KR101737120B1 - 스위치 구조체 및 관련 회로 - Google Patents

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캐서린 앤 오브라이언
존 노턴 박
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오웬 제니스 사무엘 세렌츠
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Abstract

스위치 모듈(100)과 같은 장치가 제공된다. 이 장치는 특성 시간 동안 개방 구성과 (최소 특성 저항과 관련된) 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성된 전기 기계 스위치 구조체(102)를 포함할 수 있다. 전기 기계 스위치 구조체와 병렬로 전류 회로(120)가 접속될 수 있으며, 이 전류 회로는 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성된 밸런싱된 다이오드 브리지(122) 및 밸런싱된 다이오드 브리지를 통해서 (전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련해서) 펄스 전류가 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성된 펄스 캐패시터(146)를 구비한 펄스 회로(142)를 포함할 수 있다. 전기 기계 스위치 구조체와 밸런싱된 다이오드 브리지는, 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 특성 시간과 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 배치될 수 있다.

Description

스위치 구조체 및 관련 회로{SWITCH STRUCTURE AND ASSOCIATED CIRCUIT}
본 발명은 전반적으로, 전류를 스위칭하는 디바이스에 관한 것이고, 상세하게는 마이크로 전기 기계 스위치 구조체에 관한 것이다.
회로 차단기는 회로의 오류에 의해 야기된 데미지로부터 전기 장비를 보호하도록 설계된 전기 디바이스이다. 전통적으로, 많은 종래의 회로 차단기는 벌크(매크로) 전기 기계 스위치를 포함한다. 불행하게도, 이들 종래의 회로 차단기는 크기가 커서 스위칭 메커니즘을 동작시키는데 많은 힘의 사용을 필요로 한다. 또한, 이들 회로 차단기의 스위치는 비교적 저속으로 동작하는 것이 일반적이다. 아울러, 이들 회로 차단기는 제조가 복잡하고, 제조에 비용이 많이 든다. 또한, 종래의 회로 차단기의 스위칭 메커니즘의 접촉부(contact)가 물리적으로 분리될 때, 때때로 이들 사이에서 아크가 발생할 수 있으며, 이 아크로 인해서 회로 내의 전류가 중단될 때까지 스위치에는 계속 전류가 흐르게 된다. 또한, 이 아크와 관련된 에너지는 접촉부에 상당한 데미지를 가할 수 있고/있거나 사람에게 화상을 입힐 수도 있다.
저속의 전기 기계 스위치에 대한 대안으로, 고속 스위칭 애플리케이션에서는 비교적 빠른 고체-상태 스위치가 이용되었다. 이들 고체-상태 스위치는 전압 혹은 바이어스의 인가를 조정함으로써 도전 상태와 비도전 상태 사이의 전환을 행한다. 그러나, 고체-상태 스위치는 비도전 상태로 전환될 때 접촉부 사이에 물리적인 갭을 형성하지 않기 때문에, 이른바 비도전 상태일 때 누설 전류를 경험하게 된다. 또한, 도전 상태에서 동작하는 고체-상태 스위치는 내부 저항에 기인한 전압 강하를 경험하게 된다. 전압 강하 및 누설 전류는 일반적인 동작 환경 하에서 전력 소모 및 과도한 열의 생성을 유발해서, 스위치의 성능 및 수명을 저하시킬 수 있다. 아울러, 고체-상태 스위치와 관련된 고유 누설 전류에 적어도 부분적으로 기인해서, 회로 차단기 애플리케이션에서 사용하는 것은 불가능하다.
특정 전류 스위칭 애플리케이션에 대해서 상기 설명한 마이크로 전기 기계 스위치 및 고체-상태 스위치의 유용한 대안으로서, 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 기반 스위칭 디바이스가 있다. MEMS 기반 스위치는 전류를 통과시키도록 설정되었을 때에는 낮은 저항을 갖고, 이 스위치를 지나는 전류의 흐름을 차단하도록 설정되었을 때에는 낮은 누설을 갖는(혹은 누설이 없는) 경향이 있다. 아울러, MEMS 기반 스위치는 매크로 전기 기계 스위치보다 빠른 응답 시간을 보일 것으로 예상된다.
일 측면에서, 스위치 모듈과 같은 장치가 제공된다. 이 장치는 특성 시간 동안(예컨대, 약 15 마이크로초 이하 동안) 개방 구성(open configuration)과 완전-폐쇄 구성(fully-closed configuration) 사이에서 이동하도록 구성된 전기 기계 스위치 구조체를 포함할 수 있다. 완전-폐쇄 구성에 있을 때, 전기 기계 스위치 구조체는 최소 특성 저항을 가질 수 있다.
전기 기계 스위치는 하나 이상의 접촉부 및 하나 이상의 이동 가능 소자를 포함할 수 있으며, 각각의 이동 가능 소자는, 전기 기계 스위치 구조체가 완전-폐쇄 구성에 있을 때에는 접촉부 중 적어도 하나와 최대로 접촉되고, 전기 기계 스위치 구조체가 개방 구성에 있을 때에는 접촉부로부터 분리된다. 전기 기계 스위치 구조체는 예컨대, 마이크로 전기 기계 스위치를 포함할 수 있다. 전기 기계 스위치 구조체는 또한, 이동 가능 소자와의 전위차를 수립하도록 선택적으로 전하를 받고, 이로써 이동 가능 소자가 특성 시간 동안, 접촉부와 최대로 접촉하는 최대 접촉 위치와 이동 가능 소자가 접촉부로부터 분리되는 비접촉 위치 사이에 놓이게 하도록 구성된 전극을 포함한다.
전기 기계 스위치 구조체는 완전-폐쇄 구성에 있을 때 최소의 특성 유효 어레이 저항을 갖는 전기 기계 스위치의 어레이를 포함할 수 있다. 이 어레이는 병렬로 접속된 적어도 2개의 전기 기계 스위치 및/또는 직렬로 접속된 적어도 2개의 전기 기계 스위치를 포함할 수 있다.
전기 기계 스위치 구조체와 병렬로 전류 회로(commutation circuit)가 접속될 수 있다. 전류 회로는 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성된 밸런싱된 다이오드 브리지(balanced diode bridge)를 포함할 수 있다. 이 전류 회로는 또한 펄스 전류가 밸런싱된 다이오드 브리지를 통해서 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성된 펄스 캐패시터를 구비한 펄스 회로를 포함할 수 있다. 전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련해서 펄스 신호가 생성될 수 있다. 전기 기계 스위치 구조체와 밸런싱된 다이오드 브리지는, 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 특성 시간과 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 제 2 전기 기계 스위치 구조체가 포함될 수 있으며, 이 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 제 2 특성 시간 동안 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성된다. 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 완전-폐쇄 구성에 있을 때 제 2 최소 특성 저항을 가질 수 있다. (제 1) 전기 기계 스위치는 제 1 특성 시간 및 제 1 최소 특성 저항과 관련될 수 있다. 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 부하 회로와 병렬에 접속되도록 구성될 수 있으며, 전류 회로가 이 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체 각각에 병렬로 접속된다. 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지는 제 1 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성될 수 있고, 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지는 제 2 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성될 수 있다. 펄스 회로는 제 1 및 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지에 펄스 전류가 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성된 펄스 캐패시터를 포함할 수 있으며, 이 펄스 신호는 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련되어서 생성된다. 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체 및 제 1 및 2 밸런싱된 다이오드 브리지는, 펄스 회로 및 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지와 관련된 전체 인덕턴스가 제 1 특성 시간과 제 1 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되는 반면, 펄스 회로 및 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지와 관련된 전체 인덕턴스가 제 2 특성 시간과 제 2 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 배치될 수 있다.
다른 측면에서, 스위치 모듈과 같은 장치가 제공된다. 이 장치는 제 1 특성 시간 동안, 완전-개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성된 제 1 전기 기계 스위치 구조체 및 제 2 특성 시간 동안 완전-개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성된 제 2 전기 기계 스위치 구조체를 포함할 수 있다. 제 1 전기 기계 스위치 구조체는 완전-폐쇄 구성에 있을 때 제 1 최소 특성 저항을 가질 수 있고, 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 완전-폐쇄 구성에 있을 때 제 2 최소 특성 저항을 가질 수 있다. 제 2 전기 기계 스위치 구조체는, 제 1 전기 기계 스위치 구조체와 병렬 혹은 직렬인 관계로 부하 회로에 접속되도록 구성될 수 있다.
제 1 전기 기계 스위치 구조체와 병렬로 제 1 전류 회로가 접속될 수 있다. 제 1 전류 회로는 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지 및 제 1 펄스 회로를 포함할 수 있다. 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지는 제 1 전기 기계 스위치의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성될 수 있다. 제 1 펄스 회로는 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지에 펄스 전류가 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성된 펄스 캐패시터를 포함할 수 있으며, 이 펄스 신호는 제 1 전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련되어서 생성된다.
제 2 전류 회로가 제 2 전기 기계 스위치 구조체와 병렬로 접속될 수 있다. 제 2 전류 회로는 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지 및 제 2 펄스 회로를 포함할 수 있다. 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지는 제 2 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성될 수 있다. 제 2 펄스 회로는 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지에 펄스 전류가 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성된 펄스 캐패시터를 포함할 수 있으며, 이 펄스 신호는 제 2 전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련해서 생성된다.
제 1 전기 기계 스위치 구조체 및 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지는, 제 1 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 제 1 특성 시간과 제 1 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 배치될 수 있다. 제 2 전기 기계 스위치 구조체 및 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지는, 제 2 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 제 2 특성 시간과 제 2 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 배치될 수 있다.
또 다른 측면에서, 전기 기계 스위치 구조체 및 이 전기 기계 스위치 구조체와 병렬로 접속된 전류 회로를 포함하는 장치를 제공하는 방법이 개시된다. 전기 기계 스위치 구조체는 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성될 수 있으며, 완전-폐쇄 구성에 있을 때에는 최소 특성 저항을 갖는다. 전류 회로는 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성된 밸런싱된 다이오드 브리지를 포함할 수 있다. 펄스 캐패시터를 포함한 펄스 회로는 밸런싱된 다이오드 브리지에 펄스 전류가 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성될 수 있으며, 이 펄스 신호는 전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련해서 생성된다. 전기 기계 스위치 구조체를 완전-폐쇄 구성으로 이동시키도록 정전기력이 인가될 수 있다. 정전기력은 특성 시간 동안 전기 기계 스위치 구조체를 완전-폐쇄 구성으로부터 개방 구성으로 이동시키도록 변경될 수 있으며, 여기서 특성 시간은 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 최소 특성 저항에 의해 나누어진 것보다 크다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특성, 측면 및 이점은 이하의 상세한 설명을 첨부된 도면을 참조로 읽음으로써 더 잘 이해될 것이며, 도면에서 동일한 문자는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따라 구성된 스위치 모듈의 개략도,
도 2는 예시적인 전기 기계 스위치의 개략 사시도,
도 3은 도 2의 스위치의 측면도,
도 4는 부분-닫힘 구성인 도 2의 스위치의 측면도,
도 5는 완전-폐쇄 구성인 도 2의 스위치의 측면도,
도 6은 도 2의 스위치와 관련된, 스위치 저항, 게이트 전압 및 구동력을 시간의 함수로 나타낸 도면,
도 7-10은 도 1의 스위치 모듈의 예시적인 동작을 나타내는 개략도,
도 11-15는 다른 예시적인 실시예에 따라서 구성된 개개의 스위치 모듈의 개략도,
도 16은 도 1의 스위치 모듈의 등가 회로의 개략도이다.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명되며, 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 나타낸다. 이들 실시예 중 일부는 상술한 혹은 다른 요구를 충족시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예를 따라서 구성된 스위치 모듈(100)(예컨대, 모터 스타터 애플리케이션과 관련되어 사용되는)과 같은 장치가 도시되어 있다. 스위치 모듈(100)은 전기 기계 스위치 혹은 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 스위치(102)와 같은 마이크로 전기 기계 스위치 구조체를 포함할 수 있다. MEMS 스위치(102)는 부하 회로(104)의 일부로서 포함될 수 있으며, 이 부하 회로(104)는 예컨대, 부하 인덕턴스 LL 및 부하 저항 KL에 의해 특징지어지는 전기 부하(106)도 포함한다. 부하 회로(104)는 고유 인덕턴스 및 저항도 포함할 수 있으며, 이는 유효 부하 인덕턴스 LL 및 부하 저항 RL을 일으킬 것이므로, 이 유효 부하 인덕턴스 LL 및 부하 저항 RL에 포함되는 것으로 간주될 것이라는 점에 주의한다. 전압 VL을 제공하도록 부하 회로(104)에는 전원(108)도 포함될 수 있다. 상술한 바와 같이, 동작시에, 부하 전류 IL가 부하 회로(104)에 흐를 수 있으며, 경우에 따라서는 MEMS 스위치(102)에 흐를 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, MEMS 스위치(102)는 이동 가능 소자(예컨대, 외팔보(cantilevered beam)(110)) 및 접촉부(112)(예컨대, 도전성 패드)와 같은 접촉부를 포함할 수 있다. 외팔보(110) 및 접촉부(112)는 기판(114)과 같은 하부 지지 구조체에 의해 지지될 수 있다. 외팔보(110) 및 접촉부(112)를 동일 기판(114) 상에 배치함으로써, 종래의 미세 가공 기법(예컨대, 전기 도금, 증착, 포토리소그래피, 습식 및/또는 건식 에칭 등)으로 MEMS 스위치(102)를 용이하게 생성할 수 있으며, 그 결과로 나온 스위치는 수 혹은 수십 마이크로미터 및/또는 나노미터 정도의 치수를 갖는다.
상기 참조한 전기 기계 스위치 구조체가 하나의 이동 가능 소자를 가진 단일형 스위치(102)에 대해서 설명되었지만, 전기 기계 스위치 구조체는 병렬, 직렬 혹은 둘다로 접속된 전기 기계 스위치의 어레이를 포함할 수 있으며, 어레이 각각의 스위치는 공통 혹은 개개의 접촉부와 관련된 이동 가능 소자를 포함한다는 점에 주의한다. 이와 같이, "스위치"(예컨대, MEMS 스위치(102))라면, 단일 스위치 혹은 스위치 어레이를 가리키는 것으로 이해해야 한다.
도 1-6을 참조하면, MEMS 스위치(102)는, 외팔보(110)가 접촉부(112)로부터 분리되는(예컨대 도 3에 도시된 바와 같이) 비접촉 혹은 "열림" 구성 혹은 상태와, 외팔보가 접촉부와 최대로 접촉해서 전기 통신을 성립시키는(예컨대 도 5에 도시된 바와 같이) 접촉 혹은 완전-폐쇄 구성 혹은 상태 사이에서 선택적으로 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 외팔보(110)는 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동할 때, 변형되도록 구성될 수 있어서, 외팔보는 기본적으로 비접촉 구성으로(즉, 외부에서 인가되는 힘이 없을 때) 배치되고, 그 안의 기계적인 에너지를 저장하면서 접촉 위치를 차지하도록 변형될 수 있다. 다른 실시예에서, 외팔보(110)의 비변형 구성이 접촉 구성이 될 수도 있다.
MEMS 스위치(102)는 전극(116)을 포함할 수 있으며, 이 전극은 게이트 전압원(118)과 전기적인 통신 상태에 있을 수 있다. 게이트 전압원(118)은 게이트 전압 VG을 전극에 제공해서 전하를 전극에 공급할 수 있다. 전극(116)이 충전되면, 전극과 외팔보(110) 사이에 전위차가 발생하고, 정전기 구동력 FA은 외팔보를 전극으로 이끄는 작용을 할 수 있다(또한 접촉부(112)를 향해서 이끌고, 궁극적으로는 접촉부(112)와 접촉한다).
게이트 전압 VG은 시간 t0일 때 제로에서 시간 t1일 때 VG1의 값으로 변할 수 있다. 정전기 구동력 FA은 게이트 전압 VG을 따라서 변할 수 있다(반드시 선형적으로 변하는 것은 아니다). 게이트 전압 VG(및 정전기 구동력 FA)이 증가함에 따라서, 구동력은 외팔보(110)를 접촉부(112) 쪽으로 이동시키고, 결국에는(도 6에서 시간 t1) 구동력(도 6의 게이트 전압 VG에 대응하는)은 외팔보와 접촉부 사이의 전기 통신을 가능하게 하도록 외팔보를 변형시키기에 충분한 크기로 된다. 이는 이론적으로는 외팔보(110)가 접촉부(112)와 접촉할 때 일어날 것이지만, 실제로는 외팔보와 접촉부 사이의 간격이, 외팔보와 접촉부를 분리시키는 어떤 물리적인 갭을 지나는 전기적인 통신을 가능하게 하기에 충분할 정도로 작아질 수 있기 때문에(예컨대, 전계 방출을 통해서), 외팔보와 접촉부가 접촉 상태가 되기 전에도 일어날 수 있다. 어떤 경우에는, 시간 t1에서, 특성 스위치 저항 RS(외팔보(110)와 접촉부(112)에 의해 제공되는 유효 저항)은 기본적으로 무한대(외팔보가 접촉부로부터 이격되어 있을 때 시간 t0에서 t1까지의 기간 동안의 RS의 값)에서, 약간 크지만 한정된 값 RSMAX으로 된다. 전기 기계 스위치 구조체가 전기 기계 스위치의 어레이를 포함하는 실시예에서, 특성 스위치 저항이 스위치 어레이의 유효 저항(즉, 스위치 어레이가 하나의 등가 저항으로 대체되는 경우에 볼 수 있는 저항)과 같다는 것을 이해할 것이다.
게이트 전압 VG은 시간 t2에서의 최대값 VGMAX까지 계속 증가할 수 있다. 게이트 전압 VG이 증가함에 따라서, 구동력 FA도 증가할 것이며, 이로써 외팔보(110)는 접촉부(112)와 더 넓게 접촉하게 된다. 이에 따라서, 특성 스위치 저항 RS은 시간 t1에서 t2로 경과함에 따라서 RSMAX로부터 최소값 RSMIN으로 감소될 것이다. 스위치(102)의 특성 스위치 저항 RS의 최소값은 스위치의 완전-폐쇄 구성을 나타내고, 스위치의 다른 구성(예컨대, "부분적인 닫힘" 혹은 반대로 "부분적인 열림"으로 간주되는 도 4의 구성)은 더 높은 저항값의 특성을 갖는다.
상술한 바와 같이, 스위치(102)가 완전-폐쇄 구성에 있을 때, 외팔보(110)는 접촉부(112)와 최대로 접촉한다. 이 경우, 용어 "최대 접촉"이란 외팔보와 접촉부 사이에서 실제로 일어나는 최대 접촉량을 나타내며, 이들 2개의 구조체 사이에서의 가능한 최대 접촉량이 아니라는 점에 주의한다. 종종, 전극(116)에 인가되는 게이트 전압 VG을 증가시킴으로써 외팔보(110)와 접촉부(112)가 더욱 접촉할 수도 있다. 스위치(102)가 스위치의 어레이를 포함하는 실시예에서는, 완전-폐쇄 구성이란 어레이 내의 모든 스위치가 최대한으로 닫힌 상황을 나타내고, 부분-닫힘 구성이란 스위치 어레이 중 적어도 하나의 스위치가 완전-닫힘이 아닌 상태를 나타낸다. 예컨대, 스위치 어레이는 하나 이상의 접촉부 및 하나 이상의 이동 가능 소자를 포함할 수 있으며, 각각의 이동 가능 소자는 전체 전기 기계 스위치 구조체가 완전-폐쇄 구성에 있을 때에는 적어도 하나의 관련 접촉부와 최대로 접촉하고, 전기 기계 스위치 구조체가 개방 구성에 있을 때에는 관련 접촉부로부터 이격된다.
스위칭 이벤트 동안(즉, 스위치(102)가 비도전 상태에서 도전 상태로, 혹은 그 반대로 이동함), 게이트 전압 VG은 스위칭 이벤트 시간 TTOT 동안, 즉 t2-t0 동안 변할 수 있다. 그러나, 스위치(102)는 특성 시간 TC 동안, 즉 t2-t1 동안 개방 구성(외팔보(110)와 접촉부(112)가 그 사이의 전기 통신을 실질적으로 차단하기에 충분하도록 이격되어 있는 구성)에서 완전-폐쇄 구성으로 이동하도록 구성될 수 있다. 스위치(102)가 열리는 스위칭 이벤트 동안, 게이트 전압 VG은 증가가 아닌 감소될 것이다. 스위치(102)가 스위치 어레이를 포함하는 경우에, 특성 시간 TC은 어레이의 제 1 스위치가 닫힌 시간과 어레이의 모든 스위치가 최대한 닫히는 사이의 시간을 나타낼 수 있다. 전기 기계 스위치 구조체가 전기 기계 스위치의 어레이를 포함하는 실시예에서, 스위치 어레이와 관련된 "특성 시간"은 최소 유효 어레이 저항이 구현되는 스위치의 구성으로부터, 유효 어레이 저항이 무한인 구성으로 이동하는데 필요한 시간이다(예컨대, 2개의 스위치가 병렬인 경우에 스위치 각각과 관련된 열림 시간은 더 길고, 2개의 스위치가 직렬인 경우에 열림 시간은 더 짧다).
도 1을 참조하면, 전류 회로(120)가 이 스위치(102)와 병렬로 접속될 수 있다. 전류 회로(120)는 제 1 브랜치(124) 및 제 2 브랜치(126)를 가진 밸런싱된 다이오드 브리지(122)를 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 용어 "밸런싱된 다이오드 브리지"는 제 1 및 제 2 브랜치(124, 126) 모두에 걸리는 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 구성된 다이오드 브리지를 나타내는데 사용된다. 밸런싱된 다이오드 브리지(122)의 제 1 브랜치(124)는 직렬 회로에 함께 연결된 제 1 다이오드(128) 및 제 2 다이오드(130)를 포함할 수 있다. 유사한 방식으로, 제 2 브랜치(126)는 직렬 회로에 동작 가능하게 함께 연결된 제 3 다이오드(132) 및 제 4 다이오드(134)를 포함할 수 있다.
전압 스너버 회로(136)는 스위치(102)와 병렬로 연결될 수 있으며, 고속의 접촉 분리 동안 전압의 오버슈트를 제한하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 스너버 회로(136)는 스너버 저항(도시 생략)과 직렬로 연결된 스너버 캐패시터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 스너버 캐패시터는 스위치(102)가 연속해서 열리는 동안 공유하는 천이 전압을 향상시키는 것을 용이하게 한다. 또한, 스너버 저항은 스위치(102)의 닫힘 동작 동안 스너버 캐패시터에 의해 어떤 전류의 펄스가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 전압 스너버 회로(136)는 MOV(a metal oxide varistor)(도시 생략)를 포함할 수 있다.
제 1 MEMS 스위치(102)는 밸런싱된 다이오드 브리지(122)의 중간점(138, 140)에 병렬로 연결될 수 있다. 제 1 중간점(138)은 제 1 및 제 2 다이오드(128, 130) 사이에 위치될 수 있고, 제 2 중간점(140)은 제 3 및 제 4 다이오드(132, 134) 사이에 위치될 수 있다.
전류 회로(120)는 밸런싱된 다이오드 브리지(122)와 동작적으로 관련되어 연결된 펄스 회로(142)도 포함할 수 있다. 펄스 회로(142)는 스위치 상태를 검출해서, 스위칭 이벤트를 개시한다(스위치 상태에 따라서 스위치(102)를 열거나 닫는다). 여기서 사용되는 용어 "스위치 상태"는 스위치(102)의 현재의 동작 상태를 변경하는 것을 트리거하는 상태를 나타낸다. 스위치 상태는 회로 오류 혹은 스위치 ON/OFF 요청(이에 한정되는 것은 아님)을 포함한 많은 액션에 응답해서 일어날 수 있다.
펄스 회로(142)는 직렬로 연결된 펄스 스위치(144) 및 펄스 캐패시터(146)를 포함할 수 있으며, 이 펄스 캐패시터는 캐패시턴스 CPULSE를 갖는다. 펄스 회로(142)는 또한 펄스 스위치(144)와 직렬로 연결된 제 1 다이오드(148)를 포함할 수 있으며, 펄스 회로는 펄스 인덕턴스 LPULSE에 의해 특징지어진다. 펄스 캐패시터(146)는 밸런싱된 다이오드 브리지(122)를 지나는 펄스 전류 IPULSE를 유도하는 펄스 신호를 형성하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 펄스 신호는 스위치(102)의 스위칭 이벤트와 관련되어 생성될 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE, 다이오드(148), 펄스 스위치(144) 및 펄스 캐패시터(146)는 직렬로 연결되어서 펄스 회로(142)의 제 1 브랜치를 형성할 수 있으며, 제 1 브랜치의 구성 요소는 펄스 전류의 형성 및 타이밍 설정을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
도 2 및 7-10을 참조하면, 이하 후술하는 바와 같이, 동작시에, 밸런싱된 다이오드 브리지(122)는 스위치(102)의 접촉부(예컨대, 외팔보(110) 및 접촉부(112)) 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 전류를 전달하는 동안(거의 제로에 가까운 전압일지라도), MEMS 스위치(102)가 닫힘 상태에서 열림 상태로 고속으로(예컨대, 피코초 혹은 나노초 정도로) 스위칭되는 것을 가능하게 할 수 있다.
도 7-10은 스위치 모듈(100)의 예시적인 동작을 나타내는 개략적인 흐름도이다. 스위치 모듈(100)의 예시적인 동작의 초기 상태가 도 7에 도시되어 있다. 스위치(102)는 완전-폐쇄 구성에서 개시되는 것으로 도시되어 있으며, VL/RL와 실질적으로 동일한 값을 갖는 부하 전류 IL가 부하 회로(104)에 제공된다.
또한, 이 예시적인 동작을 논의할 때, 완전-폐쇄 구성에 있을 때의 MEMS 스위치(102)와 관련된 특성 저항 RSMIN은, MEMS 스위치의 저항을 통해서 부하 전류에 의해 생성된 전압이, 다이오드 브리지(122)가 펄싱되었을 때 그 중간점(138, 140) 사이의 제로 부근의 전압차에 거의 영향을 미치지 않도록 충분히 작은 것으로 가정한다. 예컨대, 완전-닫힘 MEMS 스위치(102)와 관련된 특성 저항 RSMIN은, 최대 예상 부하 전류에 기인해서 수 밀리볼트 이하의 전압 강하를 생성하도록 충분히 작은 것으로 가정될 수 있다.
스위치 모듈(100)의 초기 상태에서, 펄스 스위치(144)는 제 1 열림 상태에 있다는 점에 주의한다. 또한, 펄스 회로(142)에는 전류가 없다(즉, IPULSE=0). 또한, 펄스 회로(142)에서, 캐패시터(146)는 전압 VPULSE으로 사전 충전될 수 있으며, 여기서 VPULSE는 부하 전류의 전달 기간 동안 예상된 부하 전류 IL보다 상당히 큰(예컨대, 2배) 피크 크기를 가진 펄스 전류의 절반 사인(half sinusoid)을 생성할 수 있는 전압이다. CPULSE 및 LPULSE는 펄스 회로(142) 내의 응답을 유도하도록 선택될 수 있다는 점에 주의한다.
도 8은 펄스 회로(142)를 트리거하는 처리를 개략적으로 나타내고 있다. 이 펄스 회로(142)에는 검출 회로(도시 생략)이 연결될 수도 있다는 점에 주의한다. 검출 회로는 예컨대, 부하 회로 전류 IL의 레벨 및/또는 전압 레벨 VL의 값을 검지하도록 구성된 검지 회로(도시 생략)를 포함할 수 있다. 또한, 검출 회로는 상술한 바와 같은 스위치 상태를 검출하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 스위치 상태는 전류 레벨 및/또는 전압 레벨이 사전 결정된 임계값을 초과하는 것에 기인해서 일어날 수 있다.
펄스 회로(142)는 스위치(102)의 현재의 완전-폐쇄 구성을 개방 구성으로 전환하는 것을 용이하게 하는 스위치 상태를 검출하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 스위치 상태는 부하 회로(104) 내의 전압 레벨 혹은 부하 전류가 사전 결정된 임계 레벨을 초과하는 것에 기한해서 생성된 오류 상태가 될 수 있다. 그러나, 이해하는 바와 같이, 스위치 상태는 MEMS 스위치(102)에 대해서 주어진 시스템-의존 ON 시간을 달성하도록 램프 전압을 모니터하는 것을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 펄스 스위치(144)는 검출된 스위칭 상태의 결과로서 트리거 신호를 수신한 것에 응답해서 사인 펄스를 생성할 수 있다. 펄스 스위치(144)를 트리거하면 펄스 회로(142) 내의 공진 사인 펄스 전류 IPULSE를 개시할 수 있다. 펄스 전류 IPULSE의 전류 방향은 참조 번호 150 및 152로 표현될 수 있다. 또한, 밸런싱된 다이오드 브리지(122)의 제 1 브랜치(124)의 제 1 다이오드(128) 및 제 2 다이오드(130)를 흐르는 펄스 전류 IPULSE의 전류 방향 및 상대적인 크기는 각각 전류 벡터(154, 156)로 표현될 수 있다. 유사하게, 전류 벡터(158, 160)는 제 3 다이오드(132) 및 제 4 다이오드(134)를 흐르는 펄스 회로 전류의 전류 방향 및 상대적인 크기를 각각 나타낸다.
피크 사인 브리지 펄스 전류의 값은 펄스 캐패시터(146) 상의 초기 전압, 펄스 캐패시터의 값 CPULSE 및 펄스 회로(142)의 인덕턴스 값 LPULSE에 의해 결정될 수 있다. CPULSE 및 LPULSE의 값은 펄스 전류 IPULSE의 하프 사인의 펄스폭도 결정한다. 브리지 전류 펄스 폭은 부하 전류 IL의 변화율 및 부하 오류 상태 동안의 소망의 피크 통과 전류에 의해 예측되는 시스템 부하 전류 턴오프 요구를 만족시키도록 조정될 수 있다. 펄스 스위치(144)는 MEMS 스위치(102)를 열기 전에는 도전 상태에 있도록 구성될 수 있다.
펄스 스위치(144)를 트리거하는 것은, 스위칭 이벤트 동안 MEMS 스위치(102)의 접촉부(예컨대, 외팔보(110) 및 접촉부(112))를 지나는 경로의 임피던스와 비교해서 더 낮은 임피던스를 생성하는 것을 용이하게 하도록, 밸런싱된 다이오드 브리지(122)를 지나는 펄스 전류 IPULSE의 시간을 제어하는 것을 포함할 수 있다는 점에 주의한다. 또한, 펄스 스위치(144)는 MEMS 스위치(102)의 접촉부에서 소망의 전압 강하가 나타나도록 트리거될 수 있다.
일 실시예에서, 펄스 스위치(144)는 예컨대 나노초에서 마이크로초의 범위의 고속 스위칭 속도를 갖도록 구성될 수 있는 고체-상태 스위치가 될 수 있다. 펄스 스위치(144)의 스위칭 속도는 오류 상태에서 부하 전류의 예상 상승 시간에 비교해서 상당히 고속일 것이다. MEMS 스위치(102)의 전류율은 부하 전류 IL의 상승율에 의존하며, 따라서 이는 상술한 바와 같이 부하 회로(104) 내의 공급 전압 VL에 의존한다. MEMS 스위치(102)는 부하 전류 IL가 펄스 회로(142)의 속도 성능에 비교해서 고속으로 상승할 수 있는 경우에 더 큰 부하 전류 IL를 처리하는 것으로 적절하게 간주될 수 있다.
펄스 전류 IPULSE는 제로값으로부터 증가할 수 있고, 밸런싱된 다이오드 브리지(122)의 제 1 및 제 2 브랜치(124, 126) 사이에서 동일하게 나누어진다. 일 실시예에 따라서, 밸런싱된 다이오드 브리지(122)의 브랜치(124, 126)에서의 전압 강하의 차이는 상술한 바와 같이 무시할 수 있을 정도로 설계될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 다이오드 브리지(122)는 다이오드 브리지(122)의 제 1 및 제 2 브랜치(124, 126)에서의 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 밸런싱될 수 있다. 또한, 현재 완전-닫힘 상태에서의 MEMS 스위치(102)의 저항은 비교적 낮기 때문에, MEMS 스위치에는 비교적 작은 전압 강하가 존재할 것이다. 그러나, MEMS 스위치(102)에서의 전압 강하가 더 커지게 되는 경우에는(예컨대, MEMS 스위치의 고유 설계에 기인해서), 다이오드 브리지가 MEMS 스위치와 병렬로 동작적으로 연결되므로, 다이오드 브리지(122)의 밸런싱이 영향을 받을 수 있다. MEMS 스위치(102)의 저항이 MEMS 스위치에 상당한 전압 강하를 유발하는 경우에는, 다이오드 브리지(122)가 피크 브리지 펄스 전류의 크기를 증가시킴으로써 결과적인 불균형을 수용할 수 있다.
도 9를 참조하면, MEMS 스위치(102)가 열리기 시작하는 개략도가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 펄스 회로(142)의 펄스 스위치(144)는 MEMS 스위치(102)를 열기 전에 트리거된다. 펄스 전류 IPULSE가 증가함에 따라서, 펄스 캐패시터(146)에 걸리는 전압은 펄스 회로(142)의 공진 액션에 의해서 감소된다. MEMS 스위치(102)가 완전-닫혀서 도통중인 ON 상태에서, MEMS 스위치는 부하 회로 전류 IL의 비교적 낮은 임피던스의 경로를 제공한다.
일단, 펄스 전류 IPULSE는 크기가 부하 회로 전류 IL의 크기보다 커지면(예컨대, 펄스 회로(142)의 공진 액션에 기인해서), 게이트 전압이 MEMS 스위치(102)에 인가되어서 MEMS 스위치의 동작 상태를 완전-닫혀서 도통되는 상태에서 MEMS 스위치가 열려서 턴오프되는 증가 공진 상태(예컨대, 외팔보(110)는 계속 접촉부(112)와 접촉하지만, 스위치 열림 처리에 의해서 이들 사이의 접촉 압력은 감소됨)로 전환할 수 있다. 이로써, 특성 스위치 공진은 증가하게 되고, 따라서 부하 전류 IL은 MEMS 스위치(102)로부터 전류 회로(120)로의 방향 전환을 시작한다.
이 상태에서, 밸런싱된 다이오드 브리지(122)는 MEMS 스위치(102)를 지나는 경로에 비해서 부하 전류 IL로의 비교적 낮은 임피던스의 경로를 제공하며, 이는 증가 특성 공진과 관련되어 있다. MEMS 스위치(102)를 지나는 부하 전류 IL의 방향을 전환하는 것은 부하 회로 전류 IL의 변화율에 비해서 상당히 고속의 처리라는 점에 주의한다. 상술한 바와 같이, 고속 전류 방향 전환을 금지시키는 것을 피하기 위해서, MEMS 스위치(102)와 밸런싱된 다이오드 브리지(122) 사이의 접속부(162, 164)와 각각 관련된 인덕턴스 L1 및 L2는 작다.
MEMS 스위치(102)로부터 전류 회로(120)로 전류를 전달하는 처리가 계속됨으로써, 제 1 다이오드(128) 및 제 4 다이오드(134) 각각의 전류는 증가하고, 동시에 제 2 다이오드(130) 및 제 3 다이오드(132) 각각의 전류는 감소한다. 이 전달 처리는, MEMS 스위치(102)의 접촉부(예컨대, 외팔보(110) 및 접촉부(112))가 분리되어서 이들 사이에 물리적인 갭이 형성되고, 부하 전류 IL가 모두 제 1 다이오드(128) 및 제 4 다이오드(134)에 의해 전달되면, 완료된다.
부하 전류 IL의 방향이 MEMS 스위치(102)로부터 다이오드 브리지(122)로 방향 166으로 전환되는 것에 후속해서, 다이오드 브리지의 제 1 및 제 2 브랜치(124, 126)에는 불균형이 발생한다. 또한, 펄스 전류 IPULSE가 소멸됨에 따라서, 펄스 캐패시터(146)에 걸리는 전압은 반전되기 시작하고(예컨대, "역기전력"으로서 작용), 이 때문에 부하 회로 전류 IL는 결국에는 제로로 감소하게 된다. 다이오드 브리지(122) 내의 제 2 다이오드(130) 및 제 3 다이오드(132)가 역바이어스될 수 있고, 그 결과, 부하 전류 IL의 방향은 펄스 회로(142)를 거치게 되며, 부하 전류 IL는 현재 펄스 인덕턴스 LPULSE 및 펄스 캐패시터(146)의 캐패시턴스 CPULSE에 의해 특징지어지는 직렬 공진 회로와 인터렉팅하고 있다.
도 10을 참조하면, 부하 전류 IL를 감소시키는 처리의 개략도가 도시되어 있다. MEMS 스위치(102)의 접촉부(예컨대, 외팔보(110) 및 접촉부(112))가 분리되는 시점에, 무한 공진이 이루어진다. 또한, 다이오드 브리지(122)는 더 이상 MEMS 스위치(102)의 접촉부(110, 112)에 걸리는 전압을 제로 부근으로 유지하지 않는다. 또한, 부하 회로 전류 IL는 제 1 다이오드(128) 및 제 4 다이오드(134)를 지나는 전류와 동일하다. 상술한 바와 같이, 제 2 다이오드(130)와 제 3 다이오드(132)에는 전류가 지나지 않는다.
또한, MEMS 스위치(102)의 접촉부(112)로부터 외팔보(110)로의 전압 차는, 펄스 인덕턴스 LPULSE, 펄스 캐패시터(146)의 캐패시턴스 CPULSE, 부하 인덕턴스 LL 및 부하 저항 RL에 기인한 댐핑을 포함하는 순수 공진 회로에 의해 결정되는 비율로, 전압 VL의 거의 두배인 최대값까지 상승할 수 있다. 또한, 현재, 부하 회로 전류 IL와 동일한 펄스 전류 IPULSE는, 다이오드 브리지(122) 및 펄스 회로 다이오드(168)의 역 블로킹 액션에 기인해서, 제로값까지 공진 감소해서, 제로값을 유지한다. 이 시점에서 펄스 캐패시터(146)에 걸리는 전압은 음의 피크로 공진 반전되고, 이 음의 피크 값은 펄스 캐패시터가 충전될 때까지 유지될 것이다.
다이오드 브리지(122)는 MEMS 스위치(102)의 접촉부(110, 112)에 걸리는 전압을 이 접촉부가 분리되어서 MEMS 스위치를 열 때까지 제로 부근으로 유지하고, 이로써, 스위치를 열 때 MEMS 스위치의 접촉부 사이에 아크가 형성되는 것을 억제 함으로써 데미지를 방지하도록 구성될 수 있다. 또한, MEMS 스위치(102)의 접촉부(110, 112)는 MEMS 스위치를 지나는 전류가 상당히 감소되는 열림 상태에 이르게 된다. 또한, 부하 인덕턴스 LL(부하 회로(104) 및 전원(108) 내의 인덕턴스를 포함)에 저장된 어떤 에너지는 펄스 캐패시터(146)로 전달될 수 있고, 이는 전압 소멸 회로(도시 생략)를 통해서 흡수될 수 있다. 전압 스너버 회로(136)는 브리지(122)와 MEMS 스위치(102) 사이의 경계부에 남아있는 유도 에너지에 기인해서, 고속 접촉 분리시에 발생하는 전압 오버슈트를 제한하도록 구성될 수 있다. 또한, 열려있는 동안 MEMS 스위치(102)의 접촉부(110, 112)에 대한 재인가 전압의 증가율은 스너버 회로(136)를 사용해서 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이, 스위치 모듈의 실시예는 전기 기계 스위치를 개별적으로 이용하거나, 혹은 스위치 어레이의 일부로서 이용할 수 있다. 예컨대, 도 11을 참조하면, 일 실시예에서, 스위치 모듈(200)은 어레이로 배열되고, 밸런싱된 다이오드 브리지(222)의 중간점(238, 240) 사이에 직렬로 접속된 다수의 전기 기계 스위치(202a, 202b)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(242)는 상술한 바와 같이, 밸런싱된 다이오드 브리지(222)에 걸쳐서 접속될 수 있다. 단자(203)가 사용되어서 스위치 모듈(200)을 이른바 부하 회로(도시 생략)에 접속시킨다. 도 12를 참조하면, 다른 실시예에서, 스위치 모듈(300)은 어레이로 배열되고, 밸런싱된 다이오드 브리지(322)의 중간점(338, 340) 사이에 병렬로 접속된 다수의 전기 기계 스위치(302a, 302b)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로(342)는 밸런싱된 다이오드 브리지(322)에 접속될 수 있으며, 단자(303)가 사용되어서 스위치 모듈(300)을 부하 회로(도시 생략)에 접속시킨다. 도 13를 참조하면, 또 다른 실시예에서, 스위치 모듈(400)은 어레이로 배열되고, 밸런싱된 다이오드 브리지(422)의 중간점(438, 440) 사이에 직렬 및 병렬 모두로 접속된 다수의 전기 기계 스위치(402a, 402b, 402c, 402d)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로(442)는 밸런싱된 다이오드 브리지(422)에 접속될 수 있고, 단자(403)가 사용되어서 스위치 모듈(400)을 부하 회로(도시 생략)에 접속시킨다.
도 1을 다시 참조하면, 전류 회로(142)는 전체 인덕턴스 LCOM와 관련될 수 있다. 전체 전류 회로 인덕턴스 LCOM는 예컨대, MEMS 스위치(102)와 밸런싱된 다이오드 브리지(122) 사이의 접속부(162, 164)와 각각 관련된 인덕턴스 L1 및 L2, 펄스 회로 인덕턴스 LPULSE 및 밸런싱된 다이오드 브리지(122)와 관련된 인덕턴스 LB를 포함할 수 있다. MEMS 스위치(102) 및 밸런싱된 다이오드 브리지(122)는, 전류 회로(142)와 관련된 전체 인덕턴스 LCOM가, 스위치가 열리는 특성 시간 TC와 최소 특성 스위치 저항 RSMIN(즉, 완전-폐쇄 구성인 스위치와 관련된 스위치 저항)을 곱한 값 이하가 되도록, 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 스위치 모듈(100)을 이런 식으로 구성함으로써 스위치(102)에서의 순간 고전압(voltage surge)을 방지할 수 있다.
전체 인덕턴스 LCOM를 곱 RSMIN ·TC 이하로 유지하기 위해서, 스위치(102)가 열린 동안의 최소 특성 스위치 저항 RSMIN 및/또는 특성 시간 TC이 증가될 수 있다. 그러나, 최소 특성 스위치 저항 RSMIN을 증가시키면, 스위치 모듈(100)의 에너지 손실이 증가될 수 있다. 스위치(102)가 열려있는 동안 특성 시간 TC을 증가시키면, 열림 이전에 스위치에는 더 많은 전류가 지나게 되고, 이는 스위치 모듈이 부하에 데미지를 가하기에 충분한 레벨에 도달할 수 있기 전에 오류 전류의 방향을 전화하고자 하는 경우에는 수용할 수 없다. 이와 같이, 일부 실시예에서, 스위치(102)는 약 15마이크로초 이하의 특성 시간 TC 동안 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성될 수 있다. 스위치(102)의 열림 시간을 제어할 수 있는 애플리케이션의 경우에는, 스위치를 여는 것을 브리지(122)로 전류 전환하는 동안, 허용될 수 있는 전압 바로 아래의 전압 레벨의 일정 전압(즉, LCOM=RSMIN·TC)을 생성하도록 제어하는 것이 바람직하다. 전압이 더 높으면, 스위치(102)에 데미지를 가할 수 있으며, 전압이 더 낮으면 불필요하게 더 많은 시간을 필요로 할 수 있다.
이러한 제한을 생각해서, 전류 회로(예컨대, 다이오드 브리지(122), 접속부(162, 164) 및 펄스 회로(142)) 내로 들어가는 면적을 제한하도록 전류 회로의 구성 요소를 물리적으로 배치함으로써, 전류 회로(142)와 관련된 인덕턴스 LCOM를 RSMIN·TC 이하의 레벨로 유지하는 것이 바람직하다. 예컨대, MEMS 스위치(102) 및 밸런싱된 다이오드 브리지(122)는 밸런싱된 다이오드 브리지 및 특히, MEMS 스위치에 대한 접속부(162, 164)에 의해 야기되는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 하도록 분리 간격을 가깝게 해서 패키징될 수 있다. 일 실시예에서, MEMS 스위치(102)는 예컨대, 하나의 패키지 혹은 동일한 다이로 밸런싱된 다이오드 브리지(122)와 일체화될 수 있다. MEMS 스위치(102)와 밸런싱된 다이오드 브리지(122) 사이의 고유 인덕턴스는 이런 식으로, 스위칭 이벤트를 턴오프하는 동안 부하 전류를 다이오드 브리지로 전달할 때 MEMS 스위치의 접촉부(110, 112)에 걸리는 전압의 수 퍼센트 미만인 di/dt 전압을 생성할 수 있다.
도 14를 참조하면, 다른 예시적인 실시예에 따라서 구성된 스위치 모듈(500)이 도시되어 있다. 이 스위치 모듈(500)은 제 1 전기 기계 스위치 구조체(502a), 제 2 전기 기계 스위치 구조체(502b), 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 전기 기계 스위치 구조체(502c, 502d, 502e, 502f)를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 스위치 혹은 서로 직렬, 병렬 혹은 모두로 접속된 스위치의 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 전기 기계 스위치 구조체(502a-f)는 각각의 특성 시간 동안 개방 구성과 완전-폐쇄 구성(후자는 각각의 최소 특성 스위치 저항과 관련됨) 사이에서 이동하도록 구성될 수 있다.
전기 기계 스위치 구조체(502a-f)는 서로 병렬로 접속되거나(예컨대, 도 14의 스위치 구조체(502a 및 502d) 참조), 서로 직렬로 접속되거나(예컨대, 도 14의 스위치 구조체(502a 및 502b) 참조) 혹은 직렬 병렬 모두로 접속되어서 부하 회로(504)에 접속되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전기 기계 스위치 구조체(502a-f)는 부하 회로(504)를 스위치 구조체에 접속시키는 단자(503)와 관련될 수 있다. 부하 회로(504)는 예컨대, 전기 부하(506) 및 전원(508)을 포함할 수 있다.
각각의 전기 기계 스위치 구조체(502a-f)는 각각의 전류 회로(520a-f)와 병렬로 접속될 수 있다. 각각의 전류 회로(520a-f)는 전기 기계 스위치 구조체(502a-f) 각각의 접촉부 사이에서 아크가 형성되는 것을 억제하도록 구성된 밸런싱된 다이오드 브리지(522a-f)를 포함할 수 있다. 각각의 전류 회로(520a-f)는 또한 스위칭 이벤트와 관련된 펄스 신호를 생성해서 관련된 밸런싱된 다이오드 브리지(522a-f)로 펄스 전류가 흐르게 하도록 구성된 펄스 회로(542a-f)를 포함할 수 있다. 각각의 전기 기계 스위치 구조체(502a-f) 및 관련된 밸런싱된 다이오드 브리지(522a-f)는, 전기 기계 스위치 구조체(502a-f) 및 관련된 전류 회로(520a-f)의 조합에 대해서(예컨대, 스위치(502a)와 전류 회로(520a)가 하나의 관련 조합을 이루고, 스위치(502b)와 전류 회로(520b)가 다른 관련 조합을 이루는 등), 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 관련 스위치와 관련된 특성 시간과 관련 스위치의 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록, 각각 서로에 대해서 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 스위치 모듈(500)에는 전압 그레이딩(grading) 네트워크(도시 생략)도 포함될 수 있다.
각각의 스위치/브리지/펄스 회로 조합은 서로 독립적으로 동작할 수 있으며, 각각의 펄스 회로는 스위치 각각이 보호되는 수용 가능 전압 및 전류 레벨에 따라서 크기가 정해진다. 다이오드 브리지(522a-f)(및 관련 다이오드)를 스위치(502a-f)에 물리적으로 가능한 한 가깝게 배치함으로써, 전류 루프(commutation loop)의 표류 인덕턴스(stray inductance)가 감소될 수 있다. 또한, 각각의 전기 기계 스위치 구조체(502a-f)(혹은 전기 기계 스위치 구조체가 스위치의 어레이를 포함하는 경우에는 전기 기계 스위치의 세트)에 전용 전류 회로(520a-f)를 제공함으로써, 각각의 스위치/스위치 어레이는 잠재적으로 유해한 순간 고전압으로부터 보호될 수 있다. 스위치/스위치 어레이와 이와 관련된 전류 회로의 조합 각각이 별개의 모듈 소자로서 간주되는 경우에, 스위치 모듈(500)은 모듈 소자를 다른 구성으로 조립함으로써 구성될 수 있으며, 여기서 각각의 요소는 전류 회로의 인덕턴스가 최소 스위치 저항과 스위치의 특성 열림 시간을 곱한 값 이하가 되게 설계 규칙을 조정하도록 구성된다.
스위치 모듈(500)은 복수의 전류 회로(520a-f)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전류 모듈 중 일부를 통합함으로써 스위치 모듈의 전체적인 복잡성을 감소시키는 것이 바람직하다. 상세하게, 도 15를 참조하면, 다른 실시예에 따라서 구성된 스위치 모듈(600)이 도시되어 있다. 스위치 모듈(600)은 단자(603)를 통해서, 서로 병렬로(예컨대, 도 15의 스위치 구조체(602a, 602d) 참조) 혹은 서로 직렬로(예컨대, 도 15의 스위치 구조체(602a, 602b) 참조) 부하 회로(도시 생략)에 접속되도록 구성된 복수의 전기 기계 스위치 구조체(602a-f)를 포함할 수 있다.
각각의 전기 기계 스위치 구조체(602a-f)는 각각의 밸런싱된 다이오드 브리지(622a-f)와 병렬로 접속될 수 있다. 또한, 스위치가 외부 부하 회로와 병렬로 접속되도록 구성되는 경우에(예컨대, 도 15에서 스위치 구조체(602a, 602d), 스위치 구조체(602b, 602e) 및 스위치 구조체(602c, 602f)), 각각의 펄스 회로(642a-c)는 스위칭 이벤트와 관련해서 펄스 신호를 생성하도록 구성될 수 있으며, 이 펄스 신호는 관련 스위치(602a-f)의 적절한 밸런싱된 다이오드 브리지(622a-f)로 펄스 전류가 흐르게 한다.
전기 기계 스위치 구조체(602a-f) 및 관련 밸런싱된 다이오드 브리지(622a-f) 및 펄스 회로(642a-c)의 각각의 조합에 대해서(예컨대, 스위치(602a), 밸런싱된 다이오드 브리지(622a) 및 펄스 회로(642a)가 하나의 관련 조합을 이루고, 스위치(602b), 밸런싱된 다이오드 브리지(622b) 및 펄스 회로(642b)가 다른 관련 조합을 이루며, 스위치(602d), 밸런싱된 다이오드 브리지(622d) 및 펄스 회로(642a)가 또 다른 관련 조합을 이루는 등), 펄스 회로/밸런싱된 다이오드 브리지 조합과 관련된 전체 인덕턴스가 특성 시간과 관련 스위치의 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록, 각각 전기 기계 스위치 구조체(602a-f) 및 관련 밸런싱된 다이오드 브리지(622a-f) 각각이 서로에 대해서 배치될 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 각각의 다이오드 브리지(622a-f)는, 각각이 관련된 스위치(602a-f)에 가능한 한 물리적으로 가깝게 배치되어서 표류 인덕턴스를 최소화하도록 접속되는 것이 바람직하다. 또한, 하나의 펄스 회로(642a-c)가 동작하면, 여기에 접속된 모든 다이오드 브리지에 전류의 펄스를 인가한다(예컨대, 도 15에 도시된 실시예에서, 펄스 회로(642a)로부터의 펄스는 다이오드 브리지(622a 및 622d)에 전류를 공급한다). 전체 펄스 전류는 접속되어 있는 다이오드 브리지 모두에 대해서 거의 균일하게 분배되며, 각각의 다이오드 브리지의 전류 용량의 크기는 관련 스위치에 의해 전달되는 부하 전류에 따라서 정해질 수 있다. 각각의 다이오드 브리지(622a-f) 및 각각의 펄스 회로(642a-c)의 전압률은 하나의 스위치의 전압률에 의해서 결정될 수 있다.
도 1을 참조하면, 전체 밸런싱된 다이오드 브리지(122)는 스위칭 이벤트 동안 관련 MEMS 스위치(102)에 스위칭 보호를 제공할 수 있다. 전류 회로(142)와 관련된 전체 인덕턴스가 특성 시간과 스위치의 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 스위치(102) 및 밸런싱된 다이오드 브리지(122)를 구성함으로써, 일부 실시예에서, 표류 인덕턴스에 기인해서 스위치를 열 때 발생하는 유해한 순간 고전압이 완화될 수 있다. 예컨대, 도 16을 참조하면, 도 1의 스위치 모듈(100)과 관련된 응용 가능한 등가 회로(700)가 도시되어 있으며, 이 등가 회로는 스위치(102)(도 1)가 전류 회로(142)(도 1)에 의해 보호되면서 열려있는 동안 스위치 모듈의 동작을 나타낸다.
도 1 및 16을 참조하면, IL(t)는 부하(혹은 오류) 전류를 나타낸다. 부하 전류 펄스 동안, IL(t)는 완전히 외부 회로에 의해 결정된다. IB(t) 및 IS(t)는 다이오드 브리지(122) 및 스위치(102)를 흐르는 부하 전류의 일부이다. 전달 처리가 개시되면, 모든 전류가 스위치(102)에 흐르게 된다. 스위치(102)의 저항 RS(t)은 시간의 함수로 변할 수 있으며, 즉 이는 처음에 스위치가 완전-폐쇄 구성에 있을 때 최소 값이고, 스위치가 열림에 따라서 무한값으로 상승한다. LCOM는 전류(commutation)를 갖고 있는 전류가 흐르는 전류 회로(142)의 인덕턴스로, 이 전류는 예컨대, 쇼트 다이오드(128, 130, 132, 134)와 함께 전류 회로(142)의 패키징 및 접속을 분석하고, 접속부(162, 164)의 지점으로부터 볼 수 있는 유효 인덕턴스를 계산함으로써 계산될 수 있다. RD는 MEMS 스위치(102)로부터 볼 수 있는 다이오드 브리지(122)의 등가 저항이다(많은 경우에, 다이오드 브리지의 등가 저항 RD은 전류 회로(142) 및 부하 회로(104)를 흐르는 전류의 비선형 함수지만, 이 저항은 선형 저항에 가깝게 근사화될 수 있다).
스너버 회로(136)는 등가 회로(700)의 경우에 무시된다. 스위치(102)가 열려있는 동안, 스위치에 걸리는 전압은 스위치의 멜트 전압(melt voltage)(0.5 내지 1.0V 정도)으로 제한된다. 따라서 스너버 회로(136)는 전압을 멜트 전압 이하로 변화시키는 것을 유도한다. 이는 스너버 회로와 관련된 허용 가능한 캐패시턴스를 약 20나노패럿으로 제한하며, 스위치 열림 시간을 약 8마이크로초 정도로 제한하고, 스위치(102)의 스위칭 이벤트 동안 스너버 회로(136)를 흐르는 전류는 전체 부하 전류의 0.2% 이하일 것으로 예상된다. 따라서, 스너버 회로(136)는 스위치가 열린 이후에 실제로는 스위치(102)에 걸리는 천이 전압에 영향을 미치지 않으며, 스너버 회로(136)는 전류(commutation) 처리 동안 무시될 수 있다.
도 16에 도시된 회로의 천이 동작은 제 1 차 시간 의존 미분 방정식에 의해 좌우된다.
Figure 112010083195810-pat00001
식 (1)은 다시 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112010083195810-pat00002
식 (2)는 닫힌 해(closed form solution)를 가지며, 어레이 스위치 저항과 부하 전류 모두에 대해서 임의의 시함수를 갖고, 이는
Figure 112010083195810-pat00003
로 주어진다.
다이오드 저항 RD이 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하면(RD=0), 부하 전류는 스위칭 이벤트 동안 거의 일정하고(IL(t)=IL), 스위치(102)를 여는 것은 특성 시간 TC 동안 일정하게 확산되고, 여기서 스위치 저항 RS(t)은
Figure 112010083195810-pat00004
으로 주어진다.
식 (4)를 식 (3)에 대입하고 간략화함으로써, 다음과 같은 다이오드 전류 ID(t)의 간단한 표현식을 구한다.
Figure 112010083195810-pat00005
부하 전류로부터 식 (5)의 다이오드 전류 ID(t)를 빼서, 스위칭 전류 IS(t)를 구한다.
Figure 112010083195810-pat00006
식 (6)을 식 (4)로 주어진 스위치 저항 RS(t)에 대한 표현식을 곱해서 스위치(102)에 인가되는 전압 VS(t)을 결정한다.
Figure 112010083195810-pat00007
식 (7)로부터, 스위치(102)에 걸리는 전압 VS(t)의 동작은 지수의 기호에 따라서 달라진다. 이 지수가 양수라면(LCOM<RSMIN·TC) 스위치 전압 VS(t)은 경시적으로 소멸되고, 지수가 제로라면(LCOM=RSMIN·TC) 전압 VS(t)은 일정하며, 지수가 음수라면(LCOM>RSMIN·TC) 전압 VS(t)은 경시적으로 상승한다(특이점(singularity)으로). 물리적으로, TC=LCOM/RSMIN의 값은 2개의 다른 상황 사이의 경계를 나타낸다. TC의 값이 더 크면, 전류의 방향은 열림 스위치(102)에 의해 거절되는 것보다 빠르게 다이오드 브리지(122)로 전환되고, 그 결과 스위칭 이벤트 과정 동안 스위치에 흐르는 전류는 감소된다. 그러나, TC의 값이 더 작으면, 전류의 방향은 충분히 빠르게 다이오드 브리지(122)로 전환될 수 없으며, 스위치(102)를 흐르는 전류는 경시적으로 증가한다.
이 전류 회로와 관련된 전체 인덕턴스가 LCOM<RSMIN·TC가 되도록, 스위치(102) 및 밸런싱된 다이오드 브리지(122)를 배치함으로써, 일부 실시예에서 스위치(102)에 걸리는 전압 VS(t)은 일정하게 유지되게 되며, 스위칭 이벤트와 관련된 시간 동안 소멸되게 될 수 있다. 이런 식으로, 일부 실시예에서 스위치(102)가 열릴 때의 유해한 순간 고전압은 완화될 수 있다.
본 발명의 특징점은 단지 예시로서 설명되고 도시되었지만, 당업자에게는 많은 수정 및 변경이 있을 수 있다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 이러한 수정 및 변경을 본 발명의 진정한 범주 내에 포함하도록 의도된 것이다.
100 : 스위치 모듈
102 : 마이크로전기 기계 시스템(MEMS) 스위치
104 : 부하 회로 106 : 전기 부하
108 : 전원 110 : 외팔보
112 : 접촉부 114 : 기판
116 : 전극 118 : 게이트 전압원
120 : 전류 회로 122 : 밸런싱된 다이오드 브리지
124 : 밸런싱된 다이오드 브리지의 제 1 브랜치
126 : 밸런싱된 다이오드 브리지의 제 2 브랜치
128 : 제 1 다이오드 130 : 제 2 다이오드
132 : 제 3 다이오드 134 : 제 4 다이오드
136 : 전압 스너버 회로
138, 140 : 밸런싱된 다이오드 브리지의 중간점
142 : 펄스 회로 144 : 펄스 스위치
146 : 펄스 캐패시터 148 : 다이오드
150, 152 : 펄스 전류 IPULSE의 전류 방향
154, 156, 158, 160 : 전류 벡터 162, 164 : 전기 접속부
166 : 방향 168 : 펄스 회로 다이오드
200 : 스위치 모듈 202a, 202b : 전기 기계 스위치
203 : 단자 222 : 밸런싱된 다이오드 브리지
238, 240 : 밸런싱된 다이오드 브리지의 중간점
242 : 펄스 회로 300 : 스위치 모듈
302a, 302b : 전기 기계 스위치 303 : 단자
322 : 밸런싱된 다이오드 브리지
338, 340 : 밸런싱된 다이오드 브리지의 중간점
342 : 펄스 회로 400 : 스위치 모듈
402a, 402b, 402c, 402d : 전기 기계 스위치
403 : 단자
422 : 밸런싱된 다이오드 브리지
438, 440 : 밸런싱된 다이오드 브리지의 중간점
442 : 펄스 회로 500 : 스위치 모듈
502a : 제 1 전기 기계 스위치 구조체
502b : 제 2 전기 기계 스위치 구조체
502c, 502d, 502e, 502f : 제 3, 제 4, 제 5, 제 6 전기 기계 스위치 구조체
503 : 단자 504 : 부하 회로
506 : 전기 부하 508 : 전원
520a-f : 전류 회로 522a-f : 밸런싱된 다이오드 브리지
542a-f : 펄스 회로 600 : 스위치 모듈
602a-f : 복수의 전기 기계 스위치 603 : 단자
622a-f : 밸런싱된 다이오드 브리지 642a-c : 펄스 회로
700 : 등가 회로

Claims (10)

  1. 제 1 특성 시간(characteristic time) 동안 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성되고, 상기 완전-폐쇄 구성에 있을 때에는 제 1 최소 특성 저항(minimum characteristic resistance)을 갖는 제 1 전기 기계(electromechanical) 스위치 구조체와,
    제 2 특성 시간 동안 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성되고, 상기 완전-폐쇄 구성에 있을 때에는 제 2 최소 특성 저항을 갖는 제 2 전기 기계 스위치 구조체와,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체와 병렬로 접속된 전류 회로(a commutation circuit)를 포함하되,
    상기 전류 회로는,
    상기 제 1 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부(contact) 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성된 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지(balanced diode bridge)와,
    상기 제 2 전기 기계 스위치 구조체의 접촉부 사이에서의 아크 형성을 억제하도록 구성된 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지와,
    상기 제 1 및 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지의 각각을 통해 펄스 전류가 흐르게 하는 펄스 신호를 형성하도록 구성된 펄스 캐패시터를 포함하는 펄스 회로 - 상기 펄스 신호는 상기 제 1 전기 기계 스위치 구조체 및 상기 제 2 전기 기계 스위치 구조체의 스위칭 이벤트와 관련하여 생성됨 - 를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 부하 회로에 병렬로 접속되도록 구성되고,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체와 상기 제 1 및 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지는, 상기 펄스 회로 및 상기 제 1 밸런싱된 다이오드 브리지와 관련된 전체 인덕턴스가 상기 제 1 특성 시간과 상기 제 1 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되고, 상기 펄스 회로 및 상기 제 2 밸런싱된 다이오드 브리지와 관련된 전체 인덕턴스가 상기 제 2 특성 시간과 상기 제 2 최소 특성 저항을 곱한 값 이하가 되도록 배치되는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 회로는 전기 부하 및 전원을 포함하는
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조는 각각 마이크로 전기 기계 스위치를 포함하는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 각각 하나 이상의 접촉부(112) 및 하나 이상의 이동 가능 소자(110)를 포함하고,
    상기 하나 이상의 이동 가능 소자의 각각은 상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체가 상기 완전-폐쇄 구성에 있을 때에는 상기 하나 이상의 접촉부 중 적어도 하나와 최대로 접촉되고,
    상기 하나 이상의 이동 가능 소자의 각각은 상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체가 상기 개방 구성에 있을 때에는 상기 하나 이상의 접촉부로부터 분리되는
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 각각 이동 가능 소자(110), 접촉부(112) 및 전극(116)을 포함하며,
    상기 전극(116)은 상기 이동 가능 소자와의 전위차를 수립하도록 선택적으로 전하를 받음으로써, 상기 이동 가능 소자가 상기 접촉부와 최대로 접촉하는 최대 접촉 위치와 상기 이동 가능 소자가 상기 접촉부로부터 분리되는 비접촉 위치 사이에서 상기 이동 가능 소자가 상기 특성 시간 동안 이동하도록 구성되는
    장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 각각 15 마이크로초 이하의 특성 시간 동안 개방 구성과 완전-폐쇄 구성 사이에서 이동하도록 구성되는
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치 구조체는 각각 상기 완전-폐쇄 구성에 있을 때 최소 특성 유효 어레이 저항을 갖는 전기 기계 스위치의 어레이를 포함하는
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치의 어레이는 각각 병렬로 접속된 적어도 2개의 전기 기계 스위치를 포함하는
    장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기 기계 스위치의 어레이는 각각 직렬로 접속된 적어도 2개의 전기 기계 스위치를 포함하는
    장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 회로는 상기 제 1 전기 기계 스위치 구조체와 병렬 연결된 제 1 전류회로 및 상기 제 2 전기 기계 스위치 구조체와 병렬 연결된 제 2 전류 회로를 포함하는
    장치.
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