KR101569935B1 - 전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로 및 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법 - Google Patents

전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로 및 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법 Download PDF

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Abstract

전원(210)과 접속가능한 부하(205)를 서비싱하는 회로(200)가 개시된다. 회로(200)는 복수의 3 단자 스위치(215) 및 하나의 제어 공급원(252)을 포함한다. 3 단자 스위치(215)는 전원(210)과 부하(205) 사이에 접속가능한 직렬 도전 경로를 규정한다. 복수의 3 단자 스위치(215) 각각은 소스 단자(235), 드레인 단자(240) 및 게이트 단자(245)를 포함한다. 제어 공급원(252)은 제어 전압을 생성하며, 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 게이트 단자(245)와 소스 단자(235) 사이에 전력 접속된다. 복수의 3 단자 스위치(215) 각각은 저마다의 게이트 단자(245)에서 제어 전압에 응답하여, 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 저마다의 소스 단자(235)와 저마다의 드레인 단자(240) 사이의 접속부(255)를 폐쇄한다.

Description

전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로 및 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법{SWITCHING CIRCUIT APPARATUS AND METHOD}
본 발명의 실시예는 일반적으로 도전 경로 내의 전류를 제어하는 3 단자 스위칭 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 도전 경로 내에서 직렬로 접속된 복수의 스위칭 장치에 관한 것이다.
통상적인 3 단자 스위치(예컨대, MOSFET, IGBT 및 MEMS 스위치)는 전형적으로 소스, 드레인 및 게이트 단자를 포함한다. 소스 단자는 전형적으로 소스 단자에서의 전위에 대한 게이트 단자에서의 제어 전압의 인가에 응답하여 소스 단자와 드레인 단자 사이의 도전 경로를 폐쇄하는 접속부를 포함한다. 3 단자 스위치는 전형적으로 개방 소스 단자 및 드레인 단자 양단에 인가될 수 있는 최대 권고 정격 전압을 포함한다. 최대 권고 정격 전압보다 큰 전압의 인가는 스위치의 절연 내력의 브레이크다운 또는 개방 스위치의 한 단자로부터 개방 스위치의 다른 단자로의 아크를 초래함으로써, 의도하지 않은 전류가 도전 경로를 통해 전달되고 스위치가 손상되게 한다.
임의의 한 스위치의 최대 권고 정격 전압보다 큰 전위가 통과하는 도전 경로를 제어하는 데 3 단자 스위치를 이용하기 위해, 스위칭 회로는 한 스위치의 드레인이 다른 스위치의 소스에 직렬로 접속되도록 직렬로 배치된 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 이러한 직렬 배치는 전형적으로 각 스위치와 병렬로 접속된 저항기를 포함하는 저항 등급화 네트워크를 포함하는데, 이 저항기는 전류 흐름을 감소시키고 모든 스위치가 개방일 때 복수의 스위치 각각의 양단의 총 개방 회로 전위를 분배하도록 선택된 고 저항값을 구비한다.
그러나, 이러한 직렬 구성은 접지와 같은 기준에 접속되지 않은 스위치마다 부동 소스 전압을 초래할 수 있다. 따라서, 소스와 드레인 사이의 접속부를 폐쇄하는 데 필요한 (스위치 각각의 소스에 대한) 각 스위치의 게이트에서의 전압은 등급화 네트워크에 의해 제공된 전압 분배량만큼 차이가 난다. 이는 전형적으로 3 단자 스위치 각각에 대응하는 다수의 절연된 제어 전압 공급원의 사용에 의해 해결되며, 각각의 소스 단자와 드레인 단자 사이의 접속부를 폐쇄하도록 각각의 3 단자 스위치의 게이트 및 소스에 적합한 전압을 공급한다. 이러한 다수의 절연된 공급 및 관련된 제어의 사용은 전체 복잡도와 스위칭 회로의 비용을 증가시킨다. 따라서, 당해 기술에서 이들 결점을 극복하는 스위칭 장치가 필요하다.
본 발명의 실시예는 전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로를 포함한다. 회로는 복수의 3 단자 스위치 및 하나의 제어 공급원을 포함한다. 3 단자 스위치는 전원과 부하 사이에 접속가능한 직렬 도전 경로를 규정한다. 복수의 3 단자 스위치 각각은 소스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자를 포함한다. 제어 공급원은 제어 전압을 생성하며, 복수의 3 단자 스위치 각각의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 전력 접속된다. 복수의 3 단자 스위치 각각은 저마다의 게이트 단자에서 제어 전압에 응답하여, 복수의 3 단자 스위치 각각의 저마다의 소스 단자와 저마다의 드레인 단자 사이의 접속부를 폐쇄한다.
본 발명의 다른 실시예는 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법을 포함한다. 방법은 전원과 부하 사이에 접속가능하고, 복수의 3 단자 스위치 각각의 소스 단자와 드레인 단자를 포함하는 직렬 도전 경로를 규정하는 단계를 포함한다. 방법은 복수의 3 단자 스위치 각각의 게이트 단자와 소스 단자와 복수의 3 단자 스위치 중 하나의 소스 단자 사이에 전력 접속된 하나의 제어 공급원으로부터의 제어 전압을 복수의 3 단자 스위치 각각의 게이트 단자에서 이용하는 단계를 더 포함한다. 복수의 3 단자 스위치 각각의 저마다의 게이트 단자에서 수신된 제어 전압에 응답하여, 방법은 복수의 3 단자 스위치 각각의 저마다의 소스 단자와 저마다의 드레인 단자 사이의 접속부를 폐쇄하는 단계를 포함한다.
이들 및 다른 장점 및 특징은 첨부 도면과 관련하여 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예의 후속하는 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 것이다.
예시적인 도면을 참조하되, 첨부 도면에서 동일한 구성요소는 동일하게 넘버링된다.
본 발명에 따르면, 전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로 및 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법을 제공하여, 직렬 네트워크 내의 복수의 3 단자 스위치에 단일 제어 전압을 공급하도록 단일 전원을 사용하는 것과, 비용 감소로 증가한 회로 전압 용량과, 복잡성 감소로 증가한 회로 전압 용량과 같은 이점을 제 공할 수 있다
본 발명의 실시예는 직렬 스위칭 회로에서 복수의 3 단자 스위치를 제어하는 데 하나의 제어 전압 공급원을 이용하는 직렬 3 단자 스위칭 회로 장치를 제공한다. 절연 회로의 제공은 하나의 제어 전압 공급원의 사용을 허용한다. 일 실시예에서, 아크 억제 회로는 스위치의 상태 변화 동안에 전류 흐름을 스위치로부터 멀리 전환한다. 다른 실시예에서, 소프트 스위칭 회로는 스위치의 상태 변화를 교류 전류와 교류 전압 중 적어도 하나의 제로 크로싱(zero-crossing)과 동기화한다.
이제 도 1을 참조하면, 전원(210)과 접속가능한 부하(205)를 서비싱하는 회로(200)(본 명세서에서 "스위칭 회로"로도 지칭됨)의 개략도가 도시된다. 회로(200)는 복수의(215) 3 단자 스위치(220,225,230)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 참조 번호(215)는 일반적으로 임의의 3 단자 스위치뿐만 아니라 복수의 3 단자 스위치도 지칭할 것이지만, 참조 번호(220,225,230)는 표시된 것처럼 특정 3 단자 스위치를 지칭할 것이다.
각각의 3 단자 스위치(215)는 소스 단자(235), 드레인 단자(240) 및 게이트 단자(245)를 포함한다. 스위치(220,225)의 소스 단자(235)는 각각 인접한 스위치(225,230)의 드레인 단자(240)에 접속된다. 따라서 도시된 바와 같이, 스위치(230)의 드레인 단자(240)는 스위치(225)의 소스 단자(235)와 동일한 전위에 있으며, 그 밖의 다른 경우도 있다. 복수의 3 단자 스위치(215)는 직렬 도전 경 로(250)가 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 소스 단자(235) 및 드레인 단자(240)를 포함하도록 전원(210)과 부하(205) 사이에 접속가능한 직렬 도전 경로(250)를 규정한다.
제어 공급원(252)은 제어기(253)와 신호 통신하며, 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 게이트 단자(245)와 스위치(230)의 소스 단자(235) 사이에서 전력 접속되어 있다. 제어 공급원(252)은 제어기(253)에 응답하며 제어 전압을 생성한다. 각 스위치(215)의 소스(235)와 드레인(240) 사이의 접속부(255)는 각각의 소스(235)에 대한, 게이트(245)에서의 제어 전압의 인가에 응답하여 닫히고 이로써 각각의 개별 스위치(215)의 저마다의 소스(235) 및 드레인(240)을 통해 전류 I의 흐름을 전도시키도록 상태를 변경한다.
예컨대, MOSFET, IGBT 및 MEMS 스위치와 같은 예시적인 3 단자 스위치(215)가 최대 권고 개방 스위치 전압을 포함할 수 있음을 알 것이다. 서로 직렬로 접속되고 스위치(220,225,230) 각각과 병렬로 접속된 저항기(R1,R2,R3)를 포함하는 저항 등급화 네트워크(260)를 포함함으로써 최대 권고 개방 스위치 전압을 초과하는 전원(210)과 함께 이러한 스위치(215)를 이용하는 것이 가능하다. 저항 등급화 네트워크(260)는 복수의 스위치(215)가 개방 상태인 경우에 스위치 양단의 전위 또는 전원(210)의 전압을 분배하여, 임의의 한 스위치(215) 양단의 전위가 최대 권고 개방 스위치 전압을 초과하지 않게 된다.
명백하게 예로써만, 각 스위치(215)가 105 V의 최대 권고 개방 스위치 전압을 가지고, 전원(210)이 300 V 전위를 공급하면, 각각 저항값이 동일한 R1, R2 및 R3을 가진 저항 등급화 네트워크(260)의 결합은 100 V의 각 스위치(220,225,230) 양단의 개방 스위치 전위를 공급할 것이다. 따라서, 회로 노드(265,270,275)에서의 소스(235)가 각각 접지와 같은 기준(277)에 대하여 0 V, 100 V 및 200 V의 개방 스위치 전위를 가지도록, 소스(235)가 부동 소스임을 알 것이다. 저항값의 선택은 스위치(215)가 개방인 동안 저항 등급화 네트워크(260)를 통과한 총 전류 흐름 I을 규정할 것이다. 일부 애플리케이션의 경우에, 저항값 R1, R2 및 R3은 충분히 높게 선택되어, 전류의 흐름 I이 부하(250)와 전원(210) 사이의 개방 회로에 가깝도록 허용가능하게 낮을 수 있게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 접속부(255)는 각 소스(235) 전압에 대한 각 게이트(245)에 인가된 제어 전압에 응답한다. 따라서, 전술한 바와 같이, 스위치(215) 각각의 접속부(255)를 폐쇄하는 데 각 부동 소스(235)의 게이트(245)에 인가된 (기준(277)에 대한) 상이한 제어 전압이 필요하다. 예컨대, 접속부(255)를 폐쇄하는 데 50 V의 상대 전압이 필요하면, 스위치(230,225,220)의 접속부를 폐쇄하는 제어 전압은 각각 50 V, 150 V 및 250 V임을 알 것이다. 따라서, 복수의 스위치 양단의 전위를 분배하도록 저항 등급화 네트워크를 포함하는 본 회로는 다수의 절연된 제어 전원을 이용하되, 다수의 절연된 제어 전원 각각은 (기준(277)에 대한) 상이한 전압을 공급한다.
회로(200)의 실시예는 스위치(215)의 상태 변화 동안에 노드(265,270,275) 각각의 상대 전위차를 상당히 감소시키도록 제어기(253)에 응답하는 전위 제어 회로(280)를 포함하며, 이는 보다 상세히 후술된다. 따라서, 스위치(215)의 상태 변 화 동안에, 전위 제어 회로(280)는 상이한 스위치(220,225,230) 각각의 게이트(245)와 소스(235) 사이의 상대 전위차를 감소시킨다. 따라서, 전위 제어 회로(280)는 스위치(230)의 하나의 소스(235) 및 각 스위치(215)의 게이트(245)와 관련하여, 하나의 제어 전압을 생성하는 하나의 제어 공급원(252)의 사용을 허용한다.
또한, 전위 제어 회로(280)는 최대 권고 개방 스위치 전압을 초과하는 전압을 공급하는 전원(210)과 제어 공급원(252) 중 적어도 하나의 사용에 따라서 소스(235)-드레인(240) 및 게이트(245)-드레인(240) 양자 모두의 스위치(215)의 브레이크다운 특성에 기인할 수 있는 2 가지 가능한 문제점을 해결한다. 전술한 바와 같이, 저항 등급화 네트워크(260)와 함께 직렬식 스위치(215)의 배치는 스위치(215)가 개방 상태에 있는 동안 각 스위치(215)의 소스(235)와 드레인(240) 사이의 공급원(210,252)의 최대 전위의 인가를 방지한다. 전위 제어 회로(280)는 스위치(215) 상태의 변화 동안에 스위치(215)로의 공급원(210,252)의 최대 전위의 인가를 방지하며, 이는 상세히 후술될 것이다. 예컨대, 전위 제어 회로(280)는 마지막 스위치(215)로 공급원(210,252)의 최대 전위를 인가하여 폐쇄하는 것을 방지하고, 회로(200)가 각 스위치(215)의 최대 권고 개방 스위치 전압보다 큰 동작 전압을 갖는 공급원(210,252)을 수용하게 한다.
부가적으로, 마지막 스위치(215)의 게이트(245)와 드레인(240) 사이에 큰 전위가 존재하여 폐쇄될 수도 있음을 알아야 한다. 예로써, 스위치(215)가 105 V의 최대 권고 개방 스위치 전압을 가지고, 소스(235)에 대한 게이트(245)에서 제어 공 급원(252)에 의해 인가된 제어 전압이 100 V의 직류이며, 300 V 피크 교류 전압의 인가는 전원(210)에 의해 공급됨을 알아야 한다. -300 V의 음의 피크 교류 전압에서, 마지막 스위치(215)의 게이트(245)와 드레인(240) 사이에 인가되어 폐쇄하는 전압은 500 V(AC 라인으로부터 300 V 및 게이트 제어로부터 200 V)일 것이다. 후술되는 바와 같이, 전위 제어 회로(280)는 게이트(245)와 소스(235) 사이의 최대 권고 개방 스위치 전압을 초과하는, 이러한 손상을 주는 전압의 인가도 방지한다.
본 발명의 실시예가 제어기와 분리되고, 제어기와 신호 통신하는 전위 제어 회로에 대하여 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이것으로 제한되지 않으며, 본 발명은 제어기(253)와 전위 제어 회로(280)의 기능 및 부품이 함께 집적되는 스위칭 회로의 실시예에도 적용될 수 있음을 알 것이다.
이상의 예에서 설명된 바와 같이, 소스 단자(235)는 부동이어서, 회로 노드(265,270,275)에서의 소스(235)가 접지와 같은 기준(277)에 대하여 각각 0 V, 100 V 및 200 V의 개방 스위치 전위를 가지게 된다.
실시예에서, 회로는 제어 공급원(252)과 각 스위치(215)의 게이트(245) 사이에 배치된 절연 회로(285)를 더 포함한다. 절연 회로(285)는 각 스위치(215)의 게이트 단자(245)에 절연 전압을 공급하도록 제어 공급원(252) 및 제어기(253)와 함께 동작하여, 후술되는 바와 같이, 임의의 스위치(215)의 소스(235)와 게이트(245) 사이의 개방 스위치 전위가 접속부(255)를 폐쇄하는 데 필요한 제어 전압을 초과하지 않게 한다.
도 2는 제어 공급원(252)의 일 실시예의 개략적인 회로도를 도시한다. 도 2 에 도시된 제어 공급원(252)의 실시예에서, 제어 공급원(252)은 구형파 발생기(252)이다. 구형파 발생기(252)는 발진기 회로(289) 및 플립 플랍(flip-flop) 회로(293)를 포함한다.
일 실시예에서, 발진기 회로는 2 개의 NAND 게이트(297 및 301), 2 개의 저항기(305,309) 및 캐패시터(313)를 포함한다. 저항기(305)는 NAND 게이트(301)와 직렬로 접속된다. 저항기(309)는 저항기(305)와 NAND 게이트(301)뿐만 아니라 캐패시터(313)와 NAND 게이트(297)와도 병렬로 접속된다. 저항기(305,309)의 저항값 및 캐패시터(313)의 캐패시턴스 값의 선택은 발진기 회로(289)의 동작 주파수를 결정한다. 발진기 회로(289)의 출력은 접속부(375)를 통해 플립 플랍(293)의 입력과 신호 통신한다. 제어기(253)에 의해 인에이블 입력(380)이 제공되어 플립 플랍(293)의 동작을 인에이블링한다. 플립 플랍(293)의 S 입력은 접지에 접속되고, D 입력(384)은 출력(390)에 접속된다. 따라서, 발진기 회로(289)가 변하고, 플립 플랍(293)이 변함에 따라, 접속부(385,390)를 통해 플립 플랍(293)의 출력에서 구형파가 생성되며, 이는 절연 회로(285)에 공급된다.
도 3은 절연 회로(285)의 일 실시예의 개략적인 회로도를 도시한다. 절연 회로(285)는 각각 제어기(253)로부터 인에이블 입력(395) 및 접속부(385,390)를 통해 제어 공급원의 출력을 수신하고, 접속부(400,405)를 통해 각 스위치(215)의 각 게이트(245) 및 소스(235)에 출력을 공급한다. 제어 공급원(252)으로부터의 접속부(385,390)는 전력을 공급하지만, 입력(395)은 접속부(400,405)에서의 출력의 제어를 제공한다. 예컨대, 절연체 회로(285)가 입력(395)으로부터 하이 (1) 신호를 수신하면, 접속부(400,405)에서의 출력은 각각의 소스(235)와 게이트(245) 사이에 제어 전압을 공급하여 스위치(215)의 접속부(255)를 폐쇄한다. 이와 달리, 절연체 회로가 입력(395)으로부터 로우 (0) 신호를 수신하면, 접속부(400,405)에서의 출력(따라서 각 스위치(215)의 소스(235) 및 게이트(245))은 스위치(215)의 의도하지 않은 폐쇄를 방지하는 것처럼 동일한 전위에서 유지된다.
도 3에 도시된 절연 회로(285)의 실시예는 로직 회로(410), 변압기(415) 및 튜닝 회로(425)를 포함한다. 로직 회로(410)는, 입력(395)으로부터의 하이 신호에 응답하여, 인에이블 입력(395)에 응답함으로써 접속부(385,390)에서 제어 공급원(252)에 의해 제공된 구형파 신호가 변압기(415)로 순방향 전달된다. 이와 달리, 인에이블 입력(395)이 로우이면, 어떠한 것도 변압기(415)로 순방향 전달되지 않는다. 일 실시예에서, 로직 회로(410)는 도시된 접속부(385,390) 및 인에이블 입력(395)을 통해 제어 공급원(252) 출력에 접속된 4 NAND 게이트(430)를 포함한다.
접속부(385,390)로부터의 구형파 신호는 변압기(415)를 통과하여, 절연뿐만 아니라, 출력(385,390)에 의해 제공된 전압으로부터 스위치(215)의 게이트(245)와 소스(235) 사이에 인가되어 접속부(255)를 폐쇄하기에 적합한 제어 전압까지의 적합한 전압 증가(step-up)(적합한 권선비(turns ratio)에 의해 결정됨)도 제공한다.
일 실시예에서, 정류기(420)는 도시된 바와 같이 브릿지 회로로 접속된 4 개의 다이오드(432)를 포함하는 전파(full wave) 브릿지 정류기(420)이다. 브릿지 정류기(420)는 출력 접속부(400,405) 사이의 원하는 전위로 튜닝되고, 변압기(415) 에 의해 증가한 구형파 전압을 DC 전압 신호로 정류한다. 브릿지 정류기(420)의 출력 양단에 병렬로 접속된 캐패시터(435)가 선택적으로 제공되어 잡음 전송을 감소시킬 수 있다.
튜닝 회로(425)는 출력 접속부(400,405) 사이의 전압의 상승(스위칭 온) 및 전압의 하강(스위칭 오프)과 관련된 시간 의존 성향을 제어한다. 일 실시예에서, 튜닝 회로(425)는 정류기(420)의 출력과 병렬로 접속된 저항기(450)와, 저항기(450)와 게이트 출력 접속부(400) 사이에 접속된 다른 저항기(440)를 포함한다. 다른 저항기(445)는 트랜지스터(455)를 통해 저항기(450)(및 정류기(420) 출력)와 병렬로 접속된다. 다이오드(460)는 트랜지스터(455)의 베이스(462)와 이미터(464) 사이에 직렬로 접속된다. 트랜지스터(455)의 이미터(464)는 소스 출력 접속부(405)에 접속된다.
실시예에서, 저항기(440)의 저항값은 접속부(400,405) 사이에 인가된 제어 전압의 턴온 시간과 관련된 지연을 제어한다. 이와 유사하게, 저항기(445)의 저항값은 접속부(400,405) 사이에 인가된 제어 전압의 턴오프 시간과 관련된 지연을 제어한다.
저항기(450)는 캐패시터(435)에 대한 방전 경로를 제공한다. 다이오드 브릿지(420)로부터의 출력이 제거되면, 다이오드(460)는 전도를 중단하고 캐패시터(435)는 저항기(450)를 통해 방전한다. 따라서, 접속부(400)에서의 게이트(245) 전압은 저항기(440,450)를 통해 트랜지스터(455)에 베이스 전류를 제공한다. 이것은 턴오프 시간에 영향을 주는데, 트랜지스터(455)가 싱크할 수 있는 전류값이 베 이스 전류와 트랜지스터 이득의 곱이기 때문이다(예컨대, 트랜지스터(455)가 포화상태에 가까워지는 경우에 10인 이득이 사용됨). 트랜지스터(455)가 (컬렉터에서 이미터로) 전도하는 전류는 저항기(445)에 의해 더 제한되는데, 이는 턴오프 시간을 설정하는 데 사용된다. 턴온시에, 다이오드(460)는 저항기(440)를 통해 캐패시터(435)의 상부로부터, 접속부(400,405)를 통해, 그리고 다시 캐패시터(435)의 하부까지의 경로를 전도하고 완료한다. 다이오드(460)가 이와 같이 전도하고 있으면, 트랜지스터(455)가 턴오프함을 보증하는 역전 베이스-이미터 전압을 설정한다. 접속부(400,405) 양단에 병렬로 접속된 제너 다이오드(465)가 선택적으로 제공되어, 접속부(400,405) 사이의 전위를 제한할 수 있다.
따라서, 제어 공급원(252)과 함께 절연 회로(285)의 사용은 각각의 3 단자 스위치(215)의 소스 단자(235)에 대한 게이트 단자에서의 제어 전압의 사용을 용이하게 하여, 각 게이트 단자(245)와 소스 단자(235) 사이의 제어 전압이 임의의 다른 3 단자 스위치(215)의 소스(235)의 전위에 대하여 절연되게 된다.
일 실시예에서, 회로(200)는 폐쇄 도전 경로(250)를 제공하도록 복수의 스위치(215)의 접속부(255)의 폐쇄를 용이하게 한다. (접속부(255)를 폐쇄하도록) 제어기(253)에 의해 제공된 명령 신호에 이어서, 제어 공급원(252)은 제어 전압을 생성한다. 각 절연 회로(285) 내의 저항기(440)의 적합한 저항값의 선택은 접속부(400,405) 사이의 턴온 전압의 지연에 영향을 주어, 제어 전압은 우선 스위치(230)의 소스(235)에 대한 스위치(230)의 게이트(245)에 인가됨으로써 스위치(230)의 접속부(255)를 폐쇄하고, 스위치(230)의 드레인(240)과 소스(235)를 연 결하게 된다. 따라서, 스위치(230)의 드레인(240)은 노드(270)에서 스위치(225)의 소스(235)와 접속되고, 스위치(225)의 소스(235)는 제어 공급원(252)이 접속되는 스위치(230)의 소스(235)와 동일한 전위에 있다. 이에 따라, 스위치(230)의 폐쇄에 이어서, 제어 공급원(252)은 스위치(230)를 통해 노드(270)에서 스위치(225)의 소스(235)와 전력 접속된다. 따라서, 제어 공급원(252)은 스위치(230)의 소스(235)에 대한 스위치(225)의 게이트(245)로의 제어 전압의 인가를 통해 스위치(225)의 접속부(255)를 폐쇄할 수 있다. 이와 유사한 방식으로, 스위치(225)의 폐쇄에 이어서, 제어 공급원(252)이 노드(275)에서 스위치(220)의 소스(235)와 전력 접속되어 있으며, 마찬가지로 스위치(220)의 접속부(225)를 폐쇄할 수 있음을 알 것이다. 따라서, 저항기(440)의 적합한 저항값의 선택은 복수의 스위치(215)의 접촉부(255)의 엇걸리고(staggered) 연속적인 폐쇄를 제공하는데, 이는 전위 제어 회로(280)와 함께, 기준(277)에 대한 단일 제어 전압을 생성하는 단일 제어 공급원(252)의 사용을 허용한다. 이에 따라, 알려져 있거나 결정된 스위치(215)의 폐쇄 또는 반작용 시간을 고려하면, 적합한 저항값의 선택은 제어 전압이, 스위치(230)에서 시작되는 엇걸리고 연속적인 방식으로 복수의 스위치(215) 각각의 게이트(245)에 인가되게 할 수 있으며, 스위치(230)의 소스(235)는 제어 공급원(252)과 전력 접속되어 있다. 이와 유사하게, 턴오프는 저항기(445)의 저항값 선택에 의해 타이밍될 수 있다.
도 1 및 이상의 논의는 3 개의 3 단자 스위치(220,225,230)를 구비한 회로(200)를 설명하지만, 본 발명의 범위는 이것으로 제한되지 않으며, 본 발명은 공 급원(210)에 의해 제공된 총 전위를 분배하기에 적합한 임의의 개수의 스위치(215)를 이용할 수 있는 회로(200)의 실시예에도 적용될 것임을 알 것이다.
다른 회로(200) 장치가 본 명세서에 설명된 기능을 제공할 수 있음을 더 알 것이다. 예컨대, 일 실시예에서, 스위치(230)의 소스(235)가 제어 공급원(252)과 직접 전력 접속되어 있으므로, 스위치(230)에 결합된 절연 회로(286)는 절연 변압기(415)를 필요로 하지 않을 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 절연 회로(286)는 예컨대, 로직 회로(410)와 튜닝 회로(425)가 없는 정류기 회로(420)를 포함하도록 구성될 수 있다.
스위칭 회로(200)는 후술되는 MEMS 기반 스위치인 3 단자 스위치(215)와 함께 사용할 특정 유틸리티를 가지도록 고려된다.
도 4는 본 발명의 측면에 따른 MEMS 기반 스위치(215)를 이용할 수 있는, 아크 방지형 스위칭 시스템(10)을 이용하는 예시적인 회로(200)의 블록도를 도시한다. 현재, MEMS는 일반적으로 예컨대, 기계적 소자, 전기기계적 소자, 센서, 액추에이터 및 전자기기와 같은 다수의 기능적으로 별개의 소자를 마이크로제조 기술을 통해 공통 기판 상에 집적할 수 있는 마이크론-스케일 구조체를 지칭한다. 그러나, MEMS 장치로 현재 이용가능한 다수의 기술 및 구조체를 단 몇 년 안에 예컨대, 크기가 100 나노미터 미만일 수 있는 구조체와 같은 나노기술 기반 장치를 통해 이용할 수 있을 것으로 고려된다. 따라서, 후속하는 예시적인 실시예가 MEMS 기반 스위칭 장치를 지칭할 수는 있지만, 본 발명의 발명 측면은 광범위하게 해석되어야 하며, 마이크론 크기 장치로 한정되어서는 안 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 아크 방지형 스위칭 시스템(10)을 이용하는 회로(200)의 실시예는 스위칭 회로(12)와, 아크 억제 회로(14)를 포함하는 전위 제어 회로(280)의 실시예를 포함하는 것으로 도시되는데, 여기서 아크 억제 회로(14)는 하이브리드 아크 방지 제한 기술(HALT:Hybrid Arcless Limiting Technology)로도 지칭되며, 스위칭 회로(12)에 동작가능하게 결합된다. 특정 실시예에서, 예컨대, 스위칭 회로(12)는 아크 억제 회로(14)와 함께 단일 패키지(16) 내에 완전히 집적될 수 있다. 다른 실시예에서는, 스위칭 회로(12)의 특정 부분 또는 부품만이 아크 억제 회로(14)와 함께 집적될 수 있다.
도 5는 아크 억제 회로(14)와 스위치(215)의 상호작용에 특히 주목하는 복수의 스위치(215)를 포함하는 스위칭 회로(315)의 현재 고려중인 구성을 도시한다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 저항 등급화 네트워크(260) 및 제어 공급원(252)이 도 5의 회로(315)의 부품이지만, 명쾌한 예시를 위해 도시된 것은 아님을 알 것이다. 부가적으로, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(14)는 스위치(215)의 접촉부 사이의 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(14)는 교류 전류(AC) 또는 직류 전류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있음을 알 수 있다.
일 실시예에 따르면 도 4에 도시된 예시적인 스위칭 시스템의 개략도(18)가 도 5에 도시된다. 실시예에서, 스위치(215)는 각각 제 1 접촉부(22), 제 2 접촉부(24) 및 제 3 접촉부(26)를 구비하는 것으로 도시된 제 1 MEMS 스위치(20) 및 제 2 MEMS 스위치(21)를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 접촉부(22)는 드레인으로서 구성될 수 있고, 제 2 접촉부(24)는 소스로서 구성될 수 있으며, 제 3 접촉부(26)는 게이트로서 구성될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 전압 스너버(snubber) 회로(33)가 MEMS 스위치(20,21)와 병렬로 결합될 수 있고, 빠른 접촉 분리 동안 전압 오버슈트(overshoot)를 제한하도록 구성될 수 있으며, 이는 이하에 보다 상세히 설명될 것이다. 특정 실시예에서, 스너버 회로(33)는 스너버 저항기(도 7의 78 참조)와 직렬로 결합된 스너버 캐패시터(도 7의 76 참조)를 포함할 수 있다. 스너버 캐패시터는 MEMS 스위치(20,21)의 개방의 연속 동안 과도 전압 분배의 개선을 용이하게 할 수 있다. 또한, 스너버 저항기는 MEMS 스위치(20,21)의 폐쇄 동작 동안 스너버 캐패시터에 의해 생성된 임의의 전류 펄스를 억제할 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 전압 스너버 회로(33)는 금속 산화물 바리스터(MOV)(도시 생략)를 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 측면에 따르면, 부하 회로(40)가 MEMS 스위치(20,21)와 직렬로 결합될 수 있다. 부하 회로(40)는 전압 소스 VBUS(44)를 포함할 수 있다. 또한, 부하 회로(40)는 부하 인덕턴스 LLOAD(46)도 포함할 수 있는데, 여기서 부하 인덕턴스 LLOAD(46)는 부하 회로(40)에 의해 관찰되는 조합된 부하 인덕턴스 및 버스 인덕턴스를 나타낸다. 부하 회로(40)는 부하 회로(40)에 의해 관찰되는 조합된 부하 저항을 나타내는 부하 저항 RLOAD(48)을 포함할 수 있다. 참조 번호 50은 부하 회로(40) 및 MEMS 스위치(20,21)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
또한, 도 4를 참조하여 알 수 있듯이, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 평형 다이오드 브릿지(28)는 제 1 분기(29) 및 제 2 분기(31)를 가지는 것으로 도시된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "평형 다이오드 브릿지"는 제 1 및 제 2 분기(29,31) 양자 모두를 통한 전압 강하가 실질적으로 동일하며, 이로써 전술한 바와 같이, 스위치(20)의 게이트(26)와 스위치(21)의 소스(24) 사이의 상대 전위차를 현저히 감소시키도록 구성되는 다이오드 브릿지를 나타내는 데 사용된다. 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 1 분기(29)는 제 1 직렬 회로를 형성하도록 함께 결합된 제 1 다이오드 D1(30)와 제 2 다이오드 D2(32)를 포함할 수 있다. 유사한 방식으로, 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 2 분기(31)는 제 2 직렬 회로를 형성하도록 함께 동작가능하게 결합된 제 3 다이오드 D3(34)와 제 4 다이오드 D4(36)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, MEMS 스위치(20,21)는 평형 다이오드 브릿지(28)의 중심점을 통해 병렬로 결합될 수 있다. 평형 다이오드 브릿지의 중심점은 제 1 및 제 2 다이오드(30,32) 사이에 배치된 제 1 중심점 및 제 3 및 제 4 다이오드(34,36) 사이에 배치된 제 2 중심점을 포함할 수 있다. 또한, MEMS 스위치(20,21) 및 평형 다이오드 브릿지(28)는 빽빽하게 패키징되어, 평형 다이오드 브릿지(28), 특히, MEMS 스위치(20,21)에 대한 접속부에 기인하는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 할 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, MEMS 스위치(20,21)와 평형 다이오드 브릿지(28)는 서로에 관하여 배치되어, MEMS 스위치(20,21)가 턴오프하는 동안 다이오드 브릿지(28)로 부하 전류를 전달하는 경우에, MEMS 스위치(20,21)와 평형 다이오드 브릿지(28) 사이의 고유 인덕턴스가 MEMS 스위치(20)의 드레인(22)과 MEMS 스위치(21)의 소스(24) 양단의 몇 퍼센트의 전압보다 di/dt 만큼 낮은 전압을 산출하게 되며, 이는 이하에 보다 상세히 설명될 것이다. 일 실시예에서, MEMS 스위치(20,21)는 평형 다이오드 브릿지(28)와 함께 단일 패키지(38) 또는 선택적으로, MEMS 스위치(20,21)와 다이오드 브릿지(28)를 상호접속하는 인덕턴스를 최소화할 의도로 동일한 다이 내에 집적될 수 있다.
부가적으로, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지(28)와 동작 관련하여 결합된 펄스 회로(52)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(52)는 제어기(253)(도 1과 관련하여 최상으로 도시됨)에 응답하여, 스위치 상태를 검출하고 그 스위치 상태에 응답하여 전술한 바와 같이 MEMS 스위치(20,21)의 엇걸리고 연속적인 개방을 시작할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "스위치 상태"는 MEMS 스위치(20,21)의 현재 작동 상태 변경을 트리거하는 상태를 지칭한다. 예컨대, 스위치 상태는 MEMS 스위치(20,21)의 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로의 변경 또는 MEMS 스위치(20,21)의 제 1 개방 상태에서 제 2 폐쇄 상태로의 변경을 초래할 수 있다. 스위치 상태는 회로 고장 또는 스위치 온/오프 요청을 포함하는 다수의 작용에 응답하여 발생할 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
펄스 회로(52)는 펄스 스위치(54) 및 펄스 스위치(54)와 직렬로 결합된 펄스 캐패시터 CPULSE(56)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로는 펄스 인덕턴스 LPULSE(58) 및 펄스 스위치(54)와 직렬로 결합된 제 1 다이오드 DP(60)도 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE(58), 다이오드 DP(60), 펄스 스위치(54) 및 펄스 캐패시터 CPULSE(56)는 직렬로 결합되어 펄스 회로(52)의 제 1 분기를 형성할 수 있는데, 여기서 제 1 분기의 부품은 펄스 전류 형성 및 타이밍을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 참조 번호 62는 펄스 회로(52)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE를 나타낸다.
본 발명의 측면에 따르면, MEMS 스위치(20,21)는 전위 제어 회로(280)의 아크 억제 회로(14)에 의해 제공된 바와 같이, 전압이 거의 0임에도 불구하고 전류를 전달하면서 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로 (예컨대, 피코초 또는 나노초 정도로) 빠르게 스위칭될 수 있다. 이는 부하 회로(40)의 결합된 동작 및 MEMS 스위치(20,21)의 접촉부 양단에 병렬로 결합된 평형 다이오드 브릿지(28)를 포함하는 펄스 회로(52)를 통해 달성될 수 있다.
이제 본 발명의 측면에 따라 예시적인 소프트 스위칭 시스템(11)의 블록도를 도시하는 도 6을 참조한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 소프트 스위칭 시스템(11)은 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)를 포함하는 전위 제어 회로(280)의 다른 실시예와 동작가능하게 결합된 스위칭 회로(12)를 포함한다. 검출 회로(70)는 스위칭 회로(12)에 결합될 수 있고, 부하 회로 내의 교류 소스 전압(이하에 "소스 전압") 또는 부하 회로 내의 교류 전류(이하에 "부하 회로 전류"로 지칭됨)의 제로 크로싱의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12) 및 검출 회로(70)에 결합될 수 있고, 검출된 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱에 응답하는 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 스위치의 아크 방지형 스위칭을 용이하게 하도록 구성되어, 스위치(20)의 게이트(26)와 스위치(21)의 소스(26) 사이의 상대 전위차가 감소할 수 있다(전술한 바와 같이, 도 5와 관련하여 최상으로 도시됨). 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12)의 적어도 일부분을 포함하는 복수의 스위치(215)의 아크 방지형 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 소프트 스위칭 시스템(11)은 소프트 또는 포인트 온 웨이브(point-on-wave)(PoW) 스위칭을 수행하도록 구성될 수 있으며, 이로써 스위칭 회로(12) 내의 복수의 스위치(215)는 스위칭 회로(12)(예컨대, 도 1에 도시된 노드(265,270,275)를 포함함) 양단의 전압이 0이거나 0에 상당히 가까우면 동시에 폐쇄될 수 있고, 스위칭 회로(12)를 통과한 전류가 0이거나 0에 가까우면 동시에 개방될 수 있다. 스위칭 회로(12) 양단의 전압이 0이거나 0에 상당히 가까우면 스위치를 동시에 폐쇄함으로써, 단일 제어 소스(252)에 의해 공급된 단일 제어 전압은 전술한 바와 같이, 각 스위치(215)에서 각각의 접속부(255)를 폐쇄하는 데 사용될 수 있다. 또한, 다수의 스위치가 동시에 전부 닫히지 않더라도, 복수의 스위치(215)의 접촉부가 닫힘에 따라 이들 사이의 전기장을 약하게 유지함으로써 사전 스트라이크(pre-strike) 아크가 방지될 수 있다. 이와 유사하게, 스위칭 회로(12) 를 통과한 전류가 0이거나 0에 가까우면 스위치를 동시에 개방함으로써, 소프트 스위칭 시스템(11)은 스위칭 회로(12)에서 개방된 마지막 스위치 내의 전류가 스위치의 설계 능력 내에 있도록 설계될 수 있다. 제어 회로(72)는 복수의 스위치(215)의 개방과 폐쇄를 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류와 동기화하도록 구성된다.
도 7을 참조하면, 도 6의 소프트 스위칭 시스템(11)을 포함하는 스위칭 회로(320)의 일 실시예의 개략도(19)가 도시된다. 도시된 실시예에 따르면, 개략도(19)는 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)의 일례를 포함한다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 절연 회로(285)를 포함하는 저항 등급화 네트워크(260) 및 제어 공급원(252)이 도 7의 회로(320)의 일부이지만, 명쾌한 도시를 위해 생략됨을 알 것이다.
설명을 위해, 도 7은 스위칭 회로(12) 내의 MEMS 스위치(20)와 같은 단일 3 단자 스위치(20)만을 도시하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 스위칭 회로(12)는 예컨대, 소프트 스위칭 시스템(11)의 전류 및 전압 조종 필요조건에 따라 다수의 스위치(20)를 포함할 것이다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 MEMS 스위치에 전압을 분배하도록 직렬 구성으로 결합된 MEMS 스위치 어레이를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치에 전류를 분배하도록 병렬 구성으로 함께 결합된 다수의 MEMS 스위치를 포함하는 스위치 모듈을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치 모듈에 전압을 동시에 분배하고 각 모듈 내의 MEMS 스위치에 전류를 분배하도록 직렬 구성으로 함께 결합된 MEMS 스위치 모듈 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치는 단일 패키지(74) 내에 집적될 수 있다.
전술한 바와 같이, 예시적인 MEMS 스위치(20)는 3 개의 접촉부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 접촉부는 드레인(22)으로서 구성될 수 있고, 제 2 접촉부는 소스(24)로서 구성될 수 있으며, 제 3 접촉부는 게이트(26)로서 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 게이트 접촉부(26)에 결합되어 MEMS 스위치(20)의 전류 상태의 스위칭을 용이하게 할 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 댐핑(damping) 회로(스너버 회로)(33)는 MEMS 스위치(20)와 병렬로 결합되어 MEMS 스위치(20) 양단의 전압의 출현을 지연시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 예컨대, 댐핑 회로(33)는 스너버 저항기(78)와 직렬로 결합된 스너버 캐패시터(76)를 포함할 수 있다.
부가적으로, 도 7에 또한 도시된 바와 같이 MEMS 스위치(20)는 부하 회로(40)와 직렬로 결합될 수 있다. 현재 고려 중인 구성에서, 부하 회로(40)는 전압 소스 VSOURCE(44)를 포함할 수 있고, 전형적인 부하 인덕턴스 LLOAD(46) 및 부하 저항 RLOAD(48)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 전압 소스 VSOURCE(44)(AC 전압 소스로도 지칭됨)는 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류 ILOAD(50)를 생성하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 검출 회로(70)는 부하 회로(40) 내의 교류 소스 전압 또 는 교류 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 교류 소스 전압은 전압 감지 회로(80)를 통해 감지될 수 있고, 교류 부하 전류 ILOAD(50)는 전류 감지 회로(82)를 통해 감지될 수 있다. 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류는 예컨대 연속적으로 또는 불연속 주기로 감지될 수 있다.
소스 전압의 제로 크로싱은 예컨대, 도시된 0 전압 비교기(84)와 같은 비교기를 사용하여 검출될 수 있다. 전압 감지 회로(80)에 의해 감지된 전압 및 0 전압 기준(86)은 0 전압 비교기(84)로의 입력으로서 이용될 수 있다. 차례로, 부하 회로(40)의 소스 전압의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(88)가 생성될 수 있다. 이와 유사하게, 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱도 도시된 0 전류 비교기(92)와 같은 비교기를 사용하여 검출될 수 있다. 전류 감지 회로(82)에 의해 감지된 전류 및 0 전류 기준(90)은 0 전류 비교기(92)로의 입력으로서 이용될 수 있다. 차례로, 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(94)가 생성될 수 있다.
그 다음에 제어 회로(72)는 출력 신호(88,94)를 이용하여 MEMS 스위치(20)(또는 MEMS 스위치 어레이)의 전류 작동 상태를 언제 변경(예컨대, 개방 또는 폐쇄)할지를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 회로(72)는, 검출된 교류 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 개방하거나 인터럽트하기 위해, 엇걸리고 연속적인 아크 방지형 방식으로 MEMS 스위치(20) 어레이(예컨 대, 도 1에 도시된 복수의 스위치(25) 및 도 5에 도시된 스위치(20,21))의 개방을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어 회로(72)는, 검출된 교류 소스 전압의 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 완료하기 위해, 엇걸리고 연속적인 아크 방지형 방식으로 MEMS 스위치(20) 어레이의 폐쇄를 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(72)는 인에이블 신호(96)의 상태에 적어도 일부분 기초하여 MEMS 스위치(20)의 현재 작동 상태를 제 2 작동 상태로 스위칭할지를 결정할 수 있다. 인에이블 신호(96)는 예컨대, 접촉부 애플리케이션 내의 파워 오프 명령의 결과로서 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 인에이블 신호(96) 및 출력 신호(88,94)는 도시된 이중 D 플립 플랍(98)으로의 입력 신호로서 사용될 수 있다. 이들 신호는 인에이블 신호(96)가 활성(예컨대, 상승 에지 트리거링)이 된 후에 제 1 소스 전압 0에서 MEMS 스위치(20)를 폐쇄하고, 인에이블 신호(96)가 비활성(예컨대, 하강 에지 트리거링)이 된 후에 제 1 부하 전류 0에서 MEMS 스위치(20)를 개방하는 데 사용될 수 있다. 도시된 도 4의 개략도(19)에 관하여, 인에이블 신호(96)가 활성(특정 구현에 따라 하이 또는 로우)이고, 출력 신호(88) 또는 출력 신호(94)가 감지된 전압 또는 전류 0을 나타낼 때마다, 트리거 신호(172)가 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 트리거 신호(172)는 예컨대, NOR 게이트(100)를 통해 생성될 수 있다. 차례로, 트리거 신호(102)는 MEMS 게이트 드라이버(104)를 통해 전달되어, MEMS 스위치(20)의 게이트(26)(또는 MEMS 어레이의 경우에 게이트)에 제어 전압을 인가하는 데 사용될 수 있는 게이트 활성화 신호(106)를 생성할 수 있다.
MEMS 스위치와 함께 아크 억제 회로(14) 및 소프트 스위칭 시스템(11) 중 적어도 하나를 포함하는 전위 제어 회로(280)를 구비하는 본 발명의 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이것으로 제한되지 않으며, 본 발명은 예컨대, MOSFET과 같은 복수의 다른 3 단자 스위치 및 IGBT 스위치와 함께 전위 제어 회로(280)를 포함하는 스위칭 회로의 실시예에도 적용될 수 있음을 알 것이다.
도 8은 전원, 예컨대, 전원(210)과 접속가능한 부하, 예컨대, 부하(205)를 스위칭하는 프로세스 단계의 흐름도(350)를 도시한다.
도 1과 함께 도 8을 참조하면, 프로세스의 일 실시예는 단계(355)에서, 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 소스 단자(235)와 드레인 단자(240)를 포함하며, 전원(210)과 부하(205) 사이에 접속가능한 직렬 도전 경로(250)를 규정함으로써 시작된다. 프로세스는 단계(360)에서, 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 게이트 단자(245)와 소스 단자(235) 사이에 전력 접속되어 있는 제어 공급원(252)에 의해 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 게이트 단자(245)에서 제어 전압을 이용하는 것으로 계속된다. 프로세스는 단계(365)에서, 각각의 3 단자 스위치(215)의 각 게이트 단자(245)에서 수신된 제어 전압에 응답하여 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 저마다의 소스 단자(235)와 저마다의 드레인 단자(240) 사이의 접속부(255)를 폐쇄하는 것으로 종료된다.
일 실시예는 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 소스 단자(235)에 대한 게이트 단자(245)에서의 제어 전압과, 복수의 3 단자 스위치(215) 중 임의의 다른 3 단자 스위치(215)의 소스(235)의 전위에 대하여 절연된 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 소스 단자(235)와 각 게이트 단자(245) 사이의 제어 전압을 사용할 수 있음을 포함한다.
일 실시예에서, 단계(360)에서, 제어 전압의 사용은 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 게이트 단자와 병렬로 접속되어 있는 하나의 제어 공급원(252)만을 이용한다. 단계(360)에서, 그 사용은 복수의 3 단자 스위치(315)의 연속하는 게이트 단자(245)에서의 제어 전압을 시간 지연시키는 것을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 복수의 3 단자 스위치(215)의 상태를 제 1 상태에서 제 2 상태, 예컨대, 개방 상태에서 폐쇄 상태로 또는 폐쇄 상태에서 개방 상태로 변경하고, 스위치의 상태의 변경에 응답하여, 직렬 도전 경로(250)에서 복수의 3 단자 스위치(215)와 병렬 접속으로 배치된 전위 제어 회로(280)의 아크 억제 회로(14)로 전기적 에너지 전송을 전환하고 수신하는 것을 더 포함한다. 다른 실시예는 복수의 3 단자 스위치(215)의 상태 변화를 직렬 도전 경로(250)를 통과하는 교류 전류와 기준(270)에 대한 직렬 도전 경로(250)의 교류 전압 중 적어도 하나의 제로 크로싱의 발생과 동기화하는 것을 더 포함한다. 본 발명의 다른 실시예는 제어 공급원(300)과 복수의 3 단자 스위치(215) 각각의 게이트 단자(245) 사이에 직렬 접속된 복수의 스위치(305,310)를 제어하는 것을 포함한다.
개시된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예는 직렬 네트워크 내의 복수의 3 단자 스위치에 단일 제어 전압을 공급하도록 단일 전원을 사용하는 것과, 비용 감소로 증가한 회로 전압 용량과, 복잡성 감소로 증가한 회로 전압 용량과 같은 이점 중 몇몇을 포함할 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어지고 균등물이 구성요소를 대체할 수 있음을 알 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어나지 않으면서, 본 발명의 교시에 특정 상태 또는 재료를 적응시키는 다수의 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드 또는 단 하나의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되지 않지만, 첨부되는 특허청구범위의 범위 내에 있는 모든 실시예를 포함할 것이다. 또한, 도면 및 설명에서, 본 발명의 예시적인 실시예가 개시되었으며, 특정 용어가 이용될 수 있지만, 이들은 다른 방식으로 언급되지 않는 한 제한하기 위한 것이 아니라 일반적이고 기술적인 의미로 사용되므로, 본 발명의 범위는 이것으로 제한되지 않는다. 또한, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라, 어떤 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 데 사용된다. 또한, 용어 하나의 등의 사용은 양의 제한을 나타내는 것이 아니라, 언급된 항목의 적어도 하나의 존재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 회로의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어 공급원 회로의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 절연 회로의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 아크 방지형(arc-less) 스위칭 시스템의 블록도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아크 억제 회로를 포함하는 스위칭 회로의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 스위칭 시스템의 블록도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 스위칭 시스템을 포함하는 스위칭 회로의 개략도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 프로세스 단계의 흐름도를 도시한다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
MEMS 스위칭 시스템 10
소프트 스위칭 시스템 11
스위칭 회로 12
억제 회로 14
패키지 16
도면 18
도면 19
스위치 20
드레인(제 1 접촉부로도 지칭됨) 22
소스(제 2 접촉부로도 지칭됨) 24
게이트(제 3 접촉부로도 지칭됨) 26
브릿지 28
분기 29
다이오드 D1 30
제 2 분기 31
제 2 다이오드 32
스너버 회로/댐핑 회로 33
다이오드 D3 34
다이오드 D4 36
패키지 38
부하 회로 40
전압 소스 44
부하 인덕턴스 46
부하 저항 48
부하 전류 50
펄스 회로 52
펄스 스위치 54
펄스 캐패시터 56
펄스 인덕턴스 58
제 1 다이오드 Dp 60 60
참조 번호 62
검출 회로 70
제어 회로 72
단일 패키지 74
스너버 캐패시터 76
스너버 저항기 78
전압 감지 회로 80
전류 감지 회로 82
전압 비교기 84
전압 기준 86
출력 신호 88
전류 기준 90
0 전류 비교기 92
출력 신호 94
인에이블 신호 96
이중 D 플립 플랍 98
NOR 게이트 100
트리거 신호 102
MEMS 게이트 드라이버 104
게이트 활성화 시스템 106
회로 200
부하 205
전원 210
복수의 3 단자 스위치 215
3 단자 스위치 220
3 단자 스위치 225
3 단자 스위치 230
소스 단자 235
드레인 단자 240
게이트 단자 245
도전 경로 250
제어 공급원 252
제어기 253
접속부 255
저항 등급화 네트워크 260
회로 노드 265
회로 노드 270
회로 노드 275
기준 277
전위 제어 회로 280
절연 회로 285
발진기 회로 289
플립 플랍 회로 293
NAND 게이트 297
NAND 게이트 301
저항기 305
저항기 309
캐패시터 313
스위칭 회로 315
스위칭 회로 320
흐름도 350
규정 단계 355
이용 단계 360
폐쇄 단계 365
접속부 375
인에이블 입력 380
접속부 385
접속부 390
인에이블 입력 395
게이트 출력 접속부 400
소스 출력 접속부 405
로직 회로 410
변압기 415
정류기 420
튜닝 회로 425
NAND 게이트 430
캐패시터 435
저항기 440
저항기 445
저항기 450
트랜지스터 455
다이오드 460
S 입력 382
D 입력 384
베이스 462
이미터 464

Claims (10)

  1. 전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는(servicing) 회로에 있어서,
    상기 전원과 상기 부하 사이에 접속가능한 직렬 도전 경로를 정의하는 복수의 3 단자 스위치 -상기 직렬 도전 경로는 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 소스 단자와 드레인 단자를 포함함 - 와,
    상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치와 병렬로 접속된 복수의 저항기를 포함하는 저항 등급화 네트워크(a resistive grading network)와,
    상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자와 상기 복수의 3 단자 스위치의 하나의 3 단자 스위치의 소스 단자 사이에 전력 접속된 하나의 제어 공급원 - 상기 제어 공급원은 제어 전압을 생성함 - 과,
    상기 복수의 3 단자 스위치에 대응하는 복수의 절연기 회로를 포함하되,
    상기 복수의 절연기 회로의 각 절연기 회로는 상기 하나의 제어 공급원 및 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자 사이에서 전력 접속으로 배치되고, 각 3 단자 스위치를 폐쇄하기 위해 상기 하나의 제어 공급원으로부터 수신된 제어 전압을 특정 전압으로 변환시키는 변압기를 포함하고, 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치는 각 게이트 단자에서 상기 제어 전압에 응답하여, 상기 특정 전압에 기초하여, 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 각각의 소스 단자와 각각의 드레인 단자 사이의 접속부를 폐쇄하는
    전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 제어 공급원은 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 상기 게이트 단자와 병렬로 접속된 하나의 제어 공급원만을 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 제어 공급원은 구형파 발생기를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 절연기 회로는 제어기로부터의 인에이블 입력과 상기 제어 공급원으로부터의 출력을 수신하고, 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 상기 게이트 단자 및 상기 소스 단자로 상기 출력을 제공하고, 상기 절연기 회로가 상기 인에이블 입력으로부터 하이 신호를 수신할 때, 상기 절연기 회로는 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 상기 게이트 단자 및 상기 소스 단자 사이에 상기 제어 전압을 제공하여 각 3 단자 스위치를 폐쇄하고, 상기 절연기 회로가 상기 인에이블 입력으로부터 로우 신호를 수신할 때, 각 3 단자 스위치의 상기 게이트 단자 및 상기 소스 단자는 동일한 전위로 유지되는
    전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 공급원과 신호 통신하는 제어기를 더 포함하되,
    상기 절연기 회로는,
    상기 제어 공급원과 전력 접속되고 상기 제어기와 신호 통신하는 로직 회로와,
    상기 로직 회로와 전력 접속된 상기 변압기와,
    상기 변압기와 전력 접속된 정류기와,
    상기 정류기와 상기 3 단자 스위치의 상기 소스 단자와 상기 게이트 단자와 전력 접속된 튜닝 회로를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 구형파 발생기는 발진기 회로과, 상기 발진기 회로의 출력과 신호 통신하는 플립 플랍 회로를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 서비싱하는 회로.
  7. 전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법에 있어서,
    복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 소스 단자와 드레인 단자를 포함하는 직렬 도전 경로를 정의하는 단계 -상기 직렬 도전 경로는 상기 전원과 상기 부하 사이에 접속가능함- 와,
    상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치와 병렬로 접속된 복수의 저항기를 포함하는 저항 등급화 네트워크(a resistive grading network)를 정의하는 단계와,
    상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자와 상기 복수의 3 단자 스위치의 하나의 3 단자 스위치의 소스 단자 사이에 전력 접속된 하나의 제어 공급원으로부터의 제어 전압을 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자에서 이용 가능하게 하는 단계 - 상기 제어 전압을 이용 가능하게 하는 단계는 상기 복수의 3 단자 스위치에 대응하는 복수의 절연기 회로를 통해 수행되고, 상기 복수의 절연기 회로의 각 절연기 회로는 상기 하나의 제어 공급원 및 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자 사이에서 전력 접속으로 배치되고, 각 3 단자 스위치를 폐쇄하기 위해 상기 하나의 제어 공급원으로부터 수신된 제어 전압을 변압기를 통해 특정 전압으로 변환시킴 - 와,
    상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 각각의 게이트 단자에서 수신된 상기 제어 전압에 응답하여, 상기 특정 전압에 기초하여, 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 각각의 소스 단자와 각각의 드레인 단자 사이의 접속부를 폐쇄하는 단계를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이용 가능하게 하는 단계는 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자와 병렬로 접속된 하나의 제어 공급원에 의해서만 상기 복수의 3 단자 스위치의 각 3 단자 스위치의 게이트 단자에서 상기 제어 전압을 이용 가능하게 하는 단계를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 이용 가능하게 하는 단계는 상기 복수의 3 단자 스위치의 연속하는 게이트 단자에서 상기 제어 전압을 시간 지연시키는 단계를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 직렬 도전 경로를 정의하는 단계는,
    복수의 마이크로 전기기계 시스템(MEMS)을 포함하는 직렬 도전 경로를 정의하는 단계를 포함하는
    전원과 접속가능한 부하를 스위칭하는 방법.
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