JP6924751B2

JP6924751B2 - 微小電気機械システムスイッチ用の絶縁された制御回路およびドライバ

Info

Publication number: JP6924751B2
Application number: JP2018520447A
Authority: JP
Inventors: リウ，ヤンフェイ; クレイドン，グレン・スコット; ケイメル，クリストファー・フレッド; ジオヴァニエッロ，クリスチャン・マイケル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: US9997317B2; US20170117111A1; WO2017070103A1; CN108369873A; CN108369873B; EP3365907A1; JP2018538661A; EP3365907B1

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つの主要な部品を備える。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つの接点に跨がり、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。このようなＭＥＭＳリレーでは、ＭＥＭＳリレーの制御端子と電源端子との間、すなわち、リレーの制御側と、ＭＥＭＳスイッチおよび補助回路を含むリレーの電力側との間に絶縁が必要である。さらに、電力側では、高いゲート電圧を必要とするＭＥＭＳリレー（例えば、ＭＥＭＳドライバ）を駆動するために電子回路が必要であり、ＭＥＭＳスイッチおよび補助回路のスイッチング信号を制御するために論理回路が必要である。したがって、絶縁バリアを跨がって制御信号（オンオフ信号）および電力を転送することが要求される。従来、この絶縁は、高い側の回路に電源を供給する絶縁電源と、オンオフ制御信号を転送するオプトカプラを使用して行われていたが、絶縁および制御信号の転送を提供するためにこのような構成要素を使用することは、ＭＥＭＳリレーのコストおよび占有するプリント回路基板面積を増加させる。

したがって、低電圧制御側と高電圧電力側との間の絶縁を提供し、低電圧制御側から高電圧電力側への電力伝送を提供し、低電圧制御側から高電圧電力側への制御信号の送信を提供するＭＥＭＳリレー回路を提供することが望まれる。このようなＭＥＭＳリレー回路は、ＭＥＭＳリレー回路のコストおよびサイズを低減する低コストの電子回路を使用して、そのような機能性を提供することがさらに望ましい。

国際公開第２０１４／１３５２０９号

本発明の一態様によれば、スイッチングシステムは、電源回路から負荷電流を受け取るために電源回路に接続可能なスイッチを含む。スイッチングシステムはまた、スイッチに動作可能に接続されスイッチの選択的スイッチングを制御する制御回路を含み、制御回路は、スイッチの所望の動作状態を示すオンオフ信号を受信する制御入力端子と、受信したオンオフ信号に応答するスイッチへ電力および制御信号を送信する制御出力端子と、制御入力端子に結合され、受信したオン／オフ信号に応答する第１の電気パルスを生成するように構成された発振器とを含み、第１の電気パルスは、オンオフ信号によって決定される第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する。制御回路はまた、発振器から第１の電気パルスを受信し、第１の電気パルスから電気的に絶縁された第２の電気パルスを出力するように接続されたパルストランスを含み、第２の電気パルスは、第１の電気パルスと同じ第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する。制御回路は、第２の電気パルスを受信し、第２の電気パルスが第１の信号特性または第２の信号特性を有するかどうかを判定し、第２の電気パルスが第１の信号特性または第２の信号特性を有するという判定に基づいてスイッチへの電力および制御信号の送信を制御するように構成されるパルス検出回路をさらに含む。第１の信号特性は、第１の周波数および第１のデューティサイクルのうちの１つを備え、第２の信号特性は、第２の周波数および第２のデューティサイクルのうちの１つを備える。

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ＭＥＭＳ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スイッチのスイッチングを制御するためにＭＥＭＳスイッチング回路に動作可能に接続された制御回路を含み、制御回路は、制御回路の制御側を制御回路の電力側から絶縁するように構成されたパルストランスと、制御側に配置され、受信したオンオフ信号に応答して第１の電気パルスを生成するように構成された発振器とを含み、第１の電気パルスは、オンオフ信号に基づいて特定の周波数および特定のデューティサイクルのうちの１つを有し、特定の周波数は第１の周波数および第２の周波数のうちの１つを備え、特定のデューティサイクルは、第１のデューティサイクルおよび第２のデューティサイクルのうちの１つを備える。制御回路はまた、パルストランスの出力を調整して第１の電気パルスと同じ特定の周波数または特定のデューティサイクルを有する第２の電気パルスを供給し、第２の電気パルスが特定の第１の周波数または特定の第２の周波数あるいは特定の第１のデューティサイクルまたは特定の第２のデューティサイクルのいずれにあるかを判定し、第２の電気パルスが特定の第１の周波数または特定の第２の周波数あるいは特定の第１のデューティサイクルまたは特定の第２のデューティサイクルを有するという判定に基づいて、論理ハイ信号および論理ロー信号のうちの１つをＭＥＭＳスイッチング回路に送信するように構成された電力側に配置された電源および論理回路を含む。

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、制御回路内の発振器に、オフ信号およびオン信号のうちの１つに応答する第１の電気信号を生成させることを含み、第１の電気信号は、オン信号が受信されたときに第１の信号特性を有し、オフ信号が受信されたときに第２の信号特性を有する。この方法はまた、パルストランスを通じて第１の電気信号をルーティングし、第１の電気信号から電気的に絶縁された第２の電気信号を生成することを含み、第２の電気信号は、第１の電気信号と同じ第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する。この方法は、第２の電気信号が第１の信号特性または第２の信号特性を有するかどうかをパルス検出回路を介して判定し、第２の電気信号が第１の信号特性を有するときに、制御回路からＭＥＭＳスイッチング回路に論理ハイ信号を出力し、第２の電気信号が第２の信号特性を有するとき、制御回路からＭＥＭＳスイッチング回路に論理ロー信号を出力することをさらに含む。論理ハイ信号および論理ロー信号は、ＭＥＭＳスイッチング回路のＭＥＭＳスイッチに電圧を選択的に印加して、ＭＥＭＳスイッチを接触位置と非接触位置との間で作動させる。

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リレー回路の制御端子と電源端子との間を電気的に絶縁し、リレー回路のＭＥＭＳスイッチおよび補助回路を駆動するための適切な電力および制御信号を提供する制御回路を含むＭＥＭＳリレー回路を提供する。

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Ｖ_ＬＯＡＤおよび電源回路電流Ｉ_ＬＯＡＤ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」Ｖ_Ｇ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Ｖ_Ｇ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Ｖ_Ｇ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Ｉ_ＬＯＡＤ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ＭＯＳＦＥＴＱ１とＭＯＳＦＥＴＱ２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Ｉ_ＬＯＡＤ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、Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}（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ＭＯＳＦＥＴＱ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴＱ１の関連する電圧降下Ｖ_ｄｓ１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ＭＯＳＦＥＴＱ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴＱ１の関連する電圧降下Ｖ_ｄｓ１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ＭＯＳＦＥＴＱ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴＱ１の関連する電圧降下Ｖ_ｄｓ１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ＭＯＳＦＥＴＱ１を通過するときの、ＭＯＳＦＥＴＱ１の関連する電圧降下Ｖ_ｄｓ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１を作動させて、ＭＯＳＦＥＴＱ１の作動により、電流がそれを通って流れることができる。ＭＯＳＦＥＴＱ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１をオンにして、負荷電流がＭＯＳＦＥＴＱ１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Ｖ_ｄｓ１になり、これはＭＯＳＦＥＴＱ１の両端の電圧である。ＭＯＳＦＥＴＱ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１の作動に基づいて所望の閾値未満に制御される。ＭＯＳＦＥＴＱ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１は最初にオンにされ、その結果、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤの小さな部分がＭＯＳＦＥＴＱ１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。ＭＯＳＦＥＴＱ１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ＭＯＳＦＥＴＱ１のＶ_ｄｓ１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ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れ、次にステップ７８でＭＯＳＦＥＴＱ１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Ｉ_ＬＯＡＤ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、ＭＯＳＦＥＴＱ１を作動させ、共振回路５４およびＭＯＳＦＥＴＱ２を作動させ、ＭＯＳＦＥＴＱ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１が完全にオンになると、共振回路５４およびＭＯＳＦＥＴＱ２がオンになり、共振回路５４は共振電流をＭＯＳＦＥＴＱ２に向かう方向に流れるようにさせ（図示のようにＭＯＳＦＥＴＱ２に向かう方向にコンデンサ５８のプリチャージを介して）、ＭＯＳＦＥＴＱ１を通る電流を減少させる。共振回路５４およびＭＯＳＦＥＴＱ２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、ＭＯＳＦＥＴＱ１を通る電流が許容できる低レベルに減少すると、ＭＯＳＦＥＴＱ１の両端に許容できる電圧Ｖ_ｄｓ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１の作動が実行され、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤがそれを流れているとき、ＭＯＳＦＥＴＱ２はオンになり、共振回路５４は、共振電流をＭＯＳＦＥＴＱ２に向かう方向に流し、ＭＯＳＦＥＴＱ１を流れる電流が減少する。ＭＯＳＦＥＴＱ２が作動すると、共振電流はＭＯＳＦＥＴＱ１を通る電流を減少させ、したがって、ＭＯＳＦＥＴＱ１の両端の電圧Ｖ_ｄｓ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＭＯＳＦＥＴＱ２の作動に基づいて所望の閾値未満に制御される。ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＭＯＳＦＥＴＱ２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、ＭＯＳＦＥＴＱ２はステップ８４でオフになり（Ｉ_Ｑ２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ＭＯＳＦＥＴＱ１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、ＭＯＳＦＥＴＱ１の作動が実行され、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤがそれを流れているとき、ＭＯＳＦＥＴＱ２はオンになり、共振回路５４は、共振電流をＭＯＳＦＥＴＱ２に向かう方向に流し、ＭＥＭＳスイッチ２４およびＭＯＳＦＥＴＱ１を流れる合成電流が減少する。ＭＥＭＳスイッチ２４およびＭＯＳＦＥＴＱ１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ＭＯＳＦＥＴＱ１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）。ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＭＯＳＦＥＴＱ２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、ＭＯＳＦＥＴＱ２はステップ８４でオフになり（Ｉ_Ｑ２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ＭＯＳＦＥＴＱ１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Ｉ_ＬＯＡＤ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Ｖ_ｏｓｃ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Ｆ_１で、オンオフ信号が論理ローである場合に第２の周波数Ｆ_２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ＤＣ_１（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ＤＣ_２（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、発振器１１０に接続され、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）。

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Ｖ_１と電力側の電圧Ｖ_２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Ｖ_１およびＶ_２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Ｖ_２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Ｖ_ｃｃ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Ｖ_{ｐｕｌｓｅ}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Ｆ_１であるか第２の周波数Ｆ_２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ＤＣ_１であるかデューティサイクルＤＣ_２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Ｖ_２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（Ｖ_１の周波数と同じ）を検出する。パルス検出回路がＶ_{ｐｕｌｓｅ}の周波数が第１の周波数Ｆ_１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Ｖ_ｃｏｎ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Ｆ_２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Ｖ_ｃｏｎ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（Ｖ_１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Ｖ_{ｐｕｌｓｅ}のデューティサイクルが第１のデューティサイクルＤＣ_１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Ｖ_ｃｏｎ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ＤＣ_２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Ｖ_ｃｏｎ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、有利なことに、即時のオンオフ信号検出を提供し、オプトカプラソリューションと比較して費用対効果が高い。制御回路は、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、電力の転送および制御信号の送信を提供し、制御回路１６はトランスを跨がって電力を転送することができるので、別個の絶縁した二次側電源の必要を排除する。パルストランスは、制御回路が低コストで低電力損失を示すように、高電圧絶縁レベルで広く利用可能である。高電圧駆動を必要とするＭＥＭＳスイッチの特定のケースでは、トランスソリューションは、電圧を増大させることができるので、さらに魅力的である。

本発明の実施形態の技術的貢献は、適切な電力および制御信号をＭＥＭＳリレー回路のＭＥＭＳスイッチング回路および補助回路に提供するコントローラ実施技術を提供することである。ＭＥＭＳリレー回路の制御回路は、ＭＥＭＳリレー回路の所望の動作状態を示すオンまたはオフ信号を受信し、受信したオン信号またはオフ信号に応答して特定の周波数の電気信号を生成し、特定の周波数に基づいて論理ハイまたは論理ロー信号を出力し、論理ハイ信号または論理ロー信号はＭＥＭＳスイッチング回路のＭＥＭＳスイッチに電圧を選択的に印加して、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。

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、電源回路から負荷電流を受け取るために電源回路に接続可能なスイッチを含む。スイッチングシステムはまた、スイッチに動作可能に接続されスイッチの選択的スイッチングを制御する制御回路を含み、制御回路は、スイッチの所望の動作状態を示すオンオフ信号を受信する制御入力端子と、受信したオンオフ信号に応答するスイッチへ電力および制御信号を送信する制御出力端子と、制御入力端子に結合され、受信したオン／オフ信号に応答する第１の電気パルスを生成するように構成された発振器とを含み、第１の電気パルスは、オンオフ信号によって決定される第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する。制御回路はまた、発振器から第１の電気パルスを受信し、第１の電気パルスから電気的に絶縁された第２の電気パルスを出力するように接続されたパルストランスを含み、第２の電気パルスは、第１の電気パルスと同じ第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する。制御回路は、第２の電気パルスを受信し、第２の電気パルスが第１の信号特性または第２の信号特性を有するかどうかを判定し、第２の電気パルスが第１の信号特性または第２の信号特性を有するという判定に基づいてスイッチへの電力および制御信号の送信を制御するように構成されるパルス検出回路をさらに含む。第１の信号特性は、第１の周波数および第１のデューティサイクルのうちの１つを備え、第２の信号特性は、第２の周波数および第２のデューティサイクルのうちの１つを備える。

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ＭＥＭＳ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スイッチのスイッチングを制御するためにＭＥＭＳスイッチング回路に動作可能に接続された制御回路を含み、制御回路は、制御回路の制御側を制御回路の電力側から絶縁するように構成されたパルストランスと、制御側に配置され、受信したオンオフ信号に応答して第１の電気パルスを生成するように構成された発振器とを含み、第１の電気パルスは、オンオフ信号に基づいて特定の周波数および特定のデューティサイクルのうちの１つを有し、特定の周波数は第１の周波数および第２の周波数のうちの１つを備え、特定のデューティサイクルは、第１のデューティサイクルおよび第２のデューティサイクルのうちの１つを備える。制御回路はまた、パルストランスの出力を調整して第１の電気パルスと同じ特定の周波数または特定のデューティサイクルを有する第２の電気パルスを供給し、第２の電気パルスが特定の第１の周波数または特定の第２の周波数あるいは特定の第１のデューティサイクルまたは特定の第２のデューティサイクルのいずれにあるかを判定し、第２の電気パルスが特定の第１の周波数または特定の第２の周波数あるいは特定の第１のデューティサイクルまたは特定の第２のデューティサイクルを有するという判定に基づいて、論理ハイ信号および論理ロー信号のうちの１つをＭＥＭＳスイッチング回路に送信するように構成された電力側に配置された電源および論理回路を含む。

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、制御回路内の発振器に、オフ信号およびオン信号のうちの１つに応答する第１の電気信号を生成させることを含み、第１の電気信号は、オン信号が受信されたときに第１の信号特性を有し、オフ信号が受信されたときに第２の信号特性を有する。この方法はまた、パルストランスを通じて第１の電気信号をルーティングし、第１の電気信号から電気的に絶縁された第２の電気信号を生成することを含み、第２の電気信号は、第１の電気信号と同じ第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する。この方法は、第２の電気信号が第１の信号特性または第２の信号特性を有するかどうかをパルス検出回路を介して判定し、第２の電気信号が第１の信号特性を有するときに、制御回路からＭＥＭＳスイッチング回路に論理ハイ信号を出力し、第２の電気信号が第２の信号特性を有するとき、制御回路からＭＥＭＳスイッチング回路に論理ロー信号を出力することをさらに含む。論理ハイ信号および論理ロー信号は、ＭＥＭＳスイッチング回路のＭＥＭＳスイッチに電圧を選択的に印加して、ＭＥＭＳスイッチを接触位置と非接触位置との間で作動させる。

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、任意のデバイス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。

１０ＭＥＭＳリレー回路
１２ＭＥＭＳ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
２４ＭＥＭＳ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
３８ＭＥＭＳ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
５０ＭＯＳＦＥＴ
５２ＭＯＳＦＥＴ
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
９２ＭＯＳＦＥＴ
９４ＭＯＳＦＥＴ
９６ＭＯＳＦＥＴ
９８ＭＯＳＦＥＴ
１０４ＭＥＭＳスイッチ
１０５制御出力端子
１０６低電圧制御側
１０７制御出力端子
１０８高電圧電力側
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

スイッチングシステムであって、
電源回路（１８）から負荷電流を受け取るための電源回路（１８）に接続可能なスイッチであって、前記スイッチは電気スイッチ、電気機械スイッチ、トランジスタ、またはリレーのうちの１つを備える、スイッチと、
前記スイッチの選択的スイッチングを制御するために前記スイッチに動作可能に接続された制御回路（１６）であって、
前記スイッチの所望の動作状態を示すオンオフ信号を受信する制御入力端子（４０、４２）と、
前記受信したオンオフ信号に応答して前記スイッチへ電力および制御信号を送信する制御出力端子（１０５、１０７）と、
前記制御入力端子（４０）に結合され、受信した前記オンオフ信号に応答する第１の電気パルスを生成するように構成された発振器（１１０）であって、前記第１の電気パルスは前記オンオフ信号によって決定される第１の信号特性および第２の信号特性のうちの１つを有する、発振器（１１０）と、
前記発振器（１１０）から前記第１の電気パルスを受信し、前記第１の電気パルスから電気的に絶縁された第２の電気パルスを出力するように接続されたパルストランス（１１４）であって、前記第２の電気パルスは、前記第１の電気パルスと同じ前記第１の信号特性および前記第２の信号特性のうちの１つを有する、パルストランス（１１４）と、
パルス検出回路（１３０）であって、
前記第２の電気パルスを受信し、
前記第２の電気パルスが前記第１の信号特性または前記第２の信号特性を有するかを判定し、
前記第２の電気パルスが前記第１の信号特性または前記第２の信号特性を有するとの前記判定に基づいて、前記スイッチへの電力および制御信号の送信を制御する
ように構成される、パルス検出回路（１３０）と
を含む、制御回路（１６）
を備え、
前記第１の信号特性は、第１の周波数および第１のデューティサイクルのうちの１つを備え、前記第２の信号特性は、第２の周波数および第２のデューティサイクルのうちの１つを備える、スイッチングシステム。
前記スイッチは、ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）およびＭＥＭＳドライバ回路（３８）を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチング回路（１２）を備え、前記パルス検出回路（１３０）を介して前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に送信される前記電力および制御信号は、前記ＭＥＭＳドライバ回路（３８）に送信され、前記ＭＥＭＳドライバ回路（３８）はスイッチング電圧を前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）に選択的に提供して前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を開位置または閉位置に作動させる、請求項１に記載のスイッチングシステム。
前記発振器（１１０）によって受信された前記オンオフ信号がオン信号である場合、前記発振器（１１０）は、前記第１の信号特性を有する第１の電気パルスを生成する、請求項２に記載のスイッチングシステム。
前記パルス検出回路（１３０）が、前記第２の電気パルスが前記第１の信号特性を有すると判定した場合、前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に送信される前記電力および制御信号は、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を閉位置に作動させる論理ハイ信号を備える、請求項３に記載のスイッチングシステム。
前記発振器（１１０）によって受信された前記オンオフ信号がオフ信号である場合、前記発振器（１１０）は、前記第２の周波数を有する第１の電気パルスを生成する、請求項２に記載のスイッチングシステム。
前記パルス検出回路（１３０）が、前記第２の電気パルスが前記第２の信号特性を有すると判定した場合、前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に送信される前記電力および制御信号は、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を開位置に作動させる論理ロー信号を備える、請求項５に記載のスイッチングシステム。
前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）と並列に連結された補助回路（１４）をさらに備え、前記補助回路（１４）は、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）から前記負荷電流の少なくとも一部を分流させ、前記補助回路（１４）に流れるように選択的に作動可能なソリッドステートスイッチング回路（４８）を備え、前記制御回路（１６）は、前記補助回路（１４）に動作可能に接続されて、電力および制御信号を供給して前記ソリッドステートスイッチング回路（４８）を選択的に作動させる、請求項２に記載のスイッチングシステム。
前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に送信された前記電力および制御信号は、所定のスイッチング期間内で前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を前記開位置または前記閉位置に作動させ、
前記制御回路（１６）は、
前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）が前記開位置と前記閉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開位置または前記閉位置に達すると、前記補助回路（１４）を停止させ、前記負荷電流が前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を通って流れる
ようにプログラムされる、請求項７に記載のスイッチングシステム。
前記制御回路（１６）は、
前記パルストランス（１１４）の１次側に配置される第１のコンデンサ（１１６）と、
前記パルストランス（１１４）の２次側に配置される第２のコンデンサ（１２０）と、
前記パルストランス（１１４）の２次側に配置される第１のダイオード（１２２）と
をさらに備え、
前記第２の電気パルスのデューティサイクルおよび／または周波数が前記第１の電気パルスのデューティサイクルおよび／または周波数と同じであるように、前記第１のコンデンサ（１１６）および第２のコンデンサ（１２０）ならびに前記第１のダイオード（１２２）は、前記パルストランス（１１４）と共に動作する、請求項２に記載のスイッチングシステム。
前記制御回路（１６）は、第２のダイオード（１２６）および第３のコンデンサ（１２８）を備えるピーク電圧検出器（１２４）をさらに備え、前記ピーク電圧検出器（１２４）の出力は、出力端子のうちの１つに供給されて、電力を前記ＭＥＭＳドライバ回路（３８）、補助回路（１４）および前記パルス検出回路（１３０）のうちの少なくとも１つに供給する、請求項９に記載のスイッチングシステム。
前記制御回路（１６）は、前記パルストランス（１１４）の２次側に配置された第３のダイオード（１３２）および抵抗器（１３４）をさらに備え、前記第２の電気パルスがそこを通って流れ、前記第２の電気パルスは前記第３のダイオード（１３２）および前記抵抗器（１３４）を通って前記パルス検出回路（１３０）に送られる、請求項９に記載のスイッチングシステム。
前記制御回路（１６）は、前記発振器（１１０）の出力に結合されたドライバ（１１２）をさらに備え、前記ドライバ（１１２）は、電流搬送能力を前記第１の電気パルスに増強し、前記制御回路（１６）に低電圧バッファを提供する、請求項１に記載のスイッチングシステム。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチング回路（１２）であって、
負荷電流を選択的に通過させるために開位置と閉位置との間で移動可能なＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）と、
駆動信号を供給して前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を前記開位置と前記閉位置との間で移動させるように構成されたＭＥＭＳ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、１０４）のスイッチングを制御するために前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に動作可能に接続された制御回路（１６）であって、
前記制御回路（１６）の制御側（１０６）を前記制御回路（１６）の電力側（１０８）から絶縁するように構成されたパルストランス（１１４）と、
前記制御側（１０６）に配置され、受信されたオンオフ信号に応答する第１の電気パルスを生成するように構成された発振器（１１０）であって、前記第１の電気パルスは、前記オンオフ信号に基づいて特定の周波数および特定のデューティサイクルのうちの１つを有し、前記特定の周波数は第１の周波数および第２の周波数のうちの１つを備え、前記特定のデューティサイクルは第１のデューティサイクルおよび第２のデューティサイクルのうちの１つを備える、発振器（１１０）と
前記電力側に配置された電力および論理回路であって、
前記パルストランス（１１４）の出力を条件設定して第２の電気パルスを供給し、前記第２の電気パルスは前記第１の電気パルスと同じ前記特定の周波数または前記特定のデューティサイクルを有し、
前記第２の電気パルスが前記特定の第１の周波数または前記特定の第２の周波数あるいは前記特定の第１のデューティサイクルまたは前記特定の第２のデューティサイクルの１つにあるかどうかを判定し、
前記第２の電気パルスが前記特定の第１の周波数または前記特定の第２の周波数あるいは前記特定の第１デューティサイクルまたは前記特定の第２のデューティサイクルを有する前記判定に基づいて、論理ハイ信号および論理ロー信号のうちの１つを前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に送信する
ように構成された、電力および論理回路と
を含む、制御回路（１６）と、を備えるＭＥＭＳリレー回路（１０）。
前記ＭＥＭＳドライバ回路（３８）に送信される前記論理ハイ信号および前記論理ロー信号のうちの前記１つは、前記発振器（１１０）でオン信号を受信したことを示す、前記第２の電気パルスが前記第１の周波数または前記第１のデューティサイクルを有すると判定された場合に論理ハイ信号を備え、前記発振器（１１０）でオフ信号を受信したことを示す、前記第２の電気パルスが前記第２の周波数または前記第２のデューティサイクルを有すると判定された場合に論理ロー信号を備える、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
前記ＭＥＭＳドライバ回路（３８）は、
前記送信された信号が論理ハイ信号である場合、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）に高電圧を印加し、前記高電圧により前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）が閉じ、
前記送信された信号が論理ロー信号である場合、ゼロ電圧または低電圧を印加し、前記ゼロ電圧または低電圧により前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）が開く、請求項１４に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
前記電力および論理回路は、
前記第２の電気パルスの前記周波数および前記デューティサイクルのうちの１つが前記第１の電気パルスの前記周波数および前記デューティサイクルのうちの１つと同じであるように、前記パルストランス（１１４）と共に集合的に動作するように配置された第１のコンデンサ（１１６）、第２のコンデンサ（１２０）、および第１のダイオード（１２２）の構成と、
前記第２の電気パルスが前記特定の第１の周波数または第２の周波数あるいは前記特定の第１のデューティサイクルまたは前記特定の第２のデューティサイクルであるかの判定と、前記論理ハイ信号および前記論理ロー信号のうちの１つの、前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）への送信とを実行するパルス検出回路（１３０）と
を備える、請求項１３に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に並列に接続され、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）の両端の電圧を選択的に制限する補助回路（１４）をさらに備え、前記補助回路（１４）は、並列に接続された第１のＭＯＳＦＥＴ（５０）および第２のＭＯＳＦＥＴ（５２）を備え、
前記制御回路（１６）は、前記補助回路（１４）に動作可能に接続され、前記第１のＭＯＳＦＥＴ（５０）および前記第２のＭＯＳＦＥＴ（５２）を選択的に作動させる、請求項１６に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
前記電力および論理回路は、ピーク電圧パルスを検出し、前記ＭＥＭＳドライバ回路（３８）、前記補助回路（１４）および前記パルス検出回路（１３０）の少なくとも１つに供給電力を供給するように集合的に動作する第２のダイオード（１２６）および第３のコンデンサ（１２８）を備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳリレー回路（１０）。
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、
前記制御回路（１６）内の発振器（１１０）に、前記オフ信号および前記オン信号のうちの１つに応答する第１の電気信号を生成させ、前記第１の電気信号は、オン信号が受信された場合、第１の信号特性を有し、オフ信号が受信された場合、第２の信号特性を有し、
パルストランス（１１４）を通じて前記第１の電気信号をルーティングし、前記第１の電気信号から電気的に絶縁された第２の電気信号を生成し、前記第２の電気信号は、前記第１の電気信号と同じ前記第１の信号特性および前記第２の信号特性のうちの１つを有し、
前記第２の電気信号が前記第１の信号特性または前記第２の信号特性を有するかどうかをパルス検出回路（１３０）を介して判定し、
前記第２の電気信号が前記第１の信号特性を有する場合、前記制御回路（１６）から前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に論理ハイ信号を出力し、
前記第２の電気信号が前記第２の信号特性を有する場合、前記制御回路（１６）から前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）に論理ロー信号を出力することを含み、
前記論理ハイ信号および前記論理ロー信号は、前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）のＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）に電圧を選択的に印加して、前記ＭＥＭＳスイッチ（２４、１０４）を接触位置と非接触位置との間で作動させる、方法。
前記制御回路（１６）のピーク電圧検出器（１２４）を介して前記第２の電気信号のピ
ーク電圧を検出し、
前記ピーク電圧検出器（１２４）から前記ＭＥＭＳスイッチング回路（１２）および前記補助回路（１４）の少なくとも１つに供給電力を出力することをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
前記第１の信号特性は、第１の周波数および第１のデューティサイクルのうちの１つを備え、前記第２の信号特性は、第２の周波数および第２のデューティサイクルのうちの１つを備える、請求項１９に記載の方法。