KR20120079452A - 미세 전자기계 시스템 어레이를 포함하는 전력 스위칭 시스템 - Google Patents

미세 전자기계 시스템 어레이를 포함하는 전력 스위칭 시스템 Download PDF

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Abstract

스위칭 시스템(4)은 다이오드 브리지를 형성하는 복수의 다이오드, 및 복수의 다이오드에 밀접하게 결합된 미세 전자기계 시스템(MEMS) 스위치 어레이(12)를 포함한다. MEMS 스위치 어레이(12)는 (M x N) 어레이에서 전기적으로 연결된다. (M x N) 어레이는 제 2 MEMS 스위치 레그(44)와 전기적으로 병렬로 연결된 제 1 MEMS 스위치 레그(40)를 포함한다. 제 1 MEMS 스위치 레그(40)는 전기적으로 직렬로 연결된 제 1 복수의 MEMS 다이를 포함하며, 제 2 MEMS 스위치 레그(44)는 전기적으로 직렬로 연결된 제 2 복수의 MEMS 다이를 포함한다.

Description

미세 전자기계 시스템 어레이를 포함하는 전력 스위칭 시스템{POWER SWITCHING SYSTEM INCLUDING A MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM(MEMS) ARRAY}
본 명세서에 개시된 내용은 전력 스위칭 시스템 기술에 관한 것으로서, 특히 미세 전자기계 시스템 어레이(Micro-ElectroMechanical System(MEMS) array)를 포함하는 전력 스위칭 시스템에 관한 것이다.
전기 시스템은 전류 흐름을 단속하기 위해 접점을 사용한다. 접점은 전류 흐름을 통과시키기 위해 폐쇄되며, 전류 흐름을 차단하기 위해 개방된다. 일반적으로, 접점은 접촉기, 회로 차단기, 전류 단속기, 또는 다른 전기 장치에 사용될 수 있다. 접촉기는 명령에 의해 전기적 부하를 켜고 끄도록 설계된 전기 장치다. 전통적으로, 전기기계 접촉기는 모터, 전등 등과 같은 다양한 전기적 부하의 동작을 제어하기 위해 사용된다. 그들의 정격에 따라, 전기적 접촉기는 다양한 레벨의 스위칭 전류를 취급할 수 있다. 종래의 전기기계 접촉기는 비교적 느리다. 특히, 전기기계 접촉기는 고장 상태에서 접점을 개방하기 위해 상당한 시간이 걸린다. 고장 상태에서, 접점 수단을 개방하기 위해 더 많은 시간이 걸릴수록 더 많은 고장 전류가 회로를 통과한다. 따라서, 전기기계 접촉기는 높은 고장 전류 성능이 가능한 가장 나쁜 고장 전류 시나리오를 처리하도록 설계된다. 높은 고장 전류를 운반할 필요가 있는 경우에, 종래 전기기계 접촉기는 매우 부피가 크다.
느린 기계적 및 전기기계적 스위치에 대한 대안으로, 빠른 고체 상태 스위치가 고속 스위칭 응용에서 사용되어 왔다. 이해되는 바와 같이, 고체 상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어된 인가를 통해 도통 상태와 비도통 상태 사이에서 절환된다. 예를 들어, 고체 상태 스위치에 역 바이어스를 인가함에 의해 스위치는 비도통 상태로 천이될 수 있다. 종래의 고체 상태 스위치는 여전히 원하는 속도가 결핍되어 있다. 따라서, 고체 상태 스위치는 어떤 고장이 감지되어 스위치가 개방되기 전에 더 많은 고장 전류가 흐르도록 허용한다.
전류 흐름 중에 전류를 단속하면 일반적으로 바람직하지 않은 아크나 전기 섬광이 발생된다. 아크와 섬광을 줄이기 위해, 전기기계 및 고체 상태 스위치는 교류(AC) 시스템의 경우에 전류의 영 교차에서 고장 상태를 감지할 때 접점을 개방하여 절환된다. 반면, 직류(DC)는 일반적으로 영 교차점을 가지지 않는다. 따라서, 고장 상태를 제거하는 것은 상당한 도전이다. 그 결과, 직류 시스템에서, 아크는 어떤 중단의 경우에 발생한다.
현재, 미세 전자기계 시스템 스위치가 스위칭 시스템에서 사용되는 것이 고려되고 있다. 현재, 미세 전자기계 시스템은 일반적으로 마이크로 제조 기술을 통해 공통 기판 상에 예를 들어 다수의 기능적으로 구별되는 구성요소들, 예를 들어 기계 구성요소들, 전기기계 구성요소들, 센서들, 액츄에이터들, 및 전자요소들을 집적할 수 있는 미크론 규모의 구조를 지칭한다. 미세 전자기계 시스템 스위치는 교류 및 직류 응용에 모두 적절한 빠른 응답 시간을 제공한다. 그러나, 미세 전자기계 시스템 스위치는 아크 발생에 민감하다. 아크 발생을 완화시키기 위해, 미세 전자기계 시스템 스위치는 하이브리드 무아크 방지 기술(hybrid Arcless Limiting Technlogy(HALT)) 회로 및 펄스 지원 턴온(Pulse-Assisted Turn On(PATO)) 회로와 병렬로 연결된다. HALT 회로는 미세 전자기계 시스템 스위치의 무아크 개방을 용이하게 해줌에 비하여, PATO 회로는 미세 전자기계 시스템 스위치의 무아크 폐쇄를 용이하게 해준다.
예시적인 실시예의 일 양상에 따르면, 스위칭 시스템은 다이오드 브리지를 형성하는 복수의 다이오드, 및 복수의 다이오드에 밀접하게 결합된 미세 전자기계 시스템(Micro-ElectroMechanical System(MEMS)) 스위치 어레이를 포함한다. 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이는 (M x N) 어레이 내에서 전기적으로 연결된다. (M x N) 어레이는 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그와 전기적으로 병렬로 연결된 제 1 미세 전자기계 시스템 스위치 레그를 포함한다. 제 1 미세 전자기계 시스템 스위치 레그는 전기적으로 직렬로 연결된 제 1 복수의 미세 전자기계 시스템 다이를 포함하며, 상기 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그는 전기적으로 직렬로 연결된 제 2 복수의 미세 전자기계 시스템 다이를 포함한다.
예시적인 실시예의 다른 양상에 따르면, 모터를 시동하는 방법은 모터로의 전류 경로를 차단하기 위해 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이에 전기적으로 병렬로 연결된 PATO 회로에 전기에너지를 전달하는 단계를 포함하며, 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이는 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그에 병렬로 연결된 제 1 미세 전자기계 시스템 스위치 레그를 포함한다. 제 1 및 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그 각각은 (M x N) 어레이를 설정하기 위해 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 미세 전자기계 시스템 다이를 포함한다. 방법은 또한 모터로의 전류 경로를 설정하기 위해 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이에 병렬로 연결된 HALT 회로로 전기에너지를 전달하는 단계를 포함한다.
이러한 그리고 다른 장점 및 특징은 첨부 도면과 연계되어 이루어진 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명으로 간주되는 내용은 본 명세서의 끝 부분에 있는 청구범위에 특별히 지적되며 구별되도록 청구된다. 본 발명의 전술한 그리고 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 연계되어 이루어진 다음의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 미세 전자기계 시스템 기반 스위치 시스템을 포함하는 모터 스타터의 개략적인 회로도이다.
상세한 설명은 도면을 참조하여 예로서 장점 및 특징과 함께 본 발명의 실시예를 설명한다.
예시적인 실시예에 따른 모터 시동 시스템이 일반적으로 도 1의 2에 표시된다. 모터 시동 시스템(2)은 전압원(6) 및 전기적 부하(8)에 동작 가능하게 연결된 스위칭 시스템(4)을 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서 전기적 부하(8)는 전기 모터(10)로 설명되지만, 전기적 부하(8)는 청구범위의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 형태를 취할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 스위칭 시스템(4)은 전압원(6)을 전기적으로 전기 모터(10)와 연결하기 위해 미세 전자기계 시스템(MEMS) 스위치를 사용한다. 미세 전자기계 시스템 기반 스위치의 사용은 스위칭 시스템(4)이 매우 간소한 형상 인자를 사용해서 구성될 수 있게 해준다.
현재, 미세 전자기계 시스템은 일반적으로 마이크로 제조 기술을 통해 공통 기판 상에 예를 들어 다수의 기능적으로 구별되는 구성요소들, 예를 들어 기계 구성요소들, 전기기계 구성요소들, 센서들, 액츄에이터들 및 전자요소들을 집적할 수 있는 미크론 규모의 구조를 지칭한다. 그러나, 미세 전자기계 시스템 장치에서 현재 사용 가능한 많은 기법 및 구조가 단지 몇 년 내에 나노기술 기반 장치, 예를 들어 크기가 100 나노미터 보다 작을 수 있는 구조를 통해 이용 가능할 것으로 생각된다. 따라서, 이 문서를 통해 설명된 예시적 실시예가 미세 전자기계 시스템 기반 스위칭 장치를 지칭한다고 할지라도, 실시예는 넓게 해석되어야 하며 미크론 크기의 장치에 한정되지 않아야 하다는 점이 언급된다.
예시적인 실시예에 따르면, 스위칭 시스템(4)은 복수의 코너 다이오드(20-23)에 밀접하게 결합되어 있는 한편 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)가 균형 다이오드 브리지(별도로 참조번호가 부여되지 않음)의 중앙 지점(별도로 참조번호가 부여되지 않음)에서 연결되도록 연결되어 있는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)를 포함한다. 용어 "밀접하게 결합되어 있는"은 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)가 루프 영역과 연관된 부유 인덕턴스에 의해 생성된 전압을 약 1V 미만으로 제한하기 위해 가능한 한 작은 루프 영역을 갖는 코너 다이오드(20-23)에 결합되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 루프 영역은 각각의 미세 전자기계 시스템 장치 또는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12) 내의 다이 및 다이오드 브리지 사이의 면적으로 정의된다. 예시적인 실시예의 일 양상에 따르면, 스위칭 이벤트 중에 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)를 가로지르는 유도 전압 강하는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12) 및 코너 다이오드(20-23) 사이의 작은 루프 인덕턴스를 유지함에 의해 제어된다. 스위칭 중에 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)를 가로지르는 유도 전압은 세가지 요인에 의해 결정된다: 부유 인덕턴스의 레벨을 설정하는 루프 영역의 길이, 둘째, 병렬 레그(leg)마다 약 1A와 약 10A 사이의 미세 전자기계 시스템 스위치 전류, 및 셋째, 약 1μsec인 미세 전자기계 시스템 스위칭 시간.
예시적인 실시예의 일 양상에 따르면, 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12) 내의 각각의 다이는 10A의 전류를 운반하며, 약 1마이크로초 내에 절환될 수 있다. 예시적인 양상에 따르면, 다이오드 브리지로 전달되는 총 전류는 다이 성능의 2배 또는 20A가 될 것이다. 수식 V = L*di/dt가 주어진다면, 부유 인덕턴스는 약 50nH 이하로 유지될 것이다. 그러나, 만일 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이 내의 각각의 다이가 1A를 운반하도록 구성되었다면, 부유 인덕턴스는 약 500nH에 이를 것이다.
더욱 예시적인 실시예에 따르면, 원하는 루프 영역이 예를 들어 칩의 일 측에 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)를 장착하며 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12) 바로 반대편의 칩의 다른 측에 코너 다이오드(20-23)를 장착함에 의해 달성될 수 있다. 다른 예에 따르면, 이하에서 더욱 충분히 설명되는 바와 같이, 코너 다이오드(20-23)는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)의 미세 전자기계 시스템 스위치의 두 개의 평행한 장치 사이에서 직접 위치될 수 있다. 또 다른 예에 따르면, 코너 다이오드(20-23)는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12) 내의 미세 전자기계 시스템 다이의 하나 이상 내에 일체적으로 형성될 수 있다. 어떤 경우에도, 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)와 코너 다이오드(20-23)의 특정 어레이는 루프 영역 및 나아가 인덕턴스가 가능한 한 작게 유지되는 동안 변화할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 코너 다이오드(20-23)를 사용하는 것으로 설명되었지만, 용어 "코너(corner)"는 다이오드의 물리적인 위치에 한정되지 않으며 본 명세서에 개시된 유도 커플링의 바람직한 정도로 귀결되는 다이오드의 배치에 더 관련된다는 점이 이해될 것이다. 특히, 코너 다이오드(20-23)는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)가 코너 다이오드(20-23)의 중간 지점을 가로질러 연결되도록 연결된다.
코너 다이오드(20-23)는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)를 통과하는 부하 전류에 낮은 임피던스 경로를 제공하기 위해 균형 다이오드 브리지에 배열된다. 따라서, 코너 다이오드(20-23)는 그 후 시간에 따른 전압 변화, 즉 미세 전자기계 시스템 어레이(12)를 가로지르는 전압 스파이크를 제한하는 인덕턴스를 제한하도록 배열된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 균형 다이오드 브리지는 제 1 분기(24)와 제 2 분기(25)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "균형 다이오드 브리지(balanced diode bridge)"는 각각의 분기(24, 25)에서의 전류가 대체로 동일할 때 제 1 및 제 2 분기(24 및 25)를 가로지르는 전압 강하가 대체로 일정하도록 구성되는 다이오드 브리지를 설명한다. 제 1 분기(24), 다이오드(20) 및 다이오드(21)가 제 1 직렬 회로(별도로 참조번호가 부여되지 않음)를 형성하도록 서로 결합된다. 유사한 방식으로, 제 2 분기(25)는 제 2 직렬 회로(또한 별도로 참조번호가 부여되지 않음)를 형성하도록 작동 가능하게 서로 결합된 다이오드(22) 및 다이오드(23)를 포함한다. 균형 다이오드 브리지는 또한 전압원(6) 및 부하(8)와 연결된 연결점(34 및 35)을 포함하도록 도시된다.
더욱 예시적인 실시예에 따르면, 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)는 직렬(M)로 연결된 제 1 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(leg)(40), 및 역시 직렬(M)로 연결된 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(44)를 포함한다. 특히, 제 1 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(40)는 직렬로 연결된 제 1 미세 전자기계 시스템 다이(47), 제 2 미세 전자기계 시스템 다이(48), 제 3 미세 전자기계 시스템 다이(49), 및 제 4 미세 전자기계 시스템 다이(50)를 포함한다. 마찬가지로, 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(44)는 직렬로 연결된 제 5 미세 전자기계 시스템 다이(57), 제 6 미세 전자기계 시스템 다이(58), 제 7 미세 전자기계 시스템 다이(59), 및 제 8 미세 전자기계 시스템 다이(60)를 포함한다. 여기에서, 각각의 미세 전자기계 시스템 다이(47-50 및 57-60)는 다수의 미세 전자기계 시스템 스위치를 포함하도록 구성될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예시적인 실시예의 일 양상에 따르면, 각각의 미세 전자기계 시스템 다이(47-50 및 57-60)는 50 - 100개의 미세 전자기계 시스템 스위치를 포함한다. 그러나, 각각의 다이(47-50 및 57-60)에 대한 스위치 개수는 변할 수 있다. 제 1 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(40)는 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(44)에 병렬(N)로 연결된다. 이러한 배치를 이용하여, 제 1 및 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 레그(40, 44)는 도시된 예시적인 실시예에서 (4 x 2) 어레이인 (M x N) 어레이를 형성한다. 물론, 직렬(M) 및 병렬(N)로 연결된 미세 전자기계 시스템 스위치 다이의 개수는 변할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
각각의 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)는 유사한 연결을 포함하기 때문에, 나머지 미세 전자기계 시스템 스위치(48-50 및 57-60)이 해당 연결을 포함한다는 이해 하에서 설명이 미세 전자기계 시스템 스위치(47)를 참조해서 이어진다. 미세 전자기계 시스템 스위치(47)는 제 1 연결(70), 제 2 연결(71), 제 3 연결(72), 및 제 4 연결(73)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 제 1 연결(70)은 드레인 연결로 구성될 수 있고, 제 2 연결(71)은 소스 연결로 구성될 수 있으며, 제 3 및 제 4 연결(73 및 74)은 게이트 연결로 구성될 수 있다. 게이트 연결(73 및 74)은 미세 전자기계 시스템 스위치(57) 및 제 1 게이트 드라이버(75)로 연결될 수 있다. 제 1 게이트 드라이버(75)는 미세 전자기계 시스템 스위치(47과 48, 및 57과 58)와 관련된다. 제 2 게이트 드라이버(76)는 미세 전자기계 시스템 스위치(49와 50, 및 59 및 60)와 관련된다. 각각의 게이트 드라이버(75, 76)는 도시된 바와 같이 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)에 전기적으로 결합된 다수의 분리된 출력(별도로 참조번호가 부여되지 않음)을 포함한다. 제 1 및 제 2 게이트 드라이버(75 및 76)는 또한 제어기(80)로부터 신호를 수신하도록 연결된 제어 로직 입력(78)을 포함한다. 이러한 배치를 이용하여, 게이트 드라이버(75 및 76)는 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50, 및 57-60)의 상태(개방/폐쇄)를 선택적으로 변경시키기 위한 수단을 제공한다.
더욱 예시적인 실시예에 따르면, 스위칭 시스템(4)은 제 1 및 제 2 미세 전자기계 시스템 스위치 다이(40 및 44)에 연결된 복수의 등급부여 네트워크를 포함한다. 특히, 스위칭 시스템(4)은 제 1 및 제 5 미세 전자기계 시스템 스위치(47 및 57)에 전기적으로 병렬로 연결된 제 1 등급부여 네트워크(90), 제 2 및 제 6 미세 전자기계 시스템 스위치(48 및 58)에 전기적으로 병렬로 연결된 제 2 등급부여 네트워크(91), 제 3 및 제 7 미세 전자기계 시스템 스위치(49 및 59)에 전기적으로 병렬로 연결된 제 3 등급부여 네트워크(92), 및 제 4 및 제 8 미세 전자기계 시스템 스위치(50 및 60)에 전기적으로 병렬로 연결된 제 4 등급부여 네트워크(93)를 포함한다.
제 1 등급부여 네트워크(90)는 제 1 캐패시터(96)에 병렬로 연결된 제 1 저항(95)을 포함한다. 제 1 저항(95)은 약 10K오옴의 값을 가지며, 제 1 캐패시터(96)는 약 0.1㎌의 값을 가진다. 물론, 제 1 저항(95)과 제 1 캐패시터(96)의 값이 변할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 제 2 등급부여 네트워크(91)는 제 2 캐패시터(100)에 병렬로 연결된 제 2 저항(99)을 포함한다. 제 2 저항(99) 및 제 2 캐패시터(100)는 각각 제 1 저항(95) 및 제 1 캐패시터(96)와 각각 유사하다. 제 3 등급부여 네트워크(92)는 제 3 저항(103) 및 제 3 캐패시터(104)를 포함한다. 제 3 저항(103) 및 제 3 캐패시터(104)는 각각 제 1 저항(95) 및 제 1 캐패시터(96)와 유사하다. 마지막으로, 제 4 등급부여 네트워크(93)는 제 4 저항(107) 및 제 4 캐패시터(108)를 포함한다. 제 4 저항(107) 및 제 4 캐패시터(108)는 각각 제 1 저항(95) 및 제 1 캐패시터(96)와 유사하다. 등급부여 네트워크(90-93)는 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)의 해당하는 것들의 위치를 변경하는데 도움을 준다. 특히, 등급부여 네트워크(90-93)는 직렬로 연결된 각각의 미세 전자기계 시스템 구성요소를 가로질러 균일한 전압 분포를 보장한다.
스위칭 시스템(4)은 또한 제 1 중간 분기 회로(110), 제 2 중간 분기 회로(111), 제 3 중간 분기 회로(112), 제 4 중간 분기 회로(113), 제 5 중간 분기 회로(114), 및 제 6 중간 분기 회로(115)를 포함하도록 도시된 다. 중간 분기 회로(110-115)는 균형 다이오드 브리지의 제 1 및 제 2 게이트 드라이버(75 및 76) 및 제 1 및 제 2 분기(24 및 25)의 해당하는 것들 사이에 전기적으로 연결된다. 특히, 제 1, 제 2 및 제 5 중간 분기 회로(110, 111 및 114)는 제 1 분기(24) 및 제 1 등급부여 네트워크(90) 사이에 연결되며; 및 제 3, 제 4, 및 제 6 중간 분기 회로(112, 113, 및 115)는 제 2 분기(25) 및 제 3 등급부여 네트워크(92) 사이에 연결된다.
제 1 중간 분기(110)는 제 1 중간 다이오드(133) 및 제 1 중간 저항(134)을 포함한다. 용어 "중간 다이오드"는 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12) 전체를 가로질러 연결된 코너 다이오드와 대조적으로 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이(12)의 단지 일부분을 가로질러 연결된 다이오드를 의미하도록 이해되어야 한다. 제 2 중간 분기(111)는 제 2 중간 다이오드(136)와 제 2 중간 저항(137)을 포함한다. 제 3 중간 분기(112)는 제 3 중간 다이오드(140) 및 제 3 중간 저항(141)을 포함하며, 제 4 중간 분기(113)는 제 4 중간 다이오드(144) 및 제 4 중간 저항(145)을 포함한다. 제 5 중간 분기(114)는 제 5 중간 다이오드(147) 및 제 5 중간 저항(148)을 포함한다. 마지막으로, 제 6 중간 분기 회로(115)는 제 6 중간 다이오드(150) 및 제 6 중간 저항(151)을 포함한다. 중간 분기 회로(110-115)에서의 저항과 다이오드의 배치는 중간 분기(110-115)를 통과하는 전류 흐름이 낮게 유지되어 그 결과 중간 분기(110-115)에 연결된 다이오드의 낮은 정격에 대비할 수 있도록 보장한다. 이러한 방식으로, 중간 다이오드의 비용 및 크기가 낮게 유지된다. 따라서, (M x N) 미세 전자기계 시스템 어레이 스위치에서, 오직 코너 다이오드(20-23)가 높은 전류 정격, 즉 고장 상태에서 부하를 통해 흐르는 가능한 가장 나쁜 전류의 범위에 있는 전류 정격을 유지할 필요가 있다. 반면에 미세 전자기계 시스템 어레이의 다른 모든 다이오드는 훨씬 작은 전류 정격을 가질 수 있다.
스위칭 시스템(4)은 또한 단일 HALT/PATO 회로(164)를 포함하도록 도시된다. 즉, 각각의 미세 전자기계 시스템 부재에 대해 별개의 HALT/PATO 회로를 필요로 하는 미세 전자기계 시스템 배치에 대조적으로, 예시적인 실시예는 미세 전자기계 시스템 어레이(12)에 대해 오직 단일 HALT/PATO 회로를 사용한다. HALT/PATO 회로(164)는 균형 다이오드 브리지의 제 1 분기(24)에 전기적으로 연결된 제 1 분기(166), 및 균형 다이오드 브리지의 제 2 분기(25)에 전기적으로 연결된 제 2 분기(167)를 포함한다. HALT/PATO 회로(164)는 또한 공통 인덕터(174)를 통해 제 1 및 제 2 분기(166 및 167) 사이에 전기적으로 연결된 HALT 회로 부분(169) 및 PATO 회로 부분(170)을 포함한다.
HALT 회로 부분(169)은 PATO 회로 부분(170)에 병렬로 연결된다. HALT 회로 부분(169)은 스위칭 다이오드(181)의 행태로 도시된 HALT 스위치(180)를 포함한다. 스위칭 다이오드(181)는 HALT 캐패시터(183)와 직렬로 연결된다. PATO 회로 부분(170)은 펄스 캐패시터(190) 및 펄스 다이오드(191)와 직렬로 연결된 스위칭 다이오드(188)의 형태로 도시된 펄스 스위치(187)를 포함한다. 인덕터(194)는 제 1 분기(166)에서 HALT 및 PATO 회로 부분(169 및 170)에 직렬로 연결된다. HALT/PATO 회로(164)는 또한 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)가 폐쇄될 때 HALT 스위치(180)를 선택적으로 동작시키거나 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)가 개방될 때 PATO 스위치(187)를 선택적으로 동작시키는 HALT/PATO 제어부(196)를 포함하도록 도시된다. 즉, HALT 스위치(180)는 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)를 폐쇄하기 위해 HALT 회로 부분(169)에 전력을 공급하도록 폐쇄되며, 펄스 스위치(187)는 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)를 개방하기 위해 PATO 회로 부분(170)에 전력을 공급하도록 폐쇄된다. 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)를 개방하면 전압원(6)과 전기 모터(10) 사이에 전류 경로가 설정된다. 반대로, 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60)를 개방하면 전압원(6)와 전기 모터(10) 사이의 전류 경로가 차단된다.
스위칭 시스템(4)은 전압원(6)과 전기 모터(10)뿐만 아니라 제 1 및 제 2 복수 미세 전자기계 시스템 스위치(40 및 44)에 병렬로 연결된 전압 스너버(snubber)(198)를 포함하도록 더 도시된다. 전압 스너버(198)는 미세 전자기계 시스템 스위치(47-50 및 57-60) 각각의 빠른 접점 분리 중에 전압 오버슈트(overshoot)를 제한한다. 전압 스너버(198)는 금속 산화물 바리스터(Metal-Oxide Varistor(MOV))(200)의 형태로 도시되어 있다. 그러나, 전압 스너버(198)가 스너버 저항과 직렬로 연결된 스너버 캐패시터를 가진 회로를 포함하는 다양한 형태를 취할 수 있다는 것이 당업자들에 의해 이해될 수 있을 것이다.
여기에서, 예시적인 실시예들은 스위칭 시스템의 전체 성능을 확장하기 위해 큰 전류를 운반할 수 있는 미세 전자기계 시스템 스위치의 (M x N) 어레이를 사용하는 스위칭 시스템을 제공한다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 또한, 스위칭 시스템은 단일 HALT/PATO 회로를 포함하는 미세 전자기계 시스템 스위치의 (M x N) 어레이를 이용한다. 단일 HALT/PATO 회로는 종래의 미세 전자기계 시스템 스위치 어레이에 사용되는 다수의 HALT/PATO 회로를 대체한다. 미세 전자기계 시스템 어레이와 조합하여 단일 HALT/PATO 회로를 사용하는 것은 단순한 형상 인자를 유지함과 아울러 회로의 복잡성과 비용을 줄여주면서 스위칭 시스템(4)이 큰 전기 모터를 지원할 수 있게 해준다.
본 발명은 오직 한정된 개수의 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예에에 한정되는 것이 아니라는 것이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 오히려, 본 발명은 이제까지 개시되지 않은 어떤 개수의 변화, 변경, 대체 또는 균등 배치를 포함하도록 수정될 수 있으며, 그것은 본 발명의 사상 및 범위에 적합하다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 양상들이 설명된 실시예의 단지 일부를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 앞의 설명에 의해 제한되는 것으로 보아서는 안되며, 오직 첨부된 청구범위의 범위에 의해 제한된다.

Claims (10)

  1. 다이오드 브리지를 형성하는 복수의 다이오드, 및
    상기 복수의 다이오드에 밀접하게 결합되며, (M x N) 어레이 내에서 전기적으로 연결되는 미세 전자기계 시스템(Micro-ElectroMechanical System(MEMS)) 스위치 어레이(12)를 포함하되,
    상기 (M x N) 어레이는 제 2 MEMS 스위치 레그(44)와 전기적으로 병렬로 연결된 제 1 MEMS 스위치 레그(40)를 포함하고, 상기 제 1 MEMS 스위치 레그(40)는 전기적으로 직렬로 연결된 제 1 복수의 MEMS 다이를 포함하며, 상기 제 2 MEMS 스위치 레그(44)는 전기적으로 직렬로 연결된 제 2 복수의 MEMS 다이를 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (M x N) 어레이와 전기적으로 연결되며, 상기 (M x N) 어레이 내의 상기 복수의 MEMS 스위치를 개방하도록 전력이 공급되는 단일 HALT(Hybrid Arcless Limiting Technology) 회로(169)를 더 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (M x N) 어레이와 전기적으로 연결되며, 상기 (M x N) 어레이 내의 상기 복수의 MEMS 스위치를 폐쇄하도록 전력이 공급되는 단일 PATO(Pulse Assisted Turn On) 회로(170)를 더 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 다이오드는, 각각의 MEMS 다이(47)를 통과하는 부유 인덕턴스(stray inductance)를 약 50nH로 제한하도록 구성되는 루프 영역을 설정하기 위해 상기 MEMS 스위치 어레이(12)에 연결된 코너 다이오드(20, 21, 22, 23)를 구성하는
    스위칭 시스템(4).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 MEMS 다이는 제 1 MEMS 다이(47), 제 2 MEMS 다이(48), 제 3 MEMS 다이(49), 및 제 4 MEMS 다이(50)를 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  6. 제 5 항에 있어서,
    병렬로 연결된 제 1 저항(95) 및 제 1 캐패시터(96)를 포함하며, 상기 제 1 MEMS 다이(47) 및 상기 제 2 MEMS 다이(48)에 병렬로 연결된 제 1 등급부여 네트워크(grading network)(90)를 더 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 MEMS 다이(49) 및 상기 제 4 MEMS 다이(50)에 병렬로 연결된 제 2 저항(99) 및 제 2 캐패시터(100)를 포함하는 제 2 등급부여 네트워크(91)를 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 MEMS 다이(47) 및 상기 제 2 MEMS 다이(48)에 직렬로 연결된 제 1 중간 저항(134) 및 제 1 중간 다이오드(133)를 더 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 MEMS 다이(49) 및 상기 제 4 MEMS 다이(50)와 직렬로 연결된 제 2 중간 저항(137) 및 제 2 중간 다이오드를 더 포함하는
    스위칭 시스템(4).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 (M x N) 어레이에 전기적으로 병렬로 연결된 금속 산화물 바리스터(Metal Oxide Varistor(MOV))(200)를 더 포함하는
    스위칭 시스템(4).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101524631B1 (ko) * 2013-04-16 2015-06-02 숭실대학교산학협력단 차지 펌프 방식의 전압 변환 회로

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8570713B2 (en) * 2011-06-29 2013-10-29 General Electric Company Electrical distribution system including micro electro-mechanical switch (MEMS) devices
US20140088780A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 Hongxia Chen Automatic local electric management system
US8659326B1 (en) * 2012-09-28 2014-02-25 General Electric Company Switching apparatus including gating circuitry for actuating micro-electromechanical system (MEMS) switches
US9320481B2 (en) 2014-03-31 2016-04-26 General Electric Company Systems and methods for X-ray imaging
US10083811B2 (en) * 2015-10-22 2018-09-25 General Electric Company Auxiliary circuit for micro-electromechanical system relay circuit
EP3654358A1 (en) * 2018-11-15 2020-05-20 Infineon Technologies Austria AG Mems power relay circuit
DE102020208058A1 (de) * 2020-06-29 2021-12-30 Siemens Aktiengesellschaft Gleichrichter, Energieversorgungsgerät und Anlage

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61259416A (ja) * 1985-05-10 1986-11-17 大光電気株式会社 スイツチ回路
DE10014665B4 (de) * 2000-03-24 2005-09-22 Siemens Ag Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters vor Überspannungen und eine aktive Überspannungsvorrichtung
US6849924B2 (en) * 2002-05-09 2005-02-01 Raytheon Company Wide band cross point switch using MEMS technology
US7663456B2 (en) * 2005-12-15 2010-02-16 General Electric Company Micro-electromechanical system (MEMS) switch arrays
JP2008043018A (ja) 2006-08-03 2008-02-21 Denki Keiki Kk 三相電動機の始動装置
US9076607B2 (en) * 2007-01-10 2015-07-07 General Electric Company System with circuitry for suppressing arc formation in micro-electromechanical system based switch
US7542250B2 (en) 2007-01-10 2009-06-02 General Electric Company Micro-electromechanical system based electric motor starter
US7751212B2 (en) * 2007-04-23 2010-07-06 Raytheon Company Methods and apparatus for three-phase rectifier with lower voltage switches
US7848121B2 (en) * 2007-05-14 2010-12-07 Honeywell International Inc. Advanced matrix converter and method for operation
US8358488B2 (en) * 2007-06-15 2013-01-22 General Electric Company Micro-electromechanical system based switching
US7589942B2 (en) * 2007-06-15 2009-09-15 General Electric Company MEMS based motor starter with motor failure detection
US7554222B2 (en) * 2007-11-01 2009-06-30 General Electric Company Micro-electromechanical system based switching
US8687325B2 (en) * 2008-09-11 2014-04-01 General Electric Company Micro-electromechanical switch protection in series parallel topology

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101524631B1 (ko) * 2013-04-16 2015-06-02 숭실대학교산학협력단 차지 펌프 방식의 전압 변환 회로

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