故障中断MEMS开关46。在一些实施例中，控制系统72根据电力系统68的常规操作控制过程MEMS开关58。在其它实施例中，另一控制系统或单元(未示出)根据电力系统68的常规操作控制过程MEMS开关58。如果电力系统68包括可选的电路径90，则MEMS开关模块70可包括可选的故障传感器66。如关于图4的电力系统42所描述的，故障中断MEMS开关46和过程MEMS开关58可以各自是以静电MEMS开关，诸如，例如图1的MEMS开关10的形式，且可在打开或闭合位置，例如图2和图3中分别示出的打开和闭合位置操作。此外，如关于图4的电力系统42所描述的，如果故障中断MEMS开关46与过程MEMS开关58为相同构造，则故障中断MEMS开关46可与过程MEMS开关58在相同的单块衬底上并行地构造。于是故障中断MEMS开关46和过程MEMS开关为相同的开关架构的部分，且附加的故障中断MEMS开关46对电力系统68的构造增加很少或不增加成本。
如上面所解释的，MEMS开关模块70操作以防止电力系统68继续经历由于已经发生的故障或失效造成的破坏。当电力系统68通电时，控制系统72将故障中断MEMS开关46从打开位置切换到闭合位置，以使得源或负载74电耦合到源或负载76。如果故障中断MEMS开关46为图1的静电MEMS开关10的形式，则控制系统72将足够的栅极电压施加到故障隔离MEMS开关46的电极26，以如图3中所示将独立式结构16拉向触点12。故障传感器48以及如果被包括在MEMS开关模块72中，每个可选的故障传感器66测量或感测一个或多个系统或电路特性或变量。
尽管在图5中故障传感器48、66分别显示为电流路径86、88、90中的电流传感器，但故障传感器48、66不应当局限于电流传感器，电流路径86、88、90，或者所示数目的故障传感器48、66。故障传感器48、66可以用来检测可用于确定故障条件是否已经出现的任何类型的变量，诸如，例如电压、电流、逻辑状态和温度。每个故障传感器48、66可以用来测量不同类型的变量，或者可以与其它故障传感器48、66结合使用。在任何情况下，故障传感器48、66接着将其测量值传送到控制系统72。
控制系统72接着分析或监测测量的特性，以确定或检测是否存在正影响或可能影响电力系统68的现有的故障条件。控制系统50监测的一种类型的故障条件是卡在闭合状态的条件，在卡在闭合状态的条件期间，过程MEMS开关58出于以前描述的原因不能够打开。在该情况下，控制系统72可以监测在电流路径86、88、90中的电流，以检测过程MEMS开关58在它们应当打开时是否闭合。然而，控制系统72还可以分析其它故障条件的特性，诸如，例如短路、开路、电压暂态或电力剧变或尖峰、电力故障、电力跌落、电压不足或欠电压条件、过电压条件、电力线路噪声、频率变化、开关暂态、谐波畸变和冷却系统失效。控制系统72可以使用在电力系统68内或外部进行的任何数目的测量来检测上面的任何故障条件。电力系统68可以连接至外部系统92，外部系统92可以具有用于测量与上述的任何故障条件关联的一个或多个变量的一个或多个可选的故障传感器94。例如，电力系统68可以连接至具有故障传感器94的外部冷却系统92，故障传感器94用于感测指示外部冷却系统是否已经失效的变量。
如果控制系统72没有检测到故障条件，则控制系统72使故障中断MEMS开关46保持在闭合位置。然而，如果控制系统72确定已经出现故障条件，则控制系统72将所有故障中断MEMS开关46从闭合位置切换到打开位置，以禁止源或负载74电耦合到源或负载76。例如，如果一个或多个过程MEMS开关58被卡在闭合位置，则控制系统72将检测卡在闭合状态的条件，并打开每个故障中断MEMS开关46。如果故障中断MEMS开关46为图1的静电MEMS开关10的形式，则控制系统72通过停止将栅极电压施加到电极26来打开MEMS开关46，使得如图2中所示将独立式结构16与触点12分离。
当控制系统72打开故障中断MEMS开关46时，即使过程MEMS开关处于闭合位置，电流都被阻止在源或负载74和源或负载76之间流动。这是因为每个电流路径86、88、90只在故障中断MEMS开关46闭合时是完整的。因此，打开故障中断MEMS开关46将使电力系统68中断，并将源或负载74与源或负载76隔离。该隔离阻止电力系统68在故障条件期间持续造成任何更多的破坏。而且，因为故障中断MEMS开关46可能只必须打开一次，所以故障中断MEMS开关46比过程MEMS开关58具有高得多的可靠性。MEMS开关46的此提高的可靠性使电力系统68受益，原因是过程MEMS开关58在热切换条件操作，这使其可靠性退化得比冷切换条件快得多。
有益的是，本发明的实施例因此提供包括故障中断MEMS开关模块的电力系统。MEMS开关模块包括基于来自至少一个故障传感器的反馈由控制系统操作的故障中断MEMS开关。一旦系统通电，控制系统闭合故障中断MEMS开关，一旦检测到故障条件，诸如，例如在电力系统中的过程MEMS开关中的卡在闭合状态的条件，则打开故障中断MEMS开关。当故障中断MEMS开关处于打开位置时，没有电流可以通过其流动，且电力系统中的电力负载与电源隔离。故障中断MEMS开关和任何对应的互连电路可以与电力系统中的其它过程MEMS开关以相同的MEMS开关架构构造，因此相比例如熔丝和晶体管，提供中断电力系统中的故障条件的低成本的解决方案。故障中断MEMS开关相比熔丝和晶体管提供附加的优点，原因是其是快速动作的，不需要人工重置，并提供电力负载的物理隔离，而不只是电隔离。
根据本发明的一个实施例，一种具有故障中断MEMS开关单元的电气系统包括位于第一电路径中的第一操作MEMS开关，所述第一操作MEMS开关能够在使得电流能够流向第一电力负载的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载的截止状态操作。所述电气系统还包括与所述第一操作MEMS开关串联地定位的第一故障中断MEMS开关，所述第一故障中断MEMS开关能够在使得电流能够流向所述第一电力负载的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载的截止状态操作，其中，不管所述第一操作MEMS开关的状态如何，所述第一故障中断MEMS开关在所述截止状态的操作都禁止电流流向所述第一电力负载。所述电气系统还包括定位成感测第一系统变量的第一故障传感器以及控制系统，所述控制系统被编程为：从所述第一故障传感器接收所述第一系统变量；分析所述第一系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统；以及一旦检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关流向所述第一电力负载。
根据本发明的另一实施例，一种在检测到故障条件时中断电路中的电流的方法包括：在所述电路的输入处接收电力以及一旦对所述电路通电，则通过控制器闭合第一故障隔离MEMS开关，以便允许电流从所述输入流向第一电路负载，所述第一故障隔离MEMS开关定位在第一电流路径中。所述方法还包括选择性地操作与所述第一故障隔离MEMS开关串联的第一操作MEMS开关，以将电流通过所述第一电流路径提供至所述第一电路负载，并中断电流流过所述第一电流路径；通过第一故障传感器测量正影响所述电路的第一特性；以及将所述测量的第一特性提供至所述控制器。所述方法还包括通过所述控制器监测所述测量的第一特性，以检测故障条件是否存在；以及一旦检测到故障条件存在，则通过所述控制器打开所述第一故障隔离MEMS开关，以便中断电流流向所述第一电力负载，并防止对所述电路造成破坏。
根据本发明的又一实施例，一种具有MEMS开关失效保护的电力系统包括：电源、从所述电源接收电力第一系统负载、以及第一过程MEMS开关，所述第一过程MEMS开关沿第一电路路径设置在所述电源和所述第一系统负载之间；所述第一过程MEMS开关能够在闭合位置和打开位置操作，以选择性地控制电流从所述电源流向所述第一系统负载。所述电力系统还包括失效隔离MEMS开关模块，所述失效隔离MEMS开关模块具有：第一失效隔离MEMS开关，其与所述第一过程MEMS开关串联地定位的，并能够在闭合位置和打开位置操作，以选择性地控制电流流过所述第一过程MEMS开关；第一失效传感器，其测量与所述第一过程MEMS开关的位置对应的第一系统特性；以及控制单元，其被编程为：从所述第一失效传感器接收所述第一系统特性；使用所述第一系统特性，确定所述第一过程MEMS开关是否被卡在所述闭合位置；以及一旦确定所述第一过程MEMS开关被卡在所述闭合位置，则将所述第一失效隔离MEMS开关从所述闭合位置切换到所述打开位置，以将所述第一系统负载与所述电源电隔离。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它示例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们意图在权利要求书的范围内。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但应该容易了解，本发明不限于这样公开的实施例。而是，可修改本发明以合并此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、更改、替代或等效设置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的方面可包括所描述实施例中的仅一些。因此，本发明不应被视为受前文描述限制，而仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (15)

1.一种具有故障中断微机电系统(MEMS)开关单元(44)的电气系统(42、68)，所述电气系统包括：
位于第一电路径(56、86)中的第一操作MEMS开关(58)，所述第一操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第一电力负载(54、76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)的截止状态操作；
与所述第一操作MEMS开关(58)串联地定位的第一故障中断MEMS开关(46)，所述第一故障中断MEMS开关(46)能够在使得电流能够流向所述第一电力负载(54、76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)的截止状态操作，其中，不管所述第一操作MEMS开关(58)的状态如何，所述第一故障中断MEMS开关(46)在所述截止状态的操作禁止电流流向所述第一电力负载(54、76)；
第一故障传感器(48)，所述第一故障传感器(48)定位成感测第一系统变量；以及
控制系统(50、70)，所述控制系统(50、70)被编程为：
从所述第一故障传感器(48)接收所述第一系统变量；
分析所述第一系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统(42、68)；以及
一旦检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(54、76)。
2.根据权利要求1所述的电气系统，还包括第二故障传感器(48)，所述第二故障传感器(48)定位成感测第二系统变量；以及
其中，所述控制系统(50、70)还被编程为：
从所述第二故障传感器(48)接收所述第二系统变量；
分析所述第二系统变量，以检测故障是否正影响所述电气系统(42、68)；以及
一旦基于对所述第一和第二系统变量的任何一个的分析检测到故障，则将所述第一故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(54、76)。
3.根据权利要求1所述的电气系统，还包括定位在第二电路径(62)中并与所述第一故障中断MEMS开关(46)串联的第二操作MEMS开关(58)，所述第二操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向所述第一电力负载(54)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(54)的截止状态操作；并且
其中，当所述第一故障中断MEMS开关(46)处于所述截止状态时，不管所述第二操作MEMS开关(58)的状态如何，都禁止电流流向所述电力负载(54)。
4.根据权利要求1所述的电气系统，还包括：
位于与所述第一电路径(86)不同的第二电路径(88)中的第二操作MEMS开关(58)，所述第二操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第一电力负载(76)的导通状态和禁止电流流向所述第一电力负载(76)的截止状态操作；以及
与所述第二操作MEMS开关(58)串联地定位的第二故障中断MEMS开关(46)，所述第二故障中断MEMS开关(46)包括使得电流能够流向所述第一电力负载(76)的导通状态和不管所述第二操作MEMS开关(58)的状态如何都禁止电流流向所述第一电力负载(76)的截止状态；并且
其中，所述控制系统(70)还被编程为一旦检测到故障，则将所述第二故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一和第二操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(76)。
5.根据权利要求1所述的电气系统，还包括定位在与所述第一电路径(86)并联的第二电路径(88)中的第二操作MEMS开关(58)，所述第二操作MEMS开关(58)能够在使得电流能够流向第二电力负载(80)的导通状态和禁止电流流向所述第二电力负载(80)的截止状态操作；
还包括与所述第二操作MEMS开关(58)串联地定位的第二故障中断MEMS开关(46)，所述第二故障中断MEMS开关(46)包括使得电流能够流向所述第二电力负载(80)的导通状态和不管所述第二操作MEMS开关(58)的状态如何都禁止电流流向所述第二电力负载(80)的截止状态；并且
其中，所述控制系统(70)还被编程为一旦检测到故障，则将所述第二故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态，以中断电流通过所述第一和第二操作MEMS开关(58)流向所述第一电力负载(80)。
6.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制系统(50、70)被编程为：
分析所述第一系统变量，以确定所述第一操作MEMS开关(58)是否被卡在所述导通状态；以及
一旦确定所述第一操作MEMS开关(58)被卡在所述导通状态，则将所述第一故障中断MEMS开关(46)从所述导通状态切换到所述截止状态。
7.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制系统还被编程为一旦所述电气系统(42、68)起动，则在所述导通状态操作所述第一故障中断MEMS开关(46)。
8.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制系统(50、70)被编程为分析所述第一系统变量，以检测短路、开路、电力剧变、电力故障、电力跌落、欠电压条件、过电压条件、电力线路噪声、频率变化、开关暂态、谐波畸变和冷却系统失效的其中一个是否正影响所述电气系统。
9.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述操作MEMS开关(58)和所述故障中断MEMS开关(46)连同在所述MEMS开关(58)和所述故障中断MEMS开关(46)之间的任何互连电路一起在一个单块衬底上并行地构造。
10.一种在检测到故障条件时中断电路(42、68)中的电流的方法，所述方法包括：
在所述电路(42、68)的输入处接收电力；
一旦对所述电路(42、68)通电，则通过控制器(50、70)闭合第一故障隔离MEMS开关(46)，以便允许电流从所述输入流向第一电路负载(54、76)，所述第一故障隔离MEMS开关(46)定位在第一电流路径(56、86)中；
选择性地操作与所述第一故障隔离MEMS开关(46)串联的第一操作MEMS开关，以将电流通过所述第一电流路径(56、86)提供至所述第一电路负载(54、76)，并中断电流通过所述第一电流路径(56、86)；
通过第一故障传感器(48)测量影响所述电路(42、68)的第一特性；
将所述测量的第一特性提供至所述控制器(50、70)；
通过所述控制器(50、70)监测所述测量的第一特性，以检测故障条件是否存在；以及
一旦检测到故障条件存在，则通过所述控制器(50、70)打开所述第一故障隔离MEMS开关(46)，以便中断电流流向所述第一电力负载(54、76)，并且防止对所述电路(42、68)造成破坏。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，监测所述测量的第一特性以检测故障条件是否存在包括确定所述测量的第一操作特性是否指示所述第一操作MEMS开关(58)被卡在闭合位置。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
一旦对所述电路(68)通电，则通过所述控制器(70)闭合第二故障隔离MEMS开关(46)，以便允许电流从所述输入流向第一电路负载(76)，所述第二故障隔离MEMS开关(46)定位在与所述第一电流路径(86)并联的第二电流路径(88)中；
选择性地操作与所述第二故障隔离MEMS开关(46)串联的第二操作MEMS开关(58)，以将电流通过所述第二电流路径(88)提供至所述第一电路负载(76)，并中断电流通过所述第二电流路径(88)；以及
一旦检测到故障条件存在，则通过所述控制器(70)打开所述第二故障隔离MEMS开关(46)，以便中断电流流向所述第一电力负载(76)，并且防止对所述电路(68)造成破坏。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：
一旦对所述电路(68)通电，则通过所述控制器(70)闭合第二故障隔离MEMS开关(46)，以便允许电流从所述输入流向第二电路负载(80)；
选择性地操作与所述第二故障隔离MEMS开关(46)串联的第二操作MEMS开关(58)，以将电流提供至所述第二电路负载(80)；以及
一旦检测到故障条件存在，则通过所述控制器(70)打开所述第二故障隔离MEMS开关(46)，以便中断电流流向所述第一电力负载(80)，并且防止对所述电路造成破坏。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：
通过第二故障传感器(48)测量影响所述电路(42、68)的第二特性；
将所述测量的第二特性提供至所述控制器(50、70)；以及
通过所述控制器(50、70)监测所述测量的第二特性，以检测故障条件是否存在。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，闭合所述第一故障隔离MEMS开关(46)包括将栅极电压施加到电极(26)足以将电耦合到所述输入的独立式(free standing)结构(16)拉向电耦合到所述第一电力负载(54、76)的触点(12)；并且
其中，打开所述第一故障隔离MEMS开关(46)包括从所述电极(26)移除所述栅极电压，使得所述独立式结构(16)移离所述触点(12)。
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