KR101415456B1

KR101415456B1 - 과전류 보호 방법

Info

Publication number: KR101415456B1
Application number: KR1020107001156A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 제임스 프리멜라니; 카나카사바파시 수브라마니안; 로버트 요셉 카기아노; 찰스 스테판 피젠; 브렌트 찰스 쿰퍼; 데이비드 제임스 레슬리; 조슈아 아이작 라이트
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2014-07-04
Also published as: CN101772814B; CN101772814A; EP2162891B1; JP5002708B2; KR20100038379A; US20080316664A1; US8072723B2; WO2008156449A1; EP2162891A1; JP2010530730A

Abstract

본 발명은 과전류 보호 방법을 포함한다. 그 방법은 복수의 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치를 통과하는 부하 전류의 부하 전류값을 모니터링하고, 모니터링된 부하 전류값이 기설정된 부하 전류값으로부터 변경되는지를 판정하며, 모니터링된 부하 전류값이 기설정된 부하 전류값으로부터 변경되는 경우에 장애 신호를 생성하는 것을 포함한다. 또한, 그 방법은 장애 신호에 응답하여 부하 전류를 복수의 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치로부터 전환하고, 부하 전류값의 변경이 참 장애 트립(true fault trip)에 기인한 것이었는지 또는 거짓 방해 트립(false nuisance trip)에 기인한 것이었는지를 판정하는 것을 포함한다.

Description

과전류 보호 방법{RESETTABLE MEMS MICRO-SWITCH ARRAY BASED ON CURRENT LIMITING APPARATUS}

본 발명의 실시 예는 일반적으로 전류 경로 내의 전류를 스위칭 오프(switching off)하는 스위칭 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로-전자 기계 시스템 기반 스위칭 장치(micro-electromechanical system based switching device)에 관한 것이다.

화재 및 장비 손상을 방지하기 위해, 전기 장비 및 배선은 그들의 정격보다 높은 전류 레벨로 되게 하는 상황으로부터 보호되어야 한다. 과전류 상황은 손상 발생 전까지 걸리는 시간에 의해 분류되며, 2개의 카테고리, 즉, 시한 과전류(timed over-current) 및 순시 과전류(instantaneous over-current)로 그룹화된다.

시한 과전류 장애는 덜 심각한 장애로서, 장애의 레벨에 좌우되는 소정의 기간 이후에 그 회로를 불활성화시키기 위한 보호 장비를 필요로 한다. 시한 과전류 장애는, 전형적으로, 전류 레벨이 정격을 조금 초과한 경우 및 정격보다 최대 8 - 10배까지 이르는 경우이다. 시스템 케이블링(system cabling) 및 장비는 소정 기간동안 이들 장애를 처리할 수 있지만, 전류 레벨이 떨어지지 않으면 보호 장비가 그 회로를 불활성화시켜야 한다. 전형적으로, 시한 장애는 기계적으로 과부하가 걸린 장비로부터 발생되거나, 또는 라인간(line to line), 라인과 그라운드 사이(line to ground), 또는 라인과 중립 사이(line to neutral)와 같이 서로 상반되는 극성의 라인들 간의 높은 임피던스 경로로부터 발생된다.

쇼트 회로 장애라고도 불리는 순시 과전류는 심각한 장애로서, 정격의 8 -10배 이상의 전류 레벨을 수반한다. 이러한 장애는 라인간, 라인과 그라운드 사이, 또는 라인과 중립 사이와 같이 서로 반대되는 극성의 라인들간의 낮은 임피던스 경로로부터 발생되며, 시스템으로부터 즉시 제거될 필요가 있다. 쇼트 회로 장애는 과도한 전류를 수반하며, 장비에 극단적인 손상을 일으키고 사람에게 위험할 수 있다. 시스템상에서 이러한 장애가 오랫동안 유지될 수록, 보다 많은 에너지가 방출되고 손상이 더욱 심해진다. 절대적으로 중요한 것은, 응답 시간을 최소화하여 쇼트 회로 장애 동안의 통과 에너지(let-through energy)를 최소화하는 것이다.

회로 차단기는 회로의 장애로 인해 발생되는 손상으로부터 전기 장비를 보호하도록 고안된 전기 장치이다. 종래의 대부분의 통상적인 회로 차단기는 부피가 큰 전자 기계 스위치(bulky electromechanical switch)를 포함한다. 불행하게도, 이러한 통상적인 회로 차단기는 대형으로서, 스위칭 메카니즘을 활성화하기 위해 큰 힘의 이용을 필요로 한다. 또한, 일반적으로 이들 회로 차단기의 스위치는 비교적 저속으로 동작한다. 또한, 이들 회로 차단기는 구성이 복잡하고 그에 따라 제조가 비싸다는 단점이 있다. 또한, 통상적인 회로 차단기내의 스위칭 메카니즘의 콘택트들이 물리적으로 분리되어 있으면, 전형적으로 콘택트들 사이에 아크(arc)가 형성되어 회로내의 전류가 멈출 때까지 계속적으로 전류를 운송한다. 더욱이, 아크와 관련된 에너지는 일반적으로 장비 및 사람에게 바람직하지 않다.

콘택터(contactor)는 명령에 따라 전기 부하를 스위칭 온(ON) 및 오프(OFF)하도록 고안된 전기 장치이다. 종래의 전자 기계 콘택터는 제어 기어에 채용되며, 그들의 인터럽트 용량(interrupting capacity)까지 스위칭 전류를 처리할 수 있다. 전자 기계 콘택터는 전류를 스위칭하는 파워 시스템의 애플리케이션에서 발견된다. 그러나 파워 시스템 내의 장애 전류(fault current)는, 전형적으로, 전자 기계 콘택터의 인터럽트 용량보다 더 크다. 따라서, 파워 시스템 애플리케이션에 전자 기계 콘택터를 채용하기 위해, 콘택터의 인터럽트 용량보다 높은 모든 전류 값에서 개방되는 콘택터의 앞에서 장애 전류를 충분히 빠르게 차단하는 동작을 행하는 직렬 장치(series device)로 백업(back up)함에 의해 콘택터를 손상으로부터 보호하는 것이 바람직하다.

현재, 전기 시스템은 과전류 보호를 실행하기 위해 퓨즈나 회로 차단기를 이용한다. 퓨즈의 동작은 발열 효과(heating effect)(즉, I²t)에 의존한다. 그들은 회로내의 위크포인트(weak point)로서 고안되고, 연속하는 각 퓨즈들은 부하에 보다 가까울 수록 작아지는 정격 전류를 가진다. 쇼트 회로 상황에 있어서, 모든 업스트림 퓨즈는 동일한 발열 에너지를 보이며, 가장 약한 퓨즈, 의도적으로 장애에 가장 가까운 것이 우선적으로 동작할 것이다. 그러나, 퓨즈는 일회성 장치로서, 장애가 발생한 후에 대체되어야 한다.

파워 시스템내의 콘택터의 이용을 촉진하기 위해 이전에 착상된 해법은 진공 콘택터, 진공 인터럽터 및 공기 브레이크 콘택터(air break contactor)를 포함하였다. 불행하게도, 진공 콘택터와 같은 콘택터는 가시적인 관측이 쉽지 않는데, 그것은 콘택터 팁(contactor tip)이 밀봉된 진공 인클로저(enclosure) 내에 캡슐화되기 때문이다. 또한, 진공 콘택터는 대형 모터, 변압기, 커패시터의 스위칭을 처리하는데에는 적당하지만, 특히 부하가 스위칭 오프될 때, 파괴성 과도 이상 전압(damaging transient over voltage)을 일으키는 것으로 알려져 있다.

또한, 전자 기계 콘택터는, 일반적으로, 기계적 스위치를 이용한다. 그러나, 이들 기계적 스위치는 비교적 저속으로 스위칭하는 경향이 있으므로, 스위칭 이벤트가 발생하기 수십 밀리초(milisecond)전에 제로 크로싱(zero corssing)의 발생을 추정하기 위한 예측 기술이 요구된다. 그러한 제로 크로싱 예측은, 많은 과도 현상이 이 시점에 발생하기 때문에 오차가 발생하기 쉽다.

저속 기계적 및 전자 기계적 스위치에 대한 대안으로서, 고속 스위칭 애플리케이션에 고속 고체 상태 스위치가 채용되었다. 알겠지만, 이들 고체 상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어 애플리케이션을 통해 전도 상태 및 비 전도 상태 사이에서 전환한다. 예를 들어, 고체 상태 스위츠를 반전 바이어싱(reverse biasing)함에 의해, 그 스위치는 비 전도 상태로 천이된다. 그러나, 고체 상태 스위치는 비 전도 상태로 천이될 때, 콘택트들 간에 물리적 갭을 생성하지 않기 때문에, 그들은 누설 전류를 겪는다. 또한, 내부 저항으로 인해, 고체 상태 스위치가 전도 상태로 동작할 때, 그들은 전압 강하(voltage drop)를 겪는다. 전압 강하 및 누설 전류는 정상 동작 상태하에서 과도한 열을 생성하게 하여, 스위치의 성능과 수명에 악영향을 미친다. 또한, 적어도 부분적으로, 고체 상태 스위치와 관련된 본질적인 전류 누설 때문에, 회로 차단기 애플리케이션에서 그들을 사용하는 것은 불가능하다.

본 발명의 예시적인 실시 예는 과전류 보호를 위한 방법을 포함한다. 그 방법은 복수의 마이크로-전자 기계 스위칭 시스템 장치를 통과하는 부하 전류의 부하 전류값을 모니터링하고, 모니터링된 부하 전류 값이 기설정된 부하 전류 값으로부터 변경되는지를 판정하고, 모니터링된 부하 전류 값이 기설정된 부하 전류값으로부터 변경되는 경우에 장애 신호를 생성하는 것을 포함한다. 또한, 그 방법은 장애 신호에 응답하여 복수의 마이크로-전자 기계 스위칭 시스템 장치로부터 부하 전류를 전환하고, 부하 전류값에 있어서의 변경이 참 장애 트립(true fault trip)으로 인한 것인지 거짓 방해 트립(false nuisance trip)으로 인한 것인지를 판정하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시 예는 배전 시스템(electrical distribution system)의 과전류 보호 장치를 포함한다. 그 장치는 입력 제어 명령을 수신하도록 구성되고 접속 해제 스위치와 통신하는 단말 블럭을 포함하는 사용자 인터페이스와, 사용자 인터페이스와 통신하는 로직 회로 및 로직 회로와 통신하는 파워 스테이지 회로를 포함한다. 또한, 그 장치는 로직 회로 및 파워 스테이지 회로와 통신하는 MEMS 보호 회로와, MEMS 보호 회로와 통신하는 스위칭 회로를 포함하며, 그 스위칭 회로는 복수의 마이크로-전자 기계 시스템 스위칭 장치를 포함한다.

본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징과 측면 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해할 수 있을 것이며, 첨부 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블럭도,
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템을 나타낸 개략적인 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템으로서 도 1에 도시된 시스템에 대한 대안을 나타낸 블럭도,
도 4는 도 3에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템을 나타낸 개략적인 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 예시적인 MEMS 기반 과전류 보호 부품의 블럭도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 MEMS 인에이블형 과전류 보호 부품을 이용하는 방법을 설명하는 흐름도.

이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 여러 실시 예의 전반적인 이해를 제공하기 위해 복수의 특정 설명이 세부적으로 기재될 것이다. 그러나, 당업자라면, 본 발명의 실시 예가 이러한 특정 설명없이도 실시될 수 있고, 본 발명이 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 본 발명이 대안적인 여러 실시 예로 실시 될 수 있음을 알 것이다. 다른 예시에서는, 잘 알려진 방법, 절차 및 부품은 자세히 설명하지 않았다.

또한, 여러 동작들은 본 발명의 실시 예를 이해하는데 도움을 주는 방식으로 실행되는 복수의 분리된 단계로서 설명될 것이다. 그러나, 설명 순서가, 이들 동작이 안출되는 순서대로 실행될 필요가 있음을 암시하거나, 그들이 순서에 종속됨을 암시하는 것으로 이해되어서는 안될 것이다. 또한, "일 실시 예"라는 문구를 반복적으로 이용한다 해도 그것이 반드시 동일한 실시 예를 지칭하는것은 아니다. 마지막으로, 본 출원 명세서에서 이용된 용어 "구비", "포함", "가진"등은 다르게 지칭하지 않는다면 동의어를 의미한다. 도 1에는 본 발명의 여러 측면에 따른 예시적인 아크리스(arc-less) MEMS 기반 스위칭 시스템(10)의 블럭도가 도시된다. 현재에는, 일반적으로 MEMS가, 예를 들어, 기능적으로 별개인 복수의 소자를 집적화할 수 있는 미크론 스케일 구조(micron-scale structure)를 지칭한다. 그러한 소자는 마이크로-제조 기술을 통해 공통 기판상의 기계 소자, 전자 기계 소자, 센서, 액츄에이터 및 전자 부품을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 그러나, MEMS 장치에서 현재 이용할 수 있는 많은 기술 및 구조가 수년 내에 나노기술-기반 장치, 즉 크기가 100나노미터 미만인 구조를 통해 이용 가능하게 될 것으로 예상된다. 따라서, 본 명세서의 전반에 걸쳐 설명된 예시적인 실시 예가 MEMS 기반 스위칭 장치를 지칭할 지라도, 본 발명의 발명 측면은 보다 넓게 이해되어야 하며 미크론 크기의 장치로 제한되어서는 안된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템(10)은 MEMS 기반 스위칭 회로(12)와 아크 억제 회로(14)를 포함하는 것으로 도시되며, 아크 억제 회로(14)(대안적으로 하이브리드 아크리스 제한 기술(Hydrid Arc-less Limiting Technology : HALT)이라고도 함)는 MEMS 기반 스위칭 회로(12)에 동작 가능하게 결합된다. 본 발명의 예시적인 실시 예 내에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 아크 억제 회로(14)와 함께 그의 전체가 단일 패키지(16) 내에 집적화될 수 있다. 다른 예시적인 실시 예에 있어서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)의 단지 특정 부분 또는 부품만이 아크 억제 회로(14)와 함께 집적화될 수 있다.

도 2와 관련하여 보다 상세하게 설명하겠지만, 현재 고려되는 구조에서는 MEMS 기반 스위칭 회로(12)가 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 추가적으로, 아크 억제 회로(14)는 밸런스 다이오드 브리지(balanced diode bridge) 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(14)는 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트들 사이의 아크 형성의 억제를 촉진하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(14)는 교류(AC) 또는 직류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 촉진하도록 구성됨을 알 것이다.

도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 예시적인 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템의 개략적인 도면(18)이 실시 예에 따라 도시된다. 도 1을 참조하여 설명했던 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 도시된 예시적 실시 예에 있어서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 제 1 콘택트(22), 제 2 콘택트(24) 및 제 3 콘택트(26)를 가진 것으로 도시된다. 일 실시 예에 있어서, 제 1 콘택트(22)는 드레인으로서 구성되고, 제 2 콘택트(24)는 소스로서 구성되며, 제 3 콘택트(26)는 게이트로서 구성될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 전압 스너버 회로(voltage snubber circuit)(33)는 MEMS 스위치(20)와 병렬로 결합되어 고속 콘택트 분리동안에 전압 오버슈트(overshoot)를 제한하도록 구성되며, 이에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 추가 실시 예에 있어서, 스너버 회로(33)는 스너버 레지스터(도 4의 참조번호 78 참조)와 직렬 결합된 스너버 커패시터(도 4의 76 참조)를 포함할 수도 있다. 스너버 커패시터는 MEMS 스위치(20)의 개방 시퀀싱(sequencing)동안의 과도 전압 분할의 개선을 촉진시킬 수도 있다. 추가적으로, 스너버 레지스터는 MEMS 스위치(20)의 폐쇄 동작 동안에 스너버 커패시터에 의해 생성된 임의의 전류 펄스를 억제할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 전압 스너버 회로(33)는 금속 산화물 배리스터(Metal Oxide Varistor : MOV)를 포함할 수 있다(도시되지 않음).

본 기술의 추가적인 측면에 따르면, 부하 회로(40)는 제 1 MEMS 스위치(20)와 직렬로 결합된다. 부하 회로(40)는 전압 소스 V_BUS(44)를 포함한다. 또한, 부하 회로(40)는 부하 인덕턴스 L_LOAD(46)를 포함할 수 있는데, 그 부하 인덕턴스 L_LOAD(46)는 부하 회로(40)에 의해 관측되는 조합된 부하 인덕턴스와 버스 인덕터스(bus inductance)를 나타낸다. 부하 회로(40)는 부하 회로(40)에서 관측되는 조합된 부하 레지스턴스를 나타내는 부하 레지스턴스 R_LOAD(48)를 포함할 수 있다. 참조 번호 50은 부하 회로(40)와 제 1 MEMS 스위치(20)를 통해 흐르는 부하 회로 전류 I_LOAD를 나타낸다.

도 1을 참조하여 언급한 바와 같이, 아크 억제 회로(14)는 밸런스 다이오드 브리지를 포함할 수도 있다. 도시된 실시 예에 있어서, 밸런스 다이오드 브리지(28)는 제 1 브랜치(branch)(29)와 제 2 브랜치(31)를 가진 것으로 도시된다. 본 명세서에서 이용된 용어 "밸런스 다이오드 브리지"는, 제 1 및 제 2 브랜치(29,31) 양단의 전압 강하가 실질적으로 동일하게 되는 방식으로 구성되는 다이오드 브리지를 나타내는데 이용된다. 밸런스 다이오드 브리지(28)의 제 1 브랜치(29)는, 함께 결합되어 제 1 직렬 회로를 형성하는 제 1 다이오드 D1(30)과 제 2 다이오드 D2(32)를 포함할 수도 있다. 유사한 방식으로, 밸런스 다이오드 브리지(28)의 제 2 브랜치(31)는, 함께 동작가능하게 결합되어 제 2 직렬 회로를 형성하는 제 3 다이오드 D3(34)과 제 4 다이오드 D4(36)를 포함할 수도 있다.

예시적인 실시 예에 있어서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 밸런스 다이오드 브리지(28)의 중간점(midpoint) 양단에 병렬로 결합될 수도 있다. 밸런스 다이오드 브리지의 중간점은 제 1 및 제 2 다이오드(30,32) 사이에 배치된 제 1 중간점과, 제 3 및 제 4 다이오드(34,36) 사이에 배치된 제 2 중간점을 포함할 수도 있다. 또한, 제 1 MEMS 스위치(20)와 밸런스 다이오드 브리지(28)는, 밸런스 다이오드 브리지(28)로 인해, 보다 구체적으로는 MEMS 스위치(20)에 대한 접속으로 인해 발생되는 기생 인덕턴스의 최소화를 촉진하기 위해 단단하게 패키징될 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(20)와 밸런스 다이오드 브리지(28)는 서로간에 상대적으로 배치되며, 그에 따라 제 1 MEMS 스위치(20)와 밸런스 다이오드 브리지(28)간의 고유 인덕턴스(inherent inductance)는, MEMS 스위치(20)의 턴-오프(turn-off)동안에 다이오드 브리지(28)로 부하 전류를 전달할 때 MEMS 스위치(20)의 드레인(22)과 소스(24)의 양단 전압의 불과 몇 퍼센트보다도 작은 di/dt 전압을 생성하는데, 이에 대해서는 이하에서 상세하게 설명할 것이다. 추가 실시 예에 있어서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 밸런스 다이오드 브리지(28)와 함께 단일 패키지(38) 내에 집적화되거나, 또는 선택적으로 MEMS 스위치(20)와 다이오드 브리지(28)를 상호 접속시키는 인덕턴스를 최소화시키기 위해 동일 다이(die) 내에 집적화될 수 있다.

추가적으로, 아크 억제 회로(14)는 밸런스 다이오드 브리지(28)와 연계하여 동작 가능하게 결합된 펄스 회로(52)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(52)는 스위치 조건(switch condition)을 검출하고 스위치 조건에 응답하여 MEMS 스위치(20) 개방을 개시하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 용어 "스위치 조건"은 MEMS 스위치(20)의 현재 동작 상태의 변경을 트리거하는 조건을 지칭한다. 예를 들어, 스위치 조건은 MEMS 스위치(20)의 제 1 폐쇄 상태를 제 2 개방 상태로 변경하거나 MEMS 스위치(20)의 제 1 개방 상태를 제 2 폐쇄 상태로 변경하는 것으로 결과할 수 있다. 스위치 조건은 회로 장애 또는 스위치 ON/OFF 요청을 포함하는 복수의 작용에 응답하여 발생하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

펄스 회로(52)는 펄스 스위치(54)와, 펄스 스위치(54)에 직렬 결합된 펄스 커패시터 C_PULSE(56)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로는 펄스 인덕턴스 L_PULSE(58)와, 펄스 스위치(54)에 직렬 결합된 제 1 다이오드 D_P(60)를 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 L_PULSE(58), 다이오드 D_P(60), 펄스 스위치(54) 및 펄스 커패시터 C_PLUSE(56)는 직렬 결합되어 펄스 회로(52)의 제 1 브랜치를 형성할 수 있으며, 제 1 브랜치의 부품은 펄스 전류 형성 및 타이밍(pulse current shaping and timing)을 촉진하도록 구성된다. 또한, 참조 번호 62는 펄스 회로(52)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 I_PULSE를 나타낸다.

본 발명의 여러 측면에 따르면, MEMS 스위치(20)는, 비록 제로에 가까운 전압(near-zero voltage)이더라도 전류를 흐르게 하는 동안 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로 신속하게(대략 수 피코초(picoseconds) 또는 수 나노초(nanoseconds)) 스위칭될 수 있다. 이것은 MEMS 스위치(20)의 콘택트 양단에 병렬 결합된 밸런스 다이오드 브리지(28)를 포함하는 펄스 회로(52)와 부하 회로(40)의 조합된 동작을 통해 달성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 여러 측면에 따른, 예시적인 소프트 스위칭 시스템(11)의 블럭도가 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소프트 스위칭 시스템(11)은 서로 동작 가능하게 결합된 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)를 포함한다. 검출 회로(70)는 스위칭 회로(12)에 결합되어 부하 회로내의 교류 소스 전압(alternating source voltage)(이하에서는 "소스 전압"이라 함) 또는 부하 회로내의 교류 전류(이하에서는 "부하 회로 전류"라 함)의 제로 크로싱의 발생을 검출하도록 구성된다. 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12)와 검출 회로(70)에 결합될 수 있고, 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 검출된 제로 크로싱에 응답하여, 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 스위치의 아크리스 스위칭을 촉진하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12)의 적어도 일부를 포함하는 하나 이상의 MEMS 스위치의 아크리스 스위칭을 촉진하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 소프트 스위칭 시스템(11)은 소프트 또는 PoW(Point-on-Wave) 스위칭을 실행하도록 구성될 수 있으며, 그에 의해 스위칭 회로(12)내의 하나 이상의 MEMS 스위치는, 스위칭 회로(12) 양단의 전압이 제로로 되거나 제로에 아주 가깝게 된 시점에 폐쇄되고, 스위칭 회로(12)를 통한 전류가 제로로 되거나 제로에 가깝게 된 시점에 개방될 수 있다. 스위칭 회로(12) 양단의 전압이 제로로 되거나 제로에 가깝게 되는 시점에 스위치를 폐쇄시킴에 의해, 하나 이상의 MEMS 스위치들이 폐쇄됨에 따라 그 MEMS 스위치들의 콘택트들간의 전계(electric field)가 로우(low)로 유지됨으로서 선타 아크 발생(pre-strike arcing)이 방지될 수 있으며, 그러한 방지는 복수의 스위치가 동시에 모두 폐쇄되지 않는다 해도 이루어진다. 유사하게, 스위칭 회로(12)를 통하는 전류가 제로로 되거나 제로에 가깝게 되는 시점에 스위치를 개방함에 의해, 소프트 스위칭 시스템(11)은, 스위칭 회로(12)에 있어서의 개방을 위한 마지막 스위치의 전류가 스위치의 디자인 능력(design capability)이내에 포함되도록 디자인될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제어 회로(72)는, 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱의 발생과 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치의 개방 및 폐쇄를 동기화시키도록 구성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 3의 소프트 스위칭 시스템(11)의 일 실시 예의 개략도(19)가 도시된다. 도시된 실시 예에 따르면, 개략도(19)는 스위칭 회로(12)와, 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)의 일 예시를 포함한다.

비록 설명을 위해, 도 4에 스위칭 회로(12) 내의 단일의 MEMS 스위치(20)만을 도시하였지만, 그럼에도 불구하고, 스위칭 회로(12)는, 예를 들어, 소프트 스위칭 시스템(11)의 전류 및 전압 처리 요건에 따라 복수의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에 있어서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치들 간에 전류를 분배하기 위해 병렬 구성으로 서로 결합된 복수의 MEMS 스위치를 포함하는 스위치 모듈을 포함할 수 있다. 추가적인 예시적 실시 예에 있어서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치들 간에 전압을 분배하기 위해 직렬 구성으로 결합된 MEMS 스위치 어레이를 포함할 수 있다. 또 다른 추가적인 예시적 실시 예에 있어서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치 모듈들 간에 전압을 분배하고 각 모듈내의 MEMS 스위치들 간에 전류를 동시에 분배하기 위해 직렬 구성으로 서로 결합된 MEMS 스위치 모듈의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치는 단일 패키지(74) 내에 집적화될 수 있다.

예시적인 MEMS 스위치(20)는 3개의 콘택트를 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에 있어서, 제 1 콘택트는 드레인(22)으로서 구성되고, 제 2 콘택트는 소스(24)로서 구성되고, 제 3 콘택트는 게이트(26)로서 구성될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제어 회로(72)는 MEMS 스위치(20)의 현재 상태의 스위칭을 촉진하기 위해 게이트 콘택트(26)에 결합될 수 있다. 또한, 추가적인 예시적 실시 예에 있어서, 댐핑(damping) 회로(스너버 회로)(33)는 MEMS 스위치(20) 양단의 전압의 출현을 지연시키도록 MEMS 스위치(20)와 병렬로 결합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 댐핑 회로(33)는 스너버 레지스터(78)와 직렬 결합된 스너버 커패시터(76)를 포함할 수 있다.

MEMS 스위치(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 부하 회로(40)와 직렬로 결합될 수 있다. 현재 고려되는 구성에서는, 부하 회로(40)가 전압 소스 V_SOURCE(44)를 포함하며, 대표 부하 인덕턴스(representative load inductance) L_LOAD(46) 및 부하 레지스턴스 R_LOAD(48)를 가질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 전압 소스 V_SOURCE(44)(AC 전압 소스라고 지칭하기도 함)는 교류 소스 전압과 교류 부하 전류 I_LOAD(50)를 생성하도록 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 검출 회로(70)는 부하 회로(40)내의 교류 소스 전압 또는 교류 부하 전류 I_LOAD(50)의 제로 크로싱의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 교류 소스 전압은 전압 감지 회로(80)를 통해 감지되고, 교류 부하 전류 I_LOAD(50)는 전류 감지 회로(82)를 통해 감지될 수 있다. 교류 소스 전압과 교류 부하 전류는, 예를 들어, 계속적으로 감지되거나 이산적인 주기로 감지될 수 있다.

소스 전압의 제로 크로싱은, 예를 들어, 도시된 제로 전압 비교기(84)와 같은 비교기의 이용을 통해 검출될 수 있다. 전압 감지 회로(80)에 의해 감지된 전압과 제로 전압 기준(86)은 제로 전압 비교기(84)에 대한 입력으로서 채용될 수 있다. 그 다음, 부하 회로(40)의 소스 전압의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(88)가 생성될 수 있다. 유사하게, 부하 전류 I_LOAD(50)의 제로 크로싱은 도시된 제로 전류 비교기(92)와 같은 비교기의 이용을 통해 검출될 수 있다. 전류 감지 회로(82)에 의해 감지된 전류와 제로 전류 기준(90)은 제로 전류 비교기(92)에 대한 입력으로서 채용될 수 있다. 그 다음, 부하 전류 I_LOAD(50)의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(94)가 생성될 수 있다.

그 다음, 제어 회로(72)는 출력 신호(88,94)를 이용하여 MEMS 스위치(20)(또는 MEMS 스위치의 어레이)의 현재 동작 상태를 변경(예를 들어, 개방 또는 폐쇄)하기 위한 시기를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 회로(72)는 교류 부하 전류 I_LOAD(50)의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 인터럽트하거나 개방하기 위해 아크리스 방식으로 MEMS 스위치(20)의 개방을 촉진하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 제어 회로(72)는 교류 소스 전압의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 완료하기 위해 아크리스 방식으로 MEMS 스위치(20)의 폐쇄를 촉진하도록 구성될 수 있다.

제어 회로(72)는 적어도 부분적으로 인에이블 신호(96)에 기초하여 MEMS 스위치(20)의 현재 동작 상태를 제 2 동작 상태로 스위칭할지를 결정할 수 있다. 인에이블 신호(96)는, 예를 들어, 콘택터 애플리케이션(contactor application)에서의 파워 오프 명령의 결과로서 생성될 수 있다. 또한, 인에이블 신호(96)와 출력 신호(88,94)는, 도시된 바와 같이, 이중 D 플립 플롭(98)에 대한 입력 신호로서 이용될 수 있다. 이 신호들은, 인에이블 신호(96)가 활성화된(예를 들어 상승 에지가 트리거됨) 이후 제 1 소스 전압 제로에서 MEMS 스위치(20)를 폐쇄하고, 인에이블 신호(96)가 불활성화된(예를 들어, 하강 에지가 트리거됨) 이후 제 1 부하 전류 제로에서 MEMS 스위치(20)를 개방하는데 이용될 수 있다. 도 4의 도시된 개략도(19)와 관련하여, 인에이블 신호가 활성화(특정 구현에 의거하여 하이 또는 로우)되고, 출력 신호(88 또는 94)가 감지된 전압 또는 전류 제로를 나타낼 때마다, 트리거 신호(172)가 생성될 수도 있다. 부가적으로, 트리거 신호(172)는 NOR 게이트(100)를 통해 생성된다. 그 다음, 트리거 신호(102)는 MEMS 스위치(20)의 게이트(26)(또는 MEMS 어레이인 경우에는 게이트들)에 제어 전압을 인가하는데 이용되는 게이트 활성 신호(106)를 생성하기 위해 MEMS 게이트 드라이버(104)를 통과할 수 있다.

상술한 바와 같이, 특정 애플리케이션에 대한 바람직한 전류 정격을 달성하기 위해, 단일 MEMS 스위치 대신에, (예를 들어, 스위치 모듈을 형성하기 위해) 복수의 MEMS 스위치가 병렬로 동작 가능하게 결합될 수 있다. MEMS 스위치의 조합된 기능은 부하 회로가 겪을 수 있는 계속적인 과도 과부하 전류 레벨(transient overload current level)을 적당하게 유지하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 6X 과도 과부하를 가진 10-amp RMS 모터 콘택터의 경우, 10초 동안 60 amps RMS를 유지하도록 병렬로 결합된 스위치들이 충분히 존재해야 한다. 전류 제로에 도달하는 5 마이크로초 이내에 MEMS 스위치를 스위칭하기 위해 PoW 스위칭을 이용하면, 콘택트 개방에서 160 milliamps 순시 흐름이 있을 것이다. 따라서, 그 애플리케이션의 경우, 각 MEMS 스위치는 160 milliamps를 "웜-스위칭(warm-switching)"을 할 수 있어야 하며, 60amp를 유지하기 위해 충분한 수의 MEMS 스위치가 병렬로 배치되어야 한다. 한편, 단일의 MEMS 스위치는 스위칭 시점에 흐를 전류량을 인터럽트 할 수 있어야 한다.

도 5에는 본 발명의 예시적인 실시 예 내에서 구현될 수 있는 MEMS 기반 과전류 보호 장치(110)의 블럭도가 도시된다. 그 장치(110)는 사용자 인터페이스(115)에서 사용자 제어 입력을 수신하며, 사용자 인터페이스(115)는 장치(110)와 상호 작용을 위해 사용자에게 제어 및 입력 인터페이스를 제공한다. 사용자 인터페이스(115) 내에서, 단말 블럭(116)은 3상 라인 파워 입력(114)을 수신하는데, 라인 파워 입력(114)은 단말 블럭(116)에 공급되어 파워 회로(135)와 스위치 모듈(120)로 제공된다.

사용자 입력은, 예를 들어, 기설정된 범주내의 트립 레벨을 입력받은 장치(110)를 개방할지 또는 폐쇄할지와 같은 동작에 관한 결정을 하는데 이용될 수 있다. 그러므로, 사용자 입력은 트립 조정 전위차계로부터의 입력, 사용자 인터페이스(115)로 라우팅되는 제어 장비 또는 휴먼 인터페이스(human interface)(예를 들어, 푸시-버튼(push-button) 인터페이스)로부터의 전기 신호 형태일 수 있다. 또한, 사용자 입력은 단말 블럭(116)을 통해 접속 해제 스위치(117)를 활성화하기 위해 직접 입력될 수 있으며, 접속 해제 스위치는 다운스트림 장비의 서비스 및 유지 보수동안에 사람을 보호하기 위해 장치(110)의 잠금 가능 격리(lockable isolation)를 제공하도록 구조적으로 구성된다. 사용자 입력은 MEMS 스위칭을 제어하고 트립-시간 곡선과 관련하여 사용자 조절성(user adjustability)을 제공하는데 이용된다. 파워 회로(135)는 과도 억제, 전압 스케일링 & 격리 및 EMI 필터링과 같이, 추가적인 회로에 파워를 제공하기 위한 기본 기능을 수행한다.

과전류 보호 장치(110)는 로직 회로(125)를 포함하며, 그 로직 회로(125)는 정상 동작을 제어하고 장애 환경을 인식(예를 들어, 시한 과전류(126)에 대한 트립-시간 곡선을 설정하고, 프로그램 기능(programmability) 또는 조절성을 허용하고, 특정 로직(126,128)의 폐쇄/재 폐쇄를 제어하는 것 등)하는 역할을 한다. 전류/전압 감지 부품(127)은 에너지 전환 회로(energy diversion circuit)가 콜드 스위칭 동작을 위해 이용하는 유지 책무와 과전류 보호 동작을 위해 요구되는 로직을 구현하는데 필요한 전압 및 전류 측정치를 제공하는데, 그 동작은 다이오드 브리지(134)에 부가하여 상술한 대전 회로(charging circuit)(132)와 펄스 회로(133)를 이용하여 달성된다. MEMS 보호 회로(130)는 구성 및 동작이 상술한 펄스 회로(52)와 유사하다.

마지막으로, 스위칭 회로(120)가 구현되며, 그 스위칭 회로는 MEMS 장치 어레이를 포함하는 스위칭 모듈(122)을 구비한다. 스위칭 모듈(122)은 구성 및 동작이 상술한 MEMS 스위치(20)와 유사하다. 본 발명의 추가 실시 예에 있어서, 스위칭 회로(120)는 격리 콘택터(isolation contactor)(123)를 추가로 포함하며, 그 격리 콘택터는, 과전류 보호 장치(110)가 활성화되지 않거나 과전류 보호 장치(110)가 트립되면 출력 부하(141)에 대해 입력 라인(114)을 격리하는데 이용된다.

도 5의 과전류 보호 장치(110)는 파워 시스템 내의 퓨즈나 회로 차단기를 대체하는 기능을 갖도록 구성된다. 예시적인 실시 예에 있어서, 로직 회로(125)는, 전류 및 전압 센서로부터의 신호에 응답하는 프로세싱 회로와, 시간-전류 특성 곡선에 의해 제공되는 로직과, 트립 신호, 전류 계측 정보 및/또는 외부 장치와의 통신을 생성하는 알고리즘을 포함하는, 전형적으로 회로 차단기와 함께 채용되는 전자 트립 유닛과 유사한 일부 또는 모든 기능적 특성을 포함하며, 그에 의해 장치(110)에 전자 트립 유닛을 가진 회로 차단기의 모든 기능이 제공된다.

본 발명의 예시적인 실시 예 내에서, 라인 입력(114)은 단말 블럭(116)에 부착되고, 그 다음 접속 해제 스위치에 공급되며, 격리 콘택터(123)를 통해 스위칭 모듈(120)에 공급되고, 최종적으로 부하 출력(141)으로 출력된다. 접속 해제 스위치(117)는 장치 또는 다운스트림 장비 내에 유지 보수가 필요한 경우에 서비스 접속 해제를 위해 이용된다. 그러므로, MEMS 스위치 인에이블형 과전류 보호 장치(110)는 라인 파워에 주요 스위칭 기능 및 장애 인터럽트를 제공한다.

본 발명의 추가적인 예시적 실시 예 내에서, 로직 회로(125)에 대한 파워는 위상간 차이(phase-to-phase differential)로부터 도출되어 서지 억제 부품(surge suppression component)(136)으로 공급된다. 주 파워 스테이지 부품(main power stage component)(137)은 파워를 여러 전압으로 배전하여 제어 로직(138), 과전류 보호 장치 대전 회로(139) 및 MEMS 스위치 게이트 전압(140)으로 급전한다. 전류 및 전압 센서(127)는 시한 및 순시 과전류 로직(128)으로 신호 공급하고, 그 다음 시한 및 순시 과전류 로직(128)은 MEMS 스위치 게이트 전압(140)과 MEMS 보호 회로(130)의 트리거링 회로(131)를 제어한다.

도 6에는, 쇼트 회로 보호를 제공하고 방해 트립의 발생을 제거하는 방법으로서 과전류 보호 장치(110)의 이용을 세부적으로 설명한 흐름도가 도시된다. 단계(605)에서, 과전류 보호 부품(110)의 전류/전압 센서(127)는 시스템내의 라인 전류 레벨과 라인 전압 레벨을 계속적으로 모니터링한다. 단계(610)에서, 전류/전압이 기설정된 범주로부터 변경되는지에 대한 판정을 한다. 전류/전압 레벨이 기설정된 범주로부터 변경되지 않은 경우에, 센서(127)는 그의 모니터링 동작을 계속한다. 모니터링된 전류/전압 레벨이 기설정된 범주로부터 변경된 경우, 순시 과전류 로직(128)에서 장애 신호가 생성되어, 전류/전압 레벨에 있어서의 시스템 판정 변경이 검출되었음을 나타낸다(단계 615). 장애 신호의 생성과 함께, 단계(620)에서, 장애 카운터가 증가되어 시스템내에서 기원하는 장애의 발생을 추적한다.

단계(625)에서, 장애 신호는 트리거 회로(131)에 전달되며, 트리거 회로는 MEMS 보호 회로(130)에서의 과전류 보호 펄스 동작(over-current protection pulsing operation)을 개시시킨다. 그 펄스 동작은 펄스 회로(133)의 활성화를 수반하며, 그 활성화로 인해 LC 펄스 회로가 폐쇄된다. LC 펄스 회로(133)가 폐쇄되었으면, 대전 회로(132)는 밸런스 다이오드 브리지(134)를 통해 방전한다. 다이오드 브리지(134)를 통하는 펄스 전류는 스위칭 모듈(122)의 MEMS 어레이 스위치 양단을 쇼트시키며, 다이오드 브리지 내의 부하 전류 및 MEMS 어레이 주변의 부하 전류를 전환한다(단계 630)(도 2 및 도 5 참조). 보호 펄스 동작하에서, 스위치 모듈(122)의 MEMS 스위치는 제로 또는 제로에 가까운 전류로 개방될 수 있다(단계 635).

단계(635)에서의 MEMS 스위치의 개방 이후에, 단계(640)에서, 시스템 내에 누적되어 온 증가성 장애 카운트 정보가 검색된다. 단계(645)에서, 결과하는 트립 작용(resultant trip action)이 파워 라인상의 검출된 노이즈로 인해 발생되었던 방해 트립 작용(nuisance trip action)이었는지 또는 무 방해 트립 작용(non-nuisance trip action)이었는지를 판정한다. 장애 카운트가 1 미만인 경우, 결과하는 트립이 방해 트립이었다고 판정하여(단계 650), 그 부품은 MEMS 스위치를 폐쇄(리셋)할 것이고, 그의 전류/전압 모니터링 동작을 계속할 것이다. 장애 카운트가 1보다 큰 경우, 결과 트립이 무 방해 트립이었다고 판정하여(단계 655), 단계(660)에서 그 부품은 MEMS 스위치를 개방 상태로 남겨두고 스위치 리셋 서비스를 대기할 것이다.

본 발명은 현재의 퓨즈 및 회로 차단 장치에 비해 개선된 보호를 제공하며, 상술한 장치들을 대신하여 완전하게 구현될 수 있다. 단지 본 발명의 특정한 특징이 본 명세서에서 설명되고 도시되었지만, 당업자라면 많은 수정 및 변경을 할 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진실한 사상내에서 그러한 수정 및 변경의 모두를 포함하는 것으로 이해해야 한다.

Claims

과전류 보호를 위한 방법으로서,
복수의 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치를 통과하는 부하 전류의 부하 전류값을 모니터링하는 단계와,
상기 모니터링된 부하 전류값이 기설정된 부하 전류값으로부터 변경되는지를 판정하는 단계와,
상기 모니터링된 부하 전류값이 상기 기설정된 부하 전류값으로부터 변경되는 경우에 장애 신호(fault signal)를 생성하는 단계와,
상기 장애 신호에 응답하여 상기 부하 전류를 상기 복수의 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치로부터 전환하는 단계와,
상기 전환에 응답하여 상기 복수의 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치를 개방(opening)하는 단계와,
상기 부하 전류값의 변경이 참 장애 트립(true fault trip)에 기인한 것이었는지 또는 거짓 방해 트립(false nuisance trip)에 기인한 것이었는지를 판정하는 단계를 포함하는
과전류 보호 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 부하 전류값의 변경이 참 장애 트립에 기인한 것이었다고 판정되면, 상기 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치의 스위치는 개방 상태로 유지되는
과전류 보호 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 부하 전류값의 변경이 거짓 방해 트립에 기인한 것이었다고 판정되면, 상기 마이크로 전자 기계 스위칭 시스템 장치의 스위치는 폐쇄되는
과전류 보호 방법.
제 3 항에 있어서,
부하 전압값을 모니터링하는 단계를 더 포함하는
과전류 보호 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 모니터링된 부하 전압값이 기설정된 부하 전압값으로부터 변경되는지를 판정하는 단계를 더 포함하는
과전류 보호 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 모니터링된 부하 전압값이 상기 기설정된 부하 전압값으로부터 변경되는 경우에 장애 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는
과전류 보호 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 부하 전압값의 변경이 참 장애 트립에 기인한 것이었는지 또는 거짓 방해 트립에 기인한 것이었는지를 판정하는 단계를 더 포함하는
과전류 보호 방법.