JP2008252880A

JP2008252880A - 電気機械スイッチを駆動するための供給電圧を有する電流システム

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Publication number: JP2008252880A
Application number: JP2008048929A
Authority: JP
Inventors: Joshua Isaac Wright; ジョシュア・アイザック・ライト; Kanakasabapathi Subramanian; カナカサバパシ・スブラマニアン; Hedges Nicole Christine Reeves; ニコール・クリスティン・リーヴス・ヘッジス; John N Park; ジョン・ノートン・パーク
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2008-10-16
Also published as: EP1965404A2; US20080211347A1; CN101388302A; MX2008002883A; EP1965404A3; KR20080080944A

Abstract

【課題】負荷の作動を制御するためのＭＥＭＳスイッチの操作電源を提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳスイッチ２０は、回路１０内に配置され、負荷１６を導通状態又は非導通状態にする。圧電トランス４６は、高電圧出力信号又は低電圧出力信号を供給して、ＭＥＭＳスイッチ２０の開閉状態を制御する。制御回路６５は、圧電トランス４６に入力電圧信号６２を供給して、圧電トランス４６の出力端子に高電圧出力信号又は低電圧出力信号を生じさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的には電圧変換に関し、より具体的には、その中の電流を制御するための電流負荷及びスイッチを組み込んだ回路及びシステムに関する。

電気機械スイッチは一般的に、スイッチング型ＤＣ電圧供給源又はスイッチング型ＡＣ供給源を用いて、導通又は非導通状態にゲート切り替えされる。多数の用途は、非常に高速のスイッチング特性を必要とし、この特性は、超小型電気機械（ＭＥＭＳ）スイッチにより達成可能である。そのようなスイッチは、特異な電圧及び電流特性を有し、約３〜２０マイクロ秒のオーダのスイッチング速度を達成することができる。スイッチング構成部品寸法は、縮小され続けているので、許容可能な性能及びパッケージ寸法を得ることができる駆動回路の特性は、さらに厳しい要求を受けるようになってきている。

巻線型電磁トランスは一般に、例えばテレビジョン及び蛍光ランプを含む多くの電力回路用途において電圧変換のために用いられる。電磁トランスでは、エネルギーは、一次及び二次巻線間の電磁結合によって伝達される。これは、回路をＥＭＩの影響を受けやすいものにし、多くの場合により大きな電気的分離が望ましい。電磁トランスは、高変圧比を達成するために磁気コア上に多数の導線巻数を必要とする。パワーエレクトロニクスの傾向は構成部品を小型化するものであるが、巻線工程は通常、重くかつ嵩張るデバイスをもたらす。例えば半導体基板又はＰＣＢ類上への平面トランスの形成は、より小型であるが、複雑、高価かつ面積集約的なままであり、得られる動作電力の範囲が制限される。
米国特許出願公開第２００３／０１０２７７４Ａ１号公報

現在及び将来のＭＥＭＳスイッチ設計の潜在的利点を完全に実現するために、所望の速度でかつ高い信頼性で作動し、より効率的な回路によって電力供給することができ、また既存のマイクロエレクトロニクス技術を用いて比較的小さな体積で製作することができるスイッチングシステムを開発することが望ましい。

本発明の多数の実施形態によると、負荷の作動を制御するための回路を提供する。ＭＥＭＳスイッチは、負荷を導通状態又は非導通状態の１つに置くように回路内に配置され、圧電トランスは、比較的高電圧出力信号又は比較的低電圧出力信号を供給して、負荷を導通状態に置く閉鎖位置と開放状態との間でのスイッチの移動を制御し、高電圧出力信号は、圧電トランスの共振周波数範囲内の周波数成分を含む。制御回路は、圧電トランスに入力電圧信号を供給して、該圧電トランスの出力端子に高電圧出力信号又は低電圧出力信号を生じさせる。高電圧出力信号のピーク値対入力電圧信号のピーク値の比率は、５〜１０の範囲とすることができる。

本発明の他の実施形態によると、ＭＥＭＳスイッチに駆動電圧を供給するための回路は、固有共振周波数を有する圧電トランスを含み、トランスの出力端子は、ゲート電極に結合される。駆動回路は、トランスを励起するように結合して、第１の比較的低電圧信号が、固有共振周波数とは異なる周波数成分を有し、第１の信号が、トランスが該第１の信号に応答して第２の信号を生じるようにするために第１のピーク電圧を有し、第２の信号がまた、ピーク共振周波数とは異なる周波数成分を有し、また第２の信号が、第１のピーク電圧よりも大きい第２のピーク電圧を有するよにすることができる。回路は、トランス出力端子とゲート電極との間に結合されて第２の信号をＭＥＭＳスイッチの状態を変更することができる整流信号に変換する整流回路を含むことができる。

さらに他の実施形態によると、システムは、供給電圧と負荷と電気機械スイッチとを有する回路を含み、電気機械スイッチは、該スイッチを導通モードに置く第１の位置に移動可能でありかつ該スイッチを非導通モードに置く第２の位置に移動可能である要素を有する。スイッチはさらに、要素を第１の位置又は第２の位置に置く静電力を選択的に印加又は除去するための制御端子を含む。圧電トランスの高電圧端子は、制御端子に接続され、該トランスの第２の端子は、入力信号を受けるように接続されて、第１のレベル信号を第２の端子に加える場合に、高電圧端子が、要素を一方の位置から他方の位置に移動させる静電界を生成するのに十分な電圧の高電圧信号を制御端子に供給するようにする。

負荷の作動を制御する方法の実施形態では、回路には、負荷を導通状態又は非導通状態の１つに置くように配置されたＭＥＭＳスイッチと、ピーク共振周波数を有する共振周波数範囲を有する圧電トランスとが形成される。比較的高電圧出力信号又は比較的低電圧出力信号を圧電トランスの出力端子に供給して、閉鎖位置と開放位置との間でのスイッチの移動を制御し、高電圧出力信号は、トランスの共振周波数範囲内の周波数成分を含む。圧電トランスの入力端子は、制御信号により駆動して、圧電トランスの出力端子に高電圧力出力信号又は低電圧力信号を選択的に生じさせることができる。

導通及び非導通状態間でＭＥＭＳスイッチを駆動するように結合することができる圧電トランスからの出力電圧の立上り及び立下り時間を最適化する方法の実施形態によると、トランスは、該トランスの共振周波数に対してオフセットした周波数を有する入力信号で励起されて、高電圧出力信号を生成する。出力信号は整流され、この整流信号を加えてＭＥＭＳスイッチを導通及び非導通状態の１つから他の状態に駆動する。幾つかの実施形態では、入力信号のピーク値に応答して生成された出力信号のピーク値は、入力信号のピーク値よりも大きい。

本発明は、添付図面を参照して実施例としてのみ実施形態を例示している以下の説明からより明らかに理解されるであろう。

図全体にわたって、同じ参照符号を使用して同様の特徴形状部を示している。図の個々の特徴形状部は、正しい縮尺で描いてない場合がある。

現在、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）は一般的に、例えば微細加工技術によって通常の基板上に機械要素、電気機械要素、センサ、アクチュエータ及び電子機器などの多数の多様な要素を統合することができるミクロン規模構造体を意味する。ＭＥＭＳ用途に用いるスイッチ技術には、電力用電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）及び絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような半導体デバイスが含まれるが、さらに本質的に電気機械式であるＭＥＭＳスイッチも含まれる。ＭＥＭＳスイッチの１つの実施例は、静電動作ビームを制御するゲート電極を含む。ビームは、スイッチを導通状態又は非導通状態のいずれかにする２つの位置間で移動可能である。

そのようなＭＥＭＳスイッチは、例えば１８Ｖよりも小さな低電圧動作ゲート駆動を一般的に必要とする半導体スイッチとは実質的に異なる要件を有する。他方では、現在のＭＥＭＳスイッチは、オン及びオフ状態間でスイッチを駆動させる時に、所望のスイッチング特性を達成するために比較的高電圧（５０〜１００Ｖ（ボルト））を必要とする。ＭＥＭＳスイッチのゲート電極はまた、例えば３〜３０ｐｆのようなその比較的小さな電極間容量に起因して非常に低い動作電流を特徴とする。

図に記載した実施形態の特徴は、圧電効果を利用して交流電圧変換を行う圧電トランス（本明細書ではＰＺＴと呼ぶ）の超小型電気機械システム内への組み込みである。ＰＺＴは、低電圧信号を受けかつＭＥＭＳスイッチの作動に好適な高電圧ゲート駆動パルスを生成するように結合することができる。実施例は、単純負荷を通る電流を制御するためのＭＥＭＳスイッチの作動と、モータ起動回路で用いることができるようなアークレススイッチング用の特殊な回路実装とを含む。しかしながら、提示した概念は、広範な付加的スイッチング用途に適用可能である。さらに、現在ＭＥＭＳデバイスに利用できる多くの方法及び構造は、僅か数年の間に、例えばその寸法を１００ナノメートルよりも小さくすることができる構造体などのナノ技術ベースのデバイスを介して利用可能になるであろうことに注目されたい。たとえこの文書全体にわたって説明した実施例としての実施形態がミクロン規模ＭＥＭＳベースのデバイスについてのものであっても、本発明は、これら及びその他の進歩を予期しており、ミクロンサイズのデバイスに限定されることなく広く解釈されるべきであることを理解されたい。従って、本明細書で用いる場合の超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）と言う用語は、ミクロン規模構造体に限定されるものではなく、そうではなくて、ミクロン規模よりも小さい構造体を組み込んだシステムも同様に意味する。ＭＥＭＳスイッチと言う用語は、ミクロン規模又はそれよりも小さい構造を有するあらゆる電気機械スイッチを意図しており、特定のＭＥＭＳスイッチ設計又は特定の製品に対する説明は、単なる例示にすぎない。

ＰＺＴの特定の実施例を記載しているが、本発明を実施する時には、広範なＰＺＴ設計の多くを使用することができることを理解されたい。実施例として、この実施形態では、セラミックベースのローゼン型ＰＺＴを示しているが、他の型のＰＺＴの使用も意図しており、ＰＺＴ作動に好適な他の材料の使用もまた意図している。システム又は回路の構成部品及び作動の特性を説明する上で、パラメータ波形を制御するのに適用する立上り時間及び立下り時間と言う用語は、従来と同様に用いており、ピーク値の１０パーセント及び９０パーセント間の移行における経過時間を意味すると理解される。また、本明細書で用いる場合、共振周波数帯は、その範囲にわたってＰＺＴが有用な機械的応答性を示す周波数範囲であると理解され、また共振周波数は、機械的又は電気的応答性の最大値を示す特定の周波数を意味すると理解される。

ＭＥＭＳスイッチのゲート電極を駆動するＰＺＴの使用法は、他の可能なゲート駆動の使用法とは区別されることになる。ＩＧＢＴ及びＦＥＴの使用に必要な低電圧ゲート駆動（１８ボルトよりも小さい）と異なり、ＭＥＭＳスイッチは、超小型機械スイッチ接点の急速かつ信頼性がある閉鎖に好適な比較的高電圧供給源（５０〜１００ボルト）を必要とする。個々のＭＥＭＳゲートは、典型的には約３〜３０ｐＦかつ一般的に１００ｐｆよりも小さい比較的低レベルの容量を示し、その動作が、ゲート構造を充電するのに、例えばマイクロアンペア又はそれよりも小さいような非常に小さい瞬間電流パルスのみを必要とするようにすることができる。従って、マルチメグオームレベルのゲートソース間インピーダンスを供給するために、僅かなミリワットの平均電力のみを一般的に必要とすることになる。

ＭＥＭＳスイッチングシステムでは、そのような高電圧（５０〜１００ボルト）の高速応答ゲート駆動信号は、ＰＺＴの出力を高速全波ダイオードブリッジ整流器に結合することによって実現することができる。さらに、必要な範囲で、可変周波数制御を介してＰＺＴの共振モード特性に基づいて、電圧調整機能を実施することができる。低入力スイッチング信号を高ゲート電圧に変換するように適切に設計したＰＺＴを利用したＭＥＭＳスイッチングシステムは、高電圧側に付加的なタイミング回路を必要とせずに、高電圧出力の高速ターンオン及びターンオフ用のパルスモードで作動させることができる。ＰＺＴからの出力電圧信号の整流により、高電圧論理回路を必要とせずに高電圧パルス信号が得られる。上述のことにより、非常に高速の立上り及び立下がり時間を有する整流高電圧ＤＣ出力の生成が可能になる。立上り及び立下がり時間は、容易に約３〜３０マイクロ秒にして、ＭＥＭＳスイッチの非常に高速の高電圧ターンオン及びターンオフ時間を達成することができる。ＰＺＴへの入力信号は、デバイスの機械的共振周波数帯の範囲内で固定周波数とすることができ、低電圧入力信号を制御する論理により、高電圧ＰＺＴ出力が効果的に制御される。すなわち、高電圧ゲート信号（例えば、９０ボルト）は、低電圧論理により、迅速にスイッチオン又は迅速にスイッチオフすることができる。高速ターンオン及びターンオフ応答時間を有する高出力電圧信号（すなわち、９０ボルト）は、要求に応じてＭＥＭＳスイッチを迅速に伝導状態に又は伝導状態外に置くことができる。従って、トランスの低電圧側の論理によって完全に制御されたスイッチングにより、ＰＺＴの高圧力電圧出力端子によって供給される、ＭＥＭＳスイッチのゲートへの入力を制御するための複雑かつ分離した高電圧論理回路を組み込む必要性が全くない。入力信号周波数は、ＰＺＴの特定の共振周波数に又はその特定の共振周波数から３０〜４０パーセントだけオフセットさせることができるが、約５〜１０パーセント又はそれ以下のオーダの偏差もまた意図している。ＰＺＴへの入力が特定の共振周波数以下の周波数で作動する時に容量性である場合には、ＰＺＴ駆動回路とＰＺＴ入力端子の１つとの間に直列に誘導素子を配置して、スイッチング性能を最適化することができる。

図１を参照すると、例示的なランプ負荷１６及び限流負荷レジスタ１８と直列に供給源１４を有する回路１０を示している。スイッチ２０は、回路を通る電流Ｉ_ＬＯＡＤを制御するように配置される。この実施例では、供給源１４は、交流電圧源である。この実施例のランプ負荷１６は、互いに逆並列関係に構成された、すなわち反対方向に電流を伝導するように配向された一対の発光ダイオード２４及び２６を含む。スイッチ２０は、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）三端子スイッチであり、概略的に示すように、ソース電極３８とドレイン電極４０との間で選択的に負荷電流を通す、制御又はゲート電極３２に結合された静電動作ビーム３０を有する型のものとすることができる。スイッチは、供給源１４及びランプ負荷１６と直列に配置され、供給源１４に結合されたソース電極３８とランプ負荷１６に結合されたドレイン電極４０とを有する。

ＭＥＭＳスイッチ２０を通る電流は、ゲート電極３２への電圧の印加及びゲート電極３２からの電圧の除去によって制御可能である。例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの半導体スイッチとは異なり、スイッチ２０を含むＭＥＭＳスイッチは一般に、普通４０〜１００ボルトの範囲にある低電流高電圧駆動信号を必要とする。駆動信号の選択的適用を行うために、ゲート駆動システム４４は、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート電極３２に接続される。

システム４４は、一対の入力端子全体にわたって約３０〜１００ｋＨｚの周波数範囲内の低電圧入力信号を受け、かつ一対の出力端子全体にわたって高電圧ＡＣ出力信号を供給する圧電トランス（ＰＺＴ）４６を含む。従って、図示したトランス４６は、接地入力電極５２と関連する低電圧信号入力電極５０及び接地出力電極５６と関連する高電圧出力電極５４を有する四端子デバイスである。この実施例では、接地電極５２及び５６は互いに分離されるが、他の実施形態では、トランス４６は、入力及び出力端子が共通接地を共有する三端子デバイスと置き換えることができる。一般的に、この及び他の実施形態において、例えば参照符号５４、５６などのＰＺＴ出力端子間の電圧は、ＰＺＴ出力電圧Ｖ_ＰＯと呼ばれる。トランス４６への信号入力では、低電圧入力駆動回路６０は、例えば０〜５ボルトの範囲内の４０ｋＨｚ低電圧信号６２を受ける。図示した信号６２は、４０ｋＨｚ方形波発生器を含むスイッチング制御回路６５によって、全体として変調方形波パルス列を形成したオン／オフ方形波パルスとして生成することができる。ＰＺＴに対する各オンパルスは、４０ｋＨｚ周波数で変調される。駆動回路６０は、例えば４０ｋＨｚ周波数で約１５ボルトのピーク間ボルトのオーダの好適な入力信号をＰＺＴ入力電極５０、５２間に供給する。

実施例として、トランス４６は、１Ｗ出力定格及び１００ｋＨｚの共振周波数を有するローゼン型のものとすることができる。米国バージニア州ノーフォーク所在のＦａｃｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｌ．Ｃ．によって製造されたこのようなデバイスは、入力端子で大きな容量（例えば、７０〜８０ｎＦ）を示すことができ、作動周波数で１Ａよりも大きい非常に短い持続時間の瞬間ピーク入力電流を必要とするが、その平均電流は、パルス列の間に僅か数分の１アンペアである。約１５ピーク間ボルトのオーダの入力電圧をトランス４６に供給することができる好適な駆動回路は、米国カリフォルニア州サンノゼ所在のＭｉｃｒｅｌ，Ｉｎｃ．によって製造されたＭＩＣ４４２８である。そのような入力信号の場合に、トランス４６は、作動周波数において約９０ピーク間ボルトのオーダのピーク出力信号を電極５４、５６間に供給することができる。

電極５４及び５６間における出力ＡＣ電圧は、第１及び第２の並列ブランチ６４ａ及び６４ｂを有する従来型全波ダイオードブリッジ６４に結合されて、ＡＣパルスの持続時間の間に比較的安定なＤＣゲートパルス信号６８をもたらす完全整流波形を形成する。第１のブランチ６４ａは、直列に第１及び第２のダイオード８０、８２を含み、第２のブランチ６４ｂは、直列に第３及び第４のダイオードを含む。ダイオード８０、８２間の第１のブリッジ入力端子８８は、出力端子５４に接続され、一方、ダイオード８４、８６間の第２のブリッジ入力端子９０は、出力端子５６に接続される。ダイオード８０及び８４間に配置された第１のブリッジ出力端子９２は、ＭＥＭＳスイッチゲート電極３２に接続され、一方、ダイオード８２及び８６間に配置された第２のブリッジ出力端子９４は、ソース電極３８に結合される。

フィルタ段階は、並列構成で、その各々がスイッチ端子３２及び３８間に配置され、かつ整流ゲートパルス信号６８の立上り時間及び立下り時間を調整して所望のスイッチング立上り時間及び立下り時間を達成するように選択された値を有するレジスタ７０及びキャパシタ７２を含む。ゲート電極３２とソース電極３８との間の整流信号６８は、スイッチング回路６５のタイミングアクションによって選択的に加えられてＭＥＭＳスイッチ２０を作動させる約９０ボルトのオン電圧を有する。

他の実施形態によると、システム４４のようなゲート駆動システムは、並列に配置された２つ又はそれ以上のＭＥＭＳスイッチのスイッチングを制御して、スイッチング作動の負荷容量を増大することができる。さらに他の使用法では、複数のＭＥＭＳスイッチ２０は、ゲートの全てが、全て同じスイッチング回路６５の制御下でゲート駆動システム４４によって並列に接続されかつ駆動されるように、並列構成で配置することができる。幾つかの使用法では、共通に駆動されるが個々のものである駆動システム４４を用いて、スイッチの並列組合せの各ゲートを駆動するのが好ましい場合がある。

次に図２に移ると、別の実施形態による、例示的なアークレスＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１００を示している。システム１００は、負荷回路１４０内に配置された１つ又はそれ以上のＭＥＭＳスイッチ２０を含む。例示を簡単にするために、第１のスイッチ２０のみを図示している。

スイッチングシステム１００は、ＭＥＭＳスイッチの制御下で作動可能な負荷回路内の電流又は電圧レベルを検知する。電流又は電圧レベルが閾値を超えた場合には、平衡ダイオードブリッジを含むパルス回路２１２内にパルス電流をトリガするために、故障信号が、生成されかつ加えられる。ＭＥＭＳスイッチ２０の両側に適切に接続された平衡ダイオードブリッジ１８２の作用によるパルス電流は、アークを減少又は排除するために、ＭＥＭＳスイッチの開放に先立って該ＭＥＭＳスイッチからの電流を迂回させるのを可能にする。

パルス回路２１２は、本明細書でより完全に説明するように、ＭＥＭＳスイッチ２０のスイッチ状態を検出するように配置される。論理及び駆動制御回路２３０は、スイッチ２０のドレイン４０に結合された電圧検知回路２３４と、回路１４０に結合された電流検知回路２３６とを含む。検知回路２３４及び２３６は、例えば回路１４０内の電圧又は電流レベルが所定の閾値を超えた時を検出し、それに応答して、回路２３０によりパルス回路２１２をトリガさせることができる。この図示した実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート電極３２は、ソース電極３８とドレイン電極４０との間で負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤを選択的に通すように制御される。ゲート電極３２は、図１に関連して記載したように、ゲート駆動システム４４によって駆動される。この実施例では、ゲート駆動システム４４は、論理及び駆動制御回路２３０からオンオフパルス方形波信号６２を受ける。

図示するように、電圧スナバ回路１０２は、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に結合し、かつ高速接点分離時に再印加電圧立上り速度を制限するように構成することができる。一部の実施形態では、スナバ回路１０２は、スナバレジスタ（図示せず）と直列に結合されたスナバキャパシタ（図示せず）を含むことができる。スナバキャパシタは、上述のように再印加接点電圧を鈍化させるのを可能にすることができる。さらに、スナバレジスタは、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉鎖時にスナバキャパシタによって生成されたあらゆる電流パルスを抑制することができる。一部の他の実施形態では、電圧スナバ回路１０２は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含むことができる。

ＭＥＭＳスイッチ２０と直列に接続された負荷回路１４０は、電圧源１４４（Ｖ_ＢＵＳ）、該負荷回路１４０から見た合成負荷インダクタンスとバスインダクタンスとを表す負荷インダクタンス１４６（Ｌ_ＬＯＡＤ）、及び該負荷回路１４０から見た合成負荷抵抗を表す負荷抵抗１４８（Ｒ_ＬＯＡＤ）を含む。負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤは、第１のＭＥＭＳスイッチ２０の制御下で負荷回路１４０を通って流れることができる。

スイッチ２０を保護するためのアークレス抑制回路１６０は、ノード１８４及び１８６間に結合された第１及び第２のブランチ１８０、１８２で構成された平衡ダイオードブリッジ１６４を含み、パルス化されると各ブランチは、ダイオード１９０及び１９４にわたって実質的に等しい電圧低下を示して、ノード２００及び２０２間における電圧がゼロに近くなるようになる。ブリッジ１６４の第１のブランチ１８０は、互いに直列に結合された第１のダイオード１９０及び第２のダイオード１９２を含む。ブリッジ１６４の第２のブランチ１８２は、同様に互いに直列に結合された第３のダイオード１９４及び第４のダイオード１９６を含む。アークレス抑制回路１６０は、複数のＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク形成を抑制するのを可能にするように、修正又は拡張することができる。

ＭＥＭＳスイッチ２０は、ブリッジ１６４の一対の第１の端子２００、２０２間に並列構成で配置される。第１の端子２００の１つは、第１及び第２のダイオード１９０、１９２間に配置され、また第１の端子２０２の２番目は、第３及び第４のダイオード１９４、１９６間に配置される。ＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフ時に負荷電流をダイオードブリッジ１６４に伝達すると、ＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ１６４との間のインダクタンスは、比較的小さいｄｉ／ｄｔ電圧、例えば前方伝導の場合におけるＭＥＭＳスイッチのソース３８及びドレイン４０間の電圧の２以下〜５パーセントを生成する。ＭＥＭＳスイッチ２０は、単一パッケージ２０６内に平衡ダイオードブリッジ１６４と統合するか又は任意選択的に同じ金型上に形成して、これらの構成部品間の前述のインダクタンスを最小にすることができる。

スイッチ状態は、それに限定されないが、回路故障又はスイッチオン／オフ信号を含む多数の作用に応答して発生する可能性がある。パルス回路２１２は、直列構成で、パルススイッチ２１４、パルスキャパシタＣ_{ＰＵＬＳＥ}２１６、ダイオードブリッジ１６４、パルスインダクタＬ_{ＰＵＬＳＥ}２１８及びダイオード２２０を含む。スイッチ２１４は、ナノ秒からマイクロ秒の範囲のスイッチング速度を有するように構成された、電界効果トランジスタのような半導体デバイスとすることができる。ダイオードブリッジ１６４は、パルス回路２１２内に配置されて、制御回路２３０からの過電流又はオン／オフコマンドに応答して該ダイオードブリッジ１６４がパルス化された時に、スイッチ３０のドレイン４０からソース３８までの間での電圧低下がほぼゼロになる。すでに説明したように、パルスコマンドは、センサ２３６による検知過電流状態に応答して制御回路２３０によって生成される。この実施例では、パルススイッチ２１４は、論理及び駆動制御回路２３０の制御下にある駆動回路２１５に結合されたゲート端子を有する三端子デバイスであるものとして概略的に示している。参照符号２２４は、スイッチ遷移時にパルス回路２１２を通って流れることができるパルス回路電流Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}を表している。パルスキャパシタ２１６、パルスインダクタ２１８及びダイオード２２０は、センサ２３６によって検知された故障電流の特性に基づいて、パルス電流形状及びタイミング設定を可能にするように選択される。パルススイッチ２１４並びにその関連する駆動及び制御回路は、制御回路２３０とパルススイッチドライバ２１５との間のインタフェースを構成する。

ＭＥＭＳスイッチ２０は、ほぼゼロのドレイン対ソース電圧で電流を運びながら、閉鎖状態と開放状態との間で高速で切り替わる（例えば、１〜３０マイクロ秒のオーダで）ことができる。ゲート電極３２は、例えば４０ｋＨｚの高レベル信号又は低レベル信号のいずれかのようなオンオフ制御信号６２を発することができる回路２３０によって制御される。信号６２は、センサ２３６による負荷回路内の検出過電流又は故障電流に応答して、制御回路２３０によって生成される。

論理及び駆動制御回路２３０並びに電圧及び電流検知回路２３４、２３６は、例えば負荷回路１４０内の電圧又は電流レベルが所定の閾値を超えた時に、負荷故障を検出する。負荷故障に応答して、パルス回路２１２は、ＭＥＭＳスイッチを閉鎖状態から開放状態に切り替えるのを可能にする。回路２３０は、ブリッジをパルス化するために駆動回路２１５を介してパルススイッチ２１４を閉鎖位置にトリガする。トリガは、回路１４０内の過電流レベルにより生じた故障状態によるものとすることができるが、またＭＥＭＳスイッチ２０の所定のシステム依存オンタイムを達成するために、監視ランプ電圧に基づくものとすることもできる。

図２に示す実施形態では、制御回路２３０は、故障又は外部コマンドを検出すると、パルススイッチ２１４を作動させるために駆動回路２１５にトリガ信号２３２を送る。それに応答して、スイッチ２１４は、例えば検出スイッチング状態に対応した正弦波パルスを生成することができる。次にパルススイッチ２１４のトリガにより、パルス回路２１２内に電流の共振半波正弦波が発生し始める。

半波正弦波ブリッジパルス電流２２４（Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}）のピーク値は、パルスキャパシタＣ_{ＰＵＬＳＥ}２１６の両側の初期電圧並びにパルスキャパシタ２１６（Ｃ_{ＰＵＬＳＥ}）及びパルスインダクタンス２１８（Ｌ_{ＰＵＬＳＥ}）の値の関数である。パルスインダクタ２１８及びパルスキャパシタ２１６の値はまた、パルス電流の半波正弦波のパルス幅を決定する。ブリッジ電流パルス幅及び振幅は、負荷故障状態時における負荷電流（Ｖ_ＢＵＳ／Ｌ_ＬＯＡＤ）及び所望のピークレットスルー電流の変化率を前提として、システム負荷電流ターンオフ要件を満たすように調整することができる。図２の実施形態によると、パルススイッチ２１４は、ＭＥＭＳスイッチ２０を開放する前に開放状態から閉鎖導通状態に再構成される。

故障状態の下で、論理及び制御回路がトリガ信号２３２を発した場合には、パルス回路電流２２４（Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}）の振幅は、負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤの振幅よりもかなり大きくなる（例えば、パルス回路２１２の共振及びキャパシタ２１６の初期電圧に起因して）。その結果、ＭＥＭＳゲート駆動システム４４によってゲート電極３２に印加された電圧によって、ＭＥＭＳスイッチ２０の作動状態は、該ＭＥＭＳスイッチ２０がターンオフし始めると、閉鎖及び導通状態から増大抵抗の１つに遷移される。この遷移時に、ビーム３０とドレイン領域との間の接点は、依然として閉鎖されている可能性があるが、接点圧力は、スイッチ開放過程により低下する。これは、スイッチ抵抗を増大させ、このことが次に、負荷電流をＭＥＭＳスイッチ２０からダイオードブリッジ１６４内に迂回させる。この状態では、平衡ダイオードブリッジ１６４は、接点抵抗の増大を示すＭＥＭＳスイッチ２０を通る経路と比べて比較的低インピーダンスの経路を負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤに提供する。ＭＥＭＳスイッチ２０を通る負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤの迂回は、該負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤの変化度に比較して極めて高速過程である。電流迂回率をさらに増大させるために、ＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ１６４との間の接続と関連するインダクタンスは、最小にすべきである。

負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤがＭＥＭＳスイッチ２０からダイオードブリッジ１６４に迂回した場合、第１及び第２のダイオードブランチ１８０、１８２間にアンバランスが形成される。パルス回路電流が減衰するにつれて、パルスキャパシタ２１２（Ｃ_{ＰＵＬＳＥ}）にわたる電圧は、反転（例えば、「逆起電力」として作用する）し続けて負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤをゼロまで減少させる。ダイオード１９２及び１９４は、逆バイアスになり、パルスインダクタ２１８Ｌ_{ＰＵＬＳＥ}及びブリッジパルスキャパシタ２１６（Ｃ_{ＰＵＬＳＥ}）が、負荷回路１４０を負荷インダクタンスの作用を含む直列共振回路にするようになる。

ダイオードブリッジ１６４は、接点がＭＥＭＳスイッチ２０を開放するように分離するまで、該ＭＥＭＳスイッチ２０の接点間でほぼゼロ電圧を維持するように構成し、それによって開放時にＭＥＭＳスイッチ２０の接点間に形成される傾向にあるあらゆるアークを抑制することによって損傷を防止することができる。ＭＥＭＳスイッチ２０の接点は、該ＭＥＭＳスイッチ２０を通る接点電流を大いに減少させた状態で開放状態に近づく。また、回路インダクタンス、負荷インダクタンス及びソース内のあらゆる蓄積エネルギーは、パルス回路キャパシタ２１２（Ｃ_{ＰＵＬＳＥ}）に伝達することができ、電圧散逸回路（図示せず）によって吸収することができる。

図３は、図１及び図２の圧電トランス４６用の例示的な等価回路を示している。ＦａｃｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｌ．Ｃ．によって製造されたような、以下の構成要素値を有する１ワットＰＺＴトランスを、トランス４６として使用した時に、駆動回路６０からの１５ボルト入力オン電圧は、端子５４、５６間に９０ボルト出力Ｖ_ＰＯをもたらす。

Ｃ_ｉｎ：７４．３ｎＦＲ：１．２０オーム
Ｃ：１．３４ｎＦＬ：１．４２ｍＨ
Ｃ_ｏｕｔ：１０．４ｐＦ出力電圧／入力電圧（ピーク）：６
スイッチングシステムの実施例としての使用法を示してきた。回路は、静電力に対応して移動可能な素子を有する型のＭＥＭＳスイッチを組み込む。１つ又はそれ以上のＭＥＭＳスイッチは、作動時に例えば数分、数日、数か月又は年のような比較的長い時間の間に負荷を通して絶えず電流を通すように通常閉鎖の導通状態で配置される。スイッチは、通常かつ主として導通モードに維持される。図２の実施例としてのアークレスＭＥＭＳベーススイッチングシステム１００場合では、回路短絡のような異常状態の発生は、ＰＺＴ出力電圧Ｖ_ＰＯの急速遷移で生じた即時高速ターンオフ応答をもたらす。故障の検出とスイッチ２０を非導通状態に置くこととの間の経過時間は、ＰＺＴ駆動回路の最小スイッチング時間よりも長い数マイクロ秒のオーダとすることができる。

本発明の多数の実施形態は、他の電力スイッチング用途に比較して非常に低い平均スイッチング電力を特徴としている。例えば、幾つかの電力変換用途では、比較的低電圧（多くの場合に１８ボルトよりも低い）半導体スイッチングデバイスを利用して、約１００ｋＨｚ又はそれよりも高いオーダの連続高速スイッチングを行う。

そのような連続高周波数用途では、平均スイッチング損失は、比較的大きい。さらに、システム１０及び１００に組み込んだようなＭＥＭＳスイッチは、匹敵する回路用途のために設計された半導体スイッチよりも約３倍のオーダ小さい容量特性を示す。その結果、所定のスイッチング速度の場合に、ＭＥＭＳスイッチを作動させるのに必要な電力もまた、非常に低い。

この実施例としてのシステム１０及び１００の別の特徴は、効率及び低電力散逸の最適化を必要とせずに、端子５４及び５６間におけるＰＺＴ出力電圧の立上り及び立下り時間を最小にするような方法でＰＺＴを使用する回路の設計である。個々のスイッチング作動時における電力散逸は、オンオフ状態の高速繰り返しサイクルを行うのではなくて長時間にわたってスイッチをオン状態に維持する回路内にＭＥＭＳスイッチが配置された時に、大きな懸念事項となる可能性がある。ＰＺＴは、出力電圧対入力電圧比の鋭い共振周波数特性を有する。共振周波数は、圧電層及び電極を含むトランスの構造内に含まれる材料の材料定数及び寸法により決まる。

高速遷移を行うために、ＰＺＴデバイスは、該デバイスのピーク共振周波数以外において入力信号６２を受ける。例えば、ＰＺＴ４６が１００ｋＨｚ＋／−１０％のピーク共振周波数を有する場合には、端子５０及び５２にわたる入力信号は、スイッチング制御回路６５又は論理及び駆動制御回路２３０により生成された信号６２に基づいて４０ｋＨｚである。すなわち、回路１０及びシステム１００は、ピーク共振周波数以外の周波数で、従って比較的低効率でＰＺＴ４６を作動させるように設計される。このことは、実施例としての使用法において、高速ターンオフを行うための減衰をもたらすと同時に、効率の低下は、許容可能である。他の回路実施形態では、速度の最適化は、より高共振周波数を有するＰＺＴの選択を含むことができ、ＰＺＴへの入力信号は、共振周波数に比較的近いものとすることができる。一般に、共振周波数は、１００ｋＨｚから少なくとも５００ｋＨｚの範囲とすることができ、また入力信号は、共振周波数から１０〜４０パーセント又はそれ以上だけ変化させることができる。

最適ＰＺＴは、比較的低散逸率（機械的Ｑ）、並びに１００ｋＨｚ又はそれ以上かつ共振周波数に近い高作動周波数で作動させることができる。作動モードは、図１又は図２のＰＺＴ入力端子５０と駆動回路６０との間に配置されたインダクタ５１のような誘導負荷でＰＺＴデバイスの入力容量を補正することによって高められる。ＭＥＭＳゲートドライバのＰＺＴ用のピーク出力対ピーク入力電圧の比率は、約５：１〜１０：１又はそれより高いオーダとすることができる。駆動回路は、５〜１５ボルトのオーダでのＰＺＴへの入力信号を生成することができ、一方、ＰＺＴ出力電圧は、最大１００ボルト又はそれ以上のオーダとすることができる。

開示した実施形態は、入力及び出力端子間の非常に高い電圧分離、非常に低い入力−出力容量結合、高周波作動、低ＥＭＩ発生並びに出力電圧対入力電圧の高い比率を有するＭＥＭＳゲートドライバを提供する。実施例を用いて最良の形態を含む本発明を説明してきたが、当業者は本発明を製作しかつ使用することができる。多数の他の実施形態が考えられ、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって限定されるのみである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

負荷を通る電流を切り替え可能に制御するＰＺＴ及び関連する駆動回路の制御下にあるＭＥＭＳスイッチを有する例示的な回路を示す図。負荷を通る電流を切り替え可能に制御するＰＺＴ及び関連する駆動回路の制御下にあるＭＥＭＳスイッチを同様に有する例示的なアークレスＭＥＭＳベースのスイッチングシステムを示す図。図１及び２に示したＰＺＴに対応する等価回路を示す図。

符号の説明

１０回路
１４供給源
１６ランプ負荷
１８限流負荷レジスタ
２０スイッチ
２４、２６発光ダイオード
３０静電動作ビーム
３２制御又はゲート電極
３８ソース電極
４０ドレイン電極
４４ゲート駆動システム
４６圧電トランス（ＰＺＴ）
５０低電圧信号入力電極
５１インダクタ
５２接地入力電極
５４高電圧出力電極
５６接地出力電極
６０低電圧入力駆動回路
６２低電圧信号
６４従来型全波ダイオードブリッジ
６４ａ、６４ｂ第１及び第２の並列ブランチ
６５スイッチング制御回路
６８ＤＣゲートパルス信号
７０レジスタ
７２キャパシタ
８０、８２第１及び第２のダイオード
８４、８６第３及び第４のダイオード
８８第１のブリッジ入力端子
９０第２のブリッジ入力端子
９２第１のブリッジ出力端子
９４第２のブリッジ出力端子
１００アークレスＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１０２電圧スナバ回路
１４０負荷回路
１４４電圧源（Ｖ_ＢＵＳ）
１４６負荷インダクタンス（Ｌ_ＬＯＡＤ）
１４８負荷抵抗（Ｒ_ＬＯＡＤ）
１６０アークレス抑制回路
１６４平衡ダイオードブリッジ
１８０、１８２第１及び第２のブランチ
１８４、１８６ノード
１９０、１９４ダイオード
１９６ダイオード
２００、２０２ノード間電圧
２０６単一パッケージ
２１２パルス回路
２１４パルススイッチ
２１５駆動回路
２１６パルスキャパシタＣ_{ＰＵＬＳＥ}
２１８パルスインダクタＬ_{ＰＵＬＳＥ}
２２０ダイオード
２２４参照符号
２２４半波正弦波ブリッジパルス電流（Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}）
２３０論理及び駆動制御回路
２３２トリガ信号
２３４電圧検知回路
２３６電流検知回路

Claims

負荷（１６）の作動を制御するための回路（１０）を含む電気システムであって、
前記負荷（１６）を導通状態又は非導通状態の１つに置くように配置されたＭＥＭＳスイッチ（２０）と、
共振周波数を有する共振周波数範囲を有し、前記負荷を前記導通状態に置く閉鎖位置と前記負荷を前記非導通状態に置く開放状態との間での前記スイッチ（２０）の移動を制御するようにその出力端子（５４、５６）から比較的高電圧出力信号又は比較的低電圧出力信号を供給するように構成され、前記高電圧出力信号がその前記共振周波数範囲内の周波数成分を含む圧電トランス（４６）と、
前記圧電トランス（４６）の出力端子（５４、５６）に前記高電圧出力信号又は低電圧出力信号を選択的に生じさせるように、該圧電トランスの入力端子を駆動する入力電圧信号を供給するための制御回路（６５）と、
を含む回路（１０）。
前記比較的高電圧出力信号が、ピーク出力値を特徴とし、
前記入力電圧信号が、ピーク入力値を特徴とし、
前記ピーク出力値対前記ピーク入力値の比率が、５〜１０の範囲にある、
請求項１記載の回路（１０）。
前記トランス（４６）が、ピーク機械的レスポンス及びピーク出力電圧レスポンスを生成する特定の共振周波数をその範囲内に有する共振周波数範囲を有し、
前記制御回路によって供給された前記信号が、前記トランスの共振周波数範囲内の発振信号を有する前記比較的高電圧入力信号をもたらす発振周波数を含み、
前記トランスが、前記周波数成分と前記比較的高電圧入力信号のピーク値よりも高いピーク値とを有する前記比較的高電圧出力信号を供給するようになる、
請求項１記載の回路（１０）。
前記制御回路（６５）によって供給された前記信号が、前記比較的高電圧入力信号に対応する論理高電圧レベルを含み、
前記比較的高電圧入力信号が、前記論理高制御信号のピーク値に対応するピーク値を有する発振信号であり、
前記高電圧入力信号のピーク値が、前記制御回路（６５）によって供給された前記信号の論理高電圧レベルのピーク値よりも大きい、
請求項１記載の回路（１０）。
前記制御回路（６５）が、駆動回路（６０）に接続されて、５ボルトを超えた前記比較的高電圧入力信号のピーク値の生成をもたらす、前記比較的低入力信号及び比較的高入力信号を生成する、請求項４記載の回路（１０）。
前記トランス（４６）が、ピーク機械的レスポンス及びピーク出力電圧レスポンスを生成する特定の共振周波数を有する共振周波数範囲を有し、
前記比較的高電圧入力信号の供給が、前記トランス（４６）の共振周波数範囲内の発振周波数を有する、前記制御回路（６５）からの信号に基づいて前記比較的高電圧入力信号を形成することによって実施される、
請求項１記載の回路（１０）。
前記制御回路（６５）が、前記圧電トランス（４６）の共振周波数からオフセットした発振周波数で前記信号を供給する、請求項６記載の回路（１０）。
前記高電圧出力信号を整流する回路（６４）をさらに含み、
該回路（１０）が、最大電圧の１０パーセント〜最大電圧の９０パーセントを測定可能な、１〜３０マイクロ秒の範囲内の立上り時間を特徴としたＭＥＭＳスイッチ（２０）に入力を供給することができる、
請求項１記載の回路（１０）。
前記高電圧出力信号を整流するダイオードブリッジ回路（６４）をさらに含み、
該回路（１０）が、最大電圧の９０パーセント〜最大電圧の１０パーセントを測定可能な、３〜１０マイクロ秒の範囲内の立下り時間を特徴としたＭＥＭＳスイッチ（２０）に入力を供給することができる、
請求項１記載の回路（１０）。