JP2010530730A - 電流制限装置ベースのリセット可能memsマイクロスイッチアレイ - Google Patents

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Abstract

過電流保護方法を開示する。この方法は、複数のMEMSスイッチデバイスを流れる負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なるか否かを判定するステップと、この監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なる場合に故障信号を生成するステップと、故障信号に応答して、複数のMEMSスイッチデバイスからの負荷電流を迂回させるステップと、負荷電流値と所定の値との相違が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップを含む。
【選択図】図6

以上

Description

本発明は、概して、電流路の電流を遮断するための切替装置に関し、特に、MEMSベースの切替装置に関する。
電気機器及び配線の火災や損傷を防ぐには、電気機器及び配線の電流が定格電流を超えないようにする必要がある。過電流状態は、損傷が発生するまでの時間によって、一定時間にわたる過電流状態と瞬時過電流状態との2つに分けられる。
一定時間にわたる過電流故障の種類は、それほど多くはないが、故障の程度に応じて、所定の期間後に回路の動作を停止する保護装置を必要とする。一定時間にわたる過電流故障時の電流値は、通常、定格値を僅かに上回るものから最大で定格値の8〜10倍である。ある程度の期間であれば、システムの配線及び装置を用いてこれらの故障に対応することができるが、電流値が下がらない場合には、保護装置を用いて回路を停止する。一定時間にわたる故障の原因は、概して、機器が機械的に過負荷状態にあること、或いは、配線間、配線から接地、又は配線から中性点のような、極性が逆である配線間の経路インピーダンスが高いことにある。
瞬時過電流故障は、短絡回路故障とも称される深刻な故障であり、このときの電流値は定格の8〜10倍以上である。この故障の原因は、配線間、配線から接地、又は配線から中性点のような極性が逆である配線間の経路インピーダンスが低いことにあり、直ちにシステムを故障から切り離す必要がある。短絡回路故障の際は電流が極端に大きくなり、機器が著しく損傷し、人間に危険が及ぶ可能性がある。機器の短絡回路故障が長引くほど、発散するエネルギーが大きくなり、損傷が大きくなる。短絡回路故障時の応答時間を最小限にすることで、発散エネルギーを最小限に抑えることは、非常に重要である。
回路遮断器は、回路故障による損傷から電気機器を保護するために設計された電気装置である。従来、最も標準的な回路遮断器は、嵩張る電気機械式スイッチを備えている。残念ながら、標準的な回路遮断器は大型になってしまい、スイッチング機構を動作させるためには大きな力が必要となる。また、この回路遮断器スイッチの動作速度は、比較的遅いことが多い。更に、この回路遮断器の組み立て作業はかなり複雑なので、製造費用がかさむ。しかも、標準的な回路遮断器のスイッチング機構においては、接点が物理的に切り離されている場合、通常、接点間にアークが生じ、回路内の電流が停止するまで接点間に電流が流れ続ける。アークによるエネルギーは、基本的に、機器と人間の両方にとって望ましくない。
接触器は、コマンドに応じて電気的負荷のONとOFFが切り替わるように設計された電気装置である。従来、制御装置には電気機械接触器が用いられており、電気機械接触器では最大で遮断容量までの切替電流を扱うことができる。また、電気機械接触器を、切替電流用の電力システムにも適用できる。しかし、電力システムの故障電流は電気機械接触器の遮断容量よりも大きい場合が多い。従って、電力システム用途に電気機械接触器を採用するためには、接触器の遮断容量を上回る全ての値の電流について、接触器で回路が開く前に故障電流を遮断できるよう、一連の装置を素早く作動させて接触器を損傷から保護することが望ましい。
現在、電気システムでは、過電流保護のために、ヒューズ又は回路遮断器を使用している。ヒューズは、加熱効果(すなわち、It)に反応して作動する。これらは回路設計の難点であり、負荷に近い方の一連のヒューズそれぞれについて、定格電流をできるだけ小さくする必要がある。この設計では、回路が短絡状態になると、上流のヒューズの加熱エネルギーは全て同じになり、故障に最も近い位置において定格電流が一番小さいヒューズが最初に作動することになる。しかし、ヒューズは一回使い切りの装置なので、故障が発生した後は交換する必要がある。
電力システムにおいて接触器の利便性を高めるためにかつて考えられていた解決策として、真空接触器、真空遮断器、及び空気遮断接触器がある。しかし、真空接触器のような接触器では、接触器先端が密閉真空容器に封入されているので、目視検査が容易ではなかった。また、真空接触器は、大型のモータ、変圧器、及びコンデンサの切り替えには非常に適しているものの、周知のように、特に負荷の遮断時に過渡過電圧故障が生じてしまう。
電気機械接触器には通常、機械式スイッチを使用する。しかし、機械式スイッチによる切替は比較的低速である場合が多いので、切り替えが必要な事象が生じる数十ミリ秒前に、ゼロ交差を予測する予測技術が必要になる。しかし、この時に、過渡電圧が生じることが多く、ゼロ交差予測に誤差が生じ易い。
高速で切り替えを行うために、応答速度が遅い機械式スイッチや電気機械式スイッチの代わりに、高速で応答する固体スイッチが用いられてきた。周知のように、固体スイッチにより、導通状態と非導通状態とを切り替え、電圧又はバイアスを制御する。例えば、固体スイッチに逆バイアスをかけることにより、スイッチを非導通状態にする。しかし、固体スイッチでは、非導通状態に切り替わった時に、接点間に物理的な間隙が形成されないので、漏れ電流が生じる。また、内部抵抗により、固体スイッチが導通状態で作動すると、電圧降下が生じる。正常動作環境において、電圧降下も漏れ電流も、過熱状態の一因となるので、切替動作や寿命に悪影響を及ぼす。しかも、少なくとも固体スイッチ特有の漏れ電流が一因となって、固体スイッチを回路遮断器に用いることは不可能である。
米国特許第5,943,223A号 米国特許第6,054,659A号 米国特許第6,275,366B1号 欧州特許第1255268A1号 ドイツ特許第19927762A1号 ドイツ特許第19850397A1号
本発明の一実施形態において、過電流保護の方法を開示する。この方法は、複数のMEMSスイッチデバイスを流れる負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なるか否かを判定するステップと、この監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なる場合に故障信号を生成するステップを含む。更に、この方法は、故障信号に応答して、複数のMEMSスイッチデバイスからの負荷電流を迂回させるステップと、負荷電流と所定の負荷電流値との相違が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップとを含む。
本発明の別の実施形態において、配電システム用の過電流保護装置を開示する。この装置は、入力制御コマンドを受け取るように構成された、遮断スイッチに接続された端子台を備えるユーザーインターフェースと、このユーザーインターフェースに接続された論理回路と、この論理回路に接続された電源段回路を備える。この装置は、更に、論理回路及び電源回路に接続されたMEMS保護回路と、このMEMS保護回路に接続された切替回路であって、複数のMEMSスイッチ装置を有する切替回路とを備える。
添付図面に対応する以下の詳細な説明により、本発明に係る以上に記載の及びその他の特徴、態様、及び利点について更に理解できよう。全図面を通して、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。
本発明の一実施形態に係る、MEMSベースの切替システムを例示するブロック図である。 図1に例示するMEMSベースの切替システムの回路図である。 図1に例示するすシステムに代わる、本発明の一実施形態に係るMEMSベースの切替システムを例示するブロック図である。 図3に例示するMEMSベースの切替システムの回路図である。 本発明の一実施形態に係る、MEMSベースの過電流保護部品を例示するブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、MEMS対応過電流保護部品の利用方法を例示するフローチャートである。
これより、本発明の種々の実施形態をわかり易く説明するため、多くの具体例を取り上げて説明する。しかし、当業者に明らかなように、本発明の実施形態において、これらの具体的詳細は必須ではなく、本発明の実施形態は記載の形態に限定されず、更に、本発明には様々な代替形態が存在する。また、周知の方法、手順、及び構成要素の詳細な説明は割愛する。
本発明の実施形態をわかり易く説明するため、様々な動作を独立した複数のステップとして記載することがある。しかし、これらの動作を必ずしも記載の順序どおりに実施する必要はなく、更に、その順番を変更できないわけではない。また、「一実施形態において」などの表現が繰り返し用いられる。これらは共通の実施形態について用いられていることもあるが、そうではないこともある。同様に、本明細書において、「備える」「有する」「含む」などの表現については、特に明記しない限り、同義である。
図1は、本発明の一実施形態に係る、MEMSベースのアークレス切替システム10のブロック図である。現時点においてMEMSとは、一般的に、機能の異なる複数の素子を組み込むミクロンサイズの構造を意味する。そのような素子には、微細加工技術によって共通の基材上に実装された、機械素子、電気機械素子、センサ、アクチュエータ、及び電子部品が含まれるが、これらに限定されない。しかし、現時点でMEMS装置に適用可能な技術及び構造の多くが、わずか数年後には、ナノテク装置、すなわち100ナノメートル未満の大きさの構造において利用可能になると思われる。従って、本発明は広義に解釈されるべきである。本明細書に例示する実施形態はMEMSベースの切替装置に関するが、本発明を適用できるものは、ミクロンサイズの素子だけではない。
図1において、MEMSベースのアークレス切替システム10は、MEMSベースの切替回路12とアーク抑制回路14とを備え、このアーク抑制回路14(ハイブリッドアークレス制限技術(HALT)ともいう)は、MEMSベースの切替回路12に動作可能に接続されている。本発明の実施形態において、MEMSベースの切替回路12は、例えば、その全体がアーク抑制回路14に接続された状態で1つのパッケージ16として実装されている。別の実施形態において、MEMSベースの切替回路12は、その特定部分又は特定要素のみがアーク抑制回路14に接続された状態でパッケージ16として実装されていてもよい。
図2を参照しながら後に詳述するが、MEMSベースの切替回路12は、現在考案されている構成において、1つ以上のMEMSスイッチを有する。また、アーク抑制回路14は、平衡ダイオードブリッジとパルス回路とを有する。また、アーク抑制回路14を用いると、1つ以上のMEMSスイッチの接点間のアーク形成を抑制することができる。なお、アーク抑制回路14を用いると、交流電流(AC)又は直流電流(DC)に基づいて、アーク形成を抑制することができる。
図2は、図1に例示したMEMSベースのアークレス切替システムの一実施形態に係る回路図18である。図1に関連して上述したように、MEMSベースの切替回路12は、1つ以上のMEMSスイッチを備えている。図示の実施形態の場合、第1MEMSスイッチ20は、第1接点22、第2接点24、及び第3接点26を有する。一実施形態において、第1接点22をドレインとし、第2接点24をソースとし、第3接点26をゲートとする。また、図2のように、電圧スナバ回路33をMEMSスイッチ20と並列に接続して、高速での接点分離の間の電圧のオーバーシュートを低減することができるが、このことについては後に詳述する。別の実施形態において、スナバ回路33は、スナバ抵抗器(図4の参照符号78参照)に直列に接続されたスナバコンデンサ(図4の76参照)を含んでもよい。スナバコンデンサにより、MEMSスイッチ20の一連の開動作時、過渡電圧を分散させ易くなる。また、スナバ抵抗により、MEMSスイッチ20の閉動作時、スナバコンデンサからのあらゆる電流パルスも抑制することができる。また別の実施形態において、電圧スナバ回路33は、金属酸化物バリスタ(MOV)(図示せず)を含む。
本発明の実施形態として、負荷回路40と第1MEMSスイッチ20とが直列に接続されていてもよい。負荷回路40に、電圧源VBUS44を含めてもよい。更に、負荷回路40に、負荷インダクタンスLLOAD46を含めてもよい。この負荷インダクタンスLLOAD46は、負荷回路40における、負荷インダクタンスとバスインダクタンスとによる複合インダクタンスである。負荷回路40には、更に、負荷回路40における複合負荷抵抗を示す負荷抵抗RLOAD48を含んでもよい。参照符号50は、負荷回路40及び第1MEMSスイッチ20を流れる負荷回路電流ILOADである。
図1に関連して上述したように、アーク抑制回路14に、平衡ダイオードブリッジを含めてもよい。平衡ダイオードブリッジ28は、図示の実施形態において、第1の線29と第2の線31を有する。本明細書において、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第1及び第2の線29、31の両方の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されたダイオードブリッジを意味する。平衡ダイオードブリッジ28の第1の線29には、第1ダイオードD30及び第2ダイオードD32を含めてもよく、これらのダイオードは相互に接続されて第1直列回路を構成する。同様に、平衡ダイオードブリッジ29の第2の線31に、第3ダイオードD34及び第4ダイオードD36を含めてもよく、これらのダイオードは相互に動作可能なように接続されて第2直列回路を構成する。
一実施形態において、第1MEMSスイッチ20を、例えば、平衡ダイオードブリッジ28の中間点に並列に接続してもよい。平衡ダイオードブリッジ28の中間点を、第1及び第2ダイオード30、32の間に位置する第1中間点と、第3及び第4ダイオード34、36の間に位置する第2中間点から構成してよい。更に、第1MEMSスイッチ20と平衡ダイオードブリッジ28とを密接にパッケージングすると、平衡ダイオードブリッジ28、特に、MEMSスイッチ20との接続部に生じる寄生インダクタンスを最小限に抑えることができる。なお、本発明の実施形態において、第1MEMSスイッチ20及び平衡ダイオードブリッジ28は、例えば、第1MEMSスイッチ20がターンオフ状態になり負荷電流がダイオードブリッジ28へ移動する際、この第1MEMSスイッチ20と平衡ダイオードブリッジ28との間の固有インダクタンスにより生じる電圧が、MEMSスイッチ20のドレイン22とソース24とにかかる電圧の数パーセントに満たないdi/dt電圧となるように、相互に対して位置決めされているが、このことについては後に詳述する。別の実施形態において、MEMSスイッチ20とダイオードブリッジ28との相互作用によるインダクタンスを最小化する目的で、第1MEMSスイッチ20を、平衡ダイオードブリッジ28と単一のパッケージ38内に一体的に組み込んでも、任意構成として、同一のダイ内に一体的に組み込んでもよい。
また、アーク抑制回路14には、平衡ダイオードブリッジ28に連動するよう接続されたパルス回路52を含めてもよい。パルス回路52を、スイッチ条件を検出して、そのスイッチ条件に応じてMEMSスイッチ20の開動作を開始するように構成してもよい。なお、「スイッチ条件」という用語は、MEMSスイッチ20の現在の動作状態を変化させる引き金となる条件を意味する。このスイッチ条件の結果、例えば、MEMSスイッチ20が始め閉鎖状態であったものが、次に開放状態になったり、MEMSスイッチ20が始め開放状態であったものが、次に閉鎖状態になったりする。スイッチ条件は、例えば回路故障やスイッチオン/オフ要求などの多様な要因によって生じる。
パルス回路52に、パルススイッチ54と、パルススイッチ54に直列に接続されたパルスコンデンサCPULSE56とを含めてもよい。更に、パルス回路52に、パルススイッチ54に直列に接続されたパルスインダクタンスLPULSE58及び第1ダイオードD60も含めてもよい。パルスインダクタンスLPULSE58、ダイオードDP60、パルススイッチ54、及びパルスコンデンサCPULSE56を直列に接続してパルス回路52の最初のブロックを形成すると、最初のブロックの構成要素を用いて、パルス電流の波形やタイミングを調節することができる。参照符号62は、パルス回路52を流れるパルス回路電流を示す。
本発明の実施形態において、MEMSスイッチ20を用いて、ほぼゼロに近い電圧にもかかわらず電流を送りながら、始め閉鎖状態であったものから、次に開放状態に迅速に(例えば、ピコ秒又はナノ秒単位で)切り替えることができる。これは、負荷回路40と、MEMSスイッチ20の接点の両端に並列接続された平衡ダイオードブリッジ28を含むパルス回路52とが協調動作することにより可能となる。
図3は、本発明の一実施形態に係る、ソフトスイッチングシステム11のブロック図である。図3において、ソフトスイッチングシステム11は、動作可能に相互接続された切替回路12、検出回路70、及び制御回路72を含む。検出回路70を切替回路12に接続して、負荷回路の交流電源電圧(以下、「電源電圧」という)又は負荷回路の交流電流(以下、「負荷回路電流」という)のゼロ交差を検出することができる。制御回路72を、切替回路12及び検出回路70と接続することによって、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の検出に応じて、切替回路12の1つ以上のスイッチを、アークを生じることなく切り替えることができる。制御回路72の一実施形態により、切替回路12の少なくとも一部を構成する1つ以上のMEMSスイッチを、アークを生じることなく切り替えることができる。
本発明の一実施形態として、ソフトスイッチングシステム11を、ソフトスイッチング又はポイントオンウェーブ(PoW)スイッチングを行うように構成することができる。こうすると、切替回路12を通る電圧がちょうどゼロか又はほぼゼロの場合、切替回路12の1つ以上のMEMSスイッチが閉じ、切替回路12を流れる電流がちょうどゼロか又はほぼゼロの場合、切替回路12の1つ以上のMEMSスイッチが開く。切替回路12を通る電圧がちょうどゼロか又はほぼゼロのときにスイッチが閉じることにより、1つ以上のMEMSスイッチの接点が閉じたときにその接点間の電界が低く抑えられるので、複数のスイッチが全て同時に閉じなくても、接触前のアーク放電を防ぐことができる。同様に、ソフトスイッチングシステム11において、切替回路12を流れる電流がちょうどゼロか又はほぼゼロのときにスイッチが開くことにより、切替回路12で最後に開くスイッチに流れる電流をそのスイッチの設計性能の範囲内とすることができる。上述のように、制御回路72により、切替回路12の1つ以上のMEMSスイッチの開閉を、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差と同期させることができる。
図4は、図3のソフトスイッチングシステム11の回路図19である。図示の実施形態において、回路図19は、切替回路12、検出回路70、及び制御回路72を備える。
説明の便宜上、図4の切替回路12には、MEMSスイッチ20が1つしか記載されていないが、例えば、ソフトスイッチングシステム11の電流及び電圧の処理要件などに応じて、切替回路12に複数のMEMSスイッチを含めることができる。例えば、一実施形態において、MEMSスイッチ間の電流を分割するために、相互に並列接続された複数のMEMSスイッチを含むスイッチモジュールを、切替回路12に含めることができる。別の実施形態として、MEMSスイッチ間の電圧を分割するために、直列接続されたMEMSスイッチアレイを、切替回路12に含めることもできる。また別の実施形態としては、相互に直列接続されたMEMSスイッチモジュールアレイを切替回路12に含めることで、MEMSスイッチモジュール間の電圧を分割するとともに、各モジュールのMEMSスイッチ間の電流を分割することができる。更に、切替回路12の1つ以上のMEMSスイッチを、単一のパッケージ74として組み込むことができる。
MEMSスイッチ20は、例えば、3つの接点を有する。一実施形態において、第1接点をドレイン22とし、第2接点をソース24とし、第3接点をゲート26とする。一実施形態において、制御回路72をゲート接点26に接続して、MEMSスイッチ20の電流状態を切り替えることができる。別の実施形態において、緩衝回路(スナバ回路)33をMEMSスイッチ20に並列に接続して、MEMSスイッチ20における電圧発生を遅延させることができる。図示のように、緩衝回路33において、スナバコンデンサ76をスナバ抵抗器78に直列に接続してもよい。
図4において、MEMSスイッチ20は更に、負荷回路40と直列に接続されている。この構成において、負荷回路40に電圧源VSOURCE44を備え、典型的な負荷インダクタンスLLOAD46及び負荷抵抗RLOAD48を含めることができる。一実施形態において、電圧源VSOURCE44(AC電圧源ともいう)により、交流電源電圧及び交流負荷回路電流ILOAD50を発生させる。
上述のように、検出回路70により、負荷回路40の交流電源電圧又は交流負荷電流ILOAD50のゼロ交差を検出する。交流電源電圧の検知は、電圧検知回路80によって行われ、交流負荷電流ILOAD50の検知は、電流検出回路82によって行われる。交流電源電圧及び交流負荷電流の検出を行うのは、継続的であっても継続的でなくてもよい。
電源電圧のゼロ交差の検出は、例えば、図示のゼロ電圧比較器84のような比較器を用いて行われる。電圧検知回路80で検知した電圧及びゼロ電圧基準86は、ゼロ電圧比較器84への入力として用いられる。これにより、負荷回路40の電源電圧のゼロ交差を示す出力信号88が生成される。同様に、負荷電流ILOAD50のゼロ交差の検出も、図示のゼロ電流比較器92のような比較器を用いて行われる。電流検出回路82で検知された電流及びゼロ電流基準90は、ゼロ電流比較器92への入力として利用される。これにより、負荷電流ILOAD50のゼロ交差を示す出力信号94が生成される。
制御回路72において、MEMSスイッチ20(又はMEMSスイッチアレイ)の現在の動作状態を変更する(例えば、開閉動作を行う)時点を、出力信号88及び94に基づいて判定する。具体的には、制御回路72を用いて、交流負荷電流ILOAD50でのゼロ交差の検出に応じて、アークを生じることなくMEMSスイッチ20を開き、負荷回路40を遮断又は開路する。更に、制御回路72によって、交流電源電圧のゼロ交差検出に基づいて、アークを生じることなくMEMSスイッチ20を閉じると、負荷回路40が完結する。
制御回路72により、少なくとも部分的にイネーブル信号96の状態に基づいて、MEMSスイッチ20の現在の動作状態を第2の動作状態に切り替えるか否かを判定することができる。例えば、接触器の電源オフコマンドを引き金に、イネーブル信号96が生成される。また、イネーブル信号96、並びに、出力信号88及び94を、図示のデュアルDフリップフロップ98への入力信号として用いる。これらの信号を用いると、イネーブル信号96が(例えば、立ち上がりエッジをきっかけに)アクティブになった後の最初の電源電圧ゼロ点でMEMSスイッチ20を閉じ、イネーブル信号96が(例えば、立ち下がりエッジをきっかけに)停止した後の最初の負荷電流ゼロ点でMEMSスイッチ20を開くことができる。図4の回路図において、イネーブル信号96がアクティブ(動作によって高かったり低かったりする)で、且つ、出力信号88又は94のいずれかが検出電圧又は電流ゼロを示す場合は、常に、トリガ信号102が生成される。トリガ信号102は、例えばNORゲート100により生成される。そして、このトリガ信号102に基づいてMEMSゲートドライバ104からゲート起動信号106が生成され、MEMSスイッチ20のゲート26(或いは、MEMSアレイの場合は複数のゲート)に制御電圧が印加される。
上述のように、MEMSスイッチを1つではなく複数、動作可能に並列に接続(例えば、スイッチモジュールを構成)することで、それぞれの用途に適した定格電流を得ることができる。MEMSスイッチを組み合わせると、負荷回路に連続的にかかり得る過渡過電流に十分に耐えられる容量になる。例えば、10アンペアRMSのモータ接触器に6倍の過渡過負荷がかかる場合、60アンペアRMSに10秒間耐えられるだけの数のスイッチを並列接続する。ポイントオンウェーブスイッチングにより電流ゼロ点から5マイクロ秒以内にMEMSスイッチを切り替えると、接点を開いたときに160ミリアンペアの電流が瞬間的に流れる。従って、この場合、各MEMSスイッチが160ミリアンペアの「ウォームスイッチング」に対応しており、且つ、60アンペアに耐えられるだけの数のMEMSスイッチを並列に配置する必要がある。なお、単一のMEMSスイッチを用いる場合は、そのMEMSスイッチを、切り替えの瞬間に流れる電流を遮断できるものとする必要がある。
図5は、本発明の一実施形態に係る、MEMSベースの過電流保護装置110のブロック図である。装置110は、ユーザーインターフェース115においてユーザーによる制御入力を受ける。ユーザーインターフェース115は、装置110とやりとりする、ユーザー向けの制御及び入力インターフェースである。ユーザーインターフェース115において、電力が三相電源114から端子116に供給される。電力は、電源114から端子116に供給された後、電源回路135及びスイッチモジュール120のそれぞれに供給される。
入力トリップレベルを所定の範囲内に収めるために装置110を開閉するような、装置の動作にかかわる判定を、ユーザー入力により行うことができる。同様に、ユーザー入力は、トリップ調整ポテンショメータからの入力であっても、ヒューマンインターフェースによる(例えば、押しボタン式インターフェースからの)電気信号であっても、ユーザーインターフェース115に接続された制御装置によるものであってもよい。また、ユーザー直接入力により、端子台116を介して遮断スイッチ117を作動させることもできる。この遮断スイッチの構成により、下流機器の作業や維持管理の間、装置110をロック可能に絶縁して、作業者を保護することができる。また、ユーザー入力により、MEMSスイッチの切り替えを制御し、トリップと時間の関係を調節することができる。電源回路135により、例えば電力の一時的抑制、電圧測定、絶縁、並びにEMIフィルタリングなどの基本的動作が行われ、付加的な回路に電力が供給される。
過電流保護装置110は、論理回路125を更に含む。この論理回路125により、正常動作時の制御、及び、故障条件の認識(一定時間にわたる過電流126に対するトリップ−時間曲線の設定、プログラム機能又は調節機能の実施、特定の回路素子126、128の開閉制御など)を行う。電流/電圧検知素子127により、過電流保護動作に必要な回路を作動させるために、並びに、コールドスイッチングに利用するエネルギー分流回路を機能させるために必要な電圧及び電流の測定値が得られる。この動作には、ダイオードブリッジ134の他に、充電回路132及びパルス回路133が用いられる。MEMS保護回路130の構成と動作は、上述のパルス回路52と同様である。
最後に、切替回路120が実装される。この切替回路は、MEMS素子アレイを含む切替モジュール122を含む。切替モジュール122の構成と動作は、上述のMEMSスイッチ20と同様である。切替回路120は、本発明の別の実施形態において、絶縁接触器123を更に含む。この絶縁接触器を、過電流保護装置110が作動していないとき、又は、過電流保護装置110がトリップしているときに用いて、電源114と出力負荷141とを絶縁する。
図5の過電流保護装置110は、上述のように構成されており、電力システムのヒューズや回路遮断器の代わりに用いられる。例えば、一実施形態において、論理回路125の特性の一部又は全てが、回路遮断器に用いられる一般的な電子トリップ装置の特性と同様である。なお、この電子トリップ装置には、電流及び電圧センサからの信号、時間−電流特性曲線に基づく回路、トリップ信号を生成するアルゴリズム、電流測定情報、及び/又は、外部装置との通信に対応した処理回路が実装されており、これにより、電子トリップ装置を有する回路遮断器と同様の機能を装置110に備えている。
本発明の一実施形態において、端子116が電源114に接続されており、入力が、端子116から遮断スイッチ117を経て、切替モジュール122並びに絶縁接触器123に伝わり、最終的に負荷出力141となる。遮断スイッチ117は、装置又は下流機器に必要な維持管理の作業時に、電流を遮断するために用いられる。このように、MEMSスイッチ用の過電流保護装置110により、主電源切替と、電力線故障の遮断を行うことができる。
本発明の別の実施形態において、位相差を利用して、電力が論理回路125に引き込まれ、その後、サージ抑制素子136に供給される。主電源段素子137により、電流を、制御回路138、過電流保護装置充電回路139、及びMEMSスイッチゲート電圧140に個々の電圧で分配する。電流及び電圧センサ127から、一定時間及び瞬時の過電流回路128に電力が供給される。一定時間及び瞬時の過電流回路128により、MEMSスイッチゲート電圧140及びMEMS保護回路130のトリガ回路131が制御される。
図6は、短絡回路保護により妨害トリップの問題を解決するための方法である、過電流保護装置110の利用方法を説明するフローチャートである。ステップ605では、過電流保護装置110の電流/電圧センサ127により、システム内の電源ライン電流値と電源ライン電圧値の両方を継続的に監視する。ステップ610では、電流/電圧値が所定範囲から外れるか否かの判定を行う。電流/電圧値が所定範囲内である場合は、センサ127は監視動作を継続する。検知された電流/電圧レベルが所定範囲から外れている場合には、システムが判定した電流/電圧値の相違が検出されたことを示す故障信号を生成する(ステップ615)。故障信号の生成に伴い、ステップ620において、システム内の故障発生を追跡するために、故障カウンタをインクリメントする。
ステップ625において、故障信号をMEMS保護回路130のトリガ回路131に送り、過電流保護パルス発生動作を開始する。このパルス発生動作に応じてパルス回路133が起動し、その結果、LCパルス回路が閉じる。LCパルス回路133が閉じると、充電回路132から平衡ダイオードブリッジ134を通じて放電が生じる。ダイオードブリッジ134を流れるパルス電流により、切替モジュール122のMEMSアレイスイッチに短絡を生じ、負荷電流をダイオードブリッジ及びMEMSアレイの周辺に迂回させる(ステップ630)(図2及び5参照)。保護パルス発生動作時、切替モジュール122のMEMSスイッチは、電流がちょうどゼロ又はゼロに近いときに開く(ステップ635)。
ステップ635でMEMSスイッチを開いた後、ステップ640において、システム内で蓄積されたインクリメント故障カウント情報を取得する。そして、ステップ645において、トリップ動作が、非妨害トリップによるものなのか、検出されたノイズ又は電力ラインによる可能性のある妨害トリップによるものなのか、判定を行う。故障カウントが1未満の場合には、そのトリップ動作が、妨害トリップによるものと判定し(ステップ650)、素子はMEMSスイッチを閉じて(又は再び閉じて)、電流/電圧の監視動作を続ける。故障カウントが1以上の場合には、そのトリップ動作は、非妨害トリップによるものと判定し(ステップ655)、ステップ660において、素子はMEMSスイッチを開いたままの状態で、スイッチのリセット作業を待つ。
本発明による装置は、既存のヒューズ及び回路遮断器よりも信頼性の高い過電流保護が可能であり、既存の装置にとって代わるものである。
以上、本発明に係る特徴の一部のみについて図示し説明してきたが、当業者にはこれらの修正及び改変形態が想起可能であろう。かかる修正及び改変形態も、本発明の実施形態として添付の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。

Claims (7)

  1. 過電流保護方法であって、
    複数のMEMSスイッチデバイスを流れる負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、
    監視対象の前記負荷電流値が所定の負荷電流値と異なるか否かを判定するステップと、
    監視対象の前記負荷電流値が前記所定の負荷電流値と異なる場合に故障信号を生成するステップと、
    前記故障信号に応答して、前記複数のMEMSスイッチデバイスからの前記負荷電流を迂回させるステップと、
    前記負荷電流と前記所定の負荷電流値との相違が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップを含む方法。
  2. 前記負荷電流値の相違が真の故障トリップに起因するものと判定された場合に、前記MEMSスイッチ装置のスイッチを開いたままにする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記負荷電流値の相違が偽の妨害トリップに起因するものと判定された場合に、前記MEMSスイッチ装置のスイッチを閉じる、請求項2に記載の方法。
  4. 負荷電圧値を監視するステップを更に含む、請求項3に記載の方法。
  5. 監視対象の前記負荷電圧が所定の負荷電圧値と異なるか否かを判定するステップを更に含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記負荷電圧/電流値が所定の負荷電圧値と異なる場合に故障信号を生成するステップを更に含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記負荷電圧/電流値が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップを更に含む、請求項6に記載の方法。
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