KR20100020475A - 전류 제어 장치 및 전류 제어 방법 - Google Patents

전류 제어 장치 및 전류 제어 방법 Download PDF

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KR20100020475A
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윌리엄 제임스 프리멜라니
카나카사바파시 수브라마니안
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캐슬린 앤 오브라이언
존 노턴 박
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

전류 제어 장치가 개시된다. 전류 제어 장치는 전류 경로와 통합적으로 구성된 제어 회로와, 전류 경로 내에 배치된 적어도 하나의 MEMS 스위치(20)를 포함한다. 전류 제어 장치는 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 개방을 용이하게 하는, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로와, 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 폐쇄를 용이하게 하는, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로(52)를 더 포함한다.

Description

전류 제어 장치 및 전류 제어 방법{MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM BASED SWITCHING}
본 발명의 실시예는 일반적으로 전류 경로 내의 전류를 온/오프 스위칭하는 스위칭 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로전자기계적 시스템 기반 스위칭 장치에 관한 것이다.
전기 시스템에서 전류를 온/오프 스위칭하기 위해, 콘택트 세트가 사용될 수 있다. 콘택트는 전류를 중단시키도록 개방되어 배치될 수 있고 전류 흐름을 활성화하도록 폐쇄될 수 있다. 일반적으로, 콘택트 세트는 콘택터(contactor), 회로 차단기, 전류 인터럽터, 모터 스타터(motor starter) 또는 유사한 장치에서 사용될 수 있다. 그러나, 전류를 온/오프 스위칭하는 원리는 콘택터의 설명을 통해 이해될 수 있다.
콘택터는 명령에 따라 전기적 부하를 온 및 오프 스위칭하도록 설계된 전기적 장치이다. 통상적으로, 전자기계적 콘택터는 제어 기어에서 이용되며, 전자기계적 콘택터는 그의 인터럽트 용량(interrupting capacity)까지 스위칭 전류를 처 리할 수 있다. 전자기계적 콘택터는 전류를 스위칭하는 전력 시스템에서도 응용될 수 있다. 그러나, 전력 시스템 내의 이상 전류(fault current)는 통상적으로 전자기계적 콘택터의 인터럽트 용량보다 크다. 따라서, 전력 시스템 분야에서 전자기계적 콘택터를 이용하기 위해, 콘택터가 콘택터의 인터럽트 용량을 넘는 전류의 모든 값에서 개방하기 전에 이상 전류를 인터럽트하도록 충분히 빠르게 동작하는 일련의 장치(a series device)로 백업함으로써 손상으로부터 콘택터를 보호하는 것이 바람직할 수 있다.
전력 시스템에서 콘택터의 사용을 용이하게 하도록 종래에 고려된 해결책은 예컨대, 진공 콘택터, 진공 인터럽터 및 공기 차단 콘택터를 포함한다. 불행히도, 진공 콘택터와 같은 콘택터는 콘택터 팁이 밀봉되고 진공화된 밀폐부 내에 캡슐화되므로 육안 검사가 쉽지 않다. 또한, 진공 콘택터는 대형 모터, 변압기 및 캐패시터를 사용하기에 충분히 적합하지만, 특히, 부하가 스위칭 오프될 때 바람직하지 않은 일시적인 과전압을 발생시키는 것으로 알려져 있다.
또한, 전자기계적 콘택터는 일반적으로 기계적 스위치를 사용한다. 그러나, 이들 기계적 스위치가 비교적 느린 속도로 스위칭하는 경향이 있으므로, 아크 감소를 위해 제로 크로싱(zero crossing) 근처에서 개방/폐쇄를 용이하게 하도록 흔히 스위칭 사건이 발생하기 수백 분의 1초 전에 제로 크로싱의 발생을 추정하기 위해 예측 기술이 이용된다. 이러한 제로 크로싱 예측은 이 예측 시간 간격에서 다수의 과도 현상이 발생할 수 있으므로 틀리기 쉽다.
느린 기계적 및 전자기계적 스위치에 대한 대안으로서, 빠른 고체 상태 스위 치가 고속 스위칭 애플리케이션에서 이용되어 왔다. 알게 되듯이, 이들 고체 상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어된 애플리케이션을 통해 도전 상태와 비도전 상태를 스위칭한다. 예컨대, 고체 상태 스위치를 역바이어싱함으로써, 스위치는 비도전 상태로 변환될 수 있다. 그러나, 고체 상태 스위치가 비도전 상태로 스위칭될 때 콘택트 사이에 물리적 갭을 생성하지 않으므로, 이들은 누설 전류를 겪는다. 또한, 내부 저항 때문에, 고체 상태 스위치가 도전 상태에서 작동하면, 이들은 전압 강하를 겪는다. 전압 강하와 누설 전류 모두 정상 작동 환경하에서 스위치 성능 및 수명에 영향을 줄 수 있는 초과 열의 생성에 기여한다. 또한, 적어도 일부분 고체 상태 스위치와 관련된 고유 누설 전류 때문에, 회로 차단기 애플리케이션에서의 사용은 실용적이지 않다.
또한, 전류 흐름 동안 전류의 온 또는 오프 스위칭은 일반적으로 바람직하지 않은 아크, 또는 전기 플래시를 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 콘택트는 전류 흐름이 교류 정현파 상의 다른 지점에 비해 감소하는 제로 크로싱 지점에서 또는 그 근처에서 교류(AC)를 스위칭할 수 있다. 이와 달리, 직류(DC)는 전형적으로 제로 크로싱 지점을 갖지 않는다. 이에 따라, 아크는 임의의 인터럽트의 경우에 발생할 수 있다.
따라서, 직류 인터럽트는 교류 인터럽트에 비해 상이한 스위칭 요구조건을 부과한다. 예컨대, 상당한 양의 전류 또는 전압이 존재하면, 교류 인터럽터는 AC 정현파 부하 또는 이상 전류가 인터럽트 전에 자연히 발생하는 제로에 도달하도록 대기할 수 있다. 이와 달리, DC 인터럽터는 자연히 발생하는 제로를 겪지 않으므 로, 아크를 감소시키기 위해 전류 또는 전압이 더 낮아지게 한다. 트랜지스터 또는 FET와 같은 전자 장치는 DC 전류의 레벨이 더 낮아지게 할 수 있지만, 고 도전성 전압 강하 및 전력 손실을 갖는다는 단점이 있다.
따라서, 당해 기술에서 이들 단점을 극복하기 위한 직류 제어 장치 및/또는 인터럽터 장치가 필요하다.
본 발명의 실시예는 전류 제어 장치를 포함한다. 전류 제어 장치는 전류 경로와 통합적으로 구성된 제어 회로와, 전류 경로 내에 배치된 적어도 하나의 MEMS 스위치를 포함한다. 전류 제어 장치는 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 개방을 용이하게 하는, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로와, 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 폐쇄를 용이하게 하는, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 전류 경로를 통과하는 전기적 전류를 제어하는 방법을 포함한다. 방법은 전류 경로의 개방을 용이하게 하도록 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 포함한다. 방법은 전류 경로의 폐쇄를 용이하게 하도록 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 더 포함한다.
도면 전체에서 동일한 문자는 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 후속하는 상세한 설명을 읽을 때 본 발명의 이들 및 다른 특징, 양상 및 장점이 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템 및 도 1에 도시된 시스템의 대안의 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 스위치 어레이의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전류 제어 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단일 전극 인터럽터 구성의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이중 전극 인터럽터 구성의 블록도이다.
본 발명의 실시예는 직류 전류의 아크리스(arcless) 인터럽트에 적합한 전기적 인터럽트 장치를 제공한다. 인터럽트 장치는 마이크로전자기계적 시스템(MEMS) 스위치를 포함한다. MEMS 스위치의 사용은 빠른 응답 시간을 제공한다. MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT(Hybrid Arcless Limiting Technology) 회로는 전류 또는 전압과 상관없이 임의의 주어진 시간에 아크 없이 개방되는 능력을 MEMS 스위치에 제공한다. MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO(Pulse-Assisted Turn ON) 회로는 임의의 주어진 시간에 아크 없이 폐쇄되는 능력을 MEMS 스위치에 제공한다.
도 1은 본 발명의 측면에 따라, 예시적인 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템(10)의 블록도를 도시한다. 현재, MEMS는 일반적으로 예컨대, 마이크로 제조 기술을 통해 기계적 요소, 전자기계적 요소, 센서, 액추에이터(actuator) 및 전자기기와 같은 다수의 기능적으로 별개의 요소를 공통 기판 상에 통합시킬 수 있는 마이크론 스케일 구조체를 지칭한다. 그러나, MEMS 장치에서 현재 이용가능한 다수의 기술 및 구조체의 크기가 불과 몇 년 안에 나노기술 기반 장치, 예컨대, 크기가 100 나노미터보다 작을 수 있는 구조체를 통해 이용가능할 것으로 예상된다. 따라서, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예가 MEMS 기반 스위칭 장치를 지칭할 수 있지만, 본 발명의 측면이 광범위하게 해석되어야 하며 마이크론 크기의 장치로 제한되어서는 안 됨을 알아야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템(10)은 MEMS 기반 스위칭 회로(12) 및 아크 억제 회로(14)를 포함하는 것으로 도시되는데, 여기서 HALT 장치로도 지칭되는 아크 억제 회로(14)는 MEMS 기반 스위칭 회로(12)에 동작가능하게 결합된다. 특정 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 그 전체가 예컨대, 단일 패키지(16) 내에 아크 억제 회로(14)와 함께 집적될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)의 특정 부분 또는 구성요소만이 아크 억제 회로(14)와 집적될 수 있다.
도 2와 관련하여 보다 상세히 설명될 현재 고려되는 구성에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 부가적으로, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지(balanced diode bridge) 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(14)는 MEMS 스위치의 상태가 폐쇄에서 개방으로 변하는 것에 응답하여 MEMS 스위치로부터 전기적 에너지의 전달을 수신함으로써 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트 사이에서 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(14)가 교류(AC) 또는 직류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있음을 알 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 예시적인 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템의 개략도(18)가 도시된다. 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 제 1 콘택트(22), 제 2 콘택트(24) 및 제 3 콘택트(26)를 가지는 것으로 도시된다. 일 실시예에서, 제 1 콘택트(22)는 드레인으로서 구성될 수 있고, 제 2 콘택트(24)는 소스로서 구성될 수 있으며, 제 3 콘택트(26)는 게이트로서 구성될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 전 압 스너버(snubber) 회로(33)가 MEMS 스위치(20)와 병렬로 결합될 수 있고, 빠른 속도의 콘택트 분리 동안에 전압 오버슈트(overshoot)를 제한하도록 구성될 수 있으며, 이는 이하에 보다 상세히 설명될 것이다. 특정 실시예에서, 스너버 회로(33)는 스너버 저항기(도 4의 (78) 참조))와 직렬로 결합된 스너버 캐패시터(도 4의 (76) 참조))를 포함할 수 있다. 스너버 캐패시터는 MEMS 스위치(20)의 개방의 연속 동안에 과도 전압 분배의 향상을 용이하게 할 수 있다. 또한, 스너버 저항기는 MEMS 스위치(20)의 폐쇄 동작 동안 스너버 캐패시터에 의해 생성된 임의의 전류 펄스를 억제할 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 전압 스너버 회로(33)는 금속 산화물 배리스터(MOV)(도시 생략)를 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 측면에 따르면, 부하 회로(40)가 제 1 MEMS 스위치(20)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 보여지는 결합된 부하 인덕턴스 및 버스 인덕턴스를 나타낸다. 부하 회로(40)는 부하 회로(40)에 의해 보여지는 결합된 부하 저항을 나타내는 부하 저항 RLOAD(48)도 포함할 수 있다. 참조 번호 50은 부하 회로(40) 및 제 1 MEMS 스위치(20)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
또한, 도 1과 관련하여 설명했듯이, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브 릿지를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 평형 다이오드 브릿지(28)는 제 1 브랜치(branch)(29) 및 제 2 브랜치(31)를 가지는 것으로 도시된다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "평형 다이오드 브릿지"는 제 1 및 제 2 브랜치(29, 31) 양자를 통한 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 구성되는 다이오드 브릿지를 나타내는 데 사용된다. 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 1 브랜치(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 브랜치(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, 제 1 MEMS 스위치(20)는 평형 다이오드 브릿지(28)의 중간점들에 걸쳐 병렬 연결될 수 있다. 평형 다이오드 브릿지의 중간점들은 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 수 있다. 또한, 제 1 MEMS 스위치(20) 및 평형 다이오드 브릿지(28)는 조밀하게 패키징되어, 평형 다이오드 브릿지(28), 특히, MEMS 스위치(20)에 대한 접속에 기인하는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 할 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(20)와 평형 다이오드 브릿지(28)는 서로에 관하여 배치되어, MEMS 스위치(20)가 턴오프하는 동안 다이오드 브릿지(28)로 부하 전류를 전달하는 경우에, 제 1 MEMS 스위치(20)와 평형 다이오드 브릿지(28) 사이의 고유 인덕턴스가 MEMS 스위치(20)의 드레인(22)과 소스(24) 양단의 전압의 몇 퍼센트 미만의 di/dt 전압을 산출하게 되며, 이는 보다 상세히 후술될 것이다. 일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(22)는 평형 다이오드 브릿지(28)와 함께 단일 패키지(38)에 집적되거나, 선택적으로, MEMS 스위치(20)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 스위치 상태를 검출하고, 그 스위치 상태에 응답하여 MEMS 스위치(20)의 개방을 시작하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "스위치 상태"는 MEMS 스위치(20)의 현재 작동 상태 변경을 트리거하는 상태를 지칭한다. 예컨대, 스위치 상태는 MEMS 스위치(20)의 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로의 변경 또는 MEMS 스위치(20)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 그 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 브랜치를 형성할 수 있는데, 여기서 제 1 브랜치의 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)는 0V 전압 부근에서도 전류를 전달하는 동안 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로 빠르게(예컨대, 수 피코초 또는 나노초 정도로) 스위칭될 수 있다. 이는 부하 회로(40)와, MEMS 스위치(20)의 콘택트 양단에 병렬로 결합된 평형 다이오드 브릿지(28)를 포함하는 펄스 회로(52)의 결합된 동작을 통해 달성될 수 있다.
이제, 본 발명의 측면에 따라, 예시적인 소프트 스위칭 시스템(11)의 블록도를 도시하는 도 3을 참조한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소프트 스위칭 시스템(11)은 서로 동작가능하게 결합된 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)를 포함한다. 검출 회로(70)는 스위칭 회로(12)에 결합되고, 부하 회로 내의 교류 소스 전압(이하 "소스 전압") 또는 부하 회로 내의 교류 전류(이하 "부하 회로 전류"로 지칭됨)의 제로 크로싱(zero crossing)의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12) 및 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 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12)의 적어도 일부를 포함하는 하나 이상의 MEMS 스위치의 아크리스 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 소프트 스위칭 시스템(11)은 소프트 또는 포인트 온 웨이브(PoW:point-on-wave) 스위칭을 수행하도록 구성될 수 있으며, 이로써 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 MEMS 스위치는 스위칭 회로(12) 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, 다수의 스위치가 동시에 전부 닫히지 않더라도, 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트가 닫히므로 이들 사이의 전기장을 약하게 유지함으로써 사전 발생하는(pre-strike) 아크가 방지될 수 있다. 이와 유사하게, 스위칭 회로(12) 양단의 전류가 0이거나 0에 가까우면 스위치를 동시에 개방함으로써, 소프트 스위칭 시스템(11)은 스위칭 회로(12)에서 개방되는 마지막 스위치 내의 전류가 스위치의 설계 능력 내에 있도록 설계될 수 있다. 이상에 언급한 바와 같이 그리고 일 실시예에 따르면, 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 동기화하도록 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3의 소프트 스위칭 시스템(11)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.
설명을 위해, 도 4는 스위칭 회로(12) 내의 단일 MEMS 스위치(20)만을 도시하지만, 스위칭 회로(12)는 예컨대, 소프트 스위칭 시스템(11)의 전류 및 전압 처 리 요구조건에 따라 다수의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치에 전류를 분배하도록 병렬식 구성으로 함께 결합된 다수의 MEMS 스위치를 포함하는 스위치 모듈을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치에 전압을 분배하도록 직렬식 구성으로 결합된 MEMS 스위치 어레이를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 각각의 모듈에서 동시에 MEMS 스위치 모듈에 전압을 분배하고 MEMS 스위치에 전류를 분배하도록 직렬식 구성으로 함께 결합된 MEMS 스위치 모듈 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치는 단일 패키지(74)에 집적될 수 있다.
예시적인 MEMS 스위치(20)는 3 개의 콘택트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 콘택트는 드레인(22)으로서 구성될 수 있고, 제 2 콘택트는 소스(24)로서 구성될 수 있으며, 제 3 콘택트는 게이트(26)로서 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 게이트 콘택트(26)에 결합되어 MEMS 스위치(20)의 전류 상태의 스위칭을 용이하게 할 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 댐핑 회로(damping circuit)(스너버 회로)(33)가 MEMS 스위치(20)와 병렬로 결합되어 MEMS 스위치(20) 양단의 전압의 출현을 지연시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 댐핑 회로(33)는 예컨대, 스너버 저항기(78)와 직렬로 결합된 스너버 캐패시터(76)를 포함할 수 있다.
부가적으로, MEMS 스위치(20)는 도 4에 또한 도시된 바와 같이 부하 회로(40)와 직렬로 결합될 수 있다. 현재 고려중인 구성에서, 부하 회로(40)는 전압 소스 VSOURCE(44)를 포함할 수 있고, 대표 부하 인덕턴스 LLOAD(46) 및 부하 저항 RLOAD(48)을 보유할 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 또는 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 영 전압 비교기(84)와 같은 비교기를 사용하여 검출될 수 있다. 전압 감지 회로(80)에 의해 감지된 전압 및 영 전압 기준(86)은 영 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 영 전류 비교기(92)와 같은 비교기를 사용하여 검출될 수 있다. 전류 감지 회로(82)에 의해 감지된 전류 및 영 전류 기준(90)은 영 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, 교류 부하 전류 ILOAD(50)의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 개방하거나 차단하기 위해, 아크리스 방식으로 MEMS 스위치(20)의 개방을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어 회로(72)는, 교류 소스 전압의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 완료하기 위해, 아크리스 방식으로 MEMS 스위치(20)의 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 스위칭할지 여부를 결정할 수 있다. 인에이블 신호(96)는 예컨대, 콘택터 애플리케이션에서 파워 오프 명령의 결과로서 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 인에이블 신호(96) 및 출력 신호(88, 94)는 도시된 이중 D 플립플롭(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 94)가 감지된 전압 또는 전류 0을 나타낼 때마다, 트리거 신호(102)가 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 트리거 신호(102)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 게이트들)에 제어 전압을 인가하는 데 사용될 수 있는 게이트 활성화 신호(106)를 생성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정 애플리케이션에 대해 바람직한 정격 전류를 획득하기 위해, 복수의 MEMS 스위치는 단일 MEMS 스위치 대신에 (예컨대, 스위치 모듈을 형성하도록) 병렬로 동작가능하게 결합될 수 있다. MEMS 스위치의 조합된 능력은 부하 회로가 겪을 수 있는 연속적이고 과도한 과부하 전류 레벨을 적절히 전달하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 6 배의 과도 과부하를 가진 10 A RMS 모터 콘택터를 사용하는 경우에, 10 초 동안 60 A RMS를 전달하도록 병렬로 결합된 충분한 스위치가 존재해야 한다. 전류 0에 도달하는 5 ㎲ 이내에 MEMS 스위치를 스위칭하기 위해 포인트 온 웨이브 스위칭을 사용하면, 콘택트 개방시에 160 mA 순시치가 흐를 것이다. 따라서, 이 애플리케이션의 경우에, 각각의 MEMS 스위치는 160 mA를 "웜(warm) 스위칭"할 수 있어야 하며, 60 A를 전달하도록 충분한 스위치가 병렬로 배치되어야 한다. 반면에, 단일 MEMS 스위치는 스위칭 순간에 흐르게 될 전류량 또는 전류 레벨을 차단할 수 있어야 한다.
그러나, 예시적인 실시예는 교류 및/또는 정현파형의 아크리스 스위칭으로 제한되지 않는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예는 본래 0을 발생시키지 않는 직류 및/또는 전류들의 아크리스 스위칭에도 적용가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템(112)의 블록도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템(112)은 MEMS 기반 스위칭 회로(111) 및 아크 억제 회로(110)를 포함하는 것으로 도시되는데, 예컨대, HALT 및 PATO 회로로도 지칭되는 아크 억제 회로(110)는 MEMS 기반 스위칭 회로(111)에 동작가능하게 결합된다. 몇몇 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(111)는 그 전체가 예컨대, 아크 억제 회로(110)와 함께 단일 패키지(113) 안에 집적될 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(111)의 특정 부분 또는 부품만이 아크 억제 회로(110)와 함께 집적될 수 있다.
현재 고려중인 구성에서 도 6과 관련하여 보다 상세히 설명되는 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 회로(111)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 부가적으로, 아크 억제 회로(110)는 평형 다이오드 브릿지 및 펄스 회로 및/또는 펄스 회로소자를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(110)는 MEMS 스위치의 상태가 폐쇄에서 개방(또는 개방에서 폐쇄)으로 변하는 것에 응답하여 MEMS 스위치로부터 전기적 에너지의 전달을 수신함으로써 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트들 사이의 아크 형성 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(110)가 교류(AC) 또는 직류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있음을 알 수 있다.
이제 일 실시예에 따라 도 5에 도시된 예시적인 MEMS 기반 스위칭 시스템을 도시하는 개략도인 도 6을 참조한다. 도 5와 관련하여 설명한 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 회로(111)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(123)는 제 1 콘택트(120), 제 2 콘택트(122) 및 제 3 콘 택트(121)를 가지는 것으로 도시된다. 일 실시예에서, 제 1 콘택트(120)는 드레인으로서 구성될 수 있고, 제 2 콘택트(122)는 소스로서 구성될 수 있으며, 제 3 콘택트(121)는 게이트로서 구성될 수 있다.
본 기술의 다른 측면에 따르면, 부하 회로(140)는 제 1 MEMS 스위치(123)와 직렬로 결합될 수 있다. 부하 회로(40)는 전압 소스 VBUS(118)를 포함할 수 있다. 또한, 부하 회로(140)는 부하 인덕턴스 LLOAD(117)도 포함할 수 있는데, 여기서 부하 인덕턴스 LLOAD(117)는 부하 회로(140)에 의해 보여지는 결합된 부하 인덕턴스 및 버스 인덕턴스를 나타낸다. 참조 번호 116은 부하 회로(140) 및 제 1 MEMS 스위치(123)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
또한, 도 5와 관련하여 설명했듯이, 아크 억제 회로(112)는 평형 다이오드 브릿지를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 평형 다이오드 브릿지(141)는 제 1 브랜치(142) 및 제 2 브랜치(143)를 가지는 것으로 도시된다. 본 명세서에서 사용된, 용어 "평형 다이오드 브릿지"는 제 1 및 제 2 브랜치(142, 143) 양자를 통한 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 구성되는 다이오드 브릿지를 나타내는 데 사용된다. 평형 다이오드 브릿지(141)의 제 1 브랜치(142)는 제 1 직렬 회로를 형성하도록 함께 결합된 제 1 다이오드 D1(124)와 제 2 다이오드 D2(125)를 포함할 수 있다. 유사한 방식으로, 평형 다이오드 브릿지(141)의 제 2 브랜치(143)는 제 2 직렬 회로를 형성하도록 함께 동작가능하게 결합된 제 3 다이오드 D3(126)와 제 4 다이오드 D4(127)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(123)는 평형 다이오드 브릿지(141)의 중간점들에 걸쳐 병렬 연결될 수 있다. 평형 다이오드 브릿지의 중간점들은 제 1 및 제 2 다이오드(124, 125) 사이에 배치된 제 1 중간점과, 제 3 및 제 4 다이오드(126, 127) 사이에 배치된 제 2 중간점을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 MEMS 스위치(123) 및 평형 다이오드 브릿지(141)는 조밀하게 패키징되어, 평형 다이오드 브릿지(141), 특히, 제 1 MEMS 스위치(123)에 대한 접속에 기인하는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 할 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(123)와 평형 다이오드 브릿지(141)는 서로에 관하여 배치되어, MEMS 스위치(123)가 턴 오프/온하는 동안 다이오드 브릿지(141)로 부하 전류를 전달하는 경우에, 제 1 MEMS 스위치(123)와 평형 다이오드 브릿지(141) 사이의 고유 인덕턴스가 제 1 MEMS 스위치(123)의 드레인(120)과 소스(122) 양단의 전압의 몇 퍼센트 미만의 di/dt 전압을 산출하게 되며, 이는 보다 상세히 후술될 것이다. 일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(123)는 평형 다이오드 브릿지(141)와 함께 단일 패키지(119)에 집적되거나, 선택적으로, 제 1 MEMS 스위치(123)와 다이오드 브릿지(141)를 상호접속하는 인덕턴스를 최소화할 의도로 동일한 다이 내에 집적될 수 있다.
부가적으로, 아크 억제 회로(110)는 평형 다이오드 브릿지(141)와 동작 관련하여 결합된 펄스 회로(138, 139)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(139)는 스위치 상태를 검출하고, 그 스위치 상태에 응답하여 MEMS 스위치(123)의 개방을 시작하도록 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 펄스 회로(138)는 스위치 상태를 검출하고, 그 스위치 상태에 응답하여 MEMS 스위치(123)의 폐쇄를 시작하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "스위치 상태"는 MEMS 스위치(123)의 현재 작동 상태 변경을 트리거하는 상태를 지칭한다. 예컨대, 스위치 상태는 MEMS 스위치(123)의 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로의 변경 또는 MEMS 스위치(20)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(138)는 펄스 스위치(133) 및 그 펄스 스위치(133)와 직렬로 결합된 펄스 캐패시터 CPULSE1(129)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로(138)는 펄스 스위치(133)와 직렬로 결합된 펄스 인덕턴스 LPULSE1(137)를 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE1(137), 펄스 스위치(133) 및 펄스 캐패시터 CPULSE1(129)는 직렬로 결합되어 펄스 회로(138)의 제 1 브랜치를 형성할 수 있는데, 여기서 제 1 브랜치의 구성 요소는 펄스 전류 형성(shaping) 및 타이밍을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 펄스 전류 형성 및 타이밍은 (충전 회로에 의해 생성된) 캐패시터 CPULSE1 양단의 초기 전압으로부터 그리고 각각 CPULSE1의 캐패시턴스 값 및 LPULSE1의 인덕턴스 값으로부터 결정될 수 있다. 그러므로, 펄스 전류 형성 및 타이밍은 상이한 초기 전압 값, CPULSE1의 캐패시턴스 값 및 LPULSE1의 인덕턴스 값을 선택함으로써 용이해질 수 있다. 또한, 참조 번호 136은 펄스 회로(138)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE1를 나타낸다.
펄스 회로(138)는 저항기(128) 및 전압 소스(130)를 포함하는 캐패시턴스 충전 네트워크(142)에 동작가능하게 접속될 수 있다. 캐패시턴스 충전 네트워크는 전기적 전하를 펄스 캐패시터(129)로 전달할 수 있다. 스위칭 이벤트에서, 펄스 캐패시터(129)의 방전은 MEMS 스위치(123)로부터 펄스 회로(138)로의 에너지의 전달을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 펄스 회로(138)는 제 1 MEMS 스위치(123)의 아크리스 폐쇄를 용이하게 하도록 PATO 회로일 수 있다.
펄스 회로(139)는 펄스 스위치(132) 및 그 펄스 스위치(132)와 직렬로 결합된 펄스 캐패시터 CPULSE2(131)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로(139)는 펄스 스위치(132)와 직렬로 결합된 펄스 인덕턴스 LPULSE2(134)를 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE2(134), 펄스 스위치(132) 및 펄스 캐패시터 CPULSE2(131)는 직렬로 결합되어 펄스 회로(139)의 제 1 브랜치를 형성할 수 있는데, 여기서 제 1 브랜치의 구성 요소는 펄스 전류 형성 및 타이밍을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 참조 번호 135는 펄스 회로(139)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE2를 나타낸다.
펄스 회로(139)도 저항기(128) 및 전압 소스(130)를 포함하는 캐패시턴스 충전 네트워크(142)에 동작가능하게 접속될 수 있다. 캐패시턴스 충전 네트워크(142)는 전기적 전하를 펄스 캐패시터(131)로 전달할 수 있다. 스위칭 이벤트에서, 펄스 캐패시터(131)의 방전은 MEMS 스위치(123)로부터 펄스 회로(139)로의 에너지의 전달을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 펄스 회로(139)는 제 1 MEMS 스위 치(123)의 아크리스 개방을 용이하게 하도록 HALT 회로일 수 있다.
전술한 바와 같이, 펄스 회로(138, 139)는 펄스 인덕턴스(137, 134)를 포함할 수 있다. 그러나, 몇몇 예시적인 실시예에서 펄스 회로(138, 139)는 인덕턴스를 공유할 수 있으며, 이로써 아크 억제 회로 내 구성 요소의 수를 감소시킨다.
본 발명의 측면에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(123)는 0V 전압 부근에서도 전류를 전달하는 동안 제 1 폐쇄 상태에서 제 2 개방 상태로 빠르게(예컨대, 수 피코초 또는 나노초 정도로) 스위칭될 수 있다. 이는 부하 회로(140)와, 제 1 MEMS 스위치(123)의 콘택트 양단에 병렬로 결합된 평형 다이오드 브릿지(141)를 포함하는 펄스 회로(138, 139)의 결합된 동작을 통해 달성될 수 있다. 예컨대, 에너지는 제 1 MEMS 스위치(123)에서 펄스 회로(138)로 전달될 수 있다. 이것은 펄스 캐패시턴스(129)의 방전을 통해 용이해질 수 있다. 이와 유사하게, 에너지는 제 1 MEMS 스위치(123)에서 펄스 회로(139)로 전달될 수 있다. 이것은 펄스 캐패시턴스(131)의 방전을 통해 용이해질 수 있다. 저항기(128) 및 전압 소스(130)가 펄스 캐패시터(129, 131)의 충전을 용이하게 함을 알아야 한다. 그러므로, 본 발명의 실시예를 통해 MEMS 스위치(123)의 아크리스 동작이 가능하다.
그러나, 예시적인 실시예는 단일 MEMS 스위치를 포함하는 전류 제어 장치로 제한되지 않는다. 예컨대, 단일 MEMS 스위치와 비교하여, 상이한 정격 전압 및 상이한 전류 처리 능력을 획득하는 데 복수의 MEMS 스위치가 사용될 수 있다. 예컨대, 복수의 MEMS 스위치는 전류 처리 능력을 증가시키기 위해 병렬로 접속될 수 있다. 이와 유사하게, 복수의 MEMS 스위치는 높은 정격 전압을 획득하기 위해 직렬 로 접속될 수 있다. 또한, 복수의 MEMS 스위치는 바람직한 정격 전압 및 전류 처리 능력을 획득하기 위해 직렬 및 병렬 접속의 조합을 포함하는 네트워크 내에 접속될 수 있다. 이러한 모든 조합은 본 발명의 예시적인 실시예의 범위 내에 있도록 의도된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 복수의 MEMS 스위치를 포함하는 MEMS 스위치 어레이(155)의 블록도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151)는 전류 경로(154)에 직렬로 접속될 수 있다. 각각의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151)는 서로 병렬로 접속된 복수의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 더 도시되는 바와 같이, 평형 다이오드 브릿지(152)는 복수의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151)와 병렬로 접속될 수 있다. 예컨대, 평형 다이오드 브릿지(152)는 도 2에 도시된 평형 다이오드 브릿지(28) 또는 도 6에 도시된 평형 다이오드 브릿지(141)와 실질적으로 유사할 수 있다. 또한, 도 7에 다이오드 브릿지(152)에 동작가능하게 접속된 펄스 회로(153)가 도시된다. 예컨대, 펄스 회로(153)는 도 6의 펄스 회로(138, 139) 또는 도 2의 펄스 회로(52)를 포함할 수 있다. 그러므로, 펄스 회로(153)는 복수의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151)의 아크리스 개방 및 폐쇄를 용이하게 할 수 있다.
도 7에 더 도시된 바와 같이, 전압 그레이딩 네트워크(voltage grading network)(150)는 복수의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151)를 통해 접속되며, 전기적 접속이 각각의 어레이(151) 사이에 있다. 전압 그레이딩 네트워크(150)는 복수의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151) 양단의 전압을 균등하게 할 수 있다. 예컨대, 전압 그레이딩 네트워크(150)는 복수의 병렬 MEMS 스위치 어레이(151)를 통해 전압 배분을 제공하는 수동 소자(예컨대, 저항기)의 네트워크 및/또는 전류 경로(154)를 따라 존재할 수 있는 유도성 에너지로부터 과전압을 억제하도록 에너지 흡수를 제공하는 수동 소자(예컨대, 캐패시터 및/또는 바리스터)의 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 MEMS 스위치 어레이는 전류 경로를 따라 전류를 제어하도록 전류 제어 장치에 포함될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전류 제어 장치의 블록도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전류 제어 장치(164)는 MEMS 스위치 어레이(160) 및 제어 회로(163)를 포함할 수 있다. MEMS 어레이(160)는 적어도 하나의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 예컨대, MEMS 어레이(160)는 도 7의 MEMS 스위치 어레이(155), 도 5의 MEMS 기반 스위칭 시스템(112), 또는 아크 억제 회로를 포함하는 임의의 적합한 MEMS 스위칭 시스템과 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제어 회로(163)는 적어도 MEMS 어레이(160)를 통해 전류 경로(154)와 통합적으로 구성된다. 또한, 도 4에 관하여 전술한 바와 같이, 제어 회로는 MEMS 어레이 회로와 별도로 전류 감지 회로를 통해 전류 경로와 통합적으로 구성된다.
예시적인 실시예에서, 전류 제어 장치(164)는 최종 절연 장치(final isolation device)(161)를 포함할 수 있다. 최종 절연 장치(161)는 전류 경로(154) 상의 전기적 부하의 공극 안전 절연(air-gap safety isdation)을 제공할 수 있다. 예컨대, 최종 절연 장치는 MEMS 어레이(160)의 스위치 상태 변경에 응답하여 개방될 수 있는 콘택터 또는 인터럽트 장치를 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 전류 제어 장치(164)는 전자 바이패스 장치(electronic bypass device)(162)를 더 포함할 수 있다. 바이패스 장치는 전류 과부하의 지속시간 동안에 MEMS 스위치로부터 과부하 전류를 분로시키는 하나 이상의 전자 구성 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 전자 바이패스 장치(162)는 전류 과부하에 응답하여 전류 경로(154)로부터 과부하 전류를 수신할 수 있다. 따라서, 전자 바이패스 장치(162)는 일시적인 과부하 정격을 확장할 수 있다. 전류 제어 장치(164)가 본 발명의 예시적인 실시예로부터 벗어나지 않으면서 최종 절연 장치(161)와 전자 바이패스 장치(162)를 모두 또는 어느 하나만 포함할 수 있음을 알아야 한다.
전술한 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 전류 제어 장치는 직류와 교류 양자 모두에 대한 전류 흐름을 인터럽트 하는 데 사용될 수 있다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 직류 제어 장치의 예시적인 구성이 도시된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단일 전극 인터럽터 구성의 블록도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, MEMS 인터럽터 전극(170)이 전류 경로 상에 배치된다. 전류 경로는 전압 소스(171) 및 부하(172)를 포함할 수 있다. MEMS 인터럽터 전극(170)은 전류 경로 상의 전류 흐름을 인터럽트할 수 있으며, 이로써 부하(172)로의 전류의 흐름을 중단시킨다. 그러나, 전류 경로 상에서 다수의 MEMS 인터럽터 전극이 사용될 수 있다. 도 10을 참조하면, 복수의 MEMS 인터럽터 전극을 포함하는 예시적인 구성이 도시된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이중 전극 인터럽터 구성의 그림도이다. 도시된 바와 같이, MEMS 인터럽터 전극(174, 175)은 전류 경로 상에 배치된다. MEMS 인터럽터 전극 중 하나는 전류 경로 상의 전류 흐름을 인터럽트할 수 있다. 이와 유사하게, 두 MEMS 인터럽터 전극은 전류 흐름을 실질적으로 동시에 인터럽트할 수 있다. 이는 추가적인 인터럽트 보호가 필요하다고 간주하는 경우에 유용할 수 있다. 예컨대, MEMS 인터럽터 전극(170, 174, 175)은 전술한 전류 제어 장치를 포함할 수 있다.
그러므로, 본 명세서에서 설명된 전류 제어 장치는 전류 경로와 통합적으로 구성된 제어 회로, 전류 경로 내에 배치된 적어도 하나의 MEMS 스위치, 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 개방을 용이하게 하는, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로, 및 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 폐쇄를 용이하게 하는, 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로를 포함할 수 있다.
또한, 예시적인 실시예는 전류 경로를 통과하는 전기적 전류를 제어하는 방법을 제공한다. 예컨대, 방법은 전류 경로의 개방을 용이하게 하도록 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 전류 경로의 폐쇄를 용이하게 하도록 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예는 아크리스 전류 제어 장치 및 아크리스 전류 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예에 관하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 수정이 이루어지고 균등물이 본 발명의 구성요소를 대체할 수 있음을 알 것이다. 또한, 본 발명의 핵심적인 범위로부터 벗어남 없이, 본 발명의 교시에 특정 환경 및 재료를 적응시키도록 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명은, 본 발명을 실행하기 위해 안출된 최상의 또는 최적의 모드로 개시된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 첨부된 특허청구범위의 범주 내의 있는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다. 또한, 도면 및 상세한 설명에서, 본 발명의 예시적인 실시예가 개시되었으며, 특정 용어가 사용되었으나, 이들은 다르게 언급되지 않는 한, 단지 일반적이며 설명적 의미로 사용되었고 한정을 위해 사용되지 않았으므로, 본 발명의 범위는 이것으로 한정되지 않는다. 또한, 제 1, 제 2 등의 용어의 사용은 임의의 순서 또는 중요성을 의미하지 않으며, 오히려 제 1 및 제 2 등의 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용되었다. 또한, 하나의 등의 용어의 사용은 양의 제한을 의미하지 않으며, 언급된 항목의 적어도 하나가 존재함을 의미한다.

Claims (20)

  1. 전류 경로와 통합적으로 구성된 제어 회로와,
    상기 전류 경로 내에 배치된 적어도 하나의 MEMS(micro electromechanical system) 스위치와,
    상기 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스(arcless) 개방을 용이하게 하는, 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치와 전기적으로 접속된 HALT(hybrid arcless limiting technology) 회로와,
    상기 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 폐쇄를 용이하게 하는, 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치와 전기적으로 접속된 PATO(pulse assisted turn on) 회로를 포함하는
    전류 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 HALT 회로는 펄스 인덕턴스, 펄스 캐패시턴스 및 펄스 스위치를 포함하되, 각각의 펄스 장치는 각각의 다른 펄스 장치와 직렬로 접속되는
    전류 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 캐패시턴스의 방전은 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 개방을 용이하게 하는
    전류 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 HALT 회로는 상기 MEMS 스위치의 상태가 폐쇄에서 개방으로 변하는 것에 응답하여 상기 MEMS 스위치로부터 전기적 에너지의 전달을 수신하도록 구성되는
    전류 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PATO 회로는 펄스 인덕턴스, 펄스 캐패시턴스 및 펄스 스위치를 포함하되, 각각의 펄스 장치는 각각의 다른 펄스 장치와 직렬로 접속되는
    전류 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 캐패시턴스의 방전은 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치의 아크리스 폐쇄를 용이하게 하는
    전류 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 PATO 회로는 상기 MEMS 스위치의 상태가 개방에서 폐쇄로 변하는 것에 응답하여 상기 MEMS 스위치로부터 전기적 에너지의 전달을 수신하도록 구성되는
    전류 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 HALT 회로 및 PATO 회로는 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 평형 다이오드 브릿지(balanced diode bridge)를 포함하는
    전류 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 경로 내의 전류 과부하에 응답하여 상기 전류 경로로부터 과부하 전류를 수신하도록 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 전자 바이패 스 회로를 더 포함하는
    전류 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류 경로 상의 전기적 부하의 공극 안전 절연(air-gap safety isolation)을 제공하도록 상기 전류 경로 내에 배치된 최종 절연 회로(final isolation circuit)를 더 포함하는
    전류 제어 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 경로 상의 전기적 부하의 공극 안전 절연을 제공하도록 상기 전류 경로 내에 배치된 최종 절연 회로를 더 포함하는
    전류 제어 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 MEMS 스위치는 상기 전류 경로를 따라 직렬로 접속된 복수의 MEMS 스위치 중 하나인
    전류 제어 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 MEMS 스위치에 대해 전압을 등화하도록 상기 복수의 MEMS 스위치의 각각에 전기적으로 접속된 전압 그레이딩 네트워크(voltage grading network)를 더 포함하는
    전류 제어 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 MEMS 스위치 양단에 병렬로 평형 다이오드 브릿지가 접속되는
    전류 제어 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어 장치는 상기 전류 경로 상의 아크리스 직류 회로 차단기로서 구성되는
    전류 제어 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어 장치는 상기 전류 경로 상의 아크리스 직류 인터럽터 전극으로서 구성되는
    전류 제어 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어 장치는 상기 전류 경로 상의 아크리스 직류 콘택터로서 구성되는
    전류 제어 장치.
  18. 전류 경로를 통과하는 전기적 전류를 제어하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 MEMS 스위치로 상기 전류 경로의 개방을 용이하게 하도록 상기 전류 경로 내에 배치된 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 HALT 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계와,
    상기 적어도 하나의 MEMS 스위치로 상기 전류 경로의 폐쇄를 용이하게 하도록 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 상기 적어도 하나의 MEMS 스위치와 병렬로 접속된 PATO 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계를 포함하는
    전류 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 상기 HALT 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계는,
    상기 HALT 회로의 펄스 캐패시턴스를 방전하는 단계를 포함하는
    전류 제어 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 MEMS 스위치로부터 상기 PATO 회로로 전기적 에너지를 전달하는 단계는,
    상기 PATO 회로의 펄스 캐패시턴스를 방전하는 단계를 포함하는
    전류 제어 방법.
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