KR20100021604A - Ｈｖａｃ 시스템 - Google Patents

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KR20100021604A
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Abstract

마이크로전기기계식 시스템 기반 스위칭 디바이스를 구현하는 HVAC 시스템이 개시된다. 예시적인 실시예는 부하 모터, 주 차단기 마이크로전기기계식 시스템(MEMS) 스위치, 및 부하 모터와 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 배치되어 이들에 전기적으로 연결되는 가변 주파수 드라이브(VFD)를 포함한다.

Description

ＨＶＡＣ 시스템{MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM BASED SWITCHING IN HEATING-VENTILATION-AIR-CONDITIONING SYSTEMS}
본 발명의 실시예는 전반적으로 냉난방환기공조(heating ventilation air conditioning: HVAC)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 마이크로전기기계식 시스템 기반 스위칭 디바이스를 구현하는 HVAC 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 냉난방환기 공조(HVAC) 애플리케이션을 위한 가변 속도 패키지 드라이브(variable speed packaged drives)는 완전한 기능을 제공하기 위해 핵심 전자기기 이외에도 여러 개의 보조 전력 핸들링 콤포넌트를 포함한다. 주 차단기는 전체 HVAC 시스템을 온 상태 또는 오프 상태로 변환하도록 제공되고, 접속된 모터 부하를 포함하는 전체 HVAC 시스템을 폴트(fault)로부터 보호하도록 제공된다. 콘택터는 파워 전자기기를 바이패스하여 모터 부하가 전원에 직접 접속될 수 있게 한다. 또한, 퓨즈는 모터 및 그것의 전선망을 단락 회로로부터 보호하도록 제공된다.
주 차단기는 모든 다운스트림 콤포넌트에 절연, 보호 및 제어 기능을 제공한 다. 통상적으로, 주 차단기는 응답이 느리고 대용량이며 폴트 동안에 시끄럽고 위험한 양의 전류를 통과시켜, 상당한 아크-플래시 해저드를 초래하는 종래의 회로 차단기를 구현한다. 회로 차단기는 유사한 보호 기능 및 그들이 동작하거나 트립(trip)된 후에 교체되는 것이 아니라 리셋될 수 있는 편리성을 제공하지만, 그들은 일반적으로 퓨즈에 비해 비교적 느린 응답 시간 및 단락 폴트 동안에 업스트림 회로 차단기와 다운스트림 회로 차단기 사이의 저조한 선택성을 갖는 복잡한 기계적 시스템을 포함한다.
전자식 트립 유닛(electronic trip units)을 구비한 차단기에서의 전자 폴트 감지 방법은 통상적으로 결정 시간을 증가시키고 그에 따라 폴트에 대한 반작용 시간을 증가시키는 계산 시간을 수반한다. 추가로, 트립하라는 결정이 내려지더라도, 기계적 시스템은 기계적 관성으로 인해 응답이 비교적 느리다. 이에 따라, 단락 회로에 대한 응답으로, 회로 차단기는 비교적 더 많은 양의 에너지(통과 허용 에너지(let-through energy)로 알려짐)가 회로 차단기를 통과하게 할 수 있다.
퓨즈는, 일반적으로 회로 차단기보다 선택성이 우수하고 단락 회로 상태에 대한 응답 시에 보다 적은 편차를 제공하지만, 그들의 보호 기능을 수행한 후에는 교체되어야 한다. 퓨즈는 설명된 과전류에서 용융되고 그에 따라 전류 경로를 개방하는 직렬 엘리먼트로 설계된다. 퓨즈는 여러 형상 및 크기를 갖지만 교체의 용이성을 위해 그들을 스냅-인(snap-in) 및 스냅-아웃(snap-out)하는 퓨즈 홀더 내부에 설계된다. 제조자들은 퓨즈 유형 및 정격에 따라 퓨즈 및 홀더의 표준 치수를 고수하여, 드롭-인 교체(drop-in replacement)를 용이하게 한다.
콘택터는 명령에 따라 전기적 부하를 온(ON) 및 오프(OFF)로 스위칭하도록 설계된 전기 디바이스이다. 전통적으로, 전기기계식 콘택터는 제어 기어에 채용되는데, 이러한 전기기계식 콘택터는 스위칭 전류를 그들의 차단 정격(interrupting capacity)까지 처리할 수 있다. 전기기계식 콘택터는 또한 전류를 스위칭하는 파워 시스템에서도 애플리케이션에서도 사용될 수 있다. 그러나, 파워 시스템 내의 이상 전류(fault current)는 일반적으로 전기기계식 콘택터의 차단 정격보다 크다. 이에 따라, 파워 시스템 애플리케이션에 전기기계식 콘택터를 채용하기 위해서는 콘택터의 차단 정격 위의 모든 전류 값에서 콘택터가 개방되기 전에 이상 전류를 차단하도록 충분히 신속하게 작용하는 직렬 디바이스로 콘택터를 백업하여 콘텍터를 손상으로부터 보호하는 것이 바람직할 수 있다.
파워 시스템에서 콘택터의 사용을 용이하게 하기 위해 종래에 인지된 해결방안은, 예컨대 진공 콘택터, 진공 인터럽터 및 에어 브레이크 콘택터를 포함한다. 안타깝게도, 진공 콘택터와 같은 콘택터는 콘택터 팁이 밀봉되고 내부가 빈 인클로저(sealed, evacuated enclosure) 내에 캡슐화되기 때문에 용이한 시각적 검사에는 적합하지 않다. 또한, 진공 콘택터는 대형 모터, 변환기 및 커패시터의 스위칭을 다루는 데 매우 적합하지만, 특히 부하가 스위칭 오프될 때에는, 원치 않는 일시적 과전압을 야기하는 것으로 알려져 있다.
또한, 전기기계식 콘택터는 일반적으로 기계적 스위치를 사용한다. 그러나, 이러한 기계적 스위치는 비교적 느린 속도로 스위칭하는 경향이 있기 때문에, 감소된 아크 현상(arcing)을 위한 제로 크로싱(zero crossing)에서의 개방/폐쇄를 용이 하게 하기 위해, 보통 이러한 스위칭 이벤트가 발생하기 수십밀리초 전에 제로 크로싱의 발생을 추정하도록 하는 예측 기술이 채용된다. 이러한 제로 크로싱 예측은 여러 과도현상들이 이러한 예측 시간 간격 내에 발생할 수 있기 때문에 에러가 발생하기 쉽다.
느린 기계적 및 전기기계식 스위치에 대한 대안으로서, 빠른 고체 상태 스위치(solide-state switch)가 고속 스위칭 애플리케이션에 채용되고 있다. 이해되겠지만, 이러한 고체 상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 인가를 제어하여 스위치를 전도 상태와 비전도 상태 사이에서 스위칭한다. 예를 들어, 고체 상태 스위치를 역바이어싱함으로써, 스위치는 비전도 상태로 천이될 수 있다. 그러나, 고체 상태 스위치가 비전도 상태로 스위칭될 때 그들이 콘택트들 사이의 물리적 갭을 생성하는 것은 아니기 때문에, 그들은 누설 전류를 경험한다. 또한, 내부 저항으로 인해, 고체 상태 스위치가 도전 상태에서 동작할 때, 그들은 전압 강하를 경험한다. 전압 강하 및 누설 전류 양측 모두는 정상적인 동작 환경 하에서 열파(excess heat)의 생성에 기여하여, 스위치 성능 및 수명에 영향을 미칠 수 있다. 더욱이, 적어도 부분적으로 고체 상태 스위치와 관련된 고유의 누설 전류로 인해, 회로 차단기 애플리케이션에서의 그들의 사용은 실용적이지 않다.
이에 따라, 이러한 단점들을 극복하기 위한 전류 스위칭 회로 보호 장치가 필요하다.
본 명세서에는 부하 모터, 주 차단기 마이크로전기기계식 시스템(MEMS) 스위치, 및 부하 모터와 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 배치되고 전기적으로 연결된 가변 주파수 드라이브(VFD)를 포함하는 HVAC 시스템이 개시되어 있다.
본 명세서에는 부하 모터, 주 차단기 마이크로전기기계식 시스템(MEMS) 스위치, 부하 모터와 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 연결된 제 1 MEMS 스위치 브랜치, 부하 모터와 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 연결되고 제 1 MEMS 스위치 브랜치에 전기적으로 병렬 구성되는 제 2 MEMS 스위치 브랜치, 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되는 가변 주파수 드라이브(VFD), 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되고 VFD와 전기적으로 직렬 연결되는 드라이브 MEMS 스위치, 및 제 2 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되는 바이패스 MEMS 스위치를 포함하는 HVAC 시스템이 개시되어 있다.
본 명세서에는 부하 모터, 주 차단기 마이크로전기기계식 시스템(MEMS) 스위치, 부하 모터와 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 연결된 제 1 MEMS 스위치 브랜치, 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치된 드라이브 MEMS 스위치, 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치된 절연체 MEMS 스위치, 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에서 드라이브 MEMS 스위치와 절연 MEMS 스위치 사이에서 이들과 직렬로 배치되는 가변 주파수 드라이브(VFD), 부하 모터와 주 차단기 MEMS 스위치 상에 연결되고, 제 2 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치된 바이패스 MEMS 스위치 및 제 1 MEMS 스위치 브랜치와 전기적으로 병렬 연결된 제 2 MEMS 스위치 브랜치를 포함하는 HVAC 시스템이 개시되어 있다.
본 발명의 상기 특징, 양상 및 이점과, 다른 특징, 양상 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 것이다. 도면 전반에 걸쳐 동일한 기호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적 MEMS 기반 스위칭 시스템의 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 예시적 MEMS 기반 스위칭 시스템을 예시한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예시적 MEMS 기반 스위칭 시스템 및 도 1에 도시된 시스템에 대한 대안의 블록도,
도 4는 도 3에 도시된 예시적 MEMS 기반 스위칭 시스템을 예시한 개략도,
도 5는 에시적 실시예에 따라 MEMS 기반 스위칭 시스템을 갖는 예시적 HVAC 시스템을 예시한 개략도,
도 6은 예시적 실시예에 따라 MEMS 기반 스위칭 시스템을 갖는 다른 예시적 HVAC 시스템을 예시한 개략도이다.
예시적 실시예는 가변 속도 패키지 HVAC 드라이브에서 우수한 보호 및 바이패스 기능을 제공하는 MEMS 마이크로스위치 어레이의 통합형 네트워크를 포함한다. 주 회로 차단기는 패키지 내의 모든 다른 콤포넌트에 보호 기능을 제공하는 전류 제한 어레이로 대체된다. 전류 제한 기능은 다른 모든 콤포넌트가 폴트 통과 허용 전류와 무관하게 크기 조정되게 한다. 따라서, 퓨즈는 전체적으로 제거될 수 있 고, 콘택터는 부하 전류만을 전달하는 데 요구되는 MEMS 마이크로스위치 어레이로 대체될 수 있다. 본 명세서에 설명된 시스템은 가변 주파수 HVAC 드라이브에 보호 및 바이패스 기능을 제공한다. 보호 기능은 모터 부하 및 모터에 접속시키는 케이블을 포함하는 단락 회로(폴트)를 드라이브 내의 어디에서든 제거하는 것을 포함한다. 바이패스 기능은 모터 부하를 전원에 직접 접속시킬 수 있다. 예시적 실시예에서, 모터 부하는 MEMS 스위치 네트워크 및 전자 가변 주파수 드라이브(VFD)를 통해 전원에 접속되었다. 주 차단기 MEMS 스위치는 모든 것을 턴 온 및 오프하고 차단기 다음의 어딘가에서의 고장에 대한 고장 보호를 제공하는 데 사용된다. 또한, MEMS 스위치는 전자 부품을 바이패스하거나 그 전자 부품에 전원을 공급한다. 예시적 실시예에서, 패키지 내의, 케이블 상의, 또는 모터 내의 어느 곳에서 발생한 고장에 대한 아크 플래시 에너지는 수십수백배 감소한다. 예시적 실시예에서는, 패키지의 전자 부분(가변 주파수 드라이브)의 전류 취급 요건이 감소한다. 예시적 실시예에서, 여러 개의 MEMS 마이크로스위치 중에서 제어 및 보호의 공동작용(coordination)은 여러 개의 MEMS 마이크로스위치들 중 단 하나에만 전류 제한 및 파워 스위칭 기능을 제공하는 것이 할당되도록 기능한다. 다른 모든 디바이스는 "냉" 스위칭된다(스위칭 중에는 어떠한 전압도 전류도 없음).
도 1은 본 발명의 양상에 따른 예시적 아크리스 마이크로전기기계적 시스템(MEMS) 스위치 기반 스위칭 시스템(10)의 블록도를 예시하고 있다. 현재, MEMS는, 통상, 예컨대 마이크로 제조 기술을 통해 공통 기판 상에 기계적 엘리먼트, 전기기계적 엘리먼트, 센서, 액추에이터 및 전자기기와 같은 다수의 기능적으로 전혀 다른 엘리먼트를 통합할 수 있는 마이크로스케일 구조물을 지칭한다. 그러나, MEMS 디바이스에서 현재 활용될 수 있는 많은 기술 및 구조물은 나노기술 기반 디바이스, 예컨대 크기가 100 나노미터보다 작을 수 있는 구조물을 통해 단지 수년 내에 이용될 수 있을 것이라는 점이 예상된다. 이에 따라, 본 명세서 전반에 걸쳐 설명된 예시적 실시예가 MEMS 기반 스위칭 디바이스를 지칭할 수 있다 하더라도, 본 발명의 발명적 양상은 폭넓게 파악되어야 하며, 마이크로 크기의 디바이스로 제한되어서는 안 된다는 점이 제안된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템(10)은 MEMS 기반 스위칭 회로(12) 및 아크 억압 회로(14)를 포함하는 것으로 도시되어 있으며, 여기서 하이브리드 아크리스 제한 기술(HALT) 디바이스라고도 지칭되는 아크 억압 회로(14)는 MEMS 기반 스위칭 회로(12)에 동작가능하게 연결된다. 어떤 실시예에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 예컨대 아크 억압 회로(14)와 온전히 그대로 단일 패키지(16) 내에 통합된다. 다른 실시예에서는, MEMS 기반 스위칭 회로(12)의 어떤 부분 또는 콤포넌트만이 아크 억압 회로(14)와 통합될 수 있다.
도 2를 참조하여 보다 상세히 설명될 현재 파악되는 구성에서, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 추가로, 아크 억압 회로(14)는 균형 다이오드 브리지(balanced diode bridge) 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억압 회로(14)는 MEMS 스위치가 폐쇄 상태에서 개방 상태로 변경되는 것에 대한 응답으로 MEMS 스위치로부터 전기 에너지 전달을 수신함으로써 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트들 사이에서의 아크 형태의 억압을 용이하게 하 도록 구성될 수 있다. 아크 억압 회로(14)는 교류(AC) 또는 직류(DC)에 대한 응답으로 아크 형태의 억압을 용이하게 하도록 구성될 수도 있음에 유의해야 할 것이다.
이제, 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 예시적 아크리스 MEMS 기반 스위칭 시스템의 개략도(18)가 일 실시예에 따라 예시되어 있다. 도 1을 참조하여 언급된 바와 같이, MEMS 기반 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서는, 제 1 MEMS 스위치(20)가 제 1 콘택트(22), 제 2 콘택트(24) 및 제 3 콘택트(26)를 구비하는 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 예시된 바와 같이, 전압 완충 회로(33)는, 이후에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, MEMS 스위치(20)와 병렬로 연결될 수 있고 빠른 콘택트 분리 동안 전압 오버슈트를 제한하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 완충 회로(33)는 완충 저항기(도 4의 참조기호 78 참조)와 직렬로 연결된 완충 커패시터(도 4의 참조기호 76 참조)를 포함할 수 있다. 완충 커패시터는 MEMS 스위치(20)의 개방 시퀀싱(sequencing) 동안에 일시적 전압 할당의 개선을 용이하게 할 수 있다. 또한, 완충 저항기는 MEMS 스위치(20)의 폐쇄 동작 동안에 완충 커패시터에 의해 생성된 임의의 전류 펄스를 억제할 수 있다. 다른 어떤 실시예에서는, 전압 완충 회로(33)가 금속 산화물 배리스터(MOV)(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 양상에 따르면, 부하 회로(40)는 제 1 MEMS 스위치(20)와 직 렬로 연결될 수 있다. 부하 회로(40)는 전압 소스 VBUS(44)를 포함할 수 있다. 추가로, 부하 회로(40)는 또한 부하 인덕턴스 LLOAD(46)도 포함할 수 있으며, 이러한 부하 인덕턴스 LLOAD(46)는 부하 회로(40)에서 볼 때 조합된 버스 인덕턴스 및 부하 인덕턴스을 나타낸다. 부하 회로(40)는 또한 부하 회로(40)에서 볼 때 조합된 부하 저항을 나타내는 부하 저항 RLOAD(48)도 포함할 수 있다. 참조 기호 50은 부하 회로(40) 및 제 1 MEMS 스위치(20)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
또한, 도 1을 참조하여 언급된 바와 같이, 아크 억압 회로(14)는 균형 다이오드 브리지를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서는, 균형 다이오드 브리지(28)가 제 1 브래치(29) 및 제 2 브랜치(31)를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "균형 다이오드 브리지"라는 용어는 제 1 및 제 2 브랜치(29, 31) 양측 모두에 걸리는 전압이 실질적으로 동일하도록 구성된 다이오드 브리지를 나타내는 데 사용된다. 균형 다이오드 브리지(28)의 제 1 브랜치(29)는 제 1 직렬 회로를 형성하도록 함께 연결된 제 1 다이오드 DA(30) 및 제 2 다이오드 D2(32)를 포함할 수 있다. 유사한 방법으로, 균형 다이오드 브리지(28)의 제 2 브랜치(31)는 제 2 직렬 회로를 형성하도록 함께 동작가능하게 연결된 제 3 다이오드 D3(34) 및 제 4 다이오드 D4(36)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 균형 다이오드 브리지(28)의 중간점 에 병렬로 연결될 수 있다. 균형 다이오드 브리지의 중간점은 제 1 다이오드(30)와 제 2 다이오드(32) 사이에 위치하는 제 1 중간점 및 제 3 다이오드(34)아 제 4 다이오드(36) 사이에 위치하는 제 2 중간점을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 MEMS 스위치(20) 및 균형 다이오드 브리지(28)는 균형 다이오드 브리지(28), 특히 MEMS 스위치(20)로의 커넥션에 의해 야기되는 기생 인덕턴스의 최소화를 용이하게 하도록 조밀하게 패키지화될 수 있다. 본 기술의 예시적 양상에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(20) 및 균형 다이오드 브리지(28)는, 이후에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, MEMS 스위치(20)가 턴 오프된 동안에 다이오드 브리지(28)로의 부하 전류 전달을 실행할 때, 제 1 MEMS 스위치(20)와 균형 다이오드 브리지(28) 사이의 고유 인덕턴스가 MEMS 스위치(20)의 드레인(22) 및 소스(24)에 걸리는 전압의 수 퍼센트보다 더 적은 di/dt 전압을 생성하도록 서로에게 상대적으로 배치된다. 일 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는, MEMS 스위치(20)와 다이오드 브리지(28)를 상호 접속시키는 인덕턴스를 최소화시킬 의도로, 단일 패키지(38) 내에 또는 선택적으로 동일한 다이 내에 균형 다이오드 브리지(28)와 함께 구성될 수 있다.
추가로, 아크 억압 회로(14)는 균형 다이오드 브리지(28)와 유효한 연관성으로 연결된 펄스 회로(52)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(52)는 스위치 상태를 검색하고 그 스위치 상태에 응답하여 MEMS 스위치(20)의 개방을 개시하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "스위치 상태"라는 용어는 MEMS 스위치(20)의 현재 동작 상태의 변경을 트리거시키는 조건을 지칭한다. 예를 들어, 스위치 상태는 MEMS 스위치(20)의 제 2 개방 상대로 변경시키거나 MEMS 스위치(20)의 제 1 개방 상태를 제 2 폐쇄 상태로 변경시킬 수 있다. 스위치 상태는, 회로 폴트 또는 스위치 ON/OFF 요청을 포함하지만 이러한 것들로 제한되는 것은 아닌 여러 행동에 대한 응답으로 발생할 수 있다.
펄스 회로(52)는 펄스 스위치(54) 및 펄스 스위치(54)에 직렬 연결된 펄스 커패시터 CPULSE(56)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로는 펄스 스위치(54)에 직렬로 연결된 제 1 다이오드 DP(60) 및 펄스 인덕턴스 LPULSE(58)도 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE(58), 다이오드 DP(60), 펄스 스위치(54) 및 펄스 커패시터 CPULSE(56)는 펄스 회로(52)의 제 1 브랜치를 형성하도록 직렬로 연결될 수 있으며, 여기서 제 1 브랜치의 콤포넌트는 펄스 전류의 형상화 및 타이밍을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 참조 기호 62는 펄스 회로(52)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE를 나타낸다.
본 발명의 양상에 따르면, MEMS 스위치(20)는 거의 0 전압에 있다 하더라도 전류를 전달하면서 제 1 폐쇄 상태로부터 제 2 개방 상태로 신속하게(예컨대, 피코초 또는 나노초 정도로) 스위칭될 수 있다. 이것은 MEMS 스위치(20)의 콘택트에 병렬로 연결된 균형 다이오드 브리지(28)를 포함하는 펄스 회로(52)와 부하 회로(40)의 조합된 동작을 통해 달성될 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 본 발명의 양상에 따른 예시적 소프트 스위칭 시스템(11)의 블록도가 에시되어 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 소프트 스위칭 시스 템(11)은 함께 동작 가능하게 연결된 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)를 포함한다. 검출 회로(702)는 스위칭 회로(12)에 연결될 수 있고, 부하 회로에서의 교류 소스 전압(이하, "소스 전압") 또는 부하 회로에서의 교류 소스 전류(이하, "부하 회로 전류")의 제로 크로싱(zero crossing)의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12) 및 검출 회로(70)에 연결될 수 있고, 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 검출된 제로 크로싱에 응답하는 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 스위치의 아크리스 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 적어도 스위칭 회로(12)의 일부분을 포함하는 하나 이상의 MEMS 스위치의 아크리스 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 양상에 따르면, 소프트 스위칭 시스템(11)은 소프트 스위칭 또는 PoW(point-on-wave) 스위칭을 수행하고, 그에 의해 스위칭 회로(12)에 걸리는 전압이 0이거나 그에 매우 근접할 때에는 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 MEMS 스위치가 폐쇄되고 스위칭 회로(12)를 흐르는 전류가 0이거나 근접할 때에는 개방되도록 구성될 수 있다. 스위칭 회로(12)에 걸리는 전압이 0이거나 그에 매우 근접할 때에 스위치를 폐쇄시킴으로써, 사전 발생하는(pre-strike) 아크는 다수의 스위치가 동시에 모두 폐쇄되지 않는 경우라 해도 그들이 폐쇄될 때 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트들 사이에 전기장을 낮게 유지시킴으로써 회피될 수 있다. 마찬가지로, 스위칭 회로(12)를 통과하는 전류가 0이거나 근접할 때에 스위치를 개방함으로써, 소프트 스위칭 시스템(11)은 스위칭 회로(12)에서 개방할 마지막 스위치 내의 전류가 스위치의 설계 용량 내에 있도록 설계될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 제어 회로(72)는 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱의 발생과 함께 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 실시예의 개략도(19)가 예시되어 있다. 예시된 실시예에서, 개략도(19)는 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)의 일 실례를 포함한다.
설명을 위해, 도 4에는 스위칭 회로(12) 내에 단일의 MEMS 스위치(20)만이 예시되어 있지만, 스위칭 회로(12)는, 예컨대 소프트 스위칭 시스템(11)의 전류 및 전압 처리 요건에 의존하는 다수의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치들 사이에 전류를 할당하는 병렬 구성으로 함께 연결된 다수의 MEMS 스위치를 포함하는 스위치 모듈을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치들 사이에 전류를 할당하는 직렬 구성으로 연결된 MEMS 스위치 어레이를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치 모듈 사이에 전압을 동시에 할당하고 각 모듈 내의 MEMS 스위치 사이에 전류를 할당하는 직렬 구성으로 함께 연결된 MEMS 스위치 모듈 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치는 단일 패키지(74) 내에 통합될 수 있다.
예시적 MEMS 스위치(20)는 3개의 콘택트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 콘택트는 드레인(22)으로서 구성될 수 있고, 제 2 콘택트는 소스(24)로서 구 성될 수 있으며, 제 3 콘택트는 게이트(26)로서 구성될 수 있다. 일 실시예에서는, 제어 회로(72)가 MEMS 스위치(20)의 현재 상태를 용이하게 스위칭하도록 게이트 콘택트(26)에 연결될 수 있다. 또한, 어떤 실시예에서, 댐핑 회로(완충 회로)(33)는 MEMS 스위치(20)에 걸리는 전압의 출현을 지연시키도록 MEMS 스위치(20)와 병렬로 연결될 수 있다. 예시된 바와 같이, 댐핑 회로(33)는, 예컨대 완충 저항기(78)와 직렬로 연결된 완충 커패시터(76)를 포함할 수 있다.
추가로, MEMS 스위치(20)는 도 4에 더 예시된 바와 같이 부하 회로(40)와 직렬로 연결될 수 있다. 현재 파악되는 구성에서, 부하 회로(40)는 전압 소스 VSOURCE(44)를 포함할 수 있고, 대표 부하 인덕턴스 LLOAD(46) 및 부하 저항 RLOAD(48)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 전압 소스 VSOURCE(AC 전압 소스라고도 지칭됨)(44)는 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류 ILOAD(50)를 생성하도록 구성될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 검출 회로(70)는 부하 회로(40)에서 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 계속적으로 또는 별도의 주기로 감지될 수 있다.
소스 전압의 제로 크로싱은, 예컨대 예시된 0 전압 비교기(84)와 같은 비교기의 사용을 통해 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. 이번에는, 부하 회로(40)의 소스 전압의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(88)가 생성될 수 있다. 유사하게, 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱은 예시된 전류 비교기(92)와 같은 비교기의 사용을 통해 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. 이번에는, 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(94)가 생성될 수 있다.
제어 회로(72)는 MEMS 스위치(20)(또는 MEMS 스위치 어레이)의 현재 동작 상태를 언제 변경(예컨대, 개방 또는 폐쇄)할 것인지를 결정하는 데 출력 신호(88, 94)를 이용할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 회로(72)는 교류 부하 전류 ILOAD(50)의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 차단하거나 개방하는 아크리스 방법으로 MEMS 스위치(20)의 개방을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 추가로, 제어 회로(72)는 교류 소스 전압의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 완성시키는 아크리스 방법으로 MEMS 스위치(20)의 폐쇄를 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제어 회로(72)는 인에이블 신호(96)의 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 MEMS 스위치(20)의 현재 동작 상태를 제 2 동작 상태로 스위칭할 것인지의 여부를 결정할 수 있다. 인에이블 신호(96)는, 예컨대 콘택터 애플리케이션에서 파워 오프 명령의 결과로서 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 인에이블 신 호(96) 및 출력 신호(88, 94)는 도시된 바와 같은 듀얼 D 플리-플롭(98)으로의 입력 신호로서 이용될 수 있다. 이들 신호는 인에이블 신호(96)가 활성화(예컨대, 상승 에지 트리거)된 후에는 제 1 소스 전압 0에서 MEMS 스위치(20)를 폐쇄시키고 인에이블 신호(96)가 활성 해제(예컨대, 하강 에지 트리거)된 후에는 제 1 부하 전류 0에서 MEMS 스위치(20)를 개방하는 데 이용될 수 있다. 도 4의 예시된 블록도(190에 대하여, 인에이블 신호(96)가 활성화되고(특정 구현에 따라 하이 상태이거나 로우 상태이고) 어느 하나의 출력 신호(88 또는 94)가 감지된 전압 또는 전류 0을 표시할 때마다, 트리거 신호(102)가 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 트리거 신호(102)는, 예컨대 NOR 게이트(100)를 통해 생성될 수 있다. 트리거 신호(102)는 MEMS 게이트 드라이버(104)를 통과하여 MEMS 스위치(20)의 게이트(26)(또는 MEMS 어레이의 경우의 게이트들)에 제어 전압을 인가하는 데 이용될 수 있는 게이트 활성 신호(106)를 생성할 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 특정 애플리케이션에 대해 희망하는 전류 레이팅을 달성하기 위해, 다수의 MEMS 스위치가 (예컨대 스위치 모듈을 형성하도록) 단일 MEMS 스위치 대신에 병렬로 동작 가능하게 연결될 수 있다. MEMS 스위치의 조합된 기능들은 부하 회로에 의해 경험될 수 있는 연속적이고 일시적인 오버부하 전류 레벨을 적절히 전달하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 6X 일시적 오버부하를 갖는 10-amp RMS 모터 콘택터의 경우, 10초당 60 amp RMS를 전달하도록 병렬로 연결되는 충분한 스위치들이 존재해야 한다. PoW(point-on-wave) 스위칭을 이용하여 MEMS 스위치를 영 전류에 도달하는 5 마이크로 초 내에 스위칭하면, 콘택트 개방 시에 순간적으로 160 밀리암페어가 흐를 것이다. 따라서, 그 애플리케이션의 경우, 각 MEMS 스위치는 160 밀리암페어를 "웜-스위칭(warm-switching)"할 수 있어야 하며, 그들의 대부분은 60 amp를 전달하도록 병렬로 배치되어야 한다. 한편, 단일 MEMS 스위치는 스위칭 순간에 흐르고 있을 전류의 양 또는 레벨을 차단할 수 있어야 한다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 MEMS 기반 스위칭 시스템을 갖는 예시적 HVAC 시스템(100)을 예시한 개략도이다. 도시된 시스템(100)은 2상 시스템이다. 그러나, 본 명세서에서 설명되는 시스템은 이후 도 6에 도시된 3상 시스템과 같은 2상, 3상 또는 이보다 높은 차상의 시스템일 수 있음이 인식될 것이다.
예시적 실시예에서, 시스템(100)은 2-브랜치 병렬 회로(150)에 직렬 연결된 부하 모터(105)를 포함할 수 있다. 통상적인 HVAC 시스템에서, 퓨즈는 부하 모터(105)와 2-브랜치 병렬 회로(150) 사이에 직렬로 포함될 것임이 인식될 것이다. 통상적으로, 퓨즈는 부하 모터 및 각각의 전선망을 단락 회로로부터 보호하도록 제공된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, MEMS 기반 스위치는 퓨즈를 불필요하게 만든다.
예시적 실시예에서, 제 1 브랜치(151)는 가변 주파수 드라이브(VFD)(115)와 직렬로 드라이브 MEMS 스위치(110)를 포함할 수 있다. 제 2 브랜치(152)는 바이패스 MEMS 스위치(120)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 브랜치(151, 152)는 병렬 회로(150)를 형성한다. 전술한 바와 같이, 예시적 실시예에서, 드라이브 MEMS 스위치(110) 및 VFD(115)는 서로 전기적으로 직렬이다. 드라이 브 MEMS 스위치(110) 및 VFD(115)의 직렬 구성은 바이패스 MEMS 스위치(120)와 전기적으로 병렬이다.
예시적 실시예에서, VFD(115)는 부하 모터(105)에 가변 속도 제어부를 제공하는 전자 디바이스이다. HVAC 애플리케이션용 VFD(115)는 핵심 전자기기 이외에도 여러 개의 보저 전력 취급 콤포넌트를 포함하여 완벽한 기능을 제공한다. 통상적으로, VFD(115)와 유사한 가변 주파수 드라이브는 가변 주파수 드라이브의 다운스트림을 발생시키는 폴트에 대해 이상 전류의 하이 인시던트(high incidents)를 경험할 수 있다. 예시적 실시예에서, VFD(115)는 VFD(115)의 폴트 다운스트림에 대해 감소된 이상 전류를 갖고 있다.
주 차단기 MEMS 스위치(125)는 병렬 회로(150)의 병렬 회로(150) 업스트림에 더 연결될 수 있다. 주 차단기 MEMS 스위치(125)는, 부하 모터(105) 및 VFD(115)를 포함하는 모든 다운스트림 콤포넌트에 대해 절연, 보호 및 제어 기능을 제공한다. 주 차단기 MEMS 스위치(125)는 스위칭 기능 및 전류 제한 기능을 더 제공할 수 있다.
주 차단기 MEMS 스위치(125)는 턴 오프 및 전류 제한을 위한 HALT와 턴 온을 위한 PATO(pulse-assisted-turn-on)와 같은 것을 포함할 수 있다. HALT 및 PATO는 본 명세서에서 더 논의된다. 예시적 실시예에서, 주 차단기 MEMS 스위치(105)는 HVAC 시스템(100) 내의 어느 곳에서든 폴트가 검출될 때마다 적극적인 전류 제한 작용 및 총 전류 인터럽션을 제공한다. 예시적 실시예에서, 폴트의 위치에 따라, 다른 MEMS 콤포넌트(예를 들어, 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치(110, 120, 등)) 는 폴트를 절연시키도록 재구성된다. 폴트가 그렇게 절연될 수 있다면, 주 차단기 MEMS 스위치(125)는 이후에 신속하게 다시 폐쇄된다. 전체적인 이벤트 시퀀스는 1/2 사이클이 걸리 수 있다.
다른 예시적 실시예에서는 재구성 동작(정상 동작으로부터 바이패스 동작으로 또는 바이패스 동작으로부터 정상 동작으로)의 경우, 전술한 기능과 유사하다. 예시적 실시예에서, 주 차단기 MEMS 스위치(125)는 1/2 사이클 동안 전력을 차단하지만, 재구성 콤포넌트(예컨대, 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치(110, 120))는 재구성된다. 이번에는, 전력이 1/2 사이클 뒤에 복원된다.
예시적 드라이브 및 바이패스 및 주 차단기(125) MEMS 스위치(110, 120)의 구현은 종래의 콘택터를 제거함이 인식된다. 드라이브, 바이패스 및 주 차단기 MEMS 스위치(110, 120, 125)는 단일 스위치로 예시되고 설명된 것임이 또한 인식된다. 다른 예시적 실시예에서, 드라이브, 바이패스 및 주 차단기 MEMS 스위치(110, 120, 125)는 또한 MEMS 스위치 어레이일 수 있음이 인식된다.
논의된 바와 같이, 예시적 실시예에서, 드라이브, 바이패스 및 주 차단기 MEMS 스위치(110, 120, 125) 각각은 개별 MEMS 스위치(110, 120, 125)가 본 명세서에서서 설명된 스위치 상태에 따라 독립적으로 제어될 수 있도록 제어 회로(72)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 주 차단기 MEMS 스위치(125)는 부하 모터(105) 및 VFD(115)에 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 단락 회로 조건인 스위치 상태에서 제어 회로(72)를 포함할 수 있다.
예시적 실시예에서, 제어 회로(72)는 주 차단기 MEMS 스위치(125)를 통하는 것과 같이 HVAC 시스템 전류 경로를 통과하는 전기 전류에 관한 파라미터를 측정하고, 측정된 파라미터를 전기 전류의 양 및 과전류 이벤트의 시간의 양과 같은 스위치 상태에 대응하는 것과 비교하도록 구성된다. 단락 회로를 나타낼 정도로 충분히 큰 크기의 전기 전류의 순시 증가에 따른 전기 전류의 파라미터에 대한 응답으로, 제어 회로(72)는 주 차단기 MEMS 스위치(125)가 개방되게 하고 주 차단기 MEMS 스위치(125)로부터 HALT 디바이스(14)(도 1에 가장 잘 나타남)로의 단락 회로 에너지 전달을 야기하고 그에 의해 전류 경로를 통과하는 전기 전류의 차단을 용이하게 하는 신호를 생성한다. 추가로, 정의된 시한 과전류 폴트를 나타낼 수 있는 단락 회로부터 작은 크기의 전기 전류 증가의 정의된 듀레이션과 같은 파라미터에 대한 응답으로, 제어 회로(72)는 마찬가지로 주 차단기 MEMS 스위치(125)가 개방되게 하고 전기 전류를 차단시키는 신호를 생성한다.
예시적 실시예에서, 주 차단기 MEMS 스위치(125)는 전술한 HALT 아크 억업 회로(14), 전압 완충 회로(33), 및 소프트-스위칭 시스템(11)(또한, 본 명세서에서 소프트 스위칭 회로로도 지칭됨) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. HALT 아크 억압 회로(14), 전압 완충 회로(33) 및 소프트 스위칭 회로(11)는 개별적인 회로일 수도 있고 또는 제어 회로(72) 내에 통합될 수도 있음이 인지될 것이다. 예시적 실시예에서, 드라이브 및 바이패스 MEMS 회로(110, 120)는 HALT 아크 억압 회로(14)와 같은 자가 보호 기능의 사용을 허가할 정도로 충분히 높은 전류에는 노출되지 않는다. 이와 같이, 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치(110, 120)(또는 마이크로스위치 어레이)는 HALT 또는 PATO와 같은 다른 자가 보호 기능에 대한 필요성 없이도 동작할 수 있는데, 이는 그러한 기능들이 주 차단기 MEMS 스위치(125)에 의해 제공되기 때문이다. 따라서, 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치(110, 120)는 그들이 냉스위칭될 수 있고 일반적으로 높은 내 전류(high withstand current)(즉, 통과 허용 전류)를 경험하지 않기 때문에 매우 간단할 수 있다. 그러나, 예시적 실시예에서, 드라이브 및 바이패스 mems 스위치는 또한 HALT 억압 회로(14), 전압 완충 회로(33) 및 소프트 스위칭 시스템(11) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 잇다.
또한, 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치는 이제 설명되는 바와 같이 VFD를 구동 또는 바애패스시키기 위해 집적된 제어기 회로(72)를 포함할 수 있다.
예시적 실시예에서, VFD의 바이패스는 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치(110, 120)로 달성된다. VFD(115)를 사용하기 위해, 제어 회로는 드라이브 MEMS 스위치(11)를 폐쇄하여, VFD(115)를 활성화시키도록 구현된다. VFD(115)에 대해 고유한 별도의 전기기기는 희망하는 애플리케이션에 따라 드라이브 주파수를 변화시키도록 구현될 수 있다. 설명되는 VFD(115)를 사용할 때, 바이패스 MEMS 스위치(120)에 대한 제어 회로는 바이패스 MEMS 스위치(120)를 개방하도록 구현된다. 이러한 방법으로, 어떠한 전류도 제 2 브랜치(152)를 흐르지 않는다. 마찬가지로, 전원 시스템으로부터 부하 모터(105)에 직접 에너지를 공급하는 것이 바람직할 때, 드라이브 MEMS 스위치(110)는 개방되고, 바이패스 MEMS 스위치(120)는 폐쇄된다. 최고 속도로 부하 모터(105)를 실행시키는 것이 바람직할 때의 구현예와 같이 VFD(115)를 구동시킬 필요가 없음이 인식될 것이다.
예시적 실시예에서, 제어 회로(72)의 기능은, 예를 들어 스위치 상태의 트립 파라미터에 기초하여 트립-시간 곡선을 세팅하는 것과 같은 시간 기반 결정을 더 포함할 수 있다. 제어 회로(72)는 전압 및 전류 측정, 각 MEMS 스위치의 프로그래밍가능성 또는 조절가능성, 각 MEMS 스위치의 폐쇄/재폐쇄 로직 제어, 및 주 차단기 MEMS 스위치(125)의 경우에는 HALT 디바이스(14)의 상호 작용을 더 제공하여, 예컨대 아크 현상 없는 냉 스위칭(cold switching) 또는 스위칭을 제공한다. 제어 회로(72)의 파워 유입은 최소이며, 어떠한 추가적인 외부 파워 서플라이도 제공할 필요 없이 라인 입력에 의해 제공될 수 있다. 본 명세서에 설명된 제어 회로(72) 및 MEMS 스위치는 교류(AC) 또는 직류(DC) 중 어느 하나와 함께 사용되도록 구성될 수 있다.
도 6은 예시적 실시에에 따른 MEMS 기반 스위칭 시스템을 갖는 다른 예시적 HVAC 시스템(200)을 예시한 개략도이다. 도시된 시스템(200)은 3상 시스템이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 시스템은, 2상, 3상 또는 이보다 높은 차상의 시스템일 수 있음이 인식될 것이다.
예시적 실시예에서, 시스템(200)은 2-브랜치 병렬 회로(250)에 직렬 연결된 부하 모터(205)를 포함할 수 있다. 통상적인 HVAC 시스템에서, 퓨즈는 부하 모터(205)와 2-브랜치 병렬 회로(205) 사이에 직렬로 포함될 것임이 인식될 것이다. 전술한 바와 같이, MEMS 기반 스위치는 퓨즈의 사용을 불필요하게 만든다.
예시적 실시예에서, 제 1 브랜치(251)는 VFD(215)와 직렬로 드라이브 MEMS 스위치(210)를 포함할 수 있다. 제 1 브랜치는 드라이브 MEMS 스위치(210) 및 VFD(215)와 직렬로 절연 MEMS 스위치(230)를 더 포함할 수 있다. 예시적 실시예에 서, 절연 MEMS 스위치(230)는 이후에 더 논의되는 바와 같은 바이패스 동작 동안 VFD(215)의 전원을 완전히 차단하도록 구현된다.
제 2 브랜치(252)는 바이패스 MEMS 스위치(220)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 브랜치(251, 252)는 병렬 회로(150)를 형성한다. 언급된 바와 같이, 예시적 실시예에서, 드라이브 MEMS 스위치(210) 및 VFD(215)는 서로 전기적으로 직렬이다. 드라이브 MEMS 스위치(210) 및 VFD(215)의 직렬 구성은 바이패스 MEMS 스위치(220)에 전기적으로 병렬이다.
예시적 실시예에서, VFD(215)는 부하 모터(205)에 가변 속도 제어를 제공하는 전자 디바이스이다. HVAC 애플리케이션용 VFD(215)는 핵심 전자기기 이외에 여러 개의 보조 전력 취급 콤포넌트를 포함하여 완전한 기능을 제공한다. 전술한 바와 같이, 예시적 실시예에서, VFD(215)는 VFD(215)의 폴트 다운스트림을 위해 감소된 이상 전류를 가지며, VFD(215)의 동작 요건을 감소시킬 수 있다.
주 차단기 MEMS 스위치(225)는 병렬 회로(250)의 병렬 회로(250) 업스트림에 더 연결될 수 있다. 주 차단기 MEMS 스위치(225)는 부하 모터(205) 및 VFD(215)를 포함하는 모든 다운스트림 콤포넌트에 대해 절연, 보호 및 제어 기능을 제공한다. 주 차단기 MEMS 스위치(225)는 스위칭 기능 및 전류 제한 기능을 더 제공할 수 있다.
주 차단기 MEMS 스위치(225)는 턴 오프 및 전류 제한을 위한 HALT와 턴 온을 위한 PATO와 같은 것을 포함할 수 있다. HALT 및 PATO는 본 명세서에서 더 논의된다. 예시적 실시예에서, 주 차단기 MEMS 스위치(205)는 HVAC 시스템(200) 내의 어 느 곳에서든 폴트가 검출될 때마다 적극적 전류 제한 작용 및 총 전류 차단을 제공한다. 예시적 실시예에서, 폴트의 위치에 따라, 다른 MEMS 콤포넌트(예컨대, 드라이브, 바이패스 및 절연 MEMS 스위치(210, 220, 230 등))는 폴트를 절연시키기 위해 재구성된다. 폴트가 그렇게 졀연될 수 있다면, 주 차단기 MEMS 스위치(225)는 신속하게 재폐쇄된다. 전체적인 이벤트 시퀀스는 1/2 사이클이 걸릴 수 있다.
다른 예시적 실시예에서, (정상 동작에서 바이패스 동작 또는 바이패스 동작에서 정상 동작으로의) 재구성 동작의 경우, 전술한 기능은 유사하다. 예시적 실시예에서, 주 차단기 MEMS 스위치(225)는 1/2 사이클 동안 전력을 차단하지만, 재구성 콤포넌트(에컨대, 드라이브 및 바이패스 MEMS 스위치(110, 120))는 재구성된다. 그 다음, 전원은 이후에 1/2 사이클 복원된다.
전술한 바와 같이, 예시적 실시예에서, 각각의 드라이브, 바이패스, 절연 및 주 차단기 MEMS 스위치(210, 220, 230, 235)는 각각 제어 회로(72)를 포함하여, 개별적인 MEMS 스위치(210, 220, 230, 225)가 본 명세서에서 설명된 바와 같은 스위치 상태에 따라 독립적으로 제어될 수 있게 한다. 예를 들어, 주 차단기 MEMS 스위치(225)는 부하 모터(105) 및 VFD(215)에 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 단락 회로 조건인 스위치 상태에서 제어 회로(72)를 포함할 수 있다.
예시적 실시예에서, 제어 회로(72)는 주 차단기 MEMS 스위치(225)를 통하는 것과 같이 HVAC 시스템 전류 경로를 통과하는 전기 전류에 관한 파라미터를 측정하고, 측정된 파라미터를 전기 전류의 양 및 과전류 이벤트의 시간의 양과 같은 스위치 상태에 대응하는 것과 비교하도록 구성된다. 단락 회로를 나타낼 정도로 충분 히 큰 크기의 전기 전류의 순시 증가에 따른 전기 전류의 파라미터에 대한 응답으로, 제어 회로(72)는 주 차단기 MEMS 스위치(225)가 개방되게 하고 주 차단기 MEMS 스위치(225)로부터 HALT 디바이스(14)(도 1에 가장 잘 나타남)로의 단락 회로 에너지 전달을 야기하고 그에 의해 전류 경로를 통과하는 전기 전류의 차단을 용이하게 하는 신호를 생성한다. 추가로, 정의된 시한 과전류 폴트를 나타낼 수 있는 단락 회로부터 작은 크기의 전기 전류 증가의 정의된 듀레이션과 같은 파라미터에 대한 응답으로, 제어 회로(72)는 마찬가지로 주 차단기 MEMS 스위치(225)가 개방되게 하고 전기 전류를 차단시키는 신호를 생성한다.
예시적 실시예에서, 주 차단기 MEMS 스위치(225)는 전술한 HALT 아크 억업 회로(14), 전압 완충 회로(33), 및 소프트-스위칭 시스템(11)(또한, 본 명세서에서 소프트 스위칭 회로로도 지칭됨) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. HALT 아크 억압 회로(14), 전압 완충 회로(33) 및 소프트 스위칭 회로(11)는 개별적인 회로일 수도 있고 또는 제어 회로(72) 내에 통합될 수도 있음이 인지될 것이다. 예시적 실시예에서, 드라이브, 바이패스 및 절연 MEMS 회로(210, 220, 230)는 HALT 아크 억압 회로(14)와 같은 자가 보호 기능의 사용을 허가할 정도로 충분히 높은 전류에는 노출되지 않는다. 이와 같이, 드라이브, 바이패스 및 절연 MEMS 회로(210, 220, 230)(또는 마이크로스위치 어레이)는 HALT 또는 PATO와 같은 다른 자가 보호 기능에 대한 필요성 없이도 동작할 수 있는데, 이는 그러한 기능들이 주 차단기 MEMS 스위치(225)에 의해 제공되기 때문이다. 따라서, 드라이브, 바이패스 및 절연 MEMS 회로(210, 220, 230)는 그들이 냉스위칭될 수 있고 일반적으로 높은 내 전 류(high withstand current)(즉, 통과 허용 전류)를 경험하지 않기 때문에 매우 간단할 수 있다. 그러나, 예시적 실시예에서, 드라이브 및 바이패스 mems 스위치는 또한 HALT 억압 회로(14), 전압 완충 회로(33) 및 소프트 스위칭 시스템(11) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 잇다.
예시적 실시예에서, VFD(215)의 바이패스는 드라이브, 바이패스 및 절연 MEMS 회로(210, 220, 230)로 달성된다. VFD(215)를 사용하기 위해, 제어 회로는 드라이브 MEMS 스위치(210)를 폐쇄하여, VFD(215)를 활성화시키도록 구현된다. VFD(215)에 대해 고유한 별도의 전기기기는 희망하는 애플리케이션에 따라 드라이브 주파수를 변화시키도록 구현될 수 있다. 설명되는 VFD(215)를 사용할 때, 바이패스 MEMS 스위치(220)에 대한 제어 회로는 바이패스 MEMS 스위치(220)를 개방하도록 구현된다. 이러한 방법으로, 어떠한 전류도 제 2 브랜치(252)를 흐르지 않는다. 마찬가지로, 전원 시스템으로부터 부하 모터(205)에 직접 에너지를 공급하는 것이 바람직할 때, 드라이브 MEMS 스위치(210)는 개방되고, 바이패스 MEMS 스위치(220)는 폐쇄된다. 최고 속도로 부하 모터(205)를 실행시키는 것이 바람직할 때의 구현예와 같이 VFD(215)를 구동시킬 필요가 없음이 인식될 것이다.
다른 예시적 실시예에서, VFD(215)의 에너지를 완전히 차단하기 위해, 바이패스 MEMS 스위치가 설명된 바와 같이 폐쇄될 수 있다. 추가로, 드라이브 MEMS 스위치(210)가 개방될 수 있다. 또한, 절연 MEMS 스위치(230)는 더 개방될 수 있고, 그 결과는 VFD(215)의 완전한 절연이다. 전술한 바와 같이, 각각의 제어 회로(72)는 스위치 상태를 트리거(즉, 바이패스 MEMS 스위치(220)를 폐쇄하고, 드라이브 MEMS 스위치(210) 및 절연 MEMS 스위치(230)를 개방하는 등)하도록 구현됨이 인식될 것이다.
예시적 실시예에서, 제어 회로(72)의 기능은, 예를 들어 스위치 상태의 트립 파라미터에 기초하여 트립-시간 곡선을 세팅하는 것과 같은 시간 기반 결정을 더 포함할 수 있다. 제어 회로(72)는 전압 및 전류 측정, 각 MEMS 스위치의 프로그래밍가능성 또는 조절가능성, 각 MEMS 스위치의 폐쇄/재폐쇄 로직 제어, 및 주 차단기 MEMS 스위치(225)의 경우에는 HALT 디바이스(14)의 상호 작용을 더 제공하여, 예컨대 아크 현상 없는 냉 스위칭(cold switching) 또는 스위칭을 제공한다. 제어 회로(72)의 파워 유입은 최소이며, 어떠한 추가적인 외부 파워 서플라이도 제공할 필요 없이 라인 입력에 의해 제공될 수 있다. 본 명세서에 설명된 제어 회로(72) 및 MEMS 스위치는 교류(AC) 또는 직류(DC) 중 어느 하나와 함께 사용되도록 구성될 수 있다.
전술한 관점에서 볼 때, 본 명세서에 설명된 HVAC 시스템의 실시예는 주 회로 차단기, 콘택터를 포함한 모든 종래의 HVAC 콤포넌트를 제거할 수 있음이 인지될 것이다. 그들의 기능은 MEMS 스위치 및 마이크로스위치 어레이로 달성될 수 있다. 스위치 및 어레이는 보다 더욱 신뢰할 수 있고, 조용하며, 소형이고, 경량으로, 폴트 동안 보다 양호한 보호 기능과 함께 등가의 보호 및 바이패스 기능을 달성할 수 있다.
본 발명은 예시적 실시예를 참조하여 설명되고 있지만, 당업자라면 본 발명의 범주로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 그것의 소정 엘 리먼트가 등가물로 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 추가로, 본 발명의 기본적인 범주로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 교시 내용에 특정한 상황 또는 물질을 적응시키는 여러 가지 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실행하기 위해 고려되는 최선의 모드 또는 유일한 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되는 것이 아니라 본 발명이 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 있는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다. 또한, 도면 및 설명에는 본 발명의 예시적 실시예가 개시되어 있으며, 특정 용어들이 채용되었을 수 있다 하더라도, 달리 언급되지 않는다면, 그들은 오로지 일반적이고 설명적인 관점에서만 사용되고 제한을 위해서는 사용되지 않으며, 따라 발명의 범주는 그와 같이 제한되지 않는다. 더욱이, 제 1, 제 2 등의 용어의 사용은 어떠한 순서 또는 중요성을 언급한 것이 아니라, 오히려 하나의 엘리먼트를 다른 엘리먼트와 구별하는 데 사용된다. 또한, 소정 구성요소의 단수 표현은 그 구성요소의 수량 제한을 나타낸 것이 아니라, 참조된 항목 중 적어도 하나의 항목이 존재함을 나타낸 것이다.

Claims (20)

  1. 부하 모터와,
    주 차단기 마이크로전자기계식 시스템(micro electromechanical system: MEMS) 스위치와,
    상기 부하 모터와 상기 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 배치되고, 상기 부하 모터 및 상기 주 차단기 MEMS 스위치에 전기적으로 연결되는 가변 주파수 드라이브(VFD)를 포함하는
    HVAC 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 모터와 상기 VFD 사이에 배치되고, 상기 부하 모터 및 상기 VFD에 전기적으로 연결되는 드라이브 MEMS 스위치를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 드라이브 MEMS 스위치는 상기 VFD를 구동하는 폐쇄 상태 및 상기 VFD를 바이패스시키는 개방 상태 중 적어도 하나를 포함하는 스위치 상태에 의해 트리거 되는
    HVAC 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 드라이브 MEMS 스위치 및 상기 VFD는 전기적으로 직렬인
    HVAC 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 VFD 및 상기 드라이브 MEMS 스위치에 전기적으로 병렬인 바이패스 MEMS 스위치를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이패스 MEMS 스위치는 상기 VFD를 바이패스시키는 폐쇄 상태 및 상기 VFD를 구동하는 개방 상태 중 적어도 하나를 포함하는 스위치 상태에 의해 트리거되는
    HVAC 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 VFD는 상기 드라이브 MEMS 스위치와 절연 MEMS 스위치 사이에 배치되는
    HVAC 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 드라이브 및 절연 MEMS 스위치들은 상기 VFD의 전원을 전기적으로 차단하는 개방 상태로 트리거되는
    HVAC 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 차단기 MEMS 스위치에 전기적으로 연결된 제어 회로를 더 포함하되, 상기 제어 회로는 상기 주 차단기 MEMS 스위치에서 트리거되는 스위치 상태를 용이하게 하는
    HVAC 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 차단기 MEMS를 트리거시키는 스위치 상태에 대한 응답으로 상기 주 차단기 MEMS 스위치와 전기적으로 통신하여 상기 주 차단기 MEMS 스위치로부터의 전기적 에너지의 전달을 수신하도록 배치되는 하이브리드 아크리스 제한 기술(Hybrid Arcless Limiting Technology: HALT) 아크 억압 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 차단기 MEMS 스위치에 전기적으로 연결된 전압 완충 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 차단기 MEMS 스위치의 상태 변경을 동기화시키는 소프트-스위칭 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  13. 부하 모터와,
    주 차단기 마이크로 전자기계식 시스템(MEMS) 스위치와,
    상기 부하 모터와 상기 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 연결된 제 1 MEMS 스위치 브랜치와,
    상기 부하 모터와 상기 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 연결되고, 상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치에 전기적으로 병렬 구성되는 제 2 MEMS 스위치 브랜치와,
    상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치된 가변 주파수 드라이브(VFD)와,
    상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되고 상기 VFD와 전기적으로 직렬인 드라이브 MEMS 스위치와,
    상기 제 2 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치된 바이패스 MEMS 스위치를 포함하는
    HVAC 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치 각각에 연결되고, 상 MEMS 스위치에서 트리거되는 스위치 상태를 용이하게 하는 제어 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 스위치 상태는 단락 회로 및 VFD 제어 중 적어도 하나를 포함하는
    HVAC 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 주 차단기 MEMS를 트리거시키는 스위치 상태에 대한 응답으로 상기 주 차단기 MEMS 스위치와 전기적으로 통신하여 상기 주 차단기 MEMS 스위치로부터의 전기적 에너지의 전달을 수신하도록 배치되는 하이브리드 아크리스 제한 기술(Hybrid Arcless Limiting Technology: HALT) 아크 억압 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  17. 부하 모터와,
    주 차단기 마이크로전자기계식 시스템(MEMS) 스위치와,
    상기 부하 모터와 상기 주 차단기 MEMS 스위치 사이에 연결된 제 1 MEMS 스위치 브랜치와,
    상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되는 드라이브 MEMS 스위치와,
    상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되는 절연 MEMS 스위치와,
    상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치 상에서 상기 드라이브 MEMS 스위치와 상기 절연 MEMS 스위치 사이에 직렬로 배치되는 가변 주파수 드라이브(VFD)와,
    상기 부하 모터와 상기 주 차단기 MEMS 스위이 사이에 배치되고, 상기 제 1 MEMS 스위치 브랜치에 전기적으로 병렬 구성되는 제 2 MEMS 스위치 브랜치와,
    상기 제 2 MEMS 스위치 브랜치 상에 배치되는 바이패스 MEMS 스위치를 포함하는
    HVAC 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 MEMS 스위치 각각에 연결되고 상기 MEMS 스위치에서 트리거되는 스위치 상태를 용이하게 하는 제어 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 스위치 상태는 단락 회로 및 VFD 제어 중 적어도 하나를 포함하는
    HVAC 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 주 차단기 MEMS를 트리거시키는 스위치 상태에 대한 응답으로 상기 주 차단기 MEMS 스위치와 전기적으로 통신하여 상기 주 차단기 MEMS 스위치로부터의 전기적 에너지의 전달을 수신하도록 배치되는 하이브리드 아크리스 제한 기술(Hybrid Arcless Limiting Technology: HALT) 아크 억압 회로를 더 포함하는
    HVAC 시스템.
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