MX2008002883A - Sistema de circuito con voltaje de suministro para accionar un interruptor electromecanico. - Google Patents

Abstract

Un circuito (10) para controlar la operación de una carga (16). En un ejemplo, el interruptor (20) MEMS se coloca en el circuito (10) para colocar la carga (16) en uno de un estado conductor o en un estado no conductor. Un transformador (46) piezoeléctrico proporciona una señal de salida de voltaje relativamente alto o una señal de salida de voltaje relativamente bajo para controlar el movimiento del interruptor (20) entre una posición cerrada, que coloca la carga en el estado conductor y una posición abierta. La señal de salida de alto voltaje incluye un componente de frecuencia en el intervalo de frecuencia resonante del transformador (46). La circuitería (65) de control proporciona una señal de voltaje de entrada al transformador (46) piezoeléctrico para proporciona una señal de salida de alto voltaje o la señal de salida de bajo voltaje en las terminales de salida del transformador (46) piezoeléctrico.

Description

SISTEMA DE CIRCUITO CON VOLTAJE DE SUMINISTRO PARA ACCIONAR UN INTERRUPTOR ELECTROMECÁNICO Campo de la Invención La presente invención se relaciona en general con la conversión de voltaje y más específicamente, a circuitos y sistemas que incorporan cargas de corriente e interruptores para controlar el flujo de corriente en los mismos.

Antecedentes de la Invención Típicamente, los interruptores electromecánicos alternan entre un estado conductor y un estado no conductor, con el uso de suministros de voltaje DC conmutado o suministros AC conmutados. Muchas aplicaciones requieren de características de conmutación muy rápidas que se pueden alcanzar con los interruptores electromecánicos (MEMS). Tales interruptores tienen características de voltaje y de corriente distintas y pueden alcanzar velocidades de conmutación dentro del orden de 3 a 20 microsegundos. Mientras los tamaños del componente de conmutación siguen en disminución, las características de la circuitería de activación con la capacidad de proporcionar un funcionamiento y tamaño de paquete aceptables, se vuelven más demandantes. Los transformadores electromagnéticos de alambre enrollado comúnmente, se utilizan para la conversión de voltaje en muchas aplicaciones de circuito de energía, incluyendo por ejemplo, televisiones y lámparas fluorescentes. En los transformadores electromagnéticos, la energía se transfiere por el acoplamiento magnético entre los arrollamientos primario y secundario. Esto hace de la circuitería susceptible a EMI y con frecuencia, se desea mayor aislamiento eléctrico. Los transformadores electromagnéticos requieren un gran número de vueltas del alambre conductor en un núcleo magnético con el fin de alcanzar una alta tasa de transformación. Con la tendencia en los electrónicos de energía a miniaturizar los componentes, el proceso de arrollamiento normalmente da como resultado dispositivos pesados y estorbosos. La formación de transformadores planos por ejemplo, en estratos semiconductores o PCB es más compacta, pero sigue siendo compleja, costosa, requiere de mucho espacio y limita la capacidad de la energía operativa alcanzable. Para alcanzar totalmente el beneficio potencial de corriente y de futuros diseños de interruptor MEMS, es deseable desarrollar sistemas de conmutación que operen en forma confiable a velocidades deseadas y que se puedan energizar con circuitería más eficiente y que se puedan fabricar en un volumen relativamente pequeño con el uso de la tecnología de microelectrónicas existente.

Breve Descripción de la Invención De conformidad con varias modalidades de la invención, se proporciona un circuito para controlar la operación de una carga. Un interruptor MEMS se coloca en el circuito para colocar la carga en un estado conductor o en un estado no conductor y un transformador piezoeléctrico proporciona una señal de salida de voltaje relativamente alto o una señal de salida de voltaje relativamente bajo para controlar el movimiento del interruptor entre una posición cerrada, que coloca la carga en un estado conductor y una posición abierta, con la señal de salida de voltaje alto que incluye un componente de frecuencia en un intervalo de frecuencia resonante del transformador. La circuitería de control proporciona una señal de voltaje de entrada al transformador piezoeléctrico para proporcionar la señal de salida de alto voltaje o la señal de salida de bajo voltaje en las terminales de salida del transformador piezoeléctrico. La relación del valor cresta de la señal de salida de alto voltaje al valor pico de la señal de voltaje de entrada puede variar de 5 a 10. De conformidad con otras modalidades de la invención, un circuito para suministrar un voltaje de activación a un interruptor MEMS incluye un transformador piezoeléctrico que tiene una frecuencia resonante característica con una terminal de salida del transformador acoplada con el electrodo de compuerta. La circuitería de activación se puede acoplar para energizar el transformador con una primera señal de voltaje relativamente bajo que tiene un componente de frecuencia diferente de la frecuencia resonante característica, con la primera señal que tiene un primer voltaje pico, con el fin de que el transformador proporcione una segunda señal en respuesta a la primera señal, la segunda señal también tiene un componente de frecuencia diferente de la frecuencia pico resonante, y la segunda señal tiene un segundo voltaje pico mayor que el primer voltaje pico. La circuitería puede incluir circuitería de rectificación acoplada entre la terminal de salida del transformador y el electrodo de compuerta para convertir la segunda señal en una señal rectificada con la capacidad de cambiar el estado del interruptor MEMS. De conformidad con otras modalidades, un sistema incluye un circuito que tiene un voltaje de suministro, una carga y un interruptor electromecánico que tiene un elemento que se puede mover a una primera posición, la cual coloca el interruptor en un modo conductor y se puede mover a una segunda posición, la cual coloca el interruptor en un modo no conductor. El interruptor también incluye una terminal de control para aplicar o remover, en forma selectiva una fuerza electrostática para colocar al elemento en la primera posición o en la segunda posición. La terminal de alto voltaje del transformador piezoeléctrico se conecta con la terminal de control y una segunda terminal del transformador se conecta para recibir una señal de entrada, para que con la aplicación de una señal de primer nivel en la segunda terminal, la terminal de alto voltaje proporcione una señal de alto voltaje en la terminal de control, de suficiente voltaje para generar un campo electrostático que desplaza el elemento de una de las posiciones a la otra posición. En una modalidad de un método para controlar la operación de la carga, se forma un circuito con un interruptor MEMS colocado para colocar la carga en un estado conductor o en un estado no conductor y un transformador piezoeléctrico que tiene un intervalo de frecuencia resonante con una frecuencia pico resonante. Una señal de salida de voltaje relativamente alto o una señal de salida de voltaje relativamente bajo es provista en las terminales de salida del transformador piezoeléctrico para controlar el movimiento del interruptor entre una posición cerrada y una posición abierta, con la señal de salida de alto voltaje que incluye un componente de frecuencia en el intervalo de frecuencia resonante del transformador. Las terminales de entrada del transformador piezoeléctrico se pueden accionar de conformidad con una señal de control para proporcionar en forma selectiva, la señal de salida de alto voltaje o la señal de salida de bajo voltaje en las terminales de salida del transformador piezoeléctrico. De conformidad con las modalidades de un método para optimizar los tiempos de elevación y caída de los voltajes de salida desde el transformador piezoeléctrico, que se puede acoplar para activar el interruptor MEMS entre los estados conductor y no conductor, el transformador se energiza con una señal de entrada que tiene una frecuencia que está desplazada con respecto a la frecuencia resonante del transformador para producir una señal de salida de alto voltaje. La señal de salida se rectifica y la señal rectificada se aplica para activar el interruptor MEMS desde uno de los estados conductor y no conductor a otro estado. En algunas modalidades, el valor pico de la señal de salida producida en respuesta a un valor pico de la señal de entrada es mayor que el valor pico de la señal de entrada.

Breve Descripción de los Dibujos La invención se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción detallada, en donde se ilustran las modalidades, solamente como ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales. La Figura 1 ilustra un circuito ejemplificativo que tiene un interruptor MEMS bajo el control del PZT y circuitería de activación asociada para controlar en forma conmutable, el flujo de corriente a través de la carga. La Figura 2 ilustra un MEMS sin arco ejemplificativo con base el sistema de conmutación que también tiene un interruptor MEMS bajo el control de un PZT y circuitería de activación asociada para controlar en forma conmutable, el flujo de corriente a través de una carga; y La Figura 3 ilustra un circuito equivalente correspondiente al PZT ilustrado en las Figuras 1 y 2. Los números de referencia iguales se utilizan a través de las Figuras para indicar características iguales. Las características individuales en las Figuras pueden no estar dibujadas a escala.

Descripción Detallada de la Invención En la actualidad, los sistemas electromecánicos (MEMS) por lo general se refieren a estructuras de micro-escala que por ejemplo, pueden integrar una multiplicidad de elementos, por ejemplo, elementos mecánicos, elementos electromecánicos, sensores, accionadores y electrónicos en un sustrato común mediante tecnología de micro-fabricación. La tecnología de interruptor utilizada para las aplicaciones MEMS incluye dispositivos semiconductores, tal como transistores de efecto de campo (FET) y transistores bipolares de compuerta aislados (IGBT), pero también incluye interruptores MEMS que son de naturaleza electromecánica. Un ejemplo de un interruptor MEMS incluye un electrodo de compuerta que controla un haz activado en forma electrostática. El haz se puede desplazar entre dos posiciones para hacer que el interruptor entre en un estado conductor o en un estado no conductor. Tales interruptores MEMS tienen requerimientos esencialmente diferentes que los interruptores semiconductores, que típicamente requieren un activador de compuerta de activación de un bajo voltaje, por ejemplo, menos que 18V. Los interruptores MEMS actuales, por otra parte, requieren de un voltaje relativamente alto (50 a 100V) para alcanzar las características de conmutación deseadas cuando se activa el interruptor entre los estados encendido y apagado. Los electrodos de compuerta de un interruptor MEMS también se caracterizan por una corriente de activación muy baja debido a su capacitancia entre electrodos relativamente pequeña, por ejemplo, 3-30 pf. Una característica de las modalidades descritas en las Figuras es la incorporación dentro de Sistemas Microelectomecánicos de un transformador piezoeléctrico (referido aquí como un PZT), que utiliza el efecto piezoeléctrico para proporcionar una conversión de voltaje ac. El PZT se puede acoplar para recibir una señal de bajo voltaje, y generar un impulso de activación de compuerta de alto voltaje, apropiado para la operación del interruptor MEMS. Los ejemplos incluyen la operación de un interruptor MEMS para controlar la corriente a través de una carga sencilla y una implementación especializada de circuito para la conmutación sin arco, tal como se puede utilizar en circuitos de arranque de motor. Sin embargo, los conceptos presentados se pueden acoplar en una amplia variedad de aplicaciones de conmutación adicionales. Además, se debe notar que varias técnicas y estructuras actualmente disponibles en dispositivos MEMS estarán disponibles en unos cuantos años por medio de dispositivos basados en nanotecnología, por ejemplo, estructuras más pequeñas a 100 nanómetros, en tamaño. De conformidad, aunque las modalidades ejemplificativas presentadas en este documento se refieren a los dispositivos con MEMS, se pretende que los aspectos inventivos de la presente invención se deben considerar ampliamente y no limitarse a dispositivos de tamaño microscópico. De conformidad con esto, el término sistemas microelectromecánicos (MEMS) como se utiliza aquí, no se limita a estructuras de micro-escala más bien, se refieren a sistemas que incorporan estructuras que son menores que la micro-escala. El término interruptor MEMS contempla cualquier interruptor electromecánico que tiene una estructura en la escala micro o menor, y la referencia para los diseños de interruptor MEMS específicos o productos específicos son solamente ejemplificativos. Aunque se describen ejemplos específicos de PZT, se debe entender que muchos de la amplia variedad de diseños de PZT se pueden utilizar para practicar la invención. Como ejemplo, los PZT tipo Rosen, con base de cerámica se ilustran en las modalidades, pero se contempla el uso de otros tipos de PZT y el uso de otros materiales apropiados para la operación del PZT. Al describir las características de los componentes y la operación del sistema o circuitos, los términos tiempo de elevación y tiempo de caída, como se aplican, se utilizan para controlar las formas de onda de parámetro en una manera convencional, comprendido para significar el tiempo transcurrido en la transición entre un 10 por ciento y un 90 por ciento de un valor pico. También, como se utiliza aquí, la banda de frecuencia resonante se entiende como el intervalo de frecuencia sobre el cual el PZT exhibe una respuesta mecánica útil, y la frecuencia resonante significa una frecuencia específica que exhibe un valor máximo de la respuesta eléctrica o mecánica. La aplicación de un PZT para activar un electrodo de compuerta de un interruptor MEMS se distingue de otras posibles aplicaciones de activación por compuerta. A diferencia de los activadores de compuerta de bajo voltaje (menor que 18V), requerido para las aplicaciones IGBT y FET, los interruptores MEMS requieren un suministro de voltaje relativamente alto (50-100V) apropiado para el cierre rápido y confiable de los contactos del interruptor micro-mecánico. Las compuertas MEMS individuales pueden exhibir un nivel relativamente bajo de capacitancia, típicamente dentro del orden de 3 a 30 pF y por lo general, menor que 100 pf, de modo que la operación solamente requiere de un impulso instantáneo de corriente de pequeños microamperios, o menos, para cargar la estructura de compuerta. De este modo, solamente se necesitan unos cuantos miliwatts de energía promedio para suministrar una impedancia de compuerta-a-fuente de nivel multi-megohm. En un sistema de conmutación MEMS tal alto voltaje (50-100V), la rápida señal de activación de compuerta de respuesta se puede alcanzar al acoplar la salida del PZT con un rectificador rápido de puente de diodo de onda completa. Además, para este fin, se pueden implementar funciones de regulación de voltaje con base en las características de modo resonante del PZT a través de un control de frecuencia variable. El sistema de conmutación MEMS que utiliza un PZT diseñado apropiadamente para convertir una señal de baja conmutación de entrada en un voltaje alto de compuerta, se puede operar en un modo de impulso para el rápido encendido y apagado de la salida de alto voltaje sin requerir circuitería adicional de tiempo en el lado de alto voltaje. La rectificación de la señal de voltaje de salida desde el PZT proporciona una señal de impulso de alto voltaje sin requerir de circuitería lógica de alto voltaje. Lo anterior permite la generación de una salida DC de alto voltaje rectificado que tiene tiempos de elevación y caída muy rápidos. Los tiempos de elevación y caída puede estar fácilmente dentro del orden de 3 a 30 microsegundos, lo cual alcanza tiempos de encendido y apagado de alto voltaje muy rápidos de un interruptor MEMS. La señal de entrada para el PZT puede estar a una frecuencia fija dentro de la banda de frecuencia mecánicamente resonante del dispositivo y controlar con lógico la señal de entrada de bajo voltaje, controla efectivamente la salida MEMS de alto voltaje del PZT. Esto es, la señal de compuerta de alto voltaje (por ejemplo, 90V) puede conmutarse rápidamente en encendido o conmutarse en apagado rápidamente con el lógico de bajo voltaje. La señal de salida de alto voltaje (es decir, 90V), que tiene tiempos de respuesta de rápido encendido y apagado puede rápidamente colocar el interruptor MEMS dentro o fuera de conducción, según sea requerido. De este modo, con la conmutación completamente controlada por el lógico en el lado de bajo voltaje del transformador, no hay necesidad de incorporar circuito lógico de alto voltaje complejo y aislado para controlar la entrada de la compuerta del interruptor MEMS, según se proporciona por las terminales de salida de alto voltaje del PZT. La frecuencia de la señal de entrada puede estar o puede estar desplazada de la frecuencia resonante específica del PZT por un 30 a 40 por ciento, aunque las desviaciones dentro del orden de cinco a diez por ciento o menos, también se contemplan. Con la entrada del PZT que es capacitiva cuando opera a frecuencias por debajo de la frecuencia resonante específica, se puede colocar un elemento inductivo en serie entre la circuitería de activación del PZT y una de las terminales de entrada PZT para optimizar el funcionamiento de conmutación. Con referencia a la Figura 1, se muestra un circuito 10 que tiene un suministro 14 en serie con una carga 16 de lámpara ejemplificativa y un resistor 18 de carga limitador de corriente. Un interruptor 20 se coloca para controlar el flujo de corriente Icarga a través del circuito. En este ejemplo, el suministro 14 es una fuente de voltaje alternante. La carga 16 de lámpara en este ejemplo comprende un par de diodos 24 y 26 emisores de luz configurados en una relación anti-paralela entre sí, es decir, orientados para conducir corriente en direcciones opuestas. El interruptor 20 es un interruptor de tres terminales de los sistemas electromecánicos (MEMS) y puede, como se ilustra en forma esquemática, ser del tipo que tiene un haz 30 activado en forma electrostática acoplado con un control o un electrodo 32 de compuerta para pasar, en forma selectiva la corriente de carga entre un electrodo 38 fuente y un electrodo 40 de drenaje. El interruptor se coloca en serie con el suministro 14 y la carga 16 de lámpara tiene el electrodo 38 fuente acoplado con el suministro 14 y con el electrodo 40 de carga acoplado a la carga 16 de lámpara. El flujo de corriente a través del interruptor 20 MEMS se puede controlar con la aplicación de un voltaje con el electrodo 32 de compuerta y la remoción del voltaje del electrodo 32 de compuerta. A diferencia de los interruptores semiconductores, por ejemplo, los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y de los transistores de efecto de campo (FET), los interruptores MEMS que incluyen al interruptor 20, por lo general, requieren una señal de activación de alto voltaje, de baja corriente que varía comúnmente entre 40 y 100 voltios. Para efectuar la aplicación selectiva de la señal de activación, un sistema 44 de activación de compuerta se conecta con el electrodo 32 de compuerta del interruptor 20 MEMS. El sistema 44 incluye un transformador 46 piezoeléctrico (PZT) que recibe una señal de entrada de bajo voltaje en un intervalo de frecuencia de aproximadamente 30 a 100 kHz, a través de un par de terminales de entrada y proporciona una señal de salida AC de alto voltaje a través de un par de terminales de salida. De este modo, el transformador 46 ilustrado es un dispositivo de cuatro terminales, que tiene un electrodo 50 de entrada de señal de bajo voltaje con un electrodo 52 de entrada a tierra asociado y un electrodo 54 de salida de alto voltaje con un electrodo 56 de salida a tierra asociado. En este ejemplo, los electrodos 52 y 56 a tierra están aislados entre sí, mientras en otras modalidades, el transformador 46 puede ser reemplazado con un dispositivo de tres terminales, en donde las terminales de entrada y de salida comparten una tierra común. Por lo general, para estas y otras modalidades, el voltaje a través de las terminales de salida del PZT, por ejemplo, 54, 56 se refiere como el voltaje Vpo de salida del PZT. Para la entrada de señal del transformador 46, un circuito 60 activador de entrada de bajo voltaje recibe por ejemplo, una señal 62 de bajo voltaje de 40 kHz dentro del intervalo de cero a 5 voltios. La señal 62 ilustrada se puede generar como impulsos de onda cuadrada de encendido/apagado, que colectivamente forman un tren de impulsos de onda cuadrada modulados, al conmutar la circuitería 65 de control que incluye un generador de onda cuadrada de 40 kHz. Cada impulso encendido para el PZT se modula a una frecuencia de 40 kHz. El circuito 60 activador proporciona una señal de entrada apropiada a través de los electrodos 50, 52 de entrada del PZT, por ejemplo, dentro del orden de 15 voltios pico-a-pico a la frecuencia de 40 kHz. Como ejemplo, el transformador 46 puede ser tipo Rosen, que tiene una tasa de salida de 1 W y una frecuencia resonante de 100 kHz. Tales dispositivos, como se fabrican por Face Electronics, L.C. de Norfolk, Va. Estados Unidos de Norteamérica, pueden exhibir una capacitancia importante en las terminales de salida (por ejemplo, 70-80 nF), que requiere de una corriente de entrada pico instantánea de muy corta duración, mayor que 1A a la frecuencia operativa, pero cuya corriente promedio es una pequeña fracción de un amperio durante un tren de impulso. Un circuito activador apropiado con la capacidad de proporcionar un voltaje de entrada dentro del orden de 15 voltios pico-a-pico para el transformador 46 es el MIC4428 fabricado por Micrel, Inc., de San José, Ca, Estados Unidos de Norteamérica. Con tal señal de entrada, el transformador 46 puede proporcionar una señal pico de salida a la frecuencia operativa a través de los electrodos 54, 56 dentro del orden de 90 voltios pico-a-pico. El voltaje AC de salida a través de los electrodos 54 y 56 se acopla con un puente 64 de diodo de onda completa convencional, que tiene la primera y segunda ramificaciones 64a, y 64b en paralelo, para proporcionar una forma de onda completamente rectificada, que resulta en una señal 68 de impulso de compuerta DC relativamente estable, durante la duración del impulso AC. La primera ramificación 64a incluye primer y segundo diodos 8082 en serie y la segunda ramificación 64b incluye tercer y cuarto diodos 84, 86 en serie. Una primera terminal 88 de entrada de puente, entre los diodos 80, 82 se conecta con la terminal 54 de salida, mientras una segunda terminal 90 de entrada de puente, entre los diodos 84, 86 se conecta con la terminal 56 de salida. Una primera terminal 92 de salida de puente, colocada entre los diodos 80 y 84, se conecta con el electrodo 32 de compuerta de interruptor MEMS mientras la segunda terminal 94 de salida de puente, colocada entre los diodos 84 y 86 se une con el electrodo 38 fuente. Una etapa de filtro, incluye en configuración paralela, un resistor 70 y un capacitor 72 cada uno colocado a través de las terminales 32 y 38 de interruptor y tiene valores seleccionados para ajustar los tiempos de elevación y caída de la señal 68 de impulso de compuerta rectificado para alcanzar los tiempos de elevación y caída deseados. La señal 68 rectificada entre el electrodo 32 de compuerta y el electrodo 38 fuente tiene un voltaje encendido de aproximadamente 90 voltios, que se aplica en forma selectiva, por la acción de tiempo de la circuitería 65 de conmutación, para operar el interruptor 20 MEMS. De conformidad con otras modalidades, un sistema activador de compuerta tal como el sistema 44 puede controlar la conmutación de dos o más interruptores MEMS arreglados en paralelo para incrementar la capacidad de carga de la operación de conmutación. En otras aplicaciones, múltiples interruptores 20 MEMS se pueden colocar en una configuración paralela, de modo que todas las compuertas están conectadas en paralelo y son activadas por el sistema 44 activador de compuerta, todas bajo el control de la misma circuito 65 de conmutación. Para algunas aplicaciones, puede ser preferible utilizar un sistema 44 activador activado en común, pero individual para activar cada compuerta de la combinación paralela de interruptores. Con referencia ahora a la Figura 2, un sistema 100 de conmutación con base MEMS sin arco ejemplificativo se ilustra de conformidad con otra modalidad. El sistema 100 incluye uno o más interruptores 20 MEMS colocados en un circuito 140 de carga. Para simplificar la ilustración, solamente se ilustra un primer interruptor 20. El sistema 100 de conmutación detecta los niveles de corriente o voltaje en un circuito de carga que opera bajo el control de un interruptor MEMS. Cuando el nivel de corriente o voltaje excede un umbral, se genera una señal de falla y se aplica para disparar una corriente de impulso en un circuito 212 de impulso que contiene el puente diodo balanceado. La corriente de impulso a través de la acción del puente 182 de diodo balanceado conectado apropiadamente a través del interruptor 20 MEMS permite la divergencia de corriente desde el interruptor MEMS con el fin de reducir o eliminar el arqueamiento antes de abrir el interruptor MEMS. El sistema 212 de impulso se coloca para detectar una condición del interruptor para el interruptor 20 MEMS como se explica con más detalle. La circuitería 230 de lógico y control del activador incluye una circuitería 234 de detección de voltaje acoplada con el drenaje 40 del interruptor 20 y circuitería 236 de detección de corriente acoplada con el circuito 140. La circuitería 234 y 236 de detección puede detectar por ejemplo, cuando un nivel de voltaje o corriente en el circuito 140 excede un umbral predeterminado, en respuesta a lo cual, la circuitería 230 dispara el circuito 212 de impulso. En la modalidad ¡lustrada, el electrodo 32 de compuerta del interruptor 20 MEMS se controla para pasar en forma selectiva, la carga Icarga de carga entre el electrodo 38 fuente y el electrodo 40 de drenaje. El electrodo 32 de compuerta se activa por el sistema 44 activador de compuerta, como se describe con referencia a la Figura 1. En este ejemplo, el sistema 44 activador de compuerta recibe las señales 62 de onda cuadrada, con impulso encendida-apagada desde la circuitería 230 de control de activador y lógico. La circuitería 102 amortiguadora de voltaje, puede, como se ilustra, acoplarse en paralelo con el interruptor 20 MEMS y configurarse para limitar la tasa-de-elevación de voltaje reaplicada durante la separación rápida de contacto. En ciertas modalidades, la circuitería 102 amortiguadora puede incluir un capacitor amortiguador (no mostrado) acoplado en serie con un resistor amortiguador (no mostrado). El capacitor amortiguador puede facilitar el retraso del voltaje de contacto reaplicado como se menciona antes. Además, el resistor amortiguador puede suprimir cualquier impulso de corriente generado por el capacitor amortiguador durante el cierre del interruptor 20 MEMS. En ciertas modalidades, la circuitería 102 amortiguadora de voltaje puede incluir un varistor de óxido de metal (MOV) (no mostrado). El circuito 140 de carga, conectado en serie con el interruptor 20 MEMS, incluye una fuente 144 de voltaje (VBarracoiectora), una inductancia 146 de carga ( LCARGA) representativa de una inductancia de carga y una inductancia de barra colectora combinadas vistas por el circuito 140 de carga, y una resistencia de carga 148 (RCARGA) representativa de una resistencia de carga combinada vista por el circuito 140 de carga. Una corriente ICARGA del circuito de carga puede fluir a través del circuito 140 de carga bajo el control de un primer interruptor 20 MEMS. La circuitería 160 de supresión sin arco, para proteger al interruptor 20, incluye un puente 164 de diodo balanceado configurado con la primera y segunda ramificaciones 180, 182 acopladas a través de los nodos 184 y 186, cada ramificación, cuando se impulsa exhibe caídas de voltaje esencialmente iguales a través de los diodos 190 y 194, para que el voltaje a través de los nodos 200 y 202 se cierre en cero. La primera ramificación 180 del puente 164 incluye un primer diodo 190 y un segundo diodo 192 acoplados juntos en serie. La segunda ramificación 182 del puente 164 incluye un tercer diodo 194 y un cuarto diodo 196 también acoplados juntos en serie. La circuitería 160 de supresión sin arco puede modificarse o expandirse para facilitar la supresión de la formación de arco entre los contactos de múltiples interruptores MEMS.

El interruptor 20 MEMS está arreglado en una configuración paralela a través de un par de primeras terminales 200, 202 del puente 164. Una de las primeras terminales 200 se coloca entre el primer y segundo diodos 190, 192 y una segunda de las primeras terminales 202 se coloca entre el tercer y cuarto diodos 194, 196. Cuando se transfiere una corriente de carga al puente 164 diodo durante el apagado del interruptor 20 MEMS, la inductancia entre el interruptor 20 MEMS y el puente 164 diodo produce un voltaje di/dt relativamente bajo, por ejemplo, mejor que dos a cinco por ciento del voltaje a través de la fuente 38 y el drenaje 40 del interruptor MEMS cuando está en conducción directa. El interruptor 20 MEMS se puede integrar con el puente 164 de diodo balanceado en un solo paquete 206 u opcionalmente, formarse en el mismo troquel con el fin de reducir al mínimo la inductancia antes mencionada entre estos componentes. Una condición de conmutación puede ocurrir en respuesta a un número de acciones, que incluyen, sin limitar una falla de circuito o una señal de ENCENDIDO/APAGADO del interruptor. El circuito 212 de impulso incluye, en un arreglo en serie, un interruptor 214 de impulso, un capacitor CIMPULSO 216 de impulso, un puente 164 de diodo, un inductor LI PULSO 218 de impulso y un diodo 220. El interruptor 214 puede ser un dispositivo de estado sólido, tal como un transistor de efecto de campo, configurado para tener velocidades de conmutación dentro del intervalo de nanosegundos a microsegundos. El puente 164 de diodo se coloca en el circuito 212 de impulso para proporciona una caída de voltaje casi cero a través del drenaje 40 a la fuente 38 del interruptor 20 cuando se impulsa en respuesta a una sobrecorriente o en un comando de encendido/apagado desde el circuito 230 de control. Como se describe antes, el comando de impulso se genera por el circuito 230 de control en respuesta a una condición de sobrecorriente detectada por el sensor 236. En este ejemplo, el interruptor 214 de impulso se muestra esquemáticamente para ser un dispositivo de tres terminales que tiene una terminal de compuerta acoplada con un circuito 215 activador bajo el control de la circuitería 230 de lógico y de control del activador. El número 224 de referencia es representativo de una corriente I MPULSO de circuito de impulso que puede fluir a través del circuito 212 de impulso durante una transición del interruptor. El capacitor 216 de impulso, el inductor 218 de impulso y diodo 220 se seleccionan para facilitar la forma y el tiempo de corriente de impulso con base en las características de la corriente de falla detectada por el sensor 236. El interruptor 214 de impulso y su activador asociado y la circuitería de control proporcionan la interfase entre el circuito 230 de control y el activador 215 del interruptor de impulso. El interruptor 20 MEMS puede conmutarse rápidamente (por ejemplo, dentro del orden de uno a 30 microsegundos) entre un estado cerrado y un estado abierto mientras conduce corriente a un drenaje casi cero al voltaje fuente. El electrodo 32 de compuerta se controla por la circuitería 230 que puede emitir la señal 62 de control de encendido-apagado, por ejemplo, ya sea una señal de alto nivel de 40 kHz o una señal de nivel bajo. La señal 62 se genera por la circuitería 230 de control en respuesta a la sobrecorriente detectada o una corriente de falla en el circuito de carga por el sensor 236. La circuitería 230 de lógico y control del activador y la circuitería 234, 236 de detección de voltaje y corriente detecta una falla de carga cuando por ejemplo, el nivel de voltaje o corriente en el circuito 140 de carga excede un umbral predeterminado. En respuesta a una falla de carga, el circuito 212 de impulso facilita la conmutación del interruptor MEMS desde un estado cerrado a un estado abierto. La circuitería 230 dispara el interruptor 214 de impulso a una posición cerrada a través del circuito 215 activador para impulsar el puente. El disparo se puede deber a una condición de falla generada debido a un nivel excesivo de corriente en el circuito 140, pero también puede estar con base en un voltaje de rampa monitoreado con el fin de activar un sistema dependiente del tiempo determinado para el interruptor 20 MEMS. En la modalidad mostrada en la Figura 2, la circuitería 230 de control, luego de la detección de una falla o un comando externo, envía una señal 232 de disparo para el circuito 215 activador para operar el interruptor 214 de impulso. En respuesta, el interruptor 214 puede por ejemplo, generar un impulso sinusoidal que responde a la condición de conmutación detectada. El disparo del interruptor 214 de impulso entonces inicia una media sinusoidal resonante de corriente en el circuito 212 de impulso. El valor pico de la corriente 224 de impulso de puente medio sinusoidal (IIMPULSO) es una función del voltaje inicial a través del capacitor CIMPULSO 216 de impulso, así como el valor del capacitor 216 de impulso (CIMPULSO) y la inductancia 218 de impulso (L|MPULSo)- Los valores del inductor 218 de impulso y el capacitor 216 de impulso también determinan el ancho del impulso de medio sinusoidal de la corriente de impulso. El ancho y la amplitud del impulso de corriente de puente puede ajustarse para cumplir con el requerimiento de apagado de corriente de carga del sistema pronosticado luego de la tasa de cambio de la corriente de carga ( Barracoiectora/Lcarga) Y la corriente pasante pico deseada durante una condición de falla de carga. De conformidad con la modalidad de la Figura 2, el interruptor 214 de impulso se reconfigura de un estado abierto a uno cerrado, que conduce el estado anterior a abrir el interruptor 20 MEMS. Bajo una condición de falla, con la circuitería de lógico y control que ha emitido la señal 232 de disparo, la amplitud de la corriente 224 de circuito de impulso (IIMPULSO) se vuelve apreciablemente mayor que la amplitud de la corriente Icarga del circuito de carga (por ejemplo, debido a la resonancia en el circuito 212 de impulso y el voltaje inicial en el capacitor 216). En forma concurrente, con un voltaje aplicado al electrodo 32 de compuerta por el sistema 44 activador de compuerta MEMS, el estado operativo del interruptor 20 MEMS cambia de un estado cerrado y conductor a uno de resistencia incrementada conforme el interruptor 20 MEMS empieza a apagarse. Durante esta transición, los contactos entre el haz 30 y la región de drenaje seguirá cerrada, pero la presión de contacto se disminuye debido al proceso de apertura del interruptor. Esto provoca que la resistencia del interruptor se incremente, lo que a su vez, diverge la corriente de carga desde el interruptor 20 MEMS dentro del puente 164 diodo. En este estado, el puente 164 de diodo balanceado proporciona un trayecto de una impedancia relativamente baja a la corriente del circuito de carga ICARGA, con relación a un trayecto a través del interruptor 20 MEMS, que exhibe una resistencia de contacto en incremento. La divergencia de la corriente ICARGA del circuito de carga a través del interruptor 20 MEMS es un proceso extremadamente rápido comparado con la tasa de cambio de la corriente ICARGA del circuito de carga. Para también incrementar la tasa de la divergencia de corriente, las inductancias asociadas con las conexiones entre el interruptor 20 MEMS y el puente 164 de diodo balanceado también se debe minimizar. Con la corriente ICARGA del circuito de carga desviado desde el interruptor 20 MEMS al puente 164 de diodo, el desbalance se forma a través de la primera y segunda ramificaciones 180, 182 de diodo. Conforme la corriente del circuito de impulso decae, el voltaje a través del capacitor 212 de impulso (CIMPULSO) continúa invirtiéndose (por ejemplo, actúa como una "fuerza electro-motriz trasera"), lo que provoca la reducción de la corriente ICARGA del circuito de carga a cero. Los diodos 192 y 194 se impulsan invertidos de modo que el inductor 218 de impulso LIMPULSO y el capacitor 216 de impulso de puente (CIMPULSO) producen al circuito 140 de carga un circuito resonante en serie que incluye el efecto de la inductancia de carga. El puente 164 de diodo se puede configurar para mantenerse a un voltaje casi cero a través de los contactos del interruptor 20 MEMS, hasta que los contactos se separan para abrir el interruptor 20 MEMS, lo cual evita el daño al suprimir cualquier arco que tenderá a formarse entre los contactos del interruptor 20 MEMS durante la apertura. Los contactos del interruptor 20 MEMS se aproximan a un estado abierto con una corriente de contacto muy reducida a través del interruptor 20 MEMS. También, cualquier energía almacenada en la inductancia de circuito, la inductancia de carga y la fuente se puede transferir al capacitor 212 de circuito de impulso (CIMPULSO) y se puede absorber a través de la circuitería de disipación de voltaje (no mostrada). La Figura 3 ilustra un circuito equivalente ejemplificativo para el transformador 46 piezoeléctrico de las Figuras 1 y 2. Cuando un transformador PZT de un watt, fabricado por Face Electronics, L.C., se utiliza como el transformador 46, con los siguientes valores de componente, una entrada en voltaje de 15 v desde el circuito 60 del activador, que resulta en una salida de 90v VPO a través de las terminales 54, 56.

C: 1.34 nF L: 1:42 mH Csaiida: 10.4 pF Voltaje de salida/voltaje de entrada (Pico): 6 Se han ilustrado las aplicaciones ejemplificativas del sistema de conmutación. Los circuitos incorporan un interruptor MEMS del tipo que tiene un elemento móvil que responde a una fuerza electrostática. Durante la operación de uno o más interruptores MEMS, se colocan en un estado conductor, normalmente cerrado para pasar continuamente corriente a través de una carga por un período de tiempo relativamente largo, por ejemplo, minutos, días, meses o un año. El interruptor usualmente y predominantemente se queda en un modo conductor. Para el sistema 100 de conmutación con base MEMS sin arco ejemplificativo de la Figura 2, la presencia de una condición anormal, tal como un corto circuito, resulta en una respuesta de apagado de alta velocidad, inmediata, efectuada con la rápida transición en el voltaje de salida del PZT VP0. El tiempo transcurrido entre la detección de la falla y la colocación del interruptor 20 en un estado no conductor puede estar dentro del orden de unos cuantos microsegundos más que el tiempo de conmutación mínimo de la circuitería de activación del PZT. Muchas modalidades de la invención se caracterizan por una energía de conmutación promedio muy baja con relación a otras aplicaciones de conmutación de energía. Por ejemplo, algunas aplicaciones de conversión de energía utilizan dispositivos de conmutación semiconductores de voltaje relativamente bajo (con frecuencia menor que 18 voltios) para proporcionar la conmutación de alta velocidad continua dentro del orden de 100 kHz o más alto. En tales aplicaciones de alta frecuencia continua, las pérdidas promedio de conmutación son relativamente grandes. Además, los interruptores MEMS como los incorporados en los sistemas 10 y 100 presentan características de capacitancia de aproximadamente tres órdenes de magnitud menor que los interruptores semiconductores diseñados para aplicaciones de circuito comparables. Como resultado, para una velocidad de conmutación determinada, la energía requerida para operar el interruptor MEMS es también muy baja. Otra característica de los sistemas 10 y 100 ejemplificativos es el diseño de la circuitería para utilizar el PZT en una manera que reduce al mínimo el tiempo de elevación y caída del voltaje de salida del PZT a través de las terminales 54 y 56 sin requerir optimizaciones para la eficiencia y la disipación de baja energía. La disipación de energía durante las operaciones individuales de conmutación puede ser de mayor preocupación cuando el interruptor MEMS se despliega en un circuito que mantiene al interruptor en un estado encendido durante largos períodos de tiempo, mejor que experimentar el ciclo de alta frecuencia a través de los estados encendido-apagado. Los PZT tienen una característica de frecuencia resonante pronunciada de la relación de voltaje de salida a voltaje de entrada. La frecuencia resonante depende de las constantes del material y de las dimensiones del material involucrado en la construcción del transformador, incluyendo las capas y electrodos piezoeléctricos. Para efectuar las transiciones de alta velocidad, el dispositivo PZT recibe las señales 62 de entrada a otra frecuencia resonante pico del dispositivo. Por ejemplo, con el PZT 46 que tiene una frecuencia resonante pico de 100 kHz +/- 10%, la señal de entrada a través de las terminales 50 y 52 está a 40 kHz con base en la señal 62 generada desde la circuítería 65 de control de conmutación o la circuitería 230 de lógico y control del activador. Esto es, el circuito 10 y el sistema 100 se diseñan para operar el PZT 46 a la frecuencia diferente a la frecuencia resonante pico y por lo tanto, a una eficiencia relativamente baja. Esto resulta en el amortiguamiento para efectuar el rápido apagado mientras la pérdida en eficiencia es tolerable en las aplicaciones ejemplificativas. Para otras modalidades de circuito, la optimización de velocidad puede involucrar la selección de un PZT que tiene una frecuencia resonante más alta y la señal de entrada para el PZT puede estar relativamente cerca de la frecuencia resonante. Por lo general, esta frecuencia resonante varía de 100 kHz a por lo menos 500 kHz y la señal de entrada puede variar de la frecuencia resonante por 10-40 por ciento más. El PZT óptimo puede operar con un factor de disipación relativamente bajo (Q mecánica), una frecuencia operativa alta de 100 kHz y más y cerca de la frecuencia resonante. El modo operativo se mejora al compensar la capacitancia de entrada del dispositivo PZT con una carga inductiva, tal como el inductor 51 colocado entre la terminal 50 de entrada del PZT y la circuitería 60 del activador de la Figura 1 o de la Figura 2. La relación del voltaje de salida pico a entrada pico para un PZT en un activador de compuerta MEMS puede estar dentro del orden de 5:1 a 10:1 o más alta. La circuitería del activador puede generar una señal de entrada para el PZT dentro del orden de 5 a 15 voltios, mientras el voltaje de salida del PZT puede estar dentro del orden de hasta 100 voltios o más.

Las modalidades descritas proporcionan un activador de compuerta MEMS con un aislamiento de voltaje muy alto entre las terminales de salida y entrada, un acoplamiento capacitivo de entrada-salida muy bajo, operación de alta frecuencia, una producción EMI baja y una alta tasa del voltaje de salida al voltaje de entrada. Se han utilizado ejemplos para ilustrar la invención, incluyendo el mejor modo, y se permite las personas experimentadas en la técnica hagan uso de la invención. Se contemplan otras modalidades y el alcance de la invención solamente se limitan por las reivindicaciones que siguen.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema eléctrico que incluye un circuito (10) para controlar la operación de una carga (16) caracterizado porque comprende: un interruptor (20) MEMS colocado para poner una carga (16) en uno de un estado conductor o en un estado no conductor; un transformador (46) piezoeléctrico que tiene un intervalo de frecuencia resonante con una frecuencia resonante y que se configura para proporcionar una señal de salida de voltaje relativamente alto o una señal de salida de voltaje relativamente bajo desde las terminales (54, 56) de salida del mismo, para controlar el movimiento del interruptor (20) entre una posición cerrada, que coloca la carga en el estado conductor, y una posición abierta, que coloca la carga en un estado no conductor, la señal de salida de alto voltaje incluye un componente de frecuencia en el intervalo de frecuencia resonante del transformador (46); y circuitería de control (65) para proporcionar una señal de voltaje de entrada para activar las terminales de entrada del transformador (46) piezoeléctrico para proporcionar en forma selectiva, la señal de salida de alto voltaje o la señal de salida de bajo voltaje en las terminales (54, 56) de salida del transformador piezoeléctrico.

2. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de salida de voltaje relativamente alto se caracteriza por un valor de salida pico y la señal de voltaje de entrada se caracteriza por un valor de entrada pico y la relación del valor de salida pico al valor de entrada pico varía de 5 a 10.

3. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque: el transformador (46) tiene un intervalo de frecuencia resonante que 5 tiene una frecuencia resonante específica dentro de este intervalo, que produce una respuesta mecánica pico y una respuesta de voltaje de salida pico, y la señal provista por la circuitería de control incluye una frecuencia oscilante que resulta en la señal de entrada de voltaje relativamente alto que tiene una señal oscilante dentro del intervalo de frecuencia resonante 10 del transformador, para que el transformador proporcione una señal de salida de voltaje relativamente alto con el componente de frecuencia y con un valor pico mayor que el valor pico de una señal de entrada de voltaje relativamente alto.

4. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 1, I5 caracterizado porque la señal provista por la circuitería (65) de control incluye un nivel de alto voltaje lógico correspondiente a una señal de entrada de voltaje relativamente alto y en donde la señal de entrada de voltaje relativamente alto es una señal oscilante con un valor pico correspondiente al valor pico de la señal de control alto lógico y el valor 0 pico de una señal de entrada de voltaje relativamente alto es mayor que un valor pico del nivel de alto voltaje lógico de la señal provista por la circuitería (65) de control.

5. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la circuitería (65) de control se conecta con la 5 circuitería (60) de activación para generar una señal de entrada relativamente baja y una señal de entrada relativamente alta, que resulta en una generación de un valor pico de la señal de entrada de voltaje relativamente alto que excede a 5 voltios.

6. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el transformador (46) tiene un intervalo de frecuencia resonante con una frecuencia resonante específica que produce una respuesta mecánica pico y una respuesta de voltaje de salida pico y la provisión de una señal de entrada de voltaje relativamente alto se lleva a cabo al crear la señal de entrada de voltaje relativamente alto con base en una señal desde la circuitería (65) de control que tiene la frecuencia oscilante dentro del intervalo de frecuencia resonante del transformador (46).

7. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la circuitería (65) de control proporciona la señal a la frecuencia oscilante desplazada de la frecuencia resonante del transformador (46) piezoeléctrico.

8. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además incluye circuitería (64) para rectificar la señal de salida de alto voltaje, el circuito (10) tiene la capacidad de proporcionar una entrada para el interruptor (20) MEMS caracterizada por un tiempo de elevación, que se puede medir de 10 por ciento del voltaje máximo a 90 por ciento del voltaje máximo, dentro del intervalo de uno a 30 microsegundos.

9. El circuito (10) de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además incluye una circuitería (64) de puente diodo para rectificar la señal de salida de alto voltaje, el circuito tiene la capacidad de proporcionar una entrada al interruptor MEMS caracterizado por el tiempo de caída, que se puede medir de 90 por ciento del voltaje máximo al 10 por ciento del voltaje máximo, dentro del intervalo de tres a 10 microsegundos.