JP5149550B2

JP5149550B2 - 微小電気機械システムをベースとするソフトスイッチング

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Publication number: JP5149550B2
Application number: JP2007154931A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・ジェームズ・プレマーラニ; カナカサバパティ・スブラマニアン; クリストファー・カイメル; ジョン・エヌ・パーク; アジット・アチュータン; ウェンセン・ワン; ジョシュア・アイザック・ライト; クリスティーナ・マーガレット・コロシ; ソマシェカール・バサヴァラジ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: JP2008310972A

Description

本発明は一般にスイッチング素子に関し、より詳細には微小電気機械システムをベースとするスイッチング素子に関する。

従来、電気機械式接触器は制御装置に使用されており、電気機械式接触器はその遮断容量までの電流のスイッチングを扱うことができる。電気機械式接触器はまた、電流をスイッチングするための電力系統に用途がある。しかし通常、電力系統中の障害電流は、電気機械式接触器の遮断能力よりも大きい。したがって電力系統用途に電気機械式接触器を使用するためには、接触器の遮断能力を超えるすべての電流値で接触器が開路する前に、障害電流を遮断するのに十分迅速に動作する直列素子によって補助することにより、接触器を損傷から保護することが望ましい。
米国特許出願公開第２００５／０１４６８１４号

電力系統での接触器の使用を容易にするために考えられた従来の解決策には、たとえば真空接触器、真空遮断器、およびエアブレーク接触器がある。残念ながら真空接触器などの接触器は、接触器先端が密封され真空にされた筐体に密閉されるので、目視検査が容易ではない。さらに、真空接触器は大型モータ、変圧器、およびコンデンサのスイッチングを扱うのには好適であるが、特に負荷がスイッチオフされるときに、有害な過渡的の過電圧を生じることが知られている。

さらに電気機械式接触器は、一般に機械式スイッチを用いる。しかしこれらの機械式スイッチは、速度が比較的遅く、しばしばスイッチング事象が生じる数十ミリ秒前に、ゼロクロス発生を推定するために、予測技法が必要になる。このようなゼロクロス予測は、この時点で多くの過渡状態が発生するために誤差を生じやすい。

簡単に言えば、本技法の態様によれば、あるシステムが提示される。システムは、交流電源電圧または交流負荷電流のゼロクロス発生を検出するように構成された検出回路を含む。システムはまた、検出回路に結合され、微小電気機械システムスイッチを備えるスイッチング回路を含む。システムはさらに、検出回路およびスイッチング回路に結合され、交流電源電圧または交流負荷電流の検出されたゼロクロスに応答して、微小電気機械システムスイッチの無アークスイッチングを行うように構成された制御回路を含む。

本技法の別の態様によれば、ある方法が提示される。方法は、交流電源電圧または交流負荷電流のゼロクロス発生を検出する段階を含む。方法はさらに、検出されたゼロクロスに応答して、微小電気機械システムスイッチの現在の状態を切り替える段階を含み、微小電気機械システムスイッチは、交流負荷電流の検出されたゼロクロスに応答して、負荷回路を遮断するために無アーク式に開路されるようになり、かつ微小電気機械システムスイッチは、交流電源電圧の検出されたゼロクロスに応答して、負荷回路を完結するために無アーク式に閉路されるようになる。

本技法の他の態様によれば、ある方法が提示される。方法は、スイッチアレイ内の交流電源電圧または交流負荷電流を監視する段階を含み、スイッチ回路は直列に結合された複数のスイッチモジュールを備える。方法はさらに、交流負荷電流または交流電源電圧のゼロクロス発生を検出する段階を含む。方法はまた、検出されたゼロクロスに応答してトリガ信号を発生する段階を含み、トリガ信号は微小電気機械システムスイッチの現在の動作状態の切替えを容易にするように構成される。方法はさらに、トリガ信号に応答して、複数のスイッチモジュールのそれぞれの現在の状態を切り替える段階を含む。

本発明の上記その他の特徴、態様、および利点は、各図面を通して同様な文字は同様な部分を示している添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。

本発明の実施形態によれば、本明細書では、微小電気機械システムをベースとする無アークスイッチングのためのシステムおよび方法が説明される。以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態の十分な理解を得るために、数多くの具体的な詳細が記載される。しかし当業者なら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細がなくても実施することができ、本発明は示された実施形態に限定されず、かつ本発明は様々な代替実施形態により実施できることが理解されよう。その他の場合、良く知られた方法、手順、および構成要素については、詳細には説明されない。

さらに、様々な動作を、本発明の実施形態の理解に役立つように行われる、複数の個別の段階として説明する場合がある。しかし説明の順序は、これらの動作が提示された順序で行われる必要があることを意味すると理解されるべきではなく、さらにはそれらが順序に依存すると理解されるべきではない。さらに、繰り返し用いられる「一実施形態」の語句は、その場合もあり得るが、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。最後に、本出願で用いられる「備える」、「含む」、「有する」などの言葉は、特に明記しない限り同義とする。

図１は、本発明の態様による、例示のソフトスイッチングシステム１０のブロック図を示す。図１に示されるように、ソフトスイッチングシステム１０は、動作可能に互いに結合された、スイッチング回路１２、検出回路１４、および制御回路１６を含む。検出回路１４は、スイッチング回路１２と結合され、負荷回路内の交流電源電圧（以下では「電源電圧」と呼ぶ）、または負荷回路内の交流電流（以下では「負荷回路電流」と呼ぶ）のゼロクロス発生を検出するように構成することができる。制御回路１６は、スイッチング回路１２および検出回路１４に結合することができ、かつ、交流電源電圧または交流負荷回路電流の検出されたゼロクロスに応答して、スイッチング回路１２の１つまたは複数のスイッチの無アークスイッチングを容易にするように構成することができる。一実施形態では、制御回路１６は、スイッチング回路１２の少なくとも一部分を構成する１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチ無アークスイッチングを容易にするように構成することができる。

本発明の一態様によれば、ソフトスイッチングシステム１０は、ソフトスイッチングすなわちポイントオンウェーブスイッチングを行うように構成することができ、それによってスイッチング回路１２内の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを、スイッチング回路１２の両端の電圧がゼロまたはほぼゼロの時点で閉路し、かつスイッチング回路１２を通る電流がゼロまたはほぼゼロの時点で開路することができる。スイッチが閉路する際、スイッチング回路１２の両端の電圧がゼロまたはほぼゼロの時点でスイッチを閉路することによって、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電界を低く保つことにより、複数のスイッチがすべて同時に閉路しない場合でも、接点が接触する前のアーク発生を防止することができる。同様に、スイッチング回路１２を通る電流がゼロまたはほぼゼロの時点でスイッチを開路することにより、スイッチング回路１２内の最後に開路するスイッチの電流が、スイッチの設計上の能力内に入るように、ソフトスイッチングシステム１０を設計することができる。上記で触れたように、一実施形態によれば、制御回路１６は、スイッチング回路１２内の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの開路と閉路を、交流電源電圧または交流負荷回路電流のゼロクロス発生に同期させるように構成することができる。

図２を参照すると、図１のソフトスイッチングシステム１０の一実施形態の概略図１８が示されている。図示の実施形態によれば、概略図１８は、スイッチング回路１２、検出回路１４、および制御回路１６の一実施例を含む。

説明のために、図２には単一のＭＥＭＳスイッチ２０しか示されていないが、スイッチング回路１２はそれにもかかわらず、たとえばソフトスイッチングシステム１０の電流および電圧の処理要件に応じて、複数のＭＥＭＳスイッチを含むこともできる。一実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電流を分割するように、並列構成に互いに結合された複数のＭＥＭＳスイッチを含む、スイッチモジュールを含むことができる。他の実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電圧を分割するように、直列構成に結合されたＭＥＭＳスイッチのアレイを含むことができる。さらに別の実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチモジュールの間で電圧を分割すると共に、各モジュール内のＭＥＭＳスイッチの間で電流を分割するように、直列構成に互いに結合されたＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含むことができる。一実施形態では、スイッチング回路１２の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを、単一のパッケージ２８内にまとめることができる。

例示のＭＥＭＳスイッチ２０は、３つの接点を含むことができる。一実施形態では、第１の接点はドレイン２２として構成し、第２の接点はソース２４として構成し、かつ第３の接点はゲート２６として構成することができる。一実施形態では、制御回路１６は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の状態の切替えを容易にするために、ゲート接点２６に結合することができる。また、いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２０の両端に電圧が現れるのを遅らせるために、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列にダンピング回路２９を結合することができる。ダンピング回路２９は、たとえば図示のように、スナバコンデンサ３０およびそれと直列に結合されたスナバ抵抗器３２を含むことができる。

さらに、図２に示されるように、ＭＥＭＳスイッチ２０は、負荷回路３４と直列に結合することができる。ここで考えられている構成では、負荷回路３４は、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ} ３６を含むことができ、かつ代表の負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ３８および負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４０を含むことができる。一実施形態では、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ} ３６（ＡＣ電圧源とも呼ぶ）は、交流電源電圧および交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２を発生するように構成することができる。

先に述べたように、検出回路１４は、負荷回路３４内の交流電源電圧または交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２のゼロクロス発生を検出するように構成することができる。交流電源電圧は電圧検知回路４６を用いて検知することができ、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２は電流検知回路４８を用いて検知することができる。交流電源電圧および交流負荷電流は、たとえば連続して、あるいは離散的な周期で検知することができる。

電源電圧のゼロクロスは、たとえば図示のゼロ電圧比較器５２などの比較器を用いて検出することができる。電圧検知回路４６によって検知された電圧、およびゼロ電圧基準５４は、ゼロ電圧比較器５２の入力として用いることができる。そして、負荷回路３４の電源電圧のゼロクロスを表す出力信号５６が発生される。また同様に、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２のゼロクロスは、図示のゼロ電流比較器６０などの比較器を用いて検出することができる。電流検知回路４８によって検知された電流、およびゼロ電流基準５８は、ゼロ電流比較器６０の入力として用いることができる。そして、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２のゼロクロスを表す出力信号６２が発生されることができる。

制御回路１６は、ＭＥＭＳスイッチ２０（またはＭＥＭＳスイッチのアレイ）の現在の動作状態をいつ変化（たとえば開路または閉路）させるかを決定するために、出力信号５６および６２を使用することができる。より具体的には、制御回路１６は、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２の検出されたゼロクロスに応答して、負荷回路３４を遮断すなわち開路するために、ＭＥＭＳスイッチ２０の無アーク式での開路を容易にするように構成することができる。さらに、制御回路１６は、交流電源電圧の検出されたゼロクロスに応答して、負荷回路３４を完結するために、ＭＥＭＳスイッチ２０の無アーク式での閉路を容易にするように構成することができる。

一実施形態では、制御回路１６は、イネーブル信号６４の状態に少なくとも部分的に基づいて、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を、次の動作状態に切り替えるかどうかを決定することができる。イネーブル信号６４は、たとえば、接触器用途での電源オフコマンドの結果として発生することができる。一実施形態では、イネーブル信号６４、出力信号５６および６２は、図示のようにデュアルＤフリップフロップ６６の入力信号として用いることができる。図７〜８に関してさらに詳細に説明するように、これらの信号は、イネーブル信号６４が活動化された（たとえば立ち上がりエッジでトリガ）後の最初の電源電圧ゼロでＭＥＭＳスイッチ２０を閉路し、イネーブル信号６４が非活動化された（たとえば立ち下がりエッジでトリガ）後の最初の負荷電流ゼロでＭＥＭＳスイッチ２０を開路するのに用いることができる。図２に示される概略図１８に関しては、イネーブル信号６４がアクティブ（具体的な実装形態に応じてハイまたはロー）で、かつ出力信号５６または６２のいずれかが、検知された電圧ゼロまたは電流ゼロを示すときは常に、トリガ信号７２が発生される。一実施形態では、トリガ信号７２は、たとえばＮＯＲゲート７０を用いて発生することができる。トリガ信号７２は、ＭＥＭＳゲートドライバ７４を通過してゲート活動化信号７６を発生し、この信号は、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（またはＭＥＭＳアレイの場合は各ゲート）に制御電圧を印加するのに用いることができる。

先に述べたように、特定の用途のための望ましい定格電流を得るためには、単一のＭＥＭＳスイッチの代わりに、（たとえばスイッチモジュールを形成するように）複数のＭＥＭＳスイッチを並列に、動作可能に結合することができる。ＭＥＭＳスイッチの複合の能力は、負荷回路が受け得る連続または過渡的な過負荷電流レベルに十分に耐えるように設計することができる。たとえば、６倍の過渡的な過負荷を有する１０アンペアＲＭＳのモータの接触器では、６０アンペアＲＭＳを１０秒間耐えるのに十分な数の並列結合されたスイッチがなければならない。ポイントオンウェーブスイッチングを用いて、電流ゼロに達する５マイクロ秒以内にＭＥＭＳスイッチを切り替えると、接点開路時に瞬時値で１６０ミリアンペアが流れることになる。したがってこの用途には、各ＭＥＭＳスイッチは１６０ミリアンペアの「ウォームスイッチング」が可能であり、かつ６０アンペアに耐えるのに十分な数のＭＥＭＳスイッチが並列に配置されなければならない。一方、単一のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングの瞬間に流れている大きさの電流を、遮断できなければならない。

図３は、ＭＥＭＳベースのスイッチモジュール９２の一実施形態の概略図を示す。図示のように、スイッチモジュール９２は、リード９８と１００の間に並列に、動作可能に結合された複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。一実施形態では、スイッチモジュール９２内の複数のＭＥＭＳスイッチは、１つまたは複数の負荷接点９４を含むことができる。一実施形態によれば、制御回路１６（図１参照）は、複数の負荷接点９４をほぼ同時に開路または閉路を開始させるための、１つまたは複数の信号を発生することができる。負荷接点９４の間のわずかな設計上のばらつきにより、すべての負荷接点が同時に開路または閉路しないことは十分あり得る。したがって、最後にスイッチングし、短時間（たとえば数マイクロ秒程度）の間、スイッチモジュール９２の全電流に耐える１つの負荷接点があり得ることになる。したがって負荷接点９４は、比較的小型で、それでも、これもまた比較的小さい（たとえば約５０ｍＡ〜約１アンペア程度）、負荷回路３４（図２参照）の定常状態の負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ４２（図２参照）を扱うように設計することができる。

しかし、スイッチモジュール９２内で最後に開路するスイッチは、スイッチアレイおよびスイッチング制御の設計に応じて、１０ｍＡ〜１００ｍＡを遮断することが要求され得る。一実施形態では、スイッチモジュール９２内の負荷電流の最終的な遮断を容易にするために、１つまたは複数の負荷接点９４に加えて、スイッチング接点１０２を使用することが望ましい。スイッチング接点１０２は、負荷接点９４よりも大きな電流を扱うように設計することができる。スイッチング接点１０２の耐電流能力を大きくすると、スイッチング接点を負荷接点９４より大型化する必要が生じ得るが、より少ない数のスイッチング接点１０２を用いることができる。

また、いくつかの実施形態では、スイッチモジュール９２からの残留誘導性エネルギを吸収するために、バリスタなどの非線形抵抗器１０４を用いることができる。非線形抵抗器１０４は、たとえば金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を含むことができる。このような非線形抵抗器１０４は、回復電圧のピークをクリップするために、および／または負荷回路からの残留誘導性エネルギを吸収するために、スイッチモジュール９２の設計に含めることができる。ＭＯＶは、ピーク電圧、ピーク電流、およびエネルギ吸収特性に基づいて選択することができる。いくつかの実施形態では、負荷回路のピーク電圧は、定常状態の定格電圧のピークの約１．６倍に設定することができる。１．６の係数は、ＭＯＶによって吸収されるエネルギの大きさを制御するのに役立つ。定格電流は、接点が開路するときに流れることが予想されるピーク電流に設定することができる。

スイッチモジュール９２はさらに、非線形抵抗器１０４の両端に結合されたスナバ回路を含むことができる。スナバ回路は、スナバコンデンサＣ_ＳＮＵＢ１０６およびそれと直列に結合されたスナバ抵抗器Ｒ_ＳＮＵＢ１０８を含むことができる。スナバコンデンサＣ_ＳＮＵＢ１０６は、ＭＥＭＳスイッチの開路のシーケンス時の過渡電圧分配の改善を容易にすることができる。さらに、スナバ抵抗器１０８は、スイッチモジュール９２の閉路動作時にスナバコンデンサＣ_ＳＮＵＢ１０６によって発生される、電流パルスを抑圧することができる。さらに、スイッチモジュール９２は、非線形抵抗器１０４と直列に結合されたリーク接点１１０を含むことができる。リーク接点１１０は、ＭＥＭＳスイッチを含むことができることに留意されたい。このリーク接点１１０は、スイッチモジュール９２から容量性要素および非線形抵抗要素（たとえば非線形抵抗器１０４、Ｃ_ＳＮＵＢ１０６、Ｒ_ＳＮＵＢ１０８など）の影響を除去することにより、スイッチモジュール９２を通る定常状態のリーク電流を低減するように構成することができる。スイッチモジュール９２はまた、１つまたは複数のリーク抵抗器１１２、１１４を含むことができ、リーク抵抗器１１２、１１４はスイッチモジュール９２内のリーク電流に対する導通経路をもたらすように構成することができる。

望ましい定格電流を得るのために、スイッチモジュールを形成するように複数のＭＥＭＳスイッチを並列に、動作可能に結合することができるのと同様に、望ましい定格電圧を得るために、複数のＭＥＭＳスイッチまたはスイッチモジュールを直列に、動作可能に結合することができる。図４は、一実施形態による例示のＭＥＭＳベースのスイッチアレイ１１６の概略図を示す。図４に示されるように、スイッチアレイ１１６は、直列に、動作可能に結合された、複数のスイッチモジュール１１８を含むことができる。複数のスイッチモジュール１１８のそれぞれは、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチを含むことができることに留意されたい。一実施形態では、１つまたは複数のスイッチモジュール１１８は、図３のスイッチモジュール９２を表す。ここで考えられている構成では、スイッチアレイ１１６は、リード１２２と１２４の間に直列に、動作可能に結合された２つ以上のスイッチモジュール１１８を含むものとして示される。直列に結合されるモジュールの数「Ｍ」は、ソフトスイッチングシステム１０（図１参照）のピーク定格電圧によって決定することができる。

さらに、複数のスイッチモジュール１１８のそれぞれは、複数のスイッチモジュール１１８のそれぞれの両端に結合されたそれぞれの勾配緩和抵抗器Ｒ_{ＧＲＡＤＥ} １２６を含むことができる。勾配緩和抵抗器Ｒ_{ＧＲＡＤＥ} １２６は、接地へのごくわずかなリーク電流にもかかわらず、定常状態の電圧勾配緩和のための導通経路をもたらすことができる。より具体的には、スイッチアレイ１１６において、ＭＥＭＳスイッチから接地へのリーク電流は、すべてのＭＥＭＳスイッチが開路のとき、非常に不均一な電圧分布を生じ得る。定常状態の電圧分配は、勾配緩和抵抗器Ｒ_{ＧＲＡＤＥ} １２６を用いて達成することができ、これらの抵抗器により、スイッチアレイ１１６を通して１マイクロアンペアの数分の１を流して、接地へのリーク電流にもかかわらず電圧分布を均一にさせることが可能になる。勾配緩和抵抗器Ｒ_{ＧＲＡＤＥ} １２６は、ラインから接地へＭＥＭＳスイッチを通る、予想されるリーク電流に基づいて選択することができる。さらに、スイッチアレイ１１６はまた、回復電圧の上昇速度の制御を容易にするように構成されたコンデンサ１３０、１３２を含むことができる。

次に、図５を参照すると、例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの、システムモデルの概略図１３４が示される。図の例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１３４は、図４のスイッチアレイ１１６などのスイッチアレイ１３６を含む。図示のように、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１３４は、交流（ＡＣ）電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ} １３８、電源インダクタンスＬ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４０、および電源抵抗Ｒ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４２を含む。ＡＣ電圧源１３８、電源インダクタンスＬ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４０、および電源抵抗Ｒ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４２は、たとえばスイッチアレイ１３６への電力供給における、変圧器の二次側から生じ得る、電源のテブナン等価回路を表すものとすることができる。さらに、電源インダクタンスＬ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４０は、スイッチアレイ１３６から見た、バスおよびケーブルの複合のインダクタンスを表すものとすることができる。

さらに、図のＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１３４は受動負荷を含み、受動負荷は、負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ１４６およびそれと直列に結合された負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ１４８を含み得る。ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１３４はまた、電源コンデンサＣ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４４および負荷コンデンサＣ_ＬＯＡＤ１５０を含み得る。電源（Ｃ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４４）および負荷（Ｃ_ＬＯＡＤ１５０）コンデンサにより、スイッチアレイ１３６の両端の回復電圧の上昇速度を制御することができる。このような電源および負荷コンデンサがないと、誘導性負荷電流の遮断時に、スイッチアレイ１３６内でアークが発生する可能性がある。開路すなわち非導通状態のときにスイッチアレイ１３６を通る容量性リーク電流を抑圧するために、電源コンデンサＣ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４４および負荷コンデンサＣ_ＬＯＡＤ１５０は、スイッチアレイ１３６の両端に直接結合するのではなく、ラインから接地に結合できることに留意されたい。さらに、電源（Ｃ_{ＳＯＵＲＣＥ} １４４）および負荷（Ｃ_ＬＯＡＤ１５０）コンデンサは、負荷遮断時のスイッチアレイ１３６への電圧ストレスの軽減を容易にすることができる。

次に、図６を参照すると、例示のＭＥＭＳベースのソフトスイッチングシステムを、現在の動作状態から次の状態へ切り替える方法の、一実施形態の流れ図１９６が示される。上述のように、検出回路および制御回路は、スイッチング回路に動作可能に結合され、検出回路はＡＣ電源電圧またはＡＣ負荷電流のゼロクロスを検出するように構成することができ、制御回路は検出されたゼロクロスに応答して、ＭＥＭＳスイッチの無アークスイッチングを容易にするように構成することができる。

図６に示されるように、負荷回路中の電流レベルおよび／または電源電圧レベルが、ブロック１９８によって示されるように監視される。一実施形態では、電流レベルおよび／または電源電圧レベルは、たとえば検出回路１４（図１参照）を用いて監視することができる。さらに、ブロック２００によって示されるように、電源電圧および負荷電流のゼロクロスが、たとえば検出回路によって検知される。ブロック２０２に示されるように、検出されたゼロクロスに応答して、トリガ信号が発生されることができる。ブロック２０４に示されるように、トリガ信号は、ＭＥＭＳスイッチの現在の動作状態の切替えを容易にするように構成される。

ブロック１９８〜２０４は、図７および８を参照することによって、より良く理解できる。図７は、本発明の態様によるＭＥＭＳベースのソフトスイッチングシステムにおいて、ゼロ電圧付近で閉路するＭＥＭＳスイッチを表す、例示のシミュレーション結果のグラフ２０６を示す。図７に示されるように、時間２１０の変化に対する、振幅２０８の変化がプロットされている。

応答曲線２１２は、イネーブル信号電圧の振幅の変化を時間の関数として表す。また参照番号２１４は、応答曲線２１２上で、イネーブル信号電圧が定常的な論理ハイ状態に達している領域を表す。時間の関数としての電源電圧振幅の変化は、応答曲線２１６で表される。同様に、時間の関数としての負荷電流振幅の変化は、応答曲線２１８で表される。応答曲線２２０は、ゲート電圧振幅の変化を時間の関数として表す。また、応答曲線２２０上で、ゲート電圧が論理ハイ状態に遷移する領域が、参照番号２２２によって示される。さらに、参照番号２２４は、電源電圧のゼロクロスを表す。

図２を参照して上述したように、電源電圧および負荷電流は、検出回路を用いて連続的に検知される。検出回路はさらに、電源電圧および負荷電流のゼロクロスを検出するために使用される。次いでこの検出されたゼロクロスに関する情報は、イネーブル信号の状態を設定するのに使用される。図７で示される実施形態では、イネーブル信号電圧２１２は、電源電圧の検出されたゼロクロスに応答して、論理ハイ状態に設定される。さらに、イネーブル信号２１２は、参照点２１４において定常的なハイ状態を達成するものとして示される。

本発明の例示の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチは、イネーブル信号電圧が定常的な論理ハイ状態を達成した後の、電源電圧の最初のゼロクロスにおいて閉路することができる。イネーブル信号２１２が定常的な論理ハイ状態を達成した後の、電源電圧２１６の最初のゼロクロスは、参照番号２２４によって表される。最初の電源電圧のゼロクロス２２４に関連付けられた時点で、ＭＥＭＳスイッチの閉路状態への切替えを容易にするために、ゲート電圧２２０をハイに引き上げることができる。その結果、応答曲線２１８で示されるように、負荷電流がＭＥＭＳスイッチを通って流れ始める。したがって、ＡＣ電源電圧の検出されたゼロクロスに応答して、負荷回路を完結するために、ＭＥＭＳスイッチは無アーク式に閉路される。言い換えれば、ＭＥＭＳスイッチは、電源電圧がゼロの付近で閉路され、それにより、ＭＥＭＳスイッチの接点の間に形成され得るアークが抑圧される。

図８は、本発明の態様によるＭＥＭＳベースのソフトスイッチングシステムにおいて、ゼロ電流付近で開路するＭＥＭＳスイッチを表す、例示のシミュレーション結果のグラフ２２６を示す。図８に示されるように、時間２３０の変化に対する、振幅２２８の変化がプロットされている。

応答曲線２３２は、イネーブル信号電圧の振幅の変化を時間の関数として表す。また参照番号２３４は、応答曲線２３２上で、イネーブル信号が定常的な論理ロー状態に達している領域を表す。時間の関数としての電源電圧振幅の変化は、応答曲線２３６で表される。同様に、時間の関数としての負荷電流振幅の変化は、応答曲線２３８で表される。応答曲線２４０は、ゲート電圧振幅の変化を時間の関数として表す。さらに、参照番号２４２は、応答曲線２４０上で、ゲート電圧が論理ロー状態に遷移する領域を表す。

図８から分かるように、現在論理ハイ状態にあるイネーブル信号２３２の電圧は、負荷電流の検出されたゼロクロスに応答して、論理ロー状態に設定される。さらに、イネーブル信号２３２の電圧は、参照点２３４で、論理ロー状態を達成することが示される。

ＭＥＭＳスイッチは、イネーブル信号が定常的な論理ロー状態を達成した後の、負荷電流の最初のゼロクロスにおいて開路することができる。また、イネーブル信号２３２が定常的なロー状態を達成した後の、負荷電流２３８の最初のゼロクロスは、参照番号２３４によって表される。最初の負荷電流のゼロクロス２３４に関連付けられた時点で、ＭＥＭＳスイッチの開路状態への切替えを容易にするために、ゲート電圧２４０をローに引き下げることができる。その結果、応答曲線２３６に示されるように、前に非導通状態であった電源電圧が、ＭＥＭＳスイッチの両端に現れ始める。したがって、ＡＣ負荷電流の検出されたゼロクロスに応答して、負荷回路を遮断するために、ＭＥＭＳスイッチは無アーク式に開路される。言い換えれば、ＭＥＭＳスイッチは、負荷電流がゼロの付近で開路され、それにより、ＭＥＭＳスイッチの接点の間に形成され得るアークが抑圧される。

本明細書では、本発明のいくつかの特徴のみを図示し説明したが、当業者には多くの変形および変更が思いつくであろう。したがって、すべてのこれらの変形および変更は、本発明の趣旨の範囲に含まれるものとして、添付の特許請求の範囲によって包含されると理解されるものとする。

本技法の態様による、例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。本技法の態様による、例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの概略図である。本技法の態様による、例示のＭＥＭＳベースのスイッチモジュールの概略図である。本技法の態様による、例示のＭＥＭＳベースのスイッチアレイの概略図である。本技法の態様による、例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのシステムモデルを示す概略図である。本技法の態様による、例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの動作段階を示す流れ図である。本技法の態様による、図２のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムにおける、ＭＥＭＳスイッチの閉路を表す、例示のシミュレーション結果を示すグラフである。本技法の態様による、図２のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムにおける、ＭＥＭＳスイッチの開路を表す、例示のシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ソフトスイッチングシステム
１２スイッチング回路
１４検出回路
１６制御回路
１８例示のＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
２０ＭＥＭＳスイッチ
２２ドレイン
２４ソース
２６ゲート
２８単一のパッケージ
２９ダンピング回路
３０スナバコンデンサ
３２スナバ抵抗器
３４負荷回路
３６ＡＣ電圧源
３８負荷インダクタンス
４０負荷抵抗
４２負荷電流
４４接地
４６電圧検知回路
４８電流検知回路
５２ゼロ電圧比較器
５４ゼロ電圧基準
５６ゼロ電圧比較器の出力
５８ゼロ電流比較器
６０ゼロ電流基準
６２ゼロ電流比較器の出力
６４イネーブル信号
６６デュアルＤフリップフロップ
７０ＮＯＲゲート
７２トリガ信号
７４ＭＥＭＳゲートドライバ
７６ゲート活動化信号
９２スイッチモジュール
９４負荷接点
９８、１００リード
１０２スイッチング接点
１０４非線形抵抗器
１０６スナバコンデンサ
１０８スナバ抵抗器
１１０リーク接点
１１２、１１４リーク抵抗器
１１６スイッチアレイ
１１８第１のスイッチモジュール
１２０第２のスイッチモジュール
１２２第１のリード
１２４第２のリード
１２６勾配緩和抵抗器
１３０、１３２コンデンサ
１３４スイッチングシステム
１３６スイッチアレイ
１３８電圧源
１４０電源インダクタ
１４２電源抵抗器
１４４電源コンデンサ
１４６負荷インダクタ
１４８負荷抵抗器
１５０負荷コンデンサ
１９６スイッチングシステムの動作を示す流れ図
１９８〜２０４流れ図１９６に含まれる段階
２０６スイッチング素子のゼロ電圧ターンオンを表すシミュレーション結果を示すグラフ
２０８振幅
２１０時間
２１２イネーブル信号
２１４イネーブル信号電圧が定常的な論理ハイ状態に達する領域
２１６電源電圧
２１８負荷電流
２２０ゲート電圧
２２２ゲート電圧が論理ハイ状態に遷移する領域
２２４電源電圧のゼロクロス
２２６スイッチング素子のゼロ電流ターンオフを表すシミュレーション結果を示すグラフ
２２８振幅
２３０時間
２３２イネーブル信号
２３４イネーブル信号電圧が定常的な論理ロー状態に達する領域
２３６電源電圧
２３８負荷電流
２４０ゲート電圧
２４２ゲート電圧が論理ロー状態に遷移する領域

Claims

交流電源電圧または交流負荷電流のゼロクロス発生を検出するように構成された検出回路と、
前記検出回路に結合され、微小電気機械システムスイッチと直列回路で結合された複数のスイッチモジュールとを備えるスイッチング回路と、
前記検出回路および前記スイッチング回路に結合され、交流電源電圧または交流負荷電流の検出されたゼロクロスに応答して、前記微小電気機械システムスイッチの無アークスイッチングを行うように構成された制御回路）と、
少なくとも１つのスイッチモジュールと並列に結合された勾配緩和抵抗器と、
を備えるシステム。
前記制御回路が、負荷回路を遮断するために、前記交流負荷電流の前記検出されたゼロクロスに応答して、前記微小電気機械システムスイッチを無アーク式に開路するように構成される、請求項１に記載のシステム。
前記制御回路が、負荷回路を完結するために、前記交流電源電圧の前記検出されたゼロクロスに応答して、前記微小電気機械システムスイッチを無アーク式に閉路するように構成される、請求項１に記載のシステム。
前記微小電気機械システムスイッチの両端に電圧が現れるのを遅らせるように構成されたスナビング回路をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
前記スイッチング回路が、前記制御回路および前記検出回路に結合されかつ複数の微小電気機械システムスイッチを備えるスイッチモジュールをさらに備え、前記制御回路は、交流電源電圧または交流負荷電流の検出されたゼロクロスに応答して、前記複数の微小電気機械システムスイッチの少なくとも１つの無アークスイッチングを行うように構成される、請求項１に記載のシステム。
前記複数のスイッチモジュールの少なくとも１つが、
負荷接点と、
スイッチング接点と
を備え、前記負荷接点と前記スイッチング接点のうちの少なくとも１つが、微小電気機械システムスイッチを備える、請求項１に記載のシステム。