(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体スイッチング手段の寄生エネルギ損失をなくすことができる高出力変換器の負荷時タップ切換器を提供する。【解決手段】負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）１０は、巻線１２の第１のタップとニュートラル端子１６とに直列に結合された第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュール１８を含む。ＯＬＴＣは更に、変圧器巻線１２の第２のタップとニュートラル端子１６とに直列に結合された第２のＭＥＭＳスイッチを含む。ＯＬＴＣは更に、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールと第２のＭＥＭＳスイッチモジュールとに結合されたコントローラ４０を含み、コントローラ４０は、変圧器巻線１２の第１の所定の巻数比、又は第２の所定の巻数比が得られるように、第１のＭＥＭＳスイッチモジュール１８と第２のＭＥＭＳスイッチモジュール１８とのスイッチング動作を調整するように構成されている。【選択図】図１
2011018905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器巻線（１２）の負荷時タップ切換器（１０）であって、
前記変圧器巻線（１２）の第１のタップとニュートラル端子（１６）とに直接直列に結合された第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュール（１８）と、
前記変圧器巻線（１２）の第２のタップと前記ニュートラル端子（１６）とに直接直列に結合された第２の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュール（１８）と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）及び前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）に作動的に結合されたコントローラ（４０）とを含み、前記コントローラ（４０）は、前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）によってそれぞれ受信されて、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が閉位置に移動するようにさせ、前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が開位置に移動するようにさせて、前記変圧器巻線（１２）で第１の所定の巻数比が得られるようにする第１及び第２の信号を発生するように構成される、負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項２】
前記コントローラ（４０）は、前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）によってそれぞれ受信されて、第１の時点で前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が閉位置に移動するようにさせ、前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が開位置に移動するようにさせて、前記変圧器巻線（１２）で第１の所定の巻数比が得られるようにする第１及び第２の信号を発生するように構成され、前記コントローラ（４０）は更に、前記第１の時点の後の第２の時点で前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が閉位置に移動するようにさせる前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）への第３の信号を発生するように構成され、前記コントローラ（４０）は更に、第２の時点の後の第３の時点で前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）により受信される第４の信号を発生するように構成され、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は、前記第４の信号に応答して交流電流の検知されたゼロ交差で閉位置から開位置に移動して、前記変圧器巻線（１２）で第２の所定の巻数比を得るように構成されている、請求項１に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項３】
前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）に結合された制御回路（２１）を更に含み、前記制御回路（２１）は、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）及び前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が各々閉位置にある場合に前記変圧器巻線（１２）の間の大きい循環電流を防ぐように構成され、前記制御回路（２１）は、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記ニュートラル端子（１６）との間に結合され、且つ前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記ニュートラル端子（１６）との間に更に結合された第１のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）であって、第１の時点で第１の動作位置に移動して負荷電流が前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記ニュートラル端子（１６）との間を流れ、前記変圧器巻線（１２）の前記第１の所定の巻数比が得られるように構成された前記第１のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）と、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記第１のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）との間に結合された第２のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）であって、第１のダイバータインピーダンスに並列に結合され、前記コントローラ（４０）によって発生された第５の信号に応答して、前記第２の時点の後の第４の時点で開位置に移動し、タップ切換え動作中に負荷電流が前記第１のダイバータインピーダンスを通ることを可能にし、前記第１の時点では閉位置にある前記第２のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）と、前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記第１のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）との間に結合された第３のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）であって、第１のダイバータインピーダンス（３２）に並列に結合され、前記時点で開位置にある前記第３のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）と、前記第１のダイバータインピーダンスと前記第１のダイバータインピーダンス（３２）との間に結合され、更に前記第１のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）に並列に結合された第４のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）であって、前記コントローラ（４０）によって発生された第６の信号に応答して、前記第４の時点の後の第５の時点で閉位置に移動して、負荷電流が前記第１のダイバータインピーダンスと前記第１のダイバータインピーダンス（３２）とを通過して、タップ切換え動作中に変圧器巻線（１２）の間に大きい循環電流が発生することを防止し、前記第１の時点では開位置にある前記第４のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）とを備え、前記第１のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）は、前記コントローラ（４０）によって発生された第７の信号に応答して、前記第５の時点の後の第６の時点で前記第１の動作位置から第２の動作位置に移動して、負荷電流が前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記ニュートラル端子（１６）との間を通って、前記変圧器巻線（１２）の前記第２の所定の巻数比が得られるように構成され、前記第４のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）は、前記コントローラ（４０）によって発生された第８の信号に応答して、前記第６の時点の後の第７の時点で開位置に移動して、負荷電流が前記タップ切換え動作中に前記第１のダイバータインピーダンス（３２）を通過できるように構成され、前記第３のダイバータスイッチモジュール（２２〜２８）は、前記コントローラ（４０）によって発生された第９の信号に応答して、前記第７の時点の後の第８の時点で閉位置に移動して、負荷電流が前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記ニュートラル端子（１６）との間を通り、前記変圧器巻線（１２）に前記第２の所定の巻数比を提供するように構成され、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は、前記第４の信号に応答して前記交流電流の前記検知されたゼロ交差で前記閉位置から前記開位置に移動して、前記第８の時点の後の前記第３の時点で前記変圧器巻線（１２）の前記第２の所定の巻数比が得られるようにされた、請求項２に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項４】
前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は各々、前記開位置で作用的に漏れ電流がゼロである少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチを含む、請求項１に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項５】
前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は各々、前記交流電流のゼロ交差を検知する少なくとも１つの電流センサを含む、請求項２に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項６】
変圧器巻線（１２）の負荷時タップ切換器（１０）であって、
前記変圧器巻線（１２）の第１のタップとニュートラル端子（１６）とに直接直列に結合された第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュールと、
前記変圧器巻線（１２）の第２のタップと前記ニュートラル端子（１６）とに直接直列に結合された第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）及び前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）に作動的に結合されたコントローラ（４０）であって、前記コントローラ（４０）は、前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）によってそれぞれ受信されて、第１の時点で前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が閉位置に移動するようにさせ、前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が開位置に移動するようにさせて、前記変圧器巻線（１２）で第１の所定の巻数比が得られるようにする第１及び第２の信号を発生するように構成され、前記コントローラ（４０）は更に、前記第１の時点の後の前記第２の時点で前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）が閉位置に移動するようにさせる第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）への第３の信号を発生するように構成された前記コントローラ（４０）と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）とに結合された制御回路（２１）とを含み、前記制御回路（２１）は、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）と前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）とが各々閉位置にある場合に前記変圧器巻線（１２）間に大きい循環電流が発生することを防止するように構成された、負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項７】
前記コントローラ（４０）は更に、前記第２の時点の後の第３の時点で前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）により受信される第４の信号を発生するように構成され、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は、前記第４の信号に応答して交流電流の検知されたゼロ交差で閉位置から開位置に移動して、前記変圧器巻線（１２）で第２の所定の巻数比を得るように構成され、前記第１のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は前記交流電流の前記ゼロ交差を検知する第１の電流センサを含む、請求項６に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項８】
前記第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は、前記交流電流の前記ゼロ交差を検知する第２の電流センサを含む、請求項７に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項９】
前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は各々、前記開位置で作用的に漏れ電流がゼロである少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチを含む、請求項６に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【請求項１０】
前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュール（１８）は各々、１マイクロ秒未満のスイッチング速度を有する、請求項６に記載の負荷時タップ切換器（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧デバイスの負荷時タップ切換器に関し、特に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用した高出力変圧器の負荷時タップ切換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、複雑な機械的スイッチアセンブリは、負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）を実現している。機械的ＯＬＴＣ機構は、これらの機構のスイッチアセンブリ内のスイッチを開閉する強力ばねを充電する電動モータを含んでいる。スイッチアセンブリ内のスイッチは、適時にスイッチを開閉するように、機械的インターロックによって調整された順序で機械的にオン・オフ作動される。これらの機械的インターロックは拘束状態になり、スイッチングの作動を妨げることがある。（各スイッチが開いた場合のアーク発生の低減等の）スイッチ接点の電気的ストレスを低減するために多くの開発がなされてきたが、主要な故障モードはスイッチ接点の故障である。更に、ＯＬＴＣスイッチアセンブリは多くの統合された、機械的に可動な部品を有するので、頻繁に問題が生じ、定期的に保守する必要があり、それにはコストがかかる。さらに、従来のＯＬＴＣスイッチアセンブリはアーク発生の問題を軽減するためにオイルやＳＦ６等の絶縁媒体に浸漬されるので、ＯＬＴＣスイッチアセンブリの保守にはコストと時間がかかる。機械的なＯＬＴＣ機構は更に大型で動作速度が遅く、ノイズが大きいため、望ましくない。従来のＯＬＴＣの機械的可動部品は、ＯＬＴＣを含む電力用変圧器の問題の相当部分の原因である。
【０００３】
幾つかの故障モードを低減するためにソリッドステートスイッチングデバイスが使用されてきたが、変圧器の負荷時タップ切換器の用途でスイッチ部品として使用される場合には他の故障又は欠点があることが知られている。半導体スイッチング手段は寄生エネルギ損失及び不都合なオフ状態の漏れ電流を生じることは良く知られている。半導体スイッチは更に、オン状態にある場合でも順電圧降下を生じる。半導体スイッチが開位置にある場合でもわずかな電流を通し、これは望ましくない。ソリッドステートスイッチは高速のスイッチング速度をもたらすことができるが、相当の電力損失を生じやすく、コストが非常に高くなることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，３３２，８３５Ｂ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、費用効果が高く、マイクロ秒未満でのスイッチング、及びエネルギを逸らすことによってアークを生じないスイッチングが可能なスイッチング技術を用いた高出力変圧器の負荷時タップ切換器を有することが望ましい。更に、従来のスイッチのスイッチングの故障モードを低減又は除去し、半導体スイッチング手段の寄生エネルギ損失をなくすことができるスイッチング技術を使用した高出力変換器の負荷時タップ切換器を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様により、変圧器巻線の負荷時タップ切換器が提供される。ＯＬＴＣは、変圧器巻線の第１のタップとニュートラル端子とに直接直列に結合された第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュールと、変圧器巻線の第２のタップとニュートラル端子とに直接直列に結合された第２の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュールと、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールと第２のＭＥＭＳスイッチモジュールとに作動的に結合されたコントローラとを含み、コントローラは、第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュールによってそれぞれ受信されて、第１の時点で第１のＭＥＭＳスイッチモジュールが閉位置に移動するようにさせ、第２のＭＥＭＳスイッチモジュールが開位置に移動するようにさせて、変圧器巻線で第１の所定の巻数比が得られるようにする第１及び第２の信号を発生するように構成され、コントローラは更に、第１の時点の後の第２の時点で第２のＭＥＭＳスイッチモジュールが閉位置に移動するようにさせる第２のＭＥＭＳスイッチモジュールへの第３の信号を発生するように構成され、コントローラは更に、第２の時点の後の第３の時点で第１のＭＥＭＳスイッチモジュールにより受信される第４の信号を発生するように構成され、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールは、第４の信号に応答して交流電流の検知されたゼロ交差で閉位置から開位置に移動して、変圧器巻線で第２の所定の巻数比を得るように構成されている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、変圧器巻線のＯＬＴＣが提供される。負荷時タップ切換器は、変圧器巻線の第１のタップとニュートラル端子とに直接直列に結合された第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュールと、変圧器巻線の第２のタップとニュートラル端子とに直接直列に結合された第２のＭＥＭＳスイッチモジュールと、第１のＭＥＭＳスイッチモジュール及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュールに作動的に結合されたコントローラとを含み、コントローラは、第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュールによってそれぞれ受信されて、第１の時点で第１のＭＥＭＳスイッチモジュールが閉位置に移動するようにさせ、第２のＭＥＭＳスイッチモジュールが開位置に移動するようにさせて、変圧器巻線で第１の所定の巻数比が得られるようにする第１及び第２の信号を発生するように構成され、コントローラは更に、第１の時点の後の第２の時点で第２のＭＥＭＳスイッチモジュールが閉位置に移動するようにさせる第２のＭＥＭＳスイッチモジュールへの第３の信号を発生するように構成され、コントローラは更に、第２の時点の後の第３の時点で第１のＭＥＭＳスイッチモジュールにより受信される第４の信号を発生するように構成され、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールは、第４の信号に応答して交流電流の検知されたゼロ交差で閉位置から開位置に移動して、変圧器巻線で第２の所定の巻数比を得るように構成され、更に、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールと第２のＭＥＭＳスイッチモジュールとに結合された制御回路を含み、制御回路は、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールと第２のＭＥＭＳスイッチモジュールとが各々閉位置にある場合に変圧器巻線間に大きい循環電流が発生することを防止するように構成されている。
【０００８】
本発明の更に別の態様によれば、変圧器巻線のＯＬＴＣを組み立てる方法が提供される。この方法は、第１の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチモジュールを変圧器巻線の第１のタップとニュートラル端子とに直接直列に結合するステップと、第２のＭＥＭＳスイッチモジュールを変圧器巻線の第２のタップとニュートラル端子とに直接直列に結合するステップと、コントローラを第１のＭＥＭＳスイッチモジュールと第２のＭＥＭＳスイッチモジュールとに作動的に結合するステップとを含み、コントローラは、第１及び第２のＭＥＭＳスイッチモジュールによってそれぞれ受信されて、第１の時点で第１のＭＥＭＳスイッチモジュールが閉位置に移動するようにさせ、第２のＭＥＭＳスイッチモジュールが開位置に移動するようにさせて、変圧器巻線で第１の所定の巻数比が得られるようにする第１及び第２の信号を発生するように構成され、コントローラは更に、第１の時点の後の第２の時点で第２のＭＥＭＳスイッチモジュールが閉位置に移動するようにさせる第２のＭＥＭＳスイッチモジュールへの第３の信号を発生するように構成され、コントローラは更に、第２の時点の後の第３の時点で第１のＭＥＭＳスイッチモジュールにより受信される第４の信号を発生するように構成され、第１のＭＥＭＳスイッチモジュールは、第４の信号に応答して交流電流の検知されたゼロ交差で閉位置から開位置に移動して、変圧器巻線で第２の所定の巻数比を得るように構成されている。
【０００９】
上記及びその他の利点と特徴は、図面を参照した以下の説明からより明確になる。
【００１０】
発明と見なされる対象は、特に本明細書の末尾の特許請求の範囲に記載され、明確に請求されている。本発明の上記及びその他の特徴と利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に開示される例示的実施形態による複数のＭＥＭＳスイッチモジュールを使用した変圧器巻線のＯＬＴＣの概略図である。
【図２】本明細書に開示される例示的実施形態による変圧器巻線の巻数比を変更するためにＭＥＭＳスイッチ技術を用いたＯＬＴＣの動作方法を示すフローチャートである。
【図３】本明細書に開示される例示的実施形態による複数のＭＥＭＳスイッチモジュールの各々の例示的ＭＥＭＳスイッチの構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示したＭＥＭＳスイッチの４−４線に沿った断面図である。
【図５Ａ】本明細書に開示する例示的実施形態による図３のＭＥＭＳスイッチのオフ状態での５−５線に沿った断面図である。
【図５Ｂ】本明細書に開示する例示的実施形態による図３のＭＥＭＳスイッチのオン状態での５−５線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な記述は、添付図面を参照した本発明の例示的実施形態をその利点及び特徴と共に説明するものである。
【００１３】
例示的実施形態は、変圧器巻線の巻数又は巻数比を変更して、変圧器巻線の両端間の交流電流（ＡＣ）の出力電圧を有効にするためにＭＥＭＳスイッチ技術（例えば別個のＭＥＭＳを使用したスイッチ）を利用するＯＬＴＣ、及びその組み立て方法を対象とする。例示的実施形態は更に、変圧器巻線の巻数比を変更するためにＭＥＭＳスイッチ技術を利用するＯＬＴＣの動作方法も対象とする。例示的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチを使用することによって従来のスイッチのスイッチ故障モード（例えばスイッチの接触不良）を低減し、又はこれを無くし、半導体スイッチング手段の寄生エネルギ損失が避けられる。例示的実施形態は、１マイクロ秒未満でのスイッチングが可能なＭＥＭＳスイッチを使用したＯＬＴＣを提供し、スイッチが開かれている際のアーク発生を無くすように組み込まれた方法を含む。
【００１４】
本明細書で用いる用語「オフ」、「オン」、「開」、「閉」、「直列」及び「並列」は、電子分野で通常使用される意味を有する。
【００１５】
図１は、例示的実施形態による内部コイル（図示せず）及びコアアセンブリ（図示せず）を有する変圧器ユニット（図示せず）の変圧器巻線１２に結合された負荷時タップ切換器１０の簡略な概略図を示す。変圧器ユニットの構成部品は詳細に示されていないが、本明細書に記載の変圧器巻線１２は従来のどの変圧器ユニットの部品でも良く、いずれかの種類の変圧器構造に限定されるものではないことを理解されたい。変圧器巻線１２は一端に電源側端子１４を、他端にニュートラル、又はアース端子１６を有する。
【００１６】
負荷時タップ切換器１０は、複数のタップ２０Ａ〜２０Ｈとそれぞれ直接直列に電気的に結合された複数のＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ａ〜１８Ｈを含み、タップは図示の通り異なる変圧器巻線に接続される。各タップによって、変圧器巻線に可変巻数比を付与し、変圧器巻線の両端間のＡＣ出力の電圧調整を可能にする変圧器巻線の所定の巻数を選択することが可能になる。一般に、例えばＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂが閉じてタップ２０Ｂとタップ接続し、一方、他のＭＥＭＳスイッチモジュールが開いている場合は、変圧器巻線１２は第１の所定の巻数比を得る。この同じ例で、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃが閉じてタップ２０Ｃとタップ接続し、一方、他のＭＥＭＳスイッチモジュール（ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ａを含む）が開いている場合は、変圧器巻線１２は、第１の所定の巻数比とは異なる第２の所定の巻数比を得る。このように、変圧器巻線１２の電圧出力を、「ステップダウン」又は増大させ（例えばタップ２０Ｂからタップ２０Ａへの移行）、或いは「ステップアップ」又は低減させる（例えばタップ２０Ｂからタップ２０Ｃへの移行）ことができる。一実施形態によれば、変圧器の通常の動作中に１つのＭＥＭＳスイッチモジュールだけを閉じても良い。
【００１７】
負荷時タップ切換器１０は、用途に応じて図１に示したよりも多い、又は少ないＭＥＭＳスイッチモジュール及びタップを含んでも良い。しかし、簡略化する目的のみで、図１には８つのモジュールを示す。説明し易くするため、一実施形態によるＭＥＭＳスイッチ技術を使用した負荷時タップ切換器１０のスイッチング動作を例示的に説明するため、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂ及びＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃをそれぞれのタップ（タップ２０Ｂ及びタップ２０Ｃ）と共に詳細に記載する。
【００１８】
負荷時タップ切換器１０は更に、図示のように複数のＭＥＭＳスイッチモジュールとニュートラル端子１６との間に電気的に結合された制御回路２１を含む。制御回路２１は、一実施形態によるタップ切換え動作中の巻線間の大きい循環電流を防ぐように構成される。すなわち、制御回路はスイッチング動作を制御し、以下に詳細に説明するように、タップ切換え動作中に不都合なエネルギを変圧器巻線から作用的に逸らす。
【００１９】
制御回路２１は、第１のダイバータスイッチモジュール２２と、第２のダイバータスイッチモジュール２４と、第３のダイバータスイッチモジュール２６と、第４のダイバータスイッチモジュール２８とを含む。制御回路２１は更に、タップ切換え動作中に変圧器巻線から不都合なエネルギを逸らすために使用される第１及び第２のダイバータインピーダンス３０、３２を含む。ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂ及び１８Ｃのみを参照したこれらの構成部品の説明は、それらの動作の例として記載される。しかし、これらは本明細書に記載のどのＭＥＭＳスイッチモジュールと共に使用されても良い。第１のダイバータスイッチモジュール２２は、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂとニュートラル端子１６との間に電気的に結合される。第１のダイバータスイッチモジュール２２は、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃとニュートラル端子１６との間にも電気的に結合される。第１のダイバータスイッチモジュール２２は、変圧器巻線の所望の巻数比に応じて第１の動作位置と第２の動作位置との間を移動するように構成されている。第２のダイバータスイッチモジュール２４は、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂと第１のダイバータスイッチモジュール２２との間に電気的に結合される。図示のように、第１のダイバータインピーダンスは第２のダイバータスイッチモジュール２４に並列に電気的に結合され、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂと電気的に結合される。第３のダイバータスイッチモジュール２６は、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃと第１のダイバータスイッチモジュール２２との間に電気的に結合される。第２のダイバータインピーダンス３２は、第３のダイバータスイッチモジュール２６に並列に電気的に結合される。最後に、第４のダイバータスイッチモジュール２８は、第１のダイバータインピーダンス３０及び第２のダイバータインピーダンス３２に直列に電気的に結合され、第１のダイバータスイッチモジュール２２に並列に接続される。
【００２０】
一例示的実施形態によれば、コントローラ４０は、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ａ〜１８Ｈ、及びダイバータスイッチモジュール２２、２４、２６及び２８と信号通信する。コントローラ４０は、スイッチモジュールを所定の時点で開閉させるために信号を発生し、ＭＥＭＳスイッチモジュールとダイバータスイッチモジュールとに送信することによって、ＭＥＭＳスイッチモジュールとダイバータスイッチモジュールとのスイッチング動作を調整して、タップ接続を成立させ（例えば閉）、タップ接続を遮断し（例えば開）、タップ接続を阻止し、且つタップ間を切換えて（例えば開閉手順）、ニュートラル端子への変圧器巻線で利用できる電圧レベルを効果的に変更又は調整するように構成されている。コントローラ４０は、所定のスイッチング手順に従って、ＭＥＭＳスイッチモジュールとダイバータスイッチモジュールとに信号を送信して、タップ接続を成立させ、タップ接続を遮断し、タップ接続を阻止し、タップ間を切換える。コントローラ４０は、一実施形態では各々のＭＥＭＳスイッチモジュールからのフィードバック（例えばスイッチ位置）を受信するように構成されている。
【００２１】
一例示的実施形態では、コントローラ４０は負荷時タップ切換器１０の一構成要素である。別の実施形態では、コントローラ４０は、変圧器ユニットを負荷時タップ切換器１０に組み込むシステム又はサブシステムの構成要素である。一例示的実施形態によれば、コントローラ４０は、読込み及び実行時に、本発明の方法／動作を実行するようにコントローラのプロセッサを作動させることができるハードウェア及び／又はソフトウェア／ファームウェアとコンピュータプログラムとの組み合わせを有するプロセッサを備える。
【００２２】
次に図１に示す前述の負荷時タップ切換え構造を参照して、コントローラ４０によって実行されるスイッチング手順を例として説明する。より具体的には、コントローラ４０によって実行される通常の変圧器の動作とタップ切換え動作とを例示する。この例では、ＭＥＭＳスイッチ技術を用いて、タップ２０Ｂからタップ２０Ｃへの別のタップ接続を解除する前にタップ接続を成立させることができる負荷時タップ切換器１０の動作を説明する。
【００２３】
次に図２を参照し、一実施形態に従って、ＭＥＭＳスイッチ技術を利用して変圧器巻線の巻数比を変更するＯＬＴＣの動作方法を図１に示したＯＬＴＣの例を参照に説明する。
【００２４】
動作ブロック２００は、初期条件が整った状態でタップ切換動作から開始する。整える初期条件とは、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂが閉じられてタップ２０Ｂと接続し、一方、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃが開かれ（且つ他の全てのタップスイッチ１８Ａ、１８Ｄ〜１８Ｈが開かれ）、第１のダイバータスイッチモジュール２２が第１の動作位置（位置Ａ）に置かれ、第２のダイバータスイッチモジュール２４が閉じられ、第３及び第４のダイバータスイッチモジュール２６、２８が開かれた状態等が含まれる。これらの初期条件下で、変圧器巻線１２は通常の動作モードで動作し、変圧器巻線１２について第１の所定の巻数比が得られる。これらの初期条件の間に、負荷電流が第２のダイバータスイッチモジュール２４を経てニュートラル端子１６へと流れる。コントローラ４０は、一実施形態によれば、所定の手順で信号を発生し、スイッチング部品に送信することによってこれらの初期条件を満たすことを可能にする。言うまでもなく、整える初期条件は、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃが閉じられ、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂが開かれる場合、又はＭＥＭＳスイッチモジュールのいずれか１つが閉じられ、残りのＭＥＭＳスイッチモジュールが開かれる場合でも可能であろう。しかし、この実施例では、上記の初期条件を用いて説明する。
【００２５】
動作ブロック２０２で、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃが閉じられ、タップ２０Ｃとタップ接続する。一例示的実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃを閉じさせる信号をコントローラ４０から受信することによって、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃが閉じられる。この時点で、一実施形態によれば、タップ切換え動作はコントローラ４０によって既に開始されている。
【００２６】
動作ブロック２０４で、第２のダイバータスイッチモジュール２４が開かれ、変圧器巻線の負荷電流が第１のダイバータインピーダンス３０を経て流れることが可能になる。これにより、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂにおけるエネルギは、第１のダイバータインピーダンス３０を経て散逸することが可能になる。コントローラ４０は、一例示的実施形態によれば、第２のダイバータスイッチモジュール２４を開かせる信号を第２のダイバータスイッチモジュール２４に送信する。
【００２７】
動作ブロック２０６で、第４のダイバータスイッチモジュール２８が閉じられ、変圧器巻線の負荷電流が第１のダイバータインピーダンス３０と第２のダイバータインピーダンス３２を経て流れることが可能になる。第１のダイバータインピーダンス３０と第２のダイバータインピーダンス３２とは、一例示的実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチモジュール２０ＢとＭＥＭＳスイッチモジュール２０Ｃとに間の巻線に蓄積されたエネルギを逸らすために使用される。第４のダイバータスイッチモジュール２８は、一例示的実施形態によれば、第４のダイバータスイッチモジュール２８を閉じさせる信号をコントローラ４０から受信することによって閉じられる。
【００２８】
動作ブロック２０８で、第１のダイバータスイッチモジュール２２を第２の動作位置（位置Ｂ）に置く。これにより、負荷電流が第２のＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃとニュートラル端子１６との間を流れることが可能になり、変圧器巻線が第２の所定の巻数比を得ることができる。
【００２９】
動作ブロック２１０で、第４のダイバータスイッチモジュール２８が開かれ、負荷電流が第２のダイバータインピーダンス３２を通過することが可能になる。これにより、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｃにおけるエネルギは、第２のダイバータインピーダンス３２を経て散逸することが可能になる。第４のダイバータスイッチモジュール２８は、一例示的実施形態によれば、第４のダイバータスイッチモジュール２８を開かせる信号をコントローラ４０から受信することによって開かれる。
【００３０】
動作ブロック２１２で、第３のダイバータスイッチモジュール２６が閉じられ、負荷電流が第２のダイバータインピーダンス３２をバイパスし、第３のダイバータスイッチモジュール２６を経てニュートラル端子１６へと流れることが可能になり、変圧器巻線１２の第２の所定の巻数比が得られる。第３のダイバータスイッチモジュール２６は、一例示的実施形態によれば、第３のダイバータスイッチモジュール２６を閉じさせる信号をコントローラ４０から受信することによって閉じられる。
【００３１】
動作ブロック２１４で、交流電流の検知されたゼロ交差でＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂが開かれる。これによりタップ切換え動作が完了する。一実施形態によれば、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂは、ＭＥＭＳスイッチモジュール１８Ｂを開かせる信号をコントローラから受信することによって、交流電流の検知されたゼロ交差で開かれる。
【００３２】
本明細書に記載のフローチャートは一例に過ぎない。本明細書に記載のこの図、又はステップ（又は動作）には本発明の趣旨から逸脱することなく多くの変化形態があり得る。例えば、動作ステップは別の順序で実行されても良く、又はステップが追加、削除、又は修正されても良い。これらの変化形態は全て特許請求された発明の一部であるとみなされる。同様の動作ステップを実行して、変圧器巻線に沿った様々なタップ接続を形成することができる。
【００３３】
一例示的実施形態によれば、各々のＭＥＭＳスイッチモジュールは、交流電流の検知されたゼロ交差中に開き、又はバイパス方法により非対称的電流をバイパスするように構成されたＭＥＭＳを使用した１つ又は複数のスイッチを備える。一実施形態によれば、本明細書に記載のＭＥＭＳを使用したスイッチは、交流電流のゼロ交差を検知可能な一体型の電流センサを含む。更に、本明細書に記載のＭＥＭＳを使用したスイッチは、一実施形態によれば、開位置で漏れ電流がゼロになるように構成されている。
【００３４】
一例示的実施形態によれば、各々のダイバータスイッチモジュールは、上記と同類のＭＥＭＳを使用した１つ又は複数のスイッチを備える。
【００３５】
一例示的実施形態によれば、各々のＭＥＭＳスイッチモジュールは、直列構成、並列構成、又は両方を組み合わせたＭＥＭＳを使用したスイッチアレイを備える。このＯＬＴＣの用途で使用されるこのようなＭＥＭＳを使用したスイッチは単独で、又は他のＭＥＭＳを使用したスイッチと組み合わせて、不具合なく電圧／高電流変圧器に耐えることができるように構成されている。
【００３６】
次に、本明細書に記載の例示的実施形態で使用可能なＭＥＭＳスイッチ３００とその基本構成部品の一実施例を示す図３を参照する。ＭＥＭＳスイッチ３００は、スイッチの可動素子３０８と、支持構造３１０と、スイッチ電極（駆動手段）３１２とを備える。ＭＥＭＳスイッチ３００は、２本のＲＦマイクロストリップライン（分布定数ライン）３０２ａ及び３０２ｂと共に誘電体基板３０４上に形成される。アース（ＧＲＤ）プレート３０６は誘電体基板３０４の下面に配置される。マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂは空隙Ｇで互いに密接した間隔を隔てて配置される。各マイクロストリップライン（３０２ａ及び３０２ｂ）の幅はＷである。
【００３７】
スイッチ電極３１２は、誘電体基板３０４上のマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂとの間に配置される。スイッチ電極３１２は、各々のマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂよりも高さが低くなるように形成される。電気信号に基づいて駆動電圧がスイッチ電極３１２に選択的に印加される。スイッチの可動素子３０８は、スイッチ電極３１２の上方に配置される。スイッチの可動素子３０８は導電部材からなる。従って、互いに対向するスイッチ電極３１２とスイッチの可動素子３０８とによってコンデンサ構造が形成される。
【００３８】
スイッチの可動素子３０８を支持する支持構造３１０は、支柱部３１０ａとアーム部３１０ｂとを含む。支柱部３１０ａは、マイクロストリップライン３０２ａと３０２ｂとの間の空隙Ｇから選択された間隔を隔てて誘電体基板３０４上に固定される。アーム部３１０ｂは支柱部３１０ａの上面の一端から空隙Ｇへと延在する。支持構造３１０は、誘電体、半導体又は導体からなる。スイッチの可動素子３０８は、支持構造３１０のアーム部３１０ｂの遠端に固定される。
【００３９】
図４に示すように、スイッチの可動素子３０８の長さＬは空隙Ｇよりも長い。この構造によって、スイッチの可動素子３０８の遠端部３０８ａ及び３０８ｂは、マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂのそれぞれに遠端部３０２ａ及び３０２ｂの部分と対向する。スイッチの可動素子３０８の遠端部３０８ａ及び３０８ｂは、各々がスイッチの可動素子３０８の２つの端部の対応する１つから長さ（Ｌ−Ｇ）／２だけ延びている部分として画定される。マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂの遠端部３０２ａ及び３０２ｂは、各々がマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂの対向端部の対応する１つから長さ（Ｌ−Ｇ）／２だけ延びている部分として画定される。
【００４０】
スイッチの可動素子３０８の幅は、マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂの各々の幅Ｗよりも狭い。従って、スイッチの可動素子３０８の各々の遠端部３０８ａ及び３０８ｂの面積は、マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂの各々の遠端部３０２ａ及び３０２ｂの面積よりも小さい。
【００４１】
図５Ａ及び５Ｂは、図４に示したＭＥＭＳスイッチ３００の（ａ）オフ状態（図５Ａ）と（ｂ）オン状態（図５Ｂ）の断面５−５に沿った断面図を示す。図５Ａに示すように、スイッチの可動素子３０８は、基本的に高さｈだけマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂから離隔した位置に配置される。この場合、高さ（ｈ）は約数マイクロメートル（μｍ）である。従って、スイッチ電極３１２に駆動電圧が印加されない場合、スイッチの可動素子３０８はマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂとは接触しない。
【００４２】
しかし、スイッチの可動素子３０８は、マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂと対向する部分を有する。コンデンサ構造がスイッチの可動素子３０８とマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂのこれらの部分とによって形成されるので、マイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂは、スイッチの可動素子３０８を介して互いに容量結合される。スイッチの可動素子３０８とマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂとの間のキャパシタンスは、スイッチの可動素子３０８とマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂとの間の対向する面積に比例する。
【００４３】
スイッチの可動素子３０８の幅は、各々のマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂの幅Ｗよりも小さいので、対向面積、及びスイッチの可動素子３０８とマイクロストリップライン３０２ａ及び３０２ｂの対向部分との間に形成されるキャパシタンスが減少する。このことがマイクロストリップライン３０２ａと３０２ｂとの間の容量結合を弱めるので、ＭＥＭＳスイッチ３００のオフ状態でのエネルギ漏れを抑制することができる。
【００４４】
図３〜５Ｂの上述したＭＥＭＳスイッチ３００は、本発明の例示的実施形態によりＭＥＭＳスイッチモジュール及びダイバータスイッチモジュールで使用可能なＭＥＭＳスイッチの構造の例示的実施形態であるに過ぎない。本明細書に記載のＭＥＭＳスイッチは、様々な別の構造で構成されても良いことは当業者に理解されよう。例えば、支持構造３１０は、メンブレン、カンチレバー、可撓性メンブレン、ダイアフラム、曲げ部材、空洞、表面マイクロ加工構造、櫛歯構造、ブリッジ等の構造を含んでも良い。メンブレンが使用される例示的実施形態では、メンブレンのレスト位置がオン／オフ状態に対応しても良く、メンブレンが受ける何らかの撓みによって、スイッチを逆の状態にフリップさせるようにしても良い。
【００４５】
ＯＬＴＣでスイッチング部品として使用されるＭＥＭＳスイッチのサイズと拡張性によって、有利にパッケージし易くなる。更に有利に、ＭＥＭＳスイッチを使用することによって、従来のＯＬＴＣスイッチで通常なされるような、オイル又はＳＦ６等の絶縁媒体を含む筐体に負荷時タップ切換器を浸漬する必要がなくなる。ＭＥＭＳスイッチング技術を用いたＯＬＴＣを変圧器ユニットから離隔した空気充填筐体内に格納可能にして、ＯＬＴＣをより簡単に保守できるように構成されている。本明細書で使用されるＭＥＭＳスイッチは、従来型の負荷時タップ切換器で現在使用されている従来の機械的スイッチに通常は伴う問題を生じない実際の機械的スイッチであるため、設計者に簡便性をもたらす。
【００４６】
本発明を限定された数の実施形態に関連して詳細に記載してきたが、本発明は開示したこのような実施形態に限定されないことは容易に理解されたい。逆に、本発明は前述していないが、本発明の趣旨と範囲に相応するいずれかの数の変化形態、変更、代替形態又は等価の構成を組み込むように修正可能である。また、本発明の様々な実施形態を記載したが、本発明の態様は記載の実施形態の幾つかだけを含むことがあることは理解されよう。従って、本発明は前述の記載に限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００４７】
１０  負荷時タップ切換器
１２  変圧器巻線
１４  電源側端子
１６  ニュートラル端子
１８Ａ−１８Ｈ  ＭＥＭＳスイッチモジュール
２０Ａ−２０Ｈ  タップ
２１  制御回路
２２  ダイバータスイッチモジュール
２４  ダイバータスイッチモジュール
２６  ダイバータスイッチモジュール
２８  ダイバータスイッチモジュール
３０  第１のダイバータインピーダンス
３２  第２のダイバータインピーダンス
４０  コントローラ
２００  動作ブロック
２０２  動作ブロック
２０４  動作ブロック
２０６  動作ブロック
２１０  動作ブロック
２１２  動作ブロック
２１４  動作ブロック
３００  ＭＥＭＳスイッチ
３０２ａ  マイクロストリップライン
３０２ｂ  マイクロストリップライン
３０４  誘電体基板
３０６  アースプレート
３０８  スイッチの可動素子
３０８ａ，３０８ｂ  遠端部
３１０  支持構造
３１０ａ  支柱部
３１０ｂ  アーム部
３１２  スイッチ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【外国語明細書】
2011018905000001.pdf