JP6821676B2 - 微小電気機械システムリレー回路の補助回路 - Google Patents

微小電気機械システムリレー回路の補助回路 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、一般に、電流経路における電流のオン／オフスイッチングのためのスイッチングシステムに関し、より詳細には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのスイッチング装置に関する。
リレーは、回路間の電流の流れを選択的に制御するために使用される電気的に操作されるスイッチであり、制御回路と１つまたは複数の被制御回路との間の電気的絶縁を提供する。様々なタイプのリレーが知られており、リレーが実装されるシステムおよび環境に基づいて利用されてもよく、電気機械式リレーとソリッドステートリレーが２つの一般的なタイプのリレーである。
電気機械式リレーは、高出力装置を制御するために通常使用されるスイッチング装置である。このようなリレーは、一般に、可動の導電性片持ち梁と電磁コイルの２つの主要な部品を含む。作動されると、電磁コイルは梁に磁気力を加え、梁をコイルの方へ引っ張り、電気接点上に下げてリレーを閉じる。１つのタイプの構造では、梁自体が第２の接点およびワイヤとして働き、電流を装置に通す。第２のタイプの構造では、梁は２つの接点にまたがり、電流をそれ自体の一部のみに通す。電気機械式リレーは、有益に、瞬間的な過負荷に耐える能力を提供し、低い「オン」状態抵抗を有する。しかしながら、従来の電気機械式リレーは、サイズが大きい場合があり、したがって、スイッチング機構を作動させるために大きな力の使用を必要とすることがある。さらに、電気機械式リレーは一般に比較的低速で動作し、リレーの梁と接点とが物理的に分離されているときに、それらの間にアークが形成されることがあり、アークにより回路内の電流が止まるまでリレーを通って電流が流れ続け、接点を損傷することがある。
ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）は、小さな外部電圧が制御端子にわたって印加されたときにオン／オフを切り替える電子スイッチング装置である。ＳＳＲは、適切な入力（制御信号）に応答するセンサ、負荷回路への電力を切り替えるソリッドステート電子スイッチング装置（例えば、サイリスタ、トランジスタなど）、および機械的な部品なしで制御信号がスイッチを作動させるのを可能にする連結機構とを含む。ＳＳＲは、有益に、電気機械式リレーに比べて早いスイッチング速度を提供し、消耗する物理的接触部がない（すなわち、可動部がない）が、ＳＳＲは電気機械式接点に比べて瞬時過負荷に耐える能力は低く、より高い「オン」状態抵抗を有すると認識されている。さらに、ソリッドステートスイッチは、非導通状態に切り替わったときに接点間に物理的な隙間を生じさせないので、名目上非導通のときに漏れ電流を経験する。さらに、導通状態で動作するソリッドステートスイッチは、内部抵抗による電圧降下を経験する。電圧降下および漏れ電流は、通常の動作環境下での電力損失および過剰な熱の発生に寄与し、これはスイッチの性能および寿命に有害であり、および／または大電流負荷を通す際に大型で高価なヒートシンクの使用を必要とする可能性がある。
従来の電気機械式リレーの利点の大部分を有するが、最新の電子システムのニーズに適合するようにサイズ調整された微小電気機械システムリレー（ＭＥＭＳリレー）がＳＳＲの代替物として提案されている。しかし、従来のＭＥＭＳリレーは、過度に複雑であり、その可動スイッチの両端の電圧を適切に制限することができず、ＭＥＭＳリレーの動作が信頼できない。
したがって、電気機械式リレーよりもはるかに小さいサイズ、より低い電力損失、より長い寿命、および低い接触抵抗を提供／提案し、ＳＳＲよりも低い導通損失およびより低いコストを提供／提案するＭＥＭＳリレー回路を提供することが望ましい。このようなＭＥＭＳリレー回路は、過度に複雑な構造を用いることなく信頼できる性能を提供することがさらに望ましい。
欧州特許出願公開第２５４１５６８号
本発明の一態様によれば、スイッチングシステムは、ＭＥＭＳスイッチとドライバ回路とを含むＭＥＭＳスイッチング回路を含み、ＭＥＭＳスイッチング回路は、負荷電流を受け取るために電源回路に接続可能である。スイッチングシステムはまた、ＭＥＭＳスイッチング回路と並列に連結された補助回路を含み、補助回路は、補助回路をＭＥＭＳスイッチの対向する側のＭＥＭＳスイッチング回路に接続する第１の接続部および第２の接続部と、第１のソリッドステートスイッチと、第１のソリッドステートスイッチと並列に接続された第２のソリッドステートスイッチと、第１のソリッドステートスイッチと第２のソリッドステートスイッチとの間に接続された共振回路とを含む。スイッチングシステムはさらに、ＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に動作可能に接続され、ＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に向かう負荷電流の選択的スイッチングを制御する制御回路を含み、第１のソリッドステートスイッチ、第２のソリッドステートスイッチおよび共振回路は、制御回路によって選択的に作動され、負荷電流の少なくとも一部をＭＥＭＳスイッチを分流して補助回路に流れるようにする。
本発明の別の態様によれば、ＭＥＭＳリレー回路は、開位置と閉位置との間で移動でき、負荷電流を選択的に通過させるＭＥＭＳスイッチと、駆動信号を提供して、ＭＥＭＳスイッチを開位置と閉位置との間で動かすように構成されるドライバ回路とを有するＭＥＭＳスイッチング回路を含む。ＭＥＭＳリレー回路はまた、ＭＥＭＳスイッチング回路に並列に接続され、ＭＥＭＳスイッチの両端の電圧を選択的に制限する補助回路を含み、補助回路は、並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを含む。ＭＥＭＳリレー回路は、ＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に動作可能に接続されてＭＥＭＳスイッチのスイッチングと、補助回路内の第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴの作動を制御する制御回路をさらに含む。補助回路は、低電流モードおよび高電流モードで選択的に動作可能であり、第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴに電流を選択的に流すことができ、低電流モードで第１のＭＯＳＦＥＴはオンであり、第２のＭＯＳＦＥＴはオフであり、高電流モードで第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴはオンである。
本発明のさらに別の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチング回路、補助回路および制御回路を含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リレー回路を制御する方法が提供される。この方法は、制御回路において、ＭＥＭＳリレー回路の望ましい動作状態を含むオフ信号およびオン信号のうちの１つを受信することを含む。この方法はまた、受信されたオフ信号またはオン信号に応答して、制御回路からＭＥＭＳスイッチング回路のドライバ回路にドライバ制御信号を送信することを含み、ドライバ制御信号は、ドライバ回路に、ＭＥＭＳスイッチング回路のＭＥＭＳスイッチに選択的に電圧を提供させ、ＭＥＭＳスイッチを接触位置または非接触位置の間で作動させる。この方法はさらに、受信されたオフ信号またはオン信号に応答して補助回路制御信号を制御回路から補助回路に送信することを含み、補助回路制御信号は、補助回路を低電流モードまたは高電流モードで動作させて、補助回路内の並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを電流が選択的に流れることを可能にする。
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を示す。
本発明の例示的な実施形態によるＭＥＭＳリレー回路のブロック概略図である。 例示的な実施形態による、図１のＭＥＭＳリレー回路で使用可能なＭＥＭＳスイッチの概略斜視図である。 開位置にある図２のＭＥＭＳスイッチの概略側面図である。 閉位置にある図２のＭＥＭＳスイッチの概略側面図である。 例示的な実施形態による、図１のＭＥＭＳリレー回路で使用可能な補助回路の概略図である。 図５の補助回路を、低電流モードおよび高電流モードの動作で、例示的な実施形態に従って動作させるための技術を示すフローチャートである。 例示的な実施形態による、図１のＭＥＭＳリレー回路で使用可能な補助回路の概略図である。 例示的な実施形態による、図１のＭＥＭＳリレー回路で使用可能な補助回路の概略図である。 例示的な実施形態による、図１のＭＥＭＳリレー回路で使用可能な制御回路の概略図である。
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳスイッチ、補助回路、および制御回路の構成を有するＭＥＭＳリレー回路を提供し、補助回路およびＭＥＭＳスイッチは、ＭＥＭＳリレー回路が高効率および高信頼性で動作するように制御される。
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ技術を利用するものとして以下に説明されるが、そのような記載は本発明の範囲を限定するものではないことが認識される。つまり、ＭＥＭＳは、一般的に、例えば機械的要素、電気機械的要素、センサ、アクチュエータ、および電子回路の多数の機能的に異なる要素を、微小製造技術により共通基板上に例えば集積することができるミクロンスケールの構造を指す。しかし、ＭＥＭＳ装置で現在利用可能な多くの技術および構造は、ナノテクノロジーベースの装置、例えば、サイズが１００ナノメートルよりも小さくなり得る構造により、わずか数年で利用可能になると考えられている。したがって、本明細書の全体にわたって説明される例示的な実施形態は、ＭＥＭＳベースのスイッチング装置に関することができるが、本発明の特徴は広く解釈されるべきであり、ミクロンサイズの装置に限定するべきではない。
さらに、本発明の実施形態は、リレー回路に組み込まれるものとして以下に説明されるが、このような記載は、本発明の範囲を限定するものではないことが認識される。その代わりに、本発明の実施形態は、リレーおよび回路保護アプリケーションの両方において実現でき、回路保護アプリケーションとしては非常に高い電流（定格電流の約５倍）の接続および切断に利用できることは理解すべきである。したがって、以下の「リレー」または「リレー回路」という用語の使用は、電流経路における電流のスイッチングに用いられる様々なタイプのスイッチングシステムを含むと理解される。
ここで図１を参照すると、本発明の一実施形態による、ＡＣおよび／またはＤＣアプリケーションのために設計されたＭＥＭＳ（微小電気機械システム）リレー回路１０のブロック概略図が示されている。ＭＥＭＳリレー回路１０は、概して、ＭＥＭＳスイッチング回路１２（ＭＥＭＳスイッチおよび関連するドライバから形成される）と、ＭＥＭＳスイッチがオンおよびオフにされるときのＭＥＭＳスイッチの両端の電圧を制限する補助回路１４と、ＭＥＭＳスイッチの適切な動作を確実にするための制御回路１６とを含んで記述される。ＭＥＭＳリレー回路１０は、第１の電源端子２０および第２の電源端子２２を介して負荷回路／電源回路１８に接続されてもよい。電源回路１８は、負荷インダクタンスおよび負荷抵抗によって特徴付けられ、電圧ＶＬＯＡＤおよび電源回路電流ＩＬＯＡＤを供給する電源（図示せず）を含むことができ、ＭＥＭＳスイッチング回路１２は、電源回路１８を流れる電流を供給するように選択的に制御される。
ＭＥＭＳスイッチング回路１２に含まれるＭＥＭＳスイッチ（およびその動作）のより詳細な図を図２〜図４に示す。例示的なＭＥＭＳスイッチ２４は、少なくとも部分的に導電性材料（例えば金属）を含む接点２６と、導電性材料（例えば金属）を含む片持ち梁２８として示される導電性素子とを含む。接点２６および梁２８は、数ナノメートルまたは数１０ナノメートルまたはマイクロメートル程度の寸法を有する微小電気機械装置またはナノ電気機械装置として形成することができる。梁２８の片持ち部分は接点２６上に延在し、梁２８は片持ち部分が延びるアンカー構造３０によって支持される。アンカー構造３０は、梁２８の片持ち部分を、図示の基板３２のような下にある支持構造に接続する働きをする。
ＭＥＭＳスイッチ２４はまた、電極３４を含み、電極３４は適切に帯電されたときに電極３４と梁２８との間に電位差を提供し、その結果梁を電極に向かって、かつ接点２６に対して引っ張る静電気力が生じる。すなわち、電極３４は、ＭＥＭＳスイッチ２４に対して「ゲート」として機能することができ、電圧（「ゲート電圧」ＶＧと称される）がゲート電圧源３６から電極３４に印加される。電極３４が充電されると、電極３４と梁２８との間に電位差が確立され、静電作動力が作用して、電極３４に向かって（また接点２６に向かって）梁２８を引っ張り、ＭＥＭＳスイッチ２４の開閉を制御する機能を果たす。電極３４に十分な電圧を加えると、静電気力が梁２８を変形させ、それによって梁を非接触（すなわち、開または非導電）位置から接触（すなわち、閉または導電）位置に変位させる。非接触すなわち「開」位置と接触すなわち「閉」位置との間の梁２８の移動が図３および図４に示されている。図３に示す非接触位置すなわち開位置では、梁２８は離間距離ｄだけ接点２６から分離され、図４に示す接触位置すなわち「閉」位置では、梁２８は接点２６と電気接触する。
スイッチング事象（すなわち、ＭＥＭＳスイッチ２４の非導通状態から導通状態へ、またはその逆への移動）では、ゲート電圧源３６によって供給されるゲート電圧ＶＧは、スイッチング事象時間すなわち「スイッチング期間」にわたって変化する場合があり、ドライバ回路３８は、ゲート電圧を供給する際にゲート電圧源３６の動作を制御するように機能する。ＭＥＭＳスイッチ２４が開かれているスイッチング事象では、ゲート電圧はスイッチング期間にわたって減少するが、ＭＥＭＳスイッチ２４が閉じているスイッチング事象では、スイッチング期間にわたってゲート電圧ＶＧは増加する。例示的な実施形態では、持続スイッチング期間は約１０マイクロ秒以下である。
接点２６および梁２８は、電源回路１８の電源端子２０および電源端子２２のいずれかにそれぞれ接続することができ、第１の位置および第２の位置の間の梁２８の変形がそれぞれ電流を通過させ、遮断するように作用する。梁２８は、ＭＥＭＳスイッチ２４が利用される用途によって決定される周波数（均一または不均一のいずれか）で接点２６との接触および非接触を繰り返して移動することができる。接点２６と梁２８が互いに分離される場合、接点と梁との間の電圧差は、「スタンドオフ電圧」と呼ばれる。ＭＥＭＳスイッチ２４の設計のために、電源端子２０および電源端子２２間の漏れ電流は、例えばピコアンペア範囲で極端に低くなる。
上記のＭＥＭＳスイッチ構造は、単一の可動要素を有する単独のＭＥＭＳスイッチ２４に関して記載されているが、ＭＥＭＳスイッチ構造は、並列に、直列に、またはその両方に接続されたＭＥＭＳスイッチのアレイを含むことができ、アレイの各スイッチは可動要素を含むことに留意されたい。図１に参照されるＭＥＭＳスイッチ構造は、閉スイッチの導電経路が可動要素の長さを通る電気的構造を説明しているが、可動ＭＥＭＳスイッチ要素が２つの分離した平面的かつ絶縁した導電経路を分流する他のスイッチアーキテクチャが存在できることが認識される。このように、全体を通して「ＭＥＭＳスイッチ」（例えば、ＭＥＭＳスイッチ２４）というときは、単一のスイッチまたはスイッチアレイのいずれかを指すと理解すべきである。
ここで図１を参照し、図２〜図４を続けて参照すると、本発明の実施形態によれば、補助回路１４および制御回路１６は、ＭＥＭＳリレー回路１０に設けられ、スイッチング効率およびスイッチの保護／寿命を向上させる許容できる電圧レベルおよびエネルギーレベルでのＭＥＭＳスイッチ２４の動作を可能にする。すなわち、補助回路１４は（制御回路１６による制御を介して）、ＭＥＭＳスイッチ２４がスイッチング効率およびスイッチ寿命に悪影響を与える可能性がある「ホットスイッチング」状態で動作するのを防止するように機能する。ＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチング中に許容できるとみなされるＭＥＭＳスイッチ２４の両端に存在する電圧レベルおよびエネルギーレベルは、スイッチによって実行される機能およびスイッチが耐えられることが望まれるサイクル／スイッチング動作の数（すなわち、予想されるスイッチの寿命）に基づいて変化し得ることが認識される。例えば、１０，０００〜１００，０００回のスイッチサイクル／動作の寿命が十分である回路遮断器の一部として実施されるＭＥＭＳスイッチ２４の場合、許容できるとみなされるスイッチの両端の電圧レベルおよびエネルギーレベルは、寿命が１０億回サイクル以上であると予測されるスイッチより高い。したがって、回路遮断器の一部として実施されるＭＥＭＳスイッチ２４の場合、補助回路１４は、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧レベルおよびエネルギーレベルをそれぞれ約１０Ｖと５マイクロジュールに制御するように機能し、より長い寿命が予測されるＭＥＭＳスイッチ２４の場合、補助回路１４はＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧レベルおよびエネルギーレベルをそれぞれ約１Ｖと５０ナノジュールに制御するように機能する。
ＭＥＭＳリレー回路１０の動作において、制御回路１６は、接続された制御端子４０および制御端子４２からオンオフ制御信号を受信し、オンオフ制御信号は、ＭＥＭＳリレー回路１０の所望の動作状態を示す。オンオフ制御信号に応答して、制御回路１６は、制御信号をドライバ回路３８に送信し、これによりドライバ回路３８が電圧をＭＥＭＳスイッチ２４の電極３４に（ゲート電圧源３６を介して）選択的に供給し、それによりＭＥＭＳスイッチ２４を開位置または閉位置のいずれかに位置決めする。制御回路１６が制御端子４０および制御端子４２からオン信号を受信すると、電極３４に高いゲート電圧を印加させる制御信号がドライバ回路３８に送信され、これによりＭＥＭＳスイッチ２４を閉鎖位置にして電流がそれを通って流れることができる。制御回路１６が制御端子４０および制御端子４２からオフ信号を受信すると、電極３４に低いゲート電圧（またはゼロ電圧）を印加させる制御信号がドライバ回路３８に送信され、これによりＭＥＭＳスイッチ２４を開位置にして電源回路１８を切断する。
制御信号をＭＥＭＳスイッチング回路１２のドライバ回路３８に供給することに加えて、制御回路１６はまた、受信したオンオフ制御信号に応答して制御信号を補助回路１４に送信する。補助回路１４に供給される制御信号は、補助回路１４を選択的に作動および停止するように作用する。より具体的には、制御回路１６は、開位置と閉位置との間を移動するＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチング期間中に補助回路１４を作動させ、ＭＥＭＳスイッチ２４が全開位置または閉位置に静止している場合は補助回路１４を停止させる制御信号を、補助回路１４に送信するようにプログラムされる。開位置と閉位置との間を移動するＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチング期間中の補助回路１４の作動は、負荷電流ＩＬＯＡＤの少なくとも一部が補助回路１４の方に流れることをもたらし、これは、スイッチング期間中にＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧およびエネルギーを減らす。ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧は、電圧が所定の電圧閾値を超えないように補助回路１４の作動によって制限することができる。例示的な実施形態では、前述のように、所定の電圧閾値は、「ホットスイッチング」状態に関連する閾値であってもよく、補助回路１４は、スイッチの機能および実装に応じて、スイッチング期間中にＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧レベルおよびエネルギーレベルが、約１Ｖおよび５０ナノジュールを超えることを防ぐ、または約１０Ｖおよび５マイクロジュールを超えることを防ぐように機能する。ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧を低電圧レベルに制限することにより、ＭＥＭＳスイッチの確実な動作を保証することができる。
例示的な実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２４が開位置と閉位置との間で移動され、補助回路１４の作動／停止が実行されるシーケンスは、制御回路１６によって制御され、ＭＥＭＳスイッチ２４に適切な保護を提供する。オンオフ制御信号が制御回路１６によって受信されると（ＭＥＭＳスイッチ２４が開位置から閉位置へ、または閉位置から開位置へ移動されることを示す）、制御回路１６は、まず補助回路１４を作動させて、負荷電流の少なくとも一部をＭＥＭＳスイッチ２４から補助回路１４へ分流させるようにする。補助回路１４が作動されると、制御回路１６は、ドライバ回路３８に制御された電圧をＭＥＭＳスイッチ２４に供給させて、開位置から閉位置へ、または閉位置から開位置へＭＥＭＳスイッチ２４の作動を開始させ、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧は、補助回路１４の作動に基づいてスイッチング動作中にクランプされる。ＭＥＭＳスイッチ２４が開位置または閉位置に完全に移動した後、これはＭＥＭＳスイッチ２４の動作状態に関して制御回路１６に与えられたフィードバックに基づいて検出され得るが、制御回路１６は、補助回路１４を停止させ、全負荷電流が閉ＭＥＭＳスイッチ２４を通過するか、全負荷電圧が開スイッチ接点２４の両端で維持される。
ここで図５を参照すると、図１のＭＥＭＳリレー回路１０で使用できる補助回路１４、ならびにＭＥＭＳスイッチング回路１２および制御回路１６へのその接続の詳細図が例示的な実施形態により示されている。図５に示すように、補助回路１４は、ＭＥＭＳスイッチ２４に並列に接続され、補助回路１４の第１の接続部４４は、電源端子２０に接続されたＭＥＭＳスイッチ２４の側に接続され、補助回路１４の第２の接続部４６は、電源端子２２に接続されたＭＥＭＳスイッチ２４の側に接続されている。補助回路１４は、図示の実施形態では、並列に配置された一対のＭＯＳＦＥＴ５０とＭＯＳＦＥＴ５２（それぞれＭＯＳＦＥＴ Ｑ１とＭＯＳＦＥＴ Ｑ２とも呼ばれる）で構成されたソリッドステートスイッチング回路４８を含むが、他の適切なソリッドステートスイッチをＭＯＳＦＥＴの代わりに用いることができることが認識される。補助回路１４はさらに、ＭＯＳＦＥＴ５０とＭＯＳＦＥＴ５２の間に配置された共振回路５４（直列に配置されたインダクタ５６およびコンデンサ５８からなる）ならびに共振回路５４のコンデンサ５８を充電する充電回路６０を含む。
補助回路１４の構成は、電源回路１８からＭＥＭＳリレー回路１０に供給される負荷電流ＩＬＯＡＤの大きさに依存して、低電流モードまたは高電流モードの選択によって、低電流モードと高電流モードの２つの別個の動作モードで機能することを可能にする。低電流動作モードでは、ＭＯＳＦＥＴ５０はオンされて電流を流し、ＭＯＳＦＥＴ５２はオフ状態のままであり、非導通状態にある。ＭＯＳＦＥＴ５２がオフであることに加えて、共振回路５４もまた、補助回路１４が低電流モードにあるときには作動されない。高電流動作モードでは、ＭＯＳＦＥＴ５０およびＭＯＳＦＥＴ５２の両方をオンにして電流を流し、共振回路５４を作動させてＭＯＳＦＥＴ５０から電流を流して共振させる。共振回路５４のインダクタ５６およびコンデンサ５８が共振モードで動作するとき、それらの両端の電圧は、ＭＯＳＦＥＴ５２およびＭＯＳＦＥＴ５０の導通電圧であり、非常に小さいことに留意されたい。したがって、ピーク共振電流は非常に高くなる可能性があり、中程度のインダクタンスおよび容量値、ならびにプリチャージされたコンデンサ電圧（充電回路６０によって充電される）を伴う。共振によって、プリチャージされたコンデンサ電圧が大幅に回復する。
ＭＥＭＳスイッチング回路の動作に対して低電流モードおよび高電流モードで補助回路１４を動作させるための制御回路１６によって実現される技術が、図６に示され、より詳細に説明される。最初に技術６２において、オンオフ信号が、制御回路によってステップ６４で受信され、ＭＥＭＳスイッチ２４の開位置から閉位置へ、または閉位置から開位置への望ましい／必要な移動を示す。制御回路１６によってオンオフ信号を受信すると、ステップ６６において、補助回路１４を低電流動作モードで動作させるか高電流動作モードで動作させるかの決定が制御回路１６によって行われる。この決定を行うために、制御回路１６は、１つまたは複数の検知装置からフィードバックを受信し、検知装置は、電圧センサ６８および／または電流検知回路７０、Ｉｓｅｎｓｅ（図５参照）を含むことができ、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧（開位置にあるとき）またはＭＥＭＳスイッチ２４を通って流れる電流（閉位置にあるとき）を検知するように配置される。
ＭＥＭＳスイッチ２４が全開位置にあるとき（および閉位置に移行するとき）、電圧センサ６８（例えば比較器）はＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧を検知する。ＭＥＭＳスイッチ２４が全開位置にあるとき（および閉位置に移行するとき）、電圧センサ６８は、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧を検知し、そこから電流を計算することができる。電圧センサ６８によって検知された電圧のレベルは、制御回路１６によって分析され、スイッチを通る関連する電流が閉位置にあるときにいくらであるかを決定し、どの補助回路動作モードを使用すべきかの決定もなされる。すなわち、電圧センサ６８によって検知された電圧が、全負荷電流がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の関連する電圧降下Ｖｄｓ１が十分に低く、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧もまた十分に低いレベルである場合、制御回路１６は、ステップ７２に示すように、補助回路１４が低電流動作モードで動作すべきであると判断する。逆に、電圧センサ６８によって検知された電圧が、全負荷電流がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の関連する電圧降下Ｖｄｓ１が高すぎてＭＥＭＳスイッチ２４の信頼性のある動作にならないレベルである場合（すなわち、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧が高すぎる場合、例えば、ホットスイッチング閾値を超える場合）、制御回路１６は、補助回路１４が高電流動作モードで動作すべきであると判断する。別の実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２４が全開位置にあるとき（および閉位置に移行するとき）、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧を電圧センサ６８を介して検知するのではなく、制御回路１６は、代わりに単純にデフォルトで高電流モードで補助回路１４を動作させることができることが認識される。
ＭＥＭＳスイッチ２４が全閉位置にあるとき（および開位置に移行するとき）、電流検知回路７０は、ＭＥＭＳスイッチ２４を流れる電流を検知する。電流検知回路７０によって検知された電流のレベルは、どの補助回路動作モードを使用すべきかを決定するために、制御回路１６によって分析される。すなわち、電流検知回路７０によって検知された電流が、全負荷電流がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の関連する電圧降下Ｖｄｓ１が十分に低く、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧もまた十分に低いレベルである場合、制御回路１６は、ステップ７２に示すように、補助回路１４が低電流動作モードで動作すべきであると判断する。逆に、電流検知回路７０によって検知された電流が、全負荷電流がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の関連する電圧降下Ｖｄｓ１が高すぎてＭＥＭＳスイッチ２４の信頼性のある動作にならないレベルである場合（すなわち、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧が高すぎる場合、例えば、ホットスイッチング閾値を超える場合）、制御回路１６は、補助回路１４が高電流動作モードで動作すべきであると判断する。
ステップ６６において、７２で示すように、制御回路１６は、低電流モード動作で補助回路１４を動作させることができると判断すると（電圧センサ６８または電流検知回路７０からのフィードバックに基づく）、制御回路１６は、ステップ７５で制御信号を補助回路１４に送り、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を作動させて、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の作動により、電流がそれを通って流れることができる。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１が作動された後、ステップ７６で制御回路１６は、ＭＥＭＳスイッチ２４の作動をさせる制御信号をドライバ回路３８に送る。ＭＥＭＳスイッチ２４がオフからオンにされる／作動されるとき、まず、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１をオンにして、負荷電流がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を流れるようにし（ステップ７５）、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧がＶｄｓ１になり、これはＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の両端の電圧である。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１が作動された後、ＭＥＭＳスイッチ２４は、ステップ７６でオンになる／閉じられ、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の作動に基づいて所望の閾値未満に制御される。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１は、ＭＥＭＳスイッチ２４が完全に閉じるまで作動されたままであり、ＭＥＭＳスイッチ２４が完全に閉じられた時点で、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１は、ステップ７８でオフになり、補助回路１４が停止される。ＭＥＭＳスイッチ２４がオンからオフにされる／作動されるとき、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１は最初にオンにされ、その結果、負荷電流ＩＬＯＡＤの小さな部分がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１に分流され、負荷電流の大部分はオン抵抗が低いので、引き続きＭＥＭＳスイッチ２４を通って流れる。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１が完全に作動された後、ＭＥＭＳスイッチ２４は、ステップ７６でオフ／開位置に移動し、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧はＭＯＳＦＥＴ Ｑ１のＶｄｓ１のオン電圧によって制限される。ＭＥＭＳスイッチ２４が全開位置に移動すると、負荷電流全体がＭＯＳＦＥＴ Ｑ１に流れ、次にステップ７８でＭＯＳＦＥＴ Ｑ１がオフになり（すなわち、補助回路１４が停止される）、負荷電流ＩＬＯＡＤはオフ状態のＭＥＭＳリレー回路１０との接続が切断される。
ステップ６６において、７４で示すように、制御回路１６は、高電流モード動作で補助回路１４を動作させるべきであると判断すると（電流検知回路からのフィードバックに基づく）、制御回路１６は、ステップ８０で制御信号を補助回路１４に送り、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を作動させ、共振回路５４およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ２を作動させ、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１およびＭＥＭＳスイッチ２４を流れる電流を減少させる。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１が完全にオンになると、共振回路５４およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ２がオンになり、共振回路５４は共振電流をＭＯＳＦＥＴ Ｑ２に向かう方向に流れるようにさせ（図示のようにＭＯＳＦＥＴ Ｑ２に向かう方向にコンデンサ５８のプリチャージを介して）、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通る電流を減少させる。共振回路５４およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ２が作動された後、制御回路１６は、ステップ８２でＭＥＭＳスイッチ２４の作動をさせる制御信号をドライバ回路３８に送り、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通る電流が許容できる低レベルに減少すると、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の両端に許容できる電圧Ｖｄｓ１と、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の対応する許容できる電圧レベルをもたらし、作動中に所定の閾値未満である。
高電流モードの補助回路１４の動作において、ＭＥＭＳスイッチ２４がオフからオンになる／作動されるとき、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の作動が実行され、負荷電流ＩＬＯＡＤがそれを流れているとき、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２はオンになり、共振回路５４は、共振電流をＭＯＳＦＥＴ Ｑ２に向かう方向に流し、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を流れる電流が減少する。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２が作動すると、共振電流はＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通る電流を減少させ、したがって、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の両端の電圧Ｖｄｓ１を十分に低いレベルに低下させ、ＭＥＭＳスイッチ２４はオンになる／閉じられ（ステップ８２）、ＭＥＭＳスイッチ２４の両端の電圧は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ２の作動に基づいて所望の閾値未満に制御される。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ２は、ＭＥＭＳスイッチ２４が完全に閉じるまで作動されたままであり、ＭＥＭＳスイッチ２４が完全に閉じられた時点で、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２はステップ８４でオフになり（ＩＱ２が方向転換した後に）、共振は、インダクタ電流がゼロになった後、つまり１共振周期後、停止する。共振が終了すると、ステップ８６でＭＯＳＦＥＴ Ｑ１がオフになり、補助回路１４が完全に停止する。
高電流モードの補助回路１４の動作において、ＭＥＭＳスイッチ２４がオンからオフになる／作動されるとき、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の作動が実行され、負荷電流ＩＬＯＡＤがそれを流れているとき、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２はオンになり、共振回路５４は、共振電流をＭＯＳＦＥＴ Ｑ２に向かう方向に流し、ＭＥＭＳスイッチ２４およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を流れる合成電流が減少する。ＭＥＭＳスイッチ２４およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ１を通って流れる結合電流が減少し、それに伴ってＭＥＭＳスイッチ２４およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ１の両端の電圧レベルが十分に低いレベルに低下すると、ＭＥＭＳスイッチ２４は、低い電圧でオフになる／開かれる（ステップ８２）。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ２は、ＭＥＭＳスイッチ２４が完全に開くまで作動されたままであり、ＭＥＭＳスイッチ２４が完全に閉じられた時点で、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２はステップ８４でオフになり（ＩＱ２が方向転換した後に）、共振は、インダクタ電流がゼロになった後、つまり１共振周期後、停止する。共振が終了すると、ステップ８６でＭＯＳＦＥＴ Ｑ１がオフになり、補助回路１４が完全に停止し、負荷電流はオフ状態のＭＥＭＳリレー回路１０との接続が切断される。
図５に示し説明した補助回路１４は、電源端子２０および電源端子２２でＤＣ電力を加えるＭＥＭＳリレー回路１０に接続された電源回路１８と共に使用され、補助回路１４の構造は、電源回路が、電源端子２０および電源端子２２でＡＣ電力を加えるＭＥＭＳリレー回路１０に接続されたときに変更されることが認識される。ここで図７を参照すると、別の実施形態による、ＡＣ電力をＭＥＭＳリレー回路１０に供給する電源回路と共に使用するための補助回路９０が示されている。図７の補助回路９０は、図５の補助回路１４と比較して、ＭＯＳＦＥＴ５０およびＭＯＳＦＥＴ５２の各々が背中合わせに接続された１対のＭＯＳＦＥＴ、すなわちＭＯＳＦＥＴ９２、ＭＯＳＦＥＴ９４およびＭＯＳＦＥＴ９６、ＭＯＳＦＥＴ９８によって置き換えられている点が異なる。ＡＣアプリケーションでは、（コンデンサ５８の）プリチャージされたコンデンサ電圧の極性は、実際の負荷電流ＩＬＯＡＤに基づいてライン周期で変更される。例えば、実際の負荷電流が電源端子２０から電源端子２２までのとき、図７の１００に示すように、コンデンサ電圧の極性は第１の方向になる。このようにして、共振電流は実際のＭＥＭＳスイッチ電流を減少させる。実際の負荷電流が電源端子２２から電源端子２０に流れるとき、コンデンサ電圧の極性は、図７の１０２に示すように、第２の方向になるように反転され、共振電流はこの場合も、実際のＭＥＭＳスイッチ電流を減少させる。補助回路９０では、コンデンサ値が小さく、コンデンサ電圧も小さく、周波数が低いので、電力損失は非常に小さくなる。
ここで図８を参照すると、さらに別の実施形態において、図５に示し説明された補助回路１４を組み込んだＭＥＭＳリレー回路１０の構造は、補助回路を電源回路から電気的に絶縁するように変更される。このような絶縁を提供するために、ＭＥＭＳスイッチ１０４を補助回路１４と直列に配置して、補助回路１４を電源回路１８から選択的に接続および切断する。例示的な実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１０４は、ＭＯＳＦＥＴ５０と補助回路１４の第２の接続部４６との間に、ＭＯＳＦＥＴ５０と直列に配置され、補助回路１４の漏れを開放する。
図５、図７および図８に示す補助回路１４および補助回路９０は、ＭＥＭＳスイッチング回路１２の両端の電圧を制御するための低コストで小さな選択肢を有益に提供する。補助回路１４は、２つのＭＯＳＦＥＴ５０およびＭＯＳＦＥＴ５２と、１つのインダクタ５６と、１つのコンデンサ５８とを必要とするだけである。低電流モードまたは高電流モードの２つの動作モードのうちの１つで補助回路１４を動作させることにより、ＭＯＳＦＥＴ５０のオン抵抗に関して柔軟性が得られ（つまり、オン抵抗はあまり小さくする必要はない）、ＭＯＳＦＥＴ５０のコストを低くでき、ＭＯＳＦＥＴ５２のオン抵抗に対する特定の要件はない。さらに、インダクタ５６およびコンデンサ５８が共振モードで動作する場合、それらの両端の電圧は、ＭＯＳＦＥＴ５２およびＭＯＳＦＥＴ５０の導通電圧であり、非常に小さく、ピーク共振電流は、適度なインダクタ値およびコンデンサ値とプリチャージコンデンサ電圧を伴い非常に高くなる可能性がある。
ここで図９を参照し、また図１および図５に戻って参照すると、図１のＭＥＭＳリレー回路１０で使用できる制御回路１６、ならびにＭＥＭＳスイッチング回路１２および補助回路１４へのその接続の詳細図が例示的な実施形態により示されている。制御回路１６は、制御入力端子４０および制御入力端子４２とその制御出力端子１０５および制御出力端子１０７（すなわち、低電圧「制御側」１０６から高電圧「電力側」１０８）との間の電気的絶縁を提供し、ＭＥＭＳスイッチング回路１２および補助回路１４に対するスイッチング信号電力の転送を制御するために必要な論理回路を提供するように構成されている。制御回路１６は、（制御端子４０および制御端子４２を介して受信した）オンオフ制御信号および電力を、ＭＥＭＳリレー回路１０の制御側１０６から、ＭＥＭＳリレー回路１０の電力側１０８のＭＥＭＳスイッチング回路１２に転送することを提供し、オンオフ制御信号および電力は絶縁バリアを横切って転送される。
図９に示すように、制御回路１６は、制御端子４０に接続され、それによって受信されるオンオフ信号によって制御され、オンオフ信号が論理ハイ論理ロー信号である発振器１１０を含む。論理レベルのオンオフ信号は、発振器１１０に電圧Ｖｏｓｃおよびオンオフ信号が論理ハイである場合「第１の信号特性」を、またオンオフ信号が論理ローである場合には「第２の信号特性」を有する電気パルス（すなわち、「第１の電気パルス」）を発生させる。一実施形態では、論理レベルのオンオフ信号は、オンオフ信号が論理ハイである場合に第１の周波数Ｆ１で、オンオフ信号が論理ローである場合に第２の周波数Ｆ２で発振器１１０に電気パルスを生成させる。別の実施形態では、論理レベルのオンオフ信号は、ＰＷＭ（パルス幅変調）モードで発振器を動作させ、ここで発振器のデューティサイクルは変化する（すなわち、パルス幅が変化する）が周波数は一定である。すなわち、オンオフ信号が論理ハイである場合、発振器１１０は、第１のデューティサイクルＤＣ１（例えば、５０％のデューティサイクル）で電気パルスを出力し、オンオフ信号が論理ローである場合、発振器１１０は、第２のデューティサイクルＤＣ２（例えば、１０％のデューティサイクル）で電気パルスを出力する。実際には、ＰＷＭモードは、制御回路１６内のパルストランス（以下にさらに詳細に説明する）を単一の周波数で動作するように設計することができ、設計を単純化するので好ましい。ドライバ１１２は、制御回路１６内の低電圧バッファとして働き、さらに発振器１１０の電流駆動／搬送能力を高める（すなわち、電流ブーストを提供する）発振器１１０に接続される。
図９にさらに示すように、制御回路１６は、パルストランス１１４を含み、これは低電圧制御側１０６を高電圧電力側１０８（すなわち、ＭＥＭＳスイッチ２４のゲートおよびＭＯＳＦＥＴ５０およびＭＯＳＦＥＴ５２（補助回路１４内）にインターフェースする役割を果たし、さらに矩形の電気パルス（すなわち、速い立ち上がり時間および立ち下がり時間ならびに比較的一定の振幅を有するパルス）の形態のような制御信号および電力が伝送される電気的絶縁バリアを提供する。パルストランス１１４の一次側は、制御回路１６の低電圧側１０６に設けられ、パルストランス１１４の二次側は、制御回路１６の高電圧側１０８に設けられている。例示的な実施形態では、パルストランス１１４は、２つの巻線を有するように構成されてもよく、制御端子で０〜５Ｖから１０Ｖ（補助回路内のＭＯＳＦＥＴ５０およびＭＯＳＦＥＴ５２を駆動するため）および／または６０〜８０Ｖ（ＭＥＭＳスイッチ２４を駆動するため）への変換などの電圧増加の適切なレベルを提供するが、トランスには他の数の巻線を設けることができることが認識される。動作中、パルストランス１１４は、発振器１１０から第１の電気パルスを受信し、発振器１１０から供給される第１の電気パルスと同じ信号特性を有する（すなわち、同じ第１の周波数もしくは第２の周波数、または同じ第１のデューティサイクルもしくは第２のデューティサイクルのいずれかで）が、第１の電気パルスから電気的に絶縁されている「第２の電気パルス」を出力する。
制御回路１６には、一次側のコンデンサ１１６、二次側のコンデンサ１２０、二次側のダイオード１２２も含まれている。パルストランス１１４は、コンデンサ１１６、コンデンサ１２０、およびダイオード１２２の構成で動作して、制御側の電圧Ｖ１と電力側の電圧Ｖ２が同じ形状を有する（すなわち、同じ周波数および／またはデューティサイクル）ように、ＤＣ電圧回復を提供し、電圧Ｖ１およびＶ２は、電気的に絶縁され、異なるアースに参照される。
また、制御回路１６には、ダイオード１２６およびコンデンサ１２８からなるピーク電圧検出器１２４が含まれている。ピーク電圧検出器１２４は、電圧Ｖ２のピーク電圧を検出する機能を有し、ＭＥＭＳドライバ回路３８と、パルス検出回路１３０と、補助回路１４用の他の制御回路およびドライバ回路とを含む、ＭＥＭＳリレー回路１０の高電圧側１０８（ＭＥＭＳスイッチ側）にあるすべての電子回路の電源として使用することができ、ピーク電圧検出器１２４の出力Ｖｃｃが出力端子１０５に供給される。
例示的な実施形態では、制御回路１６内の追加のダイオード１３２および抵抗器１３４が、パルストランス１１４によって生成された第２の電気パルスを取り出し、この電圧は、図９のＶｐｕｌｓｅを指す。ダイオード１３２および抵抗器１３４を通過した後、第２の電気パルスはパルス検出回路１３０に供給される。本発明の実施形態によれば、パルス検出回路１３０は、パルス信号の周波数、すなわち、第２の電気パルスが第１の周波数Ｆ１であるか第２の周波数Ｆ２であるかを決定／検出し、またはパルス信号のデューティサイクル、すなわち第２の電気パルスが第１のデューティサイクルＤＣ１であるかデューティサイクルＤＣ２であるかを決定／検出する（パルス幅を検出することによって）ように構成することができる。次いで、パルス検出回路１３０は、この決定に基づいて、ＭＥＭＳスイッチング回路１２への電力および制御信号の送信を制御する。制御回路１６は、電気パルス信号を取り出すためにダイオード１３２および抵抗器１３４を含むものとして示されているが、電圧Ｖ２を直接パルス検出回路１３０に接続することが可能であるため、制御回路１６の代替バージョンではこれらの構成要素を省略することができる。
動作中、および第２の電気パルスの周波数を決定するように構成されている場合、パルス検出回路１３０は、パルストランス１１４から出力される第２の電気パルスの周波数（Ｖ１の周波数と同じ）を検出する。パルス検出回路がＶｐｕｌｓｅの周波数が第１の周波数Ｆ１であることを検出すると、（ＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチングを制御するために）ドライバ回路３８に供給される生成制御信号Ｖｃｏｎの電圧は論理ハイになり、オンオフ信号はハイであり、したがって、ＭＥＭＳスイッチを閉位置に作動させる。パルス検出回路１３０が第２の電気パルスの周波数が第２の周波数Ｆ２であることを検出すると、（ＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチングを制御するために）ドライバ回路３８に供給される生成制御信号Ｖｃｏｎの電圧は論理ローになり、オンオフ信号はローであり、したがって、ＭＥＭＳスイッチを開位置に作動させる。
動作中、および第２の電気パルスのデューティサイクルを決定するように構成されている場合、パルス検出回路１３０は、パルストランス１１４から出力される第２の電気パルスのデューティサイクル（Ｖ１のデューティサイクルと同じ）を検出する。パルス検出回路がＶｐｕｌｓｅのデューティサイクルが第１のデューティサイクルＤＣ１であることを検出すると、（ＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチングを制御するために）ドライバ回路３８に供給される生成制御信号Ｖｃｏｎの電圧は論理ハイになり、オンオフ信号はハイであり、したがって、ＭＥＭＳスイッチを閉位置に作動させる。パルス検出回路１３０が第２の電気パルスのデューティサイクルが第２のデューティサイクルＤＣ２であることを検出すると、（ＭＥＭＳスイッチ２４のスイッチングを制御するために）ドライバ回路３８に供給される生成制御信号Ｖｃｏｎの電圧は論理ローになり、オンオフ信号はローであり、したがって、ＭＥＭＳスイッチを開位置に作動させる。
図９の制御回路１６は、リレー回路の制御側と電力側との間の電気的絶縁を有益に提供し、ＭＥＭＳスイッチおよび補助回路は電力側で制御信号を受信する。制御回路はまた、１つのパルストランスおよび低コストの電子回路のみを使用して、低電圧側から高電圧側への電力の転送および制御信号の送信を提供するので、制御回路はより小型で低電力消費を示し、簡素化された回路であり、そのすべてがＭＥＭＳリレー回路の製造および使用に関連するコストを削減する。
本発明の実施形態の技術的貢献は、ＭＥＭＳスイッチおよびそのスイッチング期間中にＭＥＭＳスイッチの両端の電圧を制限する付随する補助スイッチを動作させるコントローラ実装技術を提供することである。制御回路は、ＭＥＭＳスイッチのオンオフの時間の間に補助回路を選択的に作動させて、電流を補助回路に分流させ、それによってＭＥＭＳスイッチの両端間の電圧を所定の閾値電圧より低いレベルにクランプし、制御回路は、位置／状態間のＭＥＭＳスイッチの作動が完了した後に補助回路を停止させる。
したがって、本発明の一実施形態によれば、スイッチングシステムは、ＭＥＭＳスイッチとドライバ回路とを含むＭＥＭＳスイッチング回路を含み、ＭＥＭＳスイッチング回路は、負荷電流を受け取るために電源回路に接続可能である。スイッチングシステムはまた、ＭＥＭＳスイッチング回路と並列に連結された補助回路を含み、補助回路は、補助回路をＭＥＭＳスイッチの対向する側のＭＥＭＳスイッチング回路に接続する第１の接続部および第２の接続部と、第１のソリッドステートスイッチと、第１のソリッドステートスイッチと並列に接続された第２のソリッドステートスイッチと、第１のソリッドステートスイッチと第２のソリッドステートスイッチとの間に接続された共振回路とを含む。スイッチングシステムはさらに、ＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に動作可能に接続され、ＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に向かう負荷電流の選択的スイッチングを制御する制御回路を含み、第１のソリッドステートスイッチ、第２のソリッドステートスイッチおよび共振回路は、制御回路によって選択的に作動され、負荷電流の少なくとも一部をＭＥＭＳスイッチを分流して補助回路に流れるようにする。
本発明の別の実施形態によれば、ＭＥＭＳリレー回路は、開位置と閉位置との間で移動でき、負荷電流を選択的に通過させるＭＥＭＳスイッチと、駆動信号を提供して、ＭＥＭＳスイッチを開位置と閉位置との間で動かすように構成されるドライバ回路とを有するＭＥＭＳスイッチング回路を含む。ＭＥＭＳリレー回路はまた、ＭＥＭＳスイッチング回路に並列に接続され、ＭＥＭＳスイッチの両端の電圧を選択的に制限する補助回路を含み、補助回路は、並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを含む。ＭＥＭＳリレー回路は、ＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に動作可能に接続されてＭＥＭＳスイッチのスイッチングと、補助回路内の第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴの作動を制御する制御回路をさらに含む。補助回路は、低電流モードおよび高電流モードで選択的に動作可能であり、第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴに電流を選択的に流すことができ、低電流モードで第１のＭＯＳＦＥＴはオンであり、第２のＭＯＳＦＥＴはオフであり、高電流モードで第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴはオンである。
本発明のさらに別の実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチング回路、補助回路および制御回路を含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リレー回路を制御する方法が提供される。この方法は、制御回路において、ＭＥＭＳリレー回路の望ましい動作状態を含むオフ信号およびオン信号のうちの１つを受信することを含む。この方法はまた、受信されたオフ信号またはオン信号に応答して、制御回路からＭＥＭＳスイッチング回路のドライバ回路にドライバ制御信号を送信することを含み、ドライバ制御信号は、ドライバ回路に、ＭＥＭＳスイッチング回路のＭＥＭＳスイッチに選択的に電圧を提供させ、ＭＥＭＳスイッチを接触位置または非接触位置の間で作動させる。この方法はさらに、受信されたオフ信号またはオン信号に応答して補助回路制御信号を制御回路から補助回路に送信することを含み、補助回路制御信号は、補助回路を低電流モードまたは高電流モードで動作させて、補助回路内の並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを電流が選択的に流れることを可能にする。
本明細書は、最良の形態を含んだ本発明の開示のために、また、任意の装置またはシステムの製作および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含んだ本発明の実施がいかなる当業者にも可能になるように、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の字義通りの文言と実質的な差がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
本発明は、限られた数の実施形態に関して詳細に説明してきたが、本発明が、このような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに説明していないが、本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正されてもよい。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が、説明した実施形態の一部しか含まなくてもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
１０ ＭＥＭＳリレー回路
１２ ＭＥＭＳスイッチング回路
１４ 補助回路
１６ 制御回路
１８ 電源回路
２０ 電源端子
２２ 電源端子
２４ ＭＥＭＳスイッチ
２６ 接点
２８ 片持ち梁
３０ アンカー構造
３２ 基板
３４ 電極
３６ ゲート電圧源
３８ ドライバ回路
４０ 制御入力端子
４２ 制御入力端子
４４ 接続部
４６ 接続部
４８ ソリッドステートスイッチング回路
５０ ＭＯＳＦＥＴ
５２ ＭＯＳＦＥＴ
５４ 共振回路
５６ インダクタ
５８ コンデンサ
６０ 充電回路
６２ 技術
６８ 電圧センサ
７０ 電流検知回路
９０ 補助回路
９２ ＭＯＳＦＥＴ
９４ ＭＯＳＦＥＴ
９６ ＭＯＳＦＥＴ
９８ ＭＯＳＦＥＴ
１０４ ＭＥＭＳスイッチ
１０５ 制御出力端子
１０６ 制御側
１０７ 制御出力端子
１０８ 電力側
１１０ 発振器
１１２ ドライバ
１１４ パルストランス
１１６ コンデンサ
１２０ コンデンサ
１２２ ダイオード
１２４ ピーク電圧検出器
１２６ ダイオード
１２８ コンデンサ
１３０ パルス検出回路
１３２ ダイオード
１３４ 抵抗器

Claims (23)

  1. ＭＥＭＳスイッチ（２４）とドライバ回路（３８）とを含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチング回路（１２）であって、負荷電流を受け取るために電源回路に接続可能である、ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）と、
    前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）と並列に接続された補助回路（１４）と、
    前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）および前記補助回路（１４）に動作可能に接続され、前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）および前記補助回路（１４）に向かう負荷電流の選択的スイッチングを制御する制御回路（１６）と
    を含むスイッチングシステム（１０）であって、
    前記補助回路（１４）は、
    前記補助回路（１４）を前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に接続する第１接続部（４４）および第２の接続部（４６）と、
    第１のソリッドステートスイッチと、
    前記第１のソリッドステートスイッチと並列に接続された第２のソリッドステートスイッチと、
    前記第１のソリッドステートスイッチと前記第２のソリッドステートスイッチとの間に接続された共振回路（５４）と
    を含み、
    前記第１のソリッドステートスイッチ、前記第２のソリッドステートスイッチおよび前記共振回路（５４）は、前記制御回路（１６）によって選択的に起動されて、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が状態を変更する前に、前記負荷電流の少なくとも一部を前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）から分流して前記補助回路（１４）に流すことによって前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の電圧を制限する、スイッチングシステム（１０）。
  2. 前記共振回路（５４）は、インダクタ（５６）とコンデンサ（５８）とを含み、前記コンデンサ（５８）は、前記共振回路（５４）を通って前記第２のソリッドステートスイッチに向かう方向に電流が流れるようにプリチャージされる、請求項１に記載のスイッチングシステム（１０）。
  3. 前記補助回路（１４）は、前記コンデンサ（５８）をプリチャージするように構成されたプリチャージ回路をさらに含む、請求項２に記載のスイッチングシステム（１０）。
  4. 前記制御回路（１６）は、
    前記スイッチングシステム（１０）の所望の動作状態を示すオンオフ信号を受信し、
    前記受信したオンオフ信号に応答して、前記ドライバ回路（３８）に制御信号を送信して、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を所定のスイッチング期間内で接触または非接触位置に作動させ、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が前記接触位置と前記非接触位置との間でスイッチングしているスイッチング期間中に、前記負荷電流の少なくとも一部が前記補助回路（１４）に向かって流れるように、前記補助回路（１４）を作動させ、
    前記スイッチング期間の完了後に前記接触または非接触位置に達すると、前記補助回路（１４）を停止させ、前記負荷電流が閉状態の前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を通って流れ、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が開状態の時にその両端で全システム電圧を維持する
    ようにプログラムされる、請求項１に記載のスイッチングシステム（１０）。
  5. 前記制御回路（１６）は、前記補助回路（１４）を低電流モードおよび高電流モードのうちの１つで動作させるようにプログラムされる、請求項４に記載のスイッチングシステム（１０）。
  6. 前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を流れる電流および前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の電圧のうちの少なくとも１つを検知するように配置された少なくとも１つの検知回路（７０）をさらに含み、
    前記補助回路（１４）を前記低電流モードおよび前記高電流モードのうちの１つで動作させる際に、前記制御回路（１６）は、
    前記少なくとも１つの検知回路（７０）から、前記検知された電流および電圧のうちの前記少なくとも１つに関する入力を受信し、
    前記検知された電流および電圧のうちの前記少なくとも１つをそれぞれ電流閾値および／または電圧閾値と比較し、
    前記検知された電流および電圧のうちの前記少なくとも１つが前記それぞれの電流閾値および／または電圧閾値を下回る場合、前記補助回路（１４）を前記低電流モードで動作させ、
    前記検知された電流および電圧の前記少なくとも１つが前記それぞれの電流閾値および／または電圧閾値を上回る場合、前記補助回路（１４）を前記高電流モードで動作させる
    ようにプログラムされる、請求項５に記載のスイッチングシステム（１０）。
  7. 低電流モードで前記補助回路（１４）を動作させる際に、前記制御回路（１６）は、
    前記第１のソリッドステートスイッチを作動させて、前記負荷電流の少なくとも一部を前記第１のソリッドステートスイッチに流し、
    前記第１のソリッドステートスイッチの前記作動に続いて、前記制御信号を前記ドライバ回路に送信して、前記ＭＥＭＳスイッチに、前記接触位置と前記非接触位置との間で作動させ始め、
    前記ＭＥＭＳスイッチが前記接触位置または前記非接触位置に完全に作動されると、前記第１のソリッドステートスイッチを停止するようにプログラムされる、請求項５に記載のスイッチングシステム（１０）。
  8. 高電流モードで前記補助回路（１４）を動作させる際に、前記制御回路（１６）は、
    前記第１のソリッドステートスイッチを作動させて、前記負荷電流の少なくとも一部を前記第１のソリッドステートスイッチに流し、
    前記負荷電流の前記少なくとも一部が前記第１のソリッドステートスイッチおよび前記第２のソリッドステートスイッチの両方を流れるように、前記共振回路（５４）および前記第２のソリッドステートスイッチを作動させ、
    前記第１のソリッドステートスイッチおよび前記第２のソリッドステートスイッチおよび前記共振回路（５４）の作動に続いて、前記制御信号を前記ドライバ回路（３８）に送信して、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）に、前記接触位置と前記非接触位置との間で作動させ始め、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が前記接触位置または前記非接触位置に完全に作動されると、前記第２のソリッドステートスイッチを停止し、
    前記共振回路（５４）内の共振が停止した後に、前記第１のソリッドステートスイッチを停止させる
    ようにプログラムされる、請求項５に記載のスイッチングシステム（１０）。
  9. 前記第１のソリッドステートスイッチと直列に配置された第３のソリッドステートスイッチと、
    前記第２のソリッドステートスイッチと直列に配置された第４のソリッドステートスイッチと
    をさらに含み、
    前記第１のソリッドステートスイッチ、前記第２のソリッドステートスイッチ、前記第３のソリッドステートスイッチ、および前記第４のソリッドステートスイッチは、前記電源回路（１８）からＡＣ電力を受信するように構成された補助回路（１４）を提供する、
    請求項１に記載のスイッチングシステム（１０）。
  10. 前記補助回路（１４）と直列に配置されるように前記補助回路（１４）の前記第２の接続部（４６）に接続される追加のＭＥＭＳスイッチ（２４）をさらに含み、前記追加のＭＥＭＳスイッチ（２４）は、前記補助回路と前記電源回路との間の電気的分離を提供するために、前記補助回路（１４）を前記電源回路（１８）から選択的に接続および切断する動作ができる、請求項１に記載のスイッチングシステム（１０）。
  11. 前記第１のソリッドステートスイッチおよび前記第２のソリッドステートスイッチは、作動時に電流を伝えるように構成されたＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１に記載のスイッチングシステム（１０）。
  12. 前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）は、直列スイッチおよびシャントスイッチのうちの１つを含む、請求項１に記載のスイッチングシステム（１０）。
  13. ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）であって、
    非接触位置と接触位置との間で移動でき、負荷電流を選択的に通過させるＭＥＭＳスイッチ（２４）と、
    前記ＭＥＭＳスイッチを前記非接触位置と前記接触位置との間で移動させるための駆動信号を提供するように構成されたドライバ回路（３８）とを含む、ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）と、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）に並列に接続され、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の電圧を選択的に制限する補助回路（１４）であって、並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを含む補助回路と、
    前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）および前記補助回路（１４）に動作可能に接続され、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）のスイッチングおよび前記補助回路（１４）内の前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび前記第２のＭＯＳＦＥＴの作動を制御する制御回路（１６）と
    を含む、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リレー回路（１２）であって、
    前記補助回路（１４）は低電流モードおよび高電流モードで選択的に動作可能であり、前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび前記第２のＭＯＳＦＥＴに電流を選択的に流すことができ、前記低電流モードで前記第１のＭＯＳＦＥＴはオンであり、前記第２のＭＯＳＦＥＴはオフであり、前記高電流モードで前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴはオンである、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リレー回路（１２）。
  14. 前記補助回路（１４）は、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとの間に接続され、インダクタ（５６）とコンデンサ（５８）とを含む共振回路（５４）と、
    前記共振回路（５４）が作動されたときに、前記共振回路（５４）を通って前記第２のＭＯＳＦＥＴに向かう方向に電流を流すように、前記コンデンサ（５８）を選択的にプリチャージするように構成されたプリチャージ回路と
    をさらに含む、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  15. 高電流モードで前記補助回路（１４）を動作させる際に、前記制御回路（１６）は、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにして、前記負荷電流の少なくとも一部を前記第１のＭＯＳＦＥＴに流し、
    前記負荷電流の少なくとも一部が前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび前記第２のＭＯＳＦＥＴの両方を流れるように、前記第２のＭＯＳＦＥＴをオンにし前記共振回路（５４）を作動させ、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび前記第２のＭＯＳＦＥＴおよび前記共振回路（５４）を
    オンにすることに続いて、制御信号（５４）を前記ドライバ回路（３８）に送信して、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）に、前記非接触位置と前記接触位置との間で作動させ始め、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が前記非接触位置または前記接触位置に完全に作動されると、前記第２のＭＯＳＦＥＴをオフにし、
    前記共振回路（５４）内の共振が停止した後に、前記第１のＭＯＳＦＥＴをオフにする
    ようにプログラムされる、請求項１４に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  16. 低電流モードで前記補助回路（１４）を動作させる際に、前記制御回路（１６）は、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにして、前記負荷電流の少なくとも一部を前記第１のＭＯＳＦＥＴに流し、
    前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにすることに続いて、前記制御信号を前記ドライバ回路（３８）に送信して、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）に、前記非接触位置と前記接触位置との間で作動させ始め、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が前記非接触位置または前記接触位置に完全に作動されると、前記第１のＭＯＳＦＥＴをオフにする
    ようにプログラムされる、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  17. 前記接触位置にあるときに前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を流れる電流を検知するように配置された電流検知回路（７０）をさらに備え、
    前記制御回路（１６）は、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を流れる前記電流に関して前記電流検知回路（７０）から入力を受信し、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を流れる前記電流を電流閾値と比較し、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を流れる前記電流が前記電流閾値を下回る場合、前記低電流モードで前記補助回路（１４）を動作させ、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を流れる前記電流が前記電流閾値を上回っている場合には、前記高電流モードで前記補助回路（１４）を動作させる
    ようにプログラムされる、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  18. 前記非接触位置にあるときに前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の電圧を検知するように配置された電圧センサ（６８）をさらに備え、
    前記制御回路（１６）は、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の前記電圧に関して前記電圧センサ（６８）から入力を受信し、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の前記電圧を電圧閾値と比較し、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の前記電圧が前記電圧閾値を下回る場合、前記補助回路（１４）を前記低電流モードで動作させ、
    前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の前記電圧が前記電圧閾値を上回っている場合には、前記補助回路（１４）を前記高電流モードで動作させる
    ようにプログラムされる、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  19. 前記制御回路（１６）は、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が前記非接触位置にあるとき、デフォルト動作モードとして前記高電流モードで前記補助回路（１４）を動作させるようにプログラムされる、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  20. 前記低電流モードまたは前記高電流モードで前記補助回路（１４）を動作させる際に、前記制御回路（１６）は、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が前記非接触位置と前記接触位置との間を移動する間のスイッチング期間の間、前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにするか、または前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴをそれぞれオンにするようにプログラムされる、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
  21. ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）と、補助回路（１４）と、制御回路（１６）とを含む微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）リレー回路（１０）を制御する方法であって、
    前記制御回路（１６）において、前記ＭＥＭＳリレー回路（１０）の所望の動作状態を含むオフ信号およびオン信号のうちの１つを受信し、
    前記受信されたオフ信号またはオン信号に応答して、前記制御回路（１６）から前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）のドライバ回路（３８）にドライバ制御信号を送信し、前記ドライバ制御信号は、前記ドライバ回路（３８）に、前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）のＭＥＭＳスイッチ（２４）に選択的に電圧を提供させ、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）を接触位置および非接触位置の間で作動させ、
    前記受信したオフ信号またはオン信号に応答して補助回路制御信号を前記制御回路（１６）から前記補助回路（１４）に送信し、前記補助回路制御信号は前記補助回路（１４）を低電流モードまたは高電流モードで動作させて、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）が状態を変化させる前に、前記補助回路（１４）内の並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴに電流を選択的に流すことによって、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４）の両端の電圧を制御することを含む、方法。
  22. 前記低電流モードで前記補助回路（１４）を動作させることは、
    前記補助回路（１４）の前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにして、電流が流れるのを可能にし、
    前記補助回路（１４）の前記第２のＭＯＳＦＥＴをオフにして、電流が流れるのを防止することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記高電流モードで前記補助回路（１４）を動作させることは、
    前記補助回路（１４）の前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにして、電流が流れるのを可能にし、
    前記補助回路の前記第２のＭＯＳＦＥＴをオンにして、電流が流れるのを可能にし、
    前記補助回路（１４）の共振回路（５４）を作動させ、電流を前記第１のＭＯＳＦＥＴから前記第２のＭＯＳＦＥＴへ導くことをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
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