(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチモジュールを提供する。【解決手段】装置は、特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成（最低特性抵抗に関連）との間で移動するように構成された電気機械スイッチ構造体１０２を有する。転流回路１２０は、電気機械スイッチ構造体と並列接続されており、電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成された平衡ダイオードブリッジ１２２と、平衡ダイオードブリッジを通るパルス電流の流れを発生させるために（電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して）パルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタ１４６を含むパルス回路１４２とを有する。電気機械スイッチ構造体及び平衡ダイオードブリッジは、転流回路に関する合計インダクタンスが特性時間と最低特性抵抗との積以下になるように配置される。【選択図】図１
2011129516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成された電気機械スイッチ構造体（１０２）であって、完全閉鎖構成にあるときに最低特性抵抗を有する電気機械スイッチ構造体と；
前記電気機械スイッチ構造体と並列接続された転流回路（１２０）であって、
前記電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成された平衡ダイオードブリッジ（１２２）と、
前記平衡ダイオードブリッジを通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタ（１４６）を含むパルス回路（１４２）であって、前記パルス信号は前記電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して発生するパルス回路と、を含む転流回路とを備え、
前記電気機械スイッチ構造体及び前記平衡ダイオードブリッジは、前記転流回路に関する合計インダクタンスが前記特性時間と前記最低特性抵抗との積以下になるように配置されている、装置。
【請求項２】
第２特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成され、完全閉鎖構成にあるときに第２最低特性抵抗を有する第２電気機械スイッチ構造体であって、
前記電気機械スイッチ構造体は、第１特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成との間で移動し、完全閉鎖構成にあるときに第１最低特性抵抗を有するように構成された第１電気機械スイッチ構造体であって、
前記第１及び第２電気機械スイッチ構造体は負荷回路に並列接続するように構成されており、
前記転流回路は前記第１及び第２電気機械スイッチ構造体の各々と並列接続されており、
前記平衡ダイオードブリッジは、前記第１電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成された第１平衡ダイオードブリッジであって、
前記転流回路は、前記第２電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成された第２平衡ダイオードブリッジを更に含み、
前記パルス回路は、前記第１及び第２平衡ダイオードブリッジの各々を通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタを含み、前記パルス信号は前記第１及び第２電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して生成され、
前記第１及び第２電気機械スイッチ構造体並びに前記第１及び第２平衡ダイオードブリッジは、前記パルス回路及び前記第１平衡ダイオードブリッジに関する合計インダクタンスが前記第１特性時間と前記第１最低特性抵抗との積以下となり、前記パルス回路及び前記第２平衡ダイオードブリッジに関する合計インダクタンスが前記第２特性時間と前記第２最低特性抵抗との積以下となるように配置されている、第２電気機械スイッチ構造体を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気機械スイッチ構造体が微小電気機械スイッチを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電気機械スイッチ構造体が１つ以上の接点（１１２）及び１つ以上の可動要素（１１０）を含み、前記１つ以上の可動要素の各々は、前記電気機械スイッチ構造体が完全閉鎖構成に配置されているときには前記１つ以上の接点のうち少なくとも１つと最大接触し、
前記１つ以上の可動要素の各々は、前記電気機械スイッチ構造体が開放構成に配置されているとき前記１つ以上の接点から開離している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電気機械スイッチ構造体が、可動要素（１１０）、接点（１１２）、及び、前記可動要素との電位差を確立するように選択的に電荷を受け取ることで、前記可動要素が前記接点と最大接触する最大接触位置と、前記可動要素が前記接点から開離している非接触位置との間で、前記可動要素を前記特性時間にわたって移動させるように構成された電極（１１６）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電気機械スイッチ構造体が、約１５マイクロ秒以下の特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電気機械スイッチ構造体が、完全閉鎖構成にあるときに最低特性実効アレイ抵抗を有する電気機械スイッチのアレイを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記電気機械スイッチのアレイが、並列接続された少なくとも２つの電気機械スイッチを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記電気機械スイッチのアレイが、直列接続された少なくとも２つの電気機械スイッチを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記電気機械スイッチのアレイが、並列接続された少なくとも２つの電気機械スイッチ及び直列接続された少なくとも２つの電気機械スイッチを含む、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して電流切替装置に関し、特に微小電気機械スイッチ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路遮断器は、回路内の故障に起因する損傷から電気機器を保護するために設計された電気装置である。旧来、従来型の回路遮断器は嵩張る（微小）電気機械スイッチを含むことが多かった。残念ながら、これらの従来型の回路遮断器は寸法が大きく、切替機構を起動させるためには大きな力を要することがある。また、これらの回路遮断器のスイッチは、通常は比較的低速で動作する。更に、これらの回路遮断器は、組み立て作業が複雑な分、製造費が高くなることがある。加えて、従来型回路遮断器の切替機構の接点が物理的に分離すると、接点間にアークが形成され、このアークによって、回路内の電流が停止するまでスイッチ内で電流が流れ続ける場合がある。更に、アークに関連するエネルギーは、接点を著しく損傷したり、人を火傷させたりする危険がある。
【０００３】
低速な電気機械スイッチの代替として、比較的高速な半導体スイッチが、高速切替用途に採用されてきた。これらの半導体スイッチは、電圧又はバイアスの印加制御により、導電状態と非導電状態との間で切り替わる。しかし、半導体スイッチは、非導電状態に切り替わったときに接点間に物理的な間隙を形成しないので、名目上の非導電時には、漏れ電流が発生する。更に、導電状態で動作している半導体スイッチには、内部抵抗による電圧降下が発生する。電圧降下及び漏れ電流はいずれも、通常の動作環境下での電力損失及び過熱に繋がり、これがスイッチ性能と寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。また、少なくとも部分的には半導体スイッチに関連する内在的な漏れ電流が原因で、回路遮断器用途に半導体スイッチを使用することはできない。
【０００４】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの切替装置は、或る電流切替用途に関して上記マクロ電気機械スイッチと半導体スイッチの有効な代替品となり得る。ＭＥＭＳベースのスイッチは、導電するように設定されているときは抵抗が小さく、装置を流れる電流を妨げるように設定されているときは電流漏洩が小さくなる（又は無くなる）傾向がある。更に、ＭＥＭＳベースのスイッチは、マクロ電気機械スイッチよりも応答時間が短いはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６１２９７１Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微小電気機械スイッチ構造体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、スイッチモジュール等の装置を提供する。この装置は、特性時間（例えば、約１５マイクロ秒以下）にわたって開放構成と完全閉鎖構成との間で移動する電気機械スイッチ構造体を含む。完全閉鎖構成にあるとき、電気機械スイッチ構造体は最低特性抵抗を有する。
【０００８】
電気機械スイッチ構造体は、１つ以上の接点及び１つ以上の可動要素を有し、電気機械スイッチ構造体が完全閉鎖構成で配置されているときには各可動要素は接点の少なくとも１つと最大接触しており、電気機械スイッチ構造体が開放構成で配置されているときには各可動要素は接点から開離している。電気機械スイッチ構造体は、例えば、微小電気機械スイッチを含む。電気機械スイッチ構造体は電極も有しており、この電極は、可動要素との電位差を確立するように選択的に電荷を受け取ることで、可動要素が接点と最大接触する最大接触位置と、可動要素が接点から開離している非接触位置との間で、特性時間にわたって可動要素を移動させるように構成されている。
【０００９】
電気機械スイッチ構造体は、完全閉鎖構成にあるときに最低特性実効アレイ抵抗を有する、電気機械スイッチのアレイを含む。アレイは、並列接続された少なくとも２つの電気機械スイッチ及び／又は直列接続された少なくとも２つの電気機械スイッチを含む。
【００１０】
転流回路は、電気機械スイッチ構造体と並列接続される。転流回路は、電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成された平衡ダイオードブリッジを含む。転流回路はまた、平衡ダイオードブリッジを通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタを含むパルス回路を含む。パルス信号は、電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して生成される。電気機械スイッチ構造体及び平衡ダイオードブリッジは、転流回路に関する合計インダクタンスが特性時間と最低特性抵抗との積以下になるように配置される。
【００１１】
幾つかの実施形態において第２電気機械スイッチ構造体を含み、第２電気機械スイッチ構造体は、第２特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成される。第２電気機械スイッチ構造体は、完全閉鎖構成にあるとき、第２最低特性抵抗を有する。（第１）電気機械スイッチ構造体はその後、第１特性時間及び第１最低特性抵抗に関連付けられる。第１及び第２電気機械スイッチ構造体は、転流回路が第１及び第２電気機械スイッチ構造体のそれぞれと並列接続された状態で、負荷回路と並列接続するように構成される。第１平衡ダイオードブリッジは、第１電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成され、第２平衡ダイオードブリッジは、第２電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成される。パルス回路は、第１及び第２平衡ダイオードブリッジのそれぞれを通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタを含み、このパルス信号は、第１及び第２電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して生成される。第１及び第２電気機械スイッチ構造体並びに第１及び第２平衡ダイオードブリッジは、パルス回路及び第１平衡ダイオードブリッジに関する合計インダクタンスが第１特性時間と第１最低特性抵抗との積以下になり、パルス回路及び第２平衡ダイオードブリッジに関する合計インダクタンスが第２特性時間と第２最低特性抵抗との積以下になるように配置される。
【００１２】
別の態様において、スイッチモジュール等の装置を提供する。この装置は、第１特性時間にわたって完全開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成された第１電気機械スイッチ構造体と、第２特性時間にわたって完全開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成された第２電気機械スイッチ構造体とを含む。第１電気機械スイッチ構造体は、完全閉鎖構成にあるときに第１最低特性抵抗を有し、第２電気機械スイッチ構造体は、完全閉鎖構成にあるときに第２最低特性抵抗を有する。第２電気機械スイッチ構造体は、第１電気機械構造体と並列又は直列接続するように構成される。
【００１３】
第１転流回路は、第１電気機械スイッチ構造体と並列接続される。第１転流回路は、第１平衡ダイオードブリッジ及び第１パルス回路を含む。第１平衡ダイオードブリッジは、第１電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成される。第１パルス回路は、第１平衡ダイオードブリッジを通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタを含み、このパルス信号は、第１電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して生成される。
【００１４】
第２転流回路は、第２電気機械スイッチ構造体と並列接続される。第２転流回路は、第２平衡ダイオードブリッジ及び第２パルス回路を含む。第２平衡ダイオードブリッジは、第２電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成される。第２パルス回路は、第２平衡ダイオードブリッジを通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成されたパルスキャパシタを含み、このパルス信号は、第２電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して生成される。
【００１５】
第１電気機械スイッチ構造体及び第１平衡ダイオードブリッジは、第１転流回路に関する合計インダクタンスが第１特性時間と第１最低特性抵抗との積以下になるように配置される。第２電気機械スイッチ構造体及び第２平衡ダイオードブリッジも、第２転流回路に関する合計インダクタンスが第２特性時間と第２最低特性抵抗との積以下になるように配置される。
【００１６】
更に別の態様において、電気機械スイッチ構造体及び該電気機械スイッチ構造体に並列接続された転流回路を含む装置を提供するステップを含む方法を開示する。電気機械スイッチ構造体は、開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するように構成され、完全閉鎖構成のときには最低特性抵抗を有する。転流回路は、電気機械スイッチ構造体の接点間のアーク形成を抑制するように構成された平衡ダイオードブリッジを含む。パルスキャパシタを含むパルス回路は、平衡ダイオードブリッジを通るパルス電流の流れを発生させるためにパルス信号を形成するように構成され、このパルス信号は、電気機械スイッチ構造体の切り替え事象に関連して生成される。静電力を印加して、電気機械スイッチ構造体を完全閉鎖構成に移動させる。静電力を変更することによって、特性時間にわたって電気機械スイッチ構造体を完全閉鎖構成から開放構成に移動させる。このときの特性時間は、該転流回路に関する合計インダクタンスを最低特性抵抗で割った商よりも大きい。
【００１７】
全図面を通して対応する部品を対応する符号で示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、利点の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】例示的実施形態に従って構成されたスイッチモジュールの模式図である。
【図２】例示的な電気機械スイッチの模式的斜視図である。
【図３】図２のスイッチの側面図である。
【図４】部分閉鎖構成にある図２のスイッチの側面図である。
【図５】完全閉鎖構成にある図２のスイッチの側面図である。
【図６】図２のスイッチの時間関数としてのスイッチ抵抗、ゲート電圧、及び作動力のグラフである。
【図７】図１のスイッチモジュールの動作例を示す模式図である。
【図８】図１のスイッチモジュールの動作例を示す模式図である。
【図９】図１のスイッチモジュールの動作例を示す模式図である。
【図１０】図１のスイッチモジュールの動作例を示す模式図である。
【図１１】その他の例示的実施形態に従って構成された各スイッチモジュールの模式図である。
【図１２】その他の例示的実施形態に従って構成された各スイッチモジュールの模式図である。
【図１３】その他の例示的実施形態に従って構成された各スイッチモジュールの模式図である。
【図１４】その他の例示的実施形態に従って構成された各スイッチモジュールの模式図である。
【図１５】その他の例示的実施形態に従って構成された各スイッチモジュールの模式図である。
【図１６】図１のスイッチモジュール用の等価回路の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
これより、全図面を通して対応する部品を対応する符号で示す添付図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。これらの実施形態は、上記及びその他の需要に応え得るものである。
【００２０】
図１を参照すると、例示的実施形態に従って構成された、（例えばモータスタータ用途に組み合わせて使用する）スイッチモジュール１００のような装置が示されている。スイッチモジュール１００は、微小電気機械スイッチ又は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ１０２等の、電気機械スイッチ構造体を含む。ＭＥＭＳスイッチ１０２は、例えば負荷インダクタンスＬＬ及び負荷抵抗ＲＬによって特徴付けられる電気負荷１０６も含む、負荷回路１０４の一部として組み込まれる。なお、負荷回路１０４は内在的なインダクタンス及び抵抗も含み、このインダクタンス及び抵抗が有効な負荷インダクタンスＬＬ及び負荷抵抗ＲＬに影響を与え、これらに含まれると考えられる。電源１０８も、負荷回路１０４に含まれ、電圧ＶＬを提供する。更に後述するように、動作中、負荷回路電流ＩＬは、負荷回路１０４と、場合によってはＭＥＭＳスイッチ１０２を流れる。
【００２１】
図１及び２を参照すると、ＭＥＭＳスイッチ１０２は、可動要素（例えば片持梁１１０）及び接点１１２（例えば導電パッド）等の接点を含む。梁１１０及び接点１１２は、基板１１４等の下支え構造によって支持される。梁１１０及び接点１１２を共通基板１１４上に配置することにより、従来の微細加工技術（例えば、電気メッキ、蒸着、フォトリソグラフィ、ウェット及び／又はドライエッチング等）を用いたＭＥＭＳスイッチ１０２の製造が容易になり、その結果得られるスイッチは、数又は数十マイクロメートル及び／又はナノメートル程度の寸法を有する。
【００２２】
なお、上述した電気機械スイッチ構造体は、単一の可動要素を有する孤立スイッチ１０２に関するものであるが、電気機械スイッチ構造体が並列、直列、又はその両方で接続された電気機械スイッチのアレイを含んでもよく、アレイの各スイッチは、共通又は個別の接点に関連付けられた可動要素を含む。したがって、本明細書を通して「スイッチ」（例えば、ＭＥＭＳスイッチ１０２）という表現は、単一のスイッチ又はスイッチアレイのいずれかを指すと理解されたい。
【００２３】
図１〜６を参照すると、ＭＥＭＳスイッチ１０２は、梁１１０が接点１１２から開離している（例えば、図３に描写されているような）非接触又は「開放」構成又は状態と、梁が接点と最大接触して電気的な連通を確立する（例えば、図５に描写されているような）接触又は「完全閉鎖」構成又は状態との間で、選択的に移動可能に構成される。例えば、梁が自然に（すなわち、外部から印加される力が存在しない状態で）非接触構成に配置されるように、開放構成と完全閉鎖構成との間で移動するときに変形を受けるように梁１１０を構成したり、機械的エネルギーを保存しながら接触位置に留まるように梁１１０を変形したりできる。その他の実施形態において、梁１１０が変形しない構成が接触構成であってもよい。
【００２４】
ＭＥＭＳスイッチ１０２は電極１１６を含み、この電極は、ゲート電圧源１１８と電気的に連通している。ゲート電圧源１１８は、ゲート電圧ＶＧを電極に提供し、これによって電極に電荷が供給される。電極１１６が帯電すると、電極と梁１１０との間に電位差が生じ、静電作動力ＦＡは梁を電極に向かって（そして、最終的に接触するように、接点１１２にも向かって）引っぱるように作用する。
【００２５】
ゲート電圧ＶＧは、時間ｔ０におけるゼロから時間ｔ１におけるＶＧ１の値まで変化する。静電動作力ＦＡは、ゲート電圧ＶＧと共に（必ずしも線形ではないが）変化する。ゲート電圧ＶＧ（及び静電動作力ＦＡ）が増加すると、作動力が梁１１０を接点１１２に向かって移動させ、最終的には（図６の時間ｔ１において）作動力（図６のゲート電圧ＶＧ１に対応する）は十分に梁を変形させる大きさになり、梁と接点との間が電気的に連通する。これは名目上、梁１１０が接点１１２と接触しているときに発生するが、２つの間の開離は小さく、梁と接点を開離させ得るいかなる物理的間隙も超えて電気的連通が可能（例えば、電界放出による）なので、実際には梁と接点が接触する前にも電気的連通は可能性である。いずれにせよ、時間ｔ１において、特性スイッチ抵抗ＲＳ（梁１１０及び接点１１２で表される実効抵抗）は、本質的に無限大（梁が接点から開離しているときのｔ０からｔ１までの期間のＲＳの値）から、やや大きいが有限の値ＲＳＭＡＸまで変化する。なお、電気機械スイッチ構造体が電気機械スイッチのアレイを含む実施形態では、特性スイッチ抵抗はスイッチアレイの実効抵抗（すなわち、スイッチアレイを単一で同等の抵抗に置き換えた場合に予想される抵抗）に等しい。
【００２６】
ゲート電圧ＶＧは、時間ｔ２において最大値ＶＧＭＡＸまで増加し続ける。ゲート電圧ＶＧが増加すると、作動力ＦＡもまた増加し、梁１１０を接点１１２に更に全体的に接触させる。それに応じて、特性スイッチ抵抗ＲＳは、ｔ１からｔ２間での時間にわたってＲＳＭＡＸからＲＳＭＩＮの最小値まで減少する。スイッチ１０２の特性スイッチ抵抗ＲＳの最小値は、スイッチの完全閉鎖構成を示し、スイッチのその他の構成（例えば、「部分閉鎖」又は反対に「部分開放」と称される、図４の構成）は、より高い抵抗値によって特徴付けられる。
【００２７】
上述のように、スイッチ１０２が完全閉鎖構成にあるとき、梁１１０は接点１１２と最大接触する。この場合、「最大接触」という用語は、梁と接点との間で実際になされる接触の最大量を指すものであって、それら２つの構造体の間の可能な接触の最大量ではない。大抵の場合、電極１１６に印加されるゲート電圧ＶＧを増加させることにより、梁１１０及び接点１１２がより密接に接触することが当てはまる。スイッチ１０２がスイッチのアレイを含む実施形態において、完全閉鎖構成は、アレイのスイッチが全て最大限閉鎖している状態を指し、部分閉鎖構成は、スイッチアレイのうち少なくとも１つのスイッチが完全に閉鎖していない状態を示す。例えば、スイッチアレイは、１つ以上の接点及び１つ以上の可動要素を含み、可動要素のそれぞれは、電気機械スイッチ構造体全体が完全閉鎖構成にあるときに少なくとも１つの関連する接点と最大接触しており、各可動要素は、電気機械スイッチ構造体が開放構成にあるときには、関連する接点から開離している。
【００２８】
切り替え事象（すなわちスイッチ１０２の非導電状態から導電状態へ、又はその逆の移動）の間、ゲート電圧ＶＧは、ｔ２−ｔ０に等しい切り替え事象時間ＴＴＯＴにわたって変化する。しかし、スイッチ１０２を、ｔ２−ｔ１に等しい特性時間ＴＣにわたって、開放構成（梁１１０及び接点１１２が、その間の電気的連通を実質的に辛うじて排除する程度に開離している構成）から完全閉鎖構成へ移動するように構成してもよい。スイッチ１０２が開放される切り替え事象に際し、ゲート電圧ＶＧは、増加ではなく減少するだろう。スイッチ１０２がスイッチアレイを含む場合、特性時間ＴＣは、アレイの第１スイッチの閉鎖時点とアレイの全てのスイッチが最大限まで閉鎖した時点との間の時間を指す。電気機械スイッチ構造体が電気機械スイッチのアレイを含む実施形態において、スイッチアレイに関する「特性時間」は、実効アレイ抵抗が最低になるスイッチの構成から、実効アレイ抵抗が無限大となる構成へ移動するのに必要な時間（例えば並列の２つのスイッチの場合、各スイッチに関する開放時間の長い方、直列の２つのスイッチの場合、開放時間の短い方）を指す。
【００２９】
再び図１を参照すると、転流回路１２０は、スイッチ１０２と並列接続される。転流回路１２０は、第１分岐１２４及び第２分岐１２６を有する平衡ダイオードブリッジ１２２を含む。本明細書で使用する場合、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１及び第２分岐１２４、１２６の両方にわたる電圧降下が実質的に等しくなるように構成されたダイオードブリッジを指す。平衡ダイオードブリッジ１２２の第１分岐１２４は、直列回路で相互に結合された第１ダイオード１２８及び第２ダイオード１３０を含む。同様に、第２分岐１２６は、直列で動作可能に結合された第３ダイオード１３２及び第４ダイオード１３４を含む。
【００３０】
電圧スナバ回路１３６は、スイッチ１０２と並列に結合され、高速接点開離の間の電圧オーバーシュートを制限するように構成される。或る実施形態において、スナバ回路１３６は、スナバ抵抗器（図示せず）と直列に結合されたスナバキャパシタ（図示せず）を含む。スナバキャパシタにより、スイッチ１０２の順次開放中の過渡電圧共有が改善する。更に、スナバ抵抗器は、スイッチ１０２の閉鎖動作中に、スナバキャパシタが生成する電流のいかなるパルスも抑制する。その他の或る実施形態において、電圧スナバ回路１３６は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含む。
【００３１】
第１ＭＥＭＳスイッチ１０２は、平衡ダイオードブリッジ１２２の中点１３８、１４０をまたいで並列に接続される。第１中点１３８は第１及び第２ダイオード１２８、１３０の間に位置し、第２中点１４０は第３及び第４ダイオード１３２、１３４の間に位置する。
【００３２】
転流回路１２０は、平衡ダイオードブリッジ１２２と動作可能に関連付けられて結合されたパルス回路１４２も含む。パルス回路１４２は、スイッチ条件を検出し、スイッチ条件に応答して切り替え事象（スイッチ１０２の開放又は閉鎖）を開始するように構成される。本明細書で使用する場合、「スイッチ条件」という用語は、スイッチ１０２の現在の動作状態を変更するきっかけとなる条件を指す。スイッチ条件は、回路故障又はスイッチＯＮ／ＯＦＦ要求を含むがこれらに限定されない、多くの動作に応答して発生する。
【００３３】
パルス回路１４２は、相互に直列に結合されたパルススイッチ１４４及びパルスキャパシタ１４６を含み、パルスキャパシタは容量ＣＰＵＬＳＥを有する。パルス回路１４２は、パルススイッチ１４４と直列に結合した第１ダイオード１４８も含み、パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥによって特徴付けられる。パルスキャパシタ１４６は、平衡ダイオードブリッジ１２２を通るパルス電流ＩＰＵＬＳＥを誘発するためにパルス信号を形成するように構成される。パルス信号は、例えば、スイッチ１０２の切り替え事象に関連して生成される。パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ、ダイオード１４８、パルススイッチ１４４、及びパルスキャパシタ１４６は、直列に結合されてパルス回路１４２の第１分岐を形成し、第１分岐の部品はパルス電流を整形すると共にタイミングを調節するように構成される。
【００３４】
図２及び７〜１０を参照すると、後に詳述するように、動作中、平衡ダイオードブリッジ１２２は、スイッチ１０２の接点間（例えば梁１１０及び接点１１２）のアーク形成を抑制するように構成される。こうすることにより、幾つかの実施形態において、電流を流しながら（ほぼゼロ電圧ではあるが）、ＭＥＭＳスイッチ１０２を閉鎖状態から開放状態へ迅速に（例えばピコ秒又はナノ秒レベルで）切り替えることができる。
【００３５】
図７〜１０は、スイッチモジュール１００の動作例を示す概略フローチャートである。スイッチモジュール１００の動作例の初期状態を図７に示す。図示において、スイッチ１０２は完全閉鎖構成で始動し、ＶＬ／ＲＬにほぼ等しい値を有する負荷電流ＩＬが負荷回路１０４に存在する。
【００３６】
更に、この動作例を説明するに際し、完全閉鎖構成にあるＭＥＭＳスイッチ１０２に関する特性抵抗ＲＳＭＩＮが十分に小さいため、ＭＥＭＳスイッチの抵抗を通る負荷電流によって生じる電圧が、パルスをかけたときにダイオードブリッジ１２２の中点１３８、１４０の間のほぼゼロの電圧差に対してごくわずかな影響しか及ぼさない、と仮定する。例えば、完全閉鎖ＭＥＭＳスイッチ１０２に関する特性抵抗ＲＳＭＩＮは十分に小さく、最大予想負荷電流によって数ミリボルト未満の電圧降下を生じる、と仮定する。
【００３７】
なお、スイッチモジュール１００のこの初期条件において、パルススイッチ１４４は第１開放状態にある。加えて、パルス回路１４２には電流が無い（すなわち、ＩＰＵＬＳＥ＝０）。また、パルス回路１４２において、キャパシタ１４６は電圧ＶＰＵＬＳＥに予め帯電されており、ＶＰＵＬＳＥは、負荷電流の転送間隔の間に予想される負荷電流ＩＬよりもかなり大きい（例えば２倍の）最大振幅を有するパルス電流の半正弦波を発生させ得る電圧である。なお、ＣＰＵＬＳＥ及びＬＰＵＬＳＥを、パルス回路１４２に共振を誘発するように選択できる。
【００３８】
図８は、パルス回路１４２を起動させるプロセスの模式図である。なお、検出回路（図示せず）をパルス回路１４２に結合してもよい。検出回路としては、例えば、負荷回路電流ＩＬのレベル及び／又は電圧レベルＶＬの値を検知するように構成された検知回路（図示せず）を含む。更に、検出回路を、上述のようなスイッチ条件を検出するように構成してもよい。一実施形態において、スイッチ条件は、所定の閾値を超える電流レベル及び／又は電圧レベルによって発生する。
【００３９】
パルス回路１４２は、スイッチ１０２の現在の完全閉鎖構成を開放構成に切り替えるためのスイッチ条件を検出するように構成される。一実施形態において、スイッチ条件は、所定の閾値レベルを超える負荷回路１０４の電圧レベル又は負荷電流によって発生する、故障条件である。しかし、当然ながら、スイッチ条件は、ＭＥＭＳスイッチ１０２の所与のシステム依存ＯＮ時間を達成するためのランプ電圧の監視も含む。
【００４０】
一実施形態において、パルススイッチ１４４は、検出された切替条件の結果としてのトリガ信号の受信に応答して、正弦波パルスを発生する。パルススイッチ１４４の起動によって、パルス回路１４２における共振正弦波パルス電流ＩＰＵＬＳＥを開始する。パルス電流ＩＰＵＬＳＥの電流方向は、参照符号１５０及び１５２で表される。更に、平衡ダイオードブリッジ１２２の第１分岐１２４の第１ダイオード１２８及び第２ダイオード１３０を通るパルス電流ＩＰＵＬＳＥの電流方向及び相対振幅は、電流ベクトル１５４及び１５６によってそれぞれ表される。同様に、電流ベクトル１５８及び１６０は、第３ダイオード１３２及び第４ダイオード１３４をそれぞれ通るパルス回路電流の電流方向及び相対振幅を表す。
【００４１】
最大正弦波ブリッジパルス電流の値は、パルスキャパシタ１４６の初期電圧、パルスキャパシタの値ＣＰＵＬＳＥ、及びパルス回路１４２のインダクタンス値ＬＰＵＬＳＥによって定まる。ＣＰＵＬＳＥ及びＬＰＵＬＳＥの値により、パルス電流ＩＰＵＬＳＥの半正弦波のパルス幅も定まる。ブリッジ電流パルス幅は、負荷電流ＩＬの変化率及び負荷故障条件の間の所望の最大通過電流に基づいて予測される、システム負荷電流ターンオフ要件を満たすように調整される。パルススイッチ１４４は、ＭＥＭＳスイッチ１０２の開放に先立って導電状態となるように構成される。
【００４２】
なお、パルススイッチ１４４の起動には、平衡ダイオードブリッジ１２２を通るパルス電流ＩＰＵＬＳＥのタイミングを制御することにより、切り替え事象の間のＭＥＭＳスイッチ１０２の接点（例えば、梁１１０及び接点１１２）を通る経路のインピーダンスよりも低いインピーダンス経路を作ることも含まれる。加えて、パルススイッチ１４４を起動させて、ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点全体にわたって所望の電圧降下を得ることもできる。
【００４３】
一実施形態において、パルススイッチ１４４は、例えば、ナノ秒からマイクロ秒の範囲の切替速度を有するように構成された半導体スイッチである。パルススイッチ１４４の切替速度は、故障条件における負荷電流の予測立ち上がり時間と比較して、相対的に速くあるべきである。ＭＥＭＳスイッチ１０２の電流定格は、負荷電流ＩＬの立ち上がりの定格に依存し、ひいては上述したように、負荷回路１０４におけるインダクタンスＬＬ及び供給電圧ＶＬに依存する。ＭＥＭＳスイッチ１０２の定格を適宜定めて、パルス回路１４２の速度性能と比較して負荷電流ＩＬが速く立ち上がった場合でも、より大きい負荷電流ＩＬを扱えるようにできる。
【００４４】
パルス電流ＩＰＬＵＳＥは、ゼロ値から増加し、平衡ダイオードブリッジ１２２の第１及び第２分岐１２４、１２６の間で均等に分かれる。一実施形態によると、平衡ダイオードブリッジ１２２の分岐１２４、１２６にわたる電圧降下の差は、上述したように、ごくわずかになるように設計される。また、上述したように、ダイオードブリッジ１２２を、ダイオードブリッジ１２２の第１及び第２分岐１２４、１２６にわたる電圧降下が実質的に等しくなるように、釣り合わせることもできる。更に、現時点で完全閉鎖状態にあるＭＥＭＳスイッチ１０２の抵抗は比較的小さいので、ＭＥＭＳスイッチ全体にわたって電圧降下が比較的小さくなる。しかし、（例えば、ＭＥＭＳスイッチの元々の設計によって）ＭＥＭＳスイッチ１０２全体の電圧降下が大きい場合、ダイオードブリッジ１２２がＭＥＭＳスイッチと並列に動作可能に結合されている分、ダイオードブリッジ１２２の平衡に影響が及ぶ可能性がある。ＭＥＭＳスイッチ１０２の抵抗によってＭＥＭＳスイッチ全体に深刻な電圧降下が生じた場合、ダイオードブリッジ１２２により最大ブリッジパルス電流の振幅を増加させることによって、結果的に生じた不均衡を調整できる。
【００４５】
そして、図９は、ＭＥＭＳスイッチ１０２の開放を開始する模式図である。上述したように、パルス回路１４２のパルススイッチ１４４は、ＭＥＭＳスイッチ１０２の開放に先立って起動される。パルス電流ＩＰＵＬＳＥが増加すると、パルス回路１４２の共振作用のため、パルスキャパシタ１４６全体の電圧が減少する。ＭＥＭＳスイッチ１０２が完全に閉鎖して導電しているＯＮ条件において、ＭＥＭＳスイッチは、負荷回路電流ＩＬに対して比較的低いインピーダンスの経路を示す。
【００４６】
パルス電流ＩＰＵＬＳＥの振幅が負荷回路電流ＩＬの振幅よりも大きくなると（例えば、パルス回路１４２の共振作用のため）、ＭＥＭＳスイッチ１０２の現在の動作状態を、完全閉鎖且つ導電状態から、ＭＥＭＳスイッチ１０２が開放及びターンオフを開始する増抵抗条件（例えば、梁１１０がまだ接点１１２と接触しているが、この２つの間の接触圧がスイッチ開放プロセスによって減少する状態）へ切り替えるために、ゲート電圧がＭＥＭＳスイッチ１０２に印加される。これによって特性スイッチ抵抗が増加し、結果として、負荷電流ＩＬが開始し、ＭＥＭＳスイッチ１０２から転流回路１２０に迂回する。
【００４７】
現時点のこの条件において、平衡ダイオードブリッジ１２２は、増加中の特性抵抗に関連付けられたＭＥＭＳスイッチ１０２を通る経路と比較して、負荷電流ＩＬへの相対的に低いインピーダンスの経路を示す。なお、ＭＥＭＳスイッチ１０２を通る負荷電流ＩＬのこの迂回は、負荷回路電流ＩＬの変化率と比較して極めて速いプロセスである。上述したように、高速電流迂回の阻害を回避するために、ＭＥＭＳスイッチ１０２と平衡ダイオードブリッジ１２２との間の接続１６２、１６４にそれぞれ関連するインダクタンスＬ１及びＬ２は小さいことが望ましい。
【００４８】
ＭＥＭＳスイッチ１０２から転流回路１２０への電流伝達プロセスが続くにつれて、第１ダイオード１２８及び第４ダイオード１３４のそれぞれの電流が増加し、同時に、第２ダイオード１３０及び第３ダイオード１３２のそれぞれの電流が減少する。伝達プロセスは、ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点（例えば、梁１１０及び接点１１２）が開離してその間に物理的間隙を形成し、負荷電流ＩＬの全てが第１ダイオード１２８及び第４ダイオード１３４によって流れると完了する。
【００４９】
方向１６６に向かってＭＥＭＳスイッチ１０２からダイオードブリッジ１２２へ負荷電流ＩＬが迂回した結果、ダイオードブリッジの第１及び第２分岐１２４、１２６に不均衡が生じる。更に、パルス電流ＩＰＵＬＳＥが減衰すると、パルスキャパシタ１４６全体の電圧が逆行（例えば、「逆起電力」として作用）し続け、これが負荷回路電流ＩＬを最終的にゼロまで減少させる。ダイオードブリッジ１２２の第２ダイオード１３０及び第３ダイオード１３２はその後、逆バイアスがかけられ、それに伴って負荷電流ＩＬはパルス回路１４２を通るように方向付けられる。そして、負荷電流ＩＬはパルスキャパシタ１４６のパルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ及び容量ＣＰＵＬＳＥによって特徴付けられる直列共振回路と相互作用するようになる。
【００５０】
ここで図１０において、負荷電流ＩＬの低減プロセスの模式図を参照する。ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点（例えば、梁１１０及び接点１１２）が開離した瞬間に、無限大の抵抗が生じる。更に、ダイオードブリッジ１２２はＭＥＭＳスイッチ１０２の接点１１０、１１２にわたってほぼゼロの電圧を維持していない。また、負荷回路電流ＩＬは、第１ダイオード１２８及び第４ダイオード１３４を通る電流と等しくなる。上述したように、第２ダイオード１３０及び第３ダイオード１３２を通る電流は存在していない。
【００５１】
加えて、ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点１１２から梁１１０までの電圧差は、パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ、パルスキャパシタ１４６の容量ＣＰＵＬＳＥ、負荷インダクタンスＬＬ、及び負荷抵抗ＲＬによる減衰を含むネット共振回路によって定まる割合で、電圧ＶＬのおよそ２倍の最大値まで上昇している。更に、負荷回路電流ＩＬと等しくなっているパルス電流ＩＰＵＬＳＥは、ダイオードブリッジ１２２及びパルス回路ダイオード１６８の逆行阻止作用により、共振的にゼロまで減少し、ゼロ値を維持している。パルスキャパシタ１４６全体にわたる電圧は、この時点で最小値まで共振的に逆行しており、この最小値は、パルスキャパシタが再び帯電するまで維持されることになる。
【００５２】
ダイオードブリッジ１２２は、接点が開離してＭＥＭＳスイッチが開放されるまで、ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点１１０、１１２にわたってほぼゼロの電圧を維持するように構成されているので、開放時にＭＥＭＳスイッチの接点間に生じ易いいかなるアークも抑制し、損傷を防止できる。加えて、ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点１１０、１１２は、ＭＥＭＳスイッチを通る大幅に低減された電流において、開放状態に近付く。また、負荷インダクタンスＬＬに蓄えられた（負荷回路１０４及び電源１０８のインダクタンスを含む）いかなるエネルギーもパルスキャパシタ１４６に伝達され、電圧散逸回路（図示せず）で吸収される。電圧スナバ回路１３６は、ブリッジ１２２とＭＥＭＳスイッチ１０２との間のインターフェースに残る誘導エネルギーによる高速接点開離の間、電圧オーバーシュートを制限するように構成される。更に、開放時のＭＥＭＳスイッチ１０２の接点１１０、１１２にわたる再印加電圧の増加率を、スナバ回路１３６を使用して制御できる。
【００５３】
上述のように、スイッチモジュールの実施形態において、電気機械スイッチを、個別にもスイッチアレイの一部としても採用できる。例えば、図１１を参照すると、スイッチモジュール２００は、平衡ダイオードブリッジ２２２の中点２３８、２４０の間にアレイとして配置され、直列接続された、幾つかの電気機械スイッチ２０２ａ、２０２ｂを含む。パルス回路２４２はその後、上述のように、平衡ダイオードブリッジ２２２全体に対して接続される。端子２０３を使用して、スイッチモジュール２００を、例えば負荷回路（図示せず）に接続する。図１２を参照すると、別の実施形態として、スイッチモジュール３００は、平衡ダイオードブリッジ３２２の中点３３８、３４０の間にアレイとして配置され、並列接続された、幾つかの電気機械スイッチ３０２ａ、３０２ｂを含む。ここでも、パルス回路３４２は平衡ダイオードブリッジ３２２全体に対して接続され、端子３０３を使用してスイッチモジュール３００を負荷回路（図示せず）に接続する。図１３を参照すると、更に別の実施形態において、スイッチモジュール４００は、平衡ダイオードブリッジ４２２の中点４３８、４４０の間にアレイとして配置され、直列及び並列の両方で接続された、幾つかの電気機械スイッチ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄを含む。ここでも、パルス回路４４２は平衡ダイオードブリッジ４２２全体に対して接続され、端子４０３を使用してスイッチモジュール４００を負荷回路（図示せず）に接続する。
【００５４】
再び図１を参照すると、転流回路１４２は、合計インダクタンスＬＣＯＭに関連付けられる。合計転流回路インダクタンスＬＣＯＭは、例えば、ＭＥＭＳスイッチ１０２と平衡ダイオードブリッジ１２２との間の接続１６２、１６４にそれぞれ関連するインダクタンスＬ１及びＬ２、パルス回路インダクタンスＬＰＵＬＳＥ、及び平衡ダイオードブリッジ１２２に関連するインダクタンスＬＢを含む。ＭＥＭＳスイッチ１０２及び平衡ダイオードブリッジ１２２は、転流回路１２０に関連する合計インダクタンスＬＣＯＭがスイッチ開放の特性時間ＴＣと最低特性スイッチ抵抗ＲＳＭＩＮ（すなわち、完全閉鎖構成にあるスイッチに関するスイッチ抵抗）との積以下になるように配置される。以下に説明するように、スイッチモジュール１００をこのように構成することは、スイッチ１０２全体の電圧サージ回避に役立つ。
【００５５】
合計インダクタンスＬＣＯＭを積ＲＳＭＩＮ・ＴＣ以下に維持するために、最低特性スイッチ抵抗ＲＳＭＩＮ及び／又はスイッチ１０２が開放されている特性時間ＴＣを増加させることができる。しかし、最低特性スイッチ抵抗ＲＳＭＩＮを増加させることで、スイッチモジュール１００におけるエネルギー損失が増加する可能性がある。スイッチ１０２が開放される特性時間ＴＣを・BR>揄チした結果、開放前にスイッチを流れる電流が増加する可能性がある。これは、負荷に損傷を与える十分なレベルに達する前にスイッチモジュールが故障電流を迂回させることを意図している場合には、許容できない。このように、幾つかの実施形態において、スイッチ１０２は、約１５マイクロ秒以下の特性時間ＴＣにわたって開放及び完全閉鎖構成の間で移動するように構成される。スイッチ１０２の開放時間が制御可能な用途において、幾つかの実施形態では、耐え得る限界値をわずかに下回る電圧レベルで（すなわち、ＬＣＯＭ＝ＲＳＭＩＮ・ＴＣ）、ブリッジ１２２内への電流転流の間に定電圧を発生させるようにスイッチの開放を制御することが望ましい。なお、これよりも高い電圧ではスイッチ１０２に損傷を与える結果となり、これよりも低い電圧では無駄に長時間を費やす結果となる。
【００５６】
上記の制限を考慮すると、転流回路内に含まれる領域を限定するように、転流回路の部品（例えば、ダイオードブリッジ１２２、接続１６２、１６４、及びパルス回路１４２）を物理的に配置することによって、転流回路１４２に関するインダクタンスＬＣＯＭを積ＲＳＭＩＮ・ＴＣ以下に維持することが望ましい。例えば、ＭＥＭＳスイッチ１０２及び平衡ダイオードブリッジ１２２は、平衡ダイオードブリッジ、及び特にＭＥＭＳスイッチ１０２への接続１６２、１６４によって生じる寄生インダクタンスを最小化できるように、近接して組み立てられる。一実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ１０２は、例えば、単一のパッケージ又は同じダイにおいて、平衡ダイオードブリッジ１２２と一体化される。ＭＥＭＳスイッチ１０２と平衡ダイオードブリッジ１２２との間の内在的なインダクタンスは、このようにして、ターンオフ切り替え事象の間にダイオードブリッジへの負荷電流の伝達を行う際に、ＭＥＭＳスイッチ１０２の接点１１０、１１２にわたる電圧の数パーセント未満のｄｉ／ｄｔ電圧を発生する。
【００５７】
図１４を参照すると、別の例示的実施形態に従って構成されたスイッチモジュール５００が示されている。スイッチモジュール５００は、第１電気機械スイッチ構造体５０２ａ、第２電気機械スイッチ構造体５０２ｂ、並びに第３、第４、第５、及び第６電気機械スイッチ構造体５０２ｃ、５０２ｄ、５０２ｅ、５０２ｆを含み、これらは各々、１つのスイッチ或いは直列、並列、又はその両方で相互に接続されたスイッチのアレイを含む。電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆの各々は、それぞれの特性時間にわたって開放構成と完全閉鎖構成（後者はそれぞれの最低特性スイッチ抵抗に関連付けられている）との間で移動するように構成される。
【００５８】
電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆは、負荷回路５０４と、相互に並列に（例えば、図１４のスイッチ構造体５０２ａ及び５０２ｄ参照）、相互に直列に（例えば、図１４のスイッチ構造体５０２ａ及び５０２ｂ参照）、又はその両方で、接続するように構成される。例えば、電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆは、負荷回路５０４をスイッチ構造体全体に接続させる端子５０３に関連付けられる。負荷回路５０４は、例えば、電気負荷５０６及び電源５０８を含む。
【００５９】
電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆの各々は、それぞれの転流回路５２０ａ〜ｆと並列接続される。転流回路５２０ａ〜ｆの各々は、電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆの接点ひとつひとつとの間のアーク形成を抑制するように構成された平衡ダイオードブリッジ５２２ａ〜ｆを含む。転流回路５２０ａ〜ｆの各々は、関連する平衡ダイオードブリッジ５２２ａ〜ｆにパルス電流を流すために切り替え事象と関連付けられたパルス信号を生成するように構成された、それぞれのパルス回路５４２ａ〜ｆも含む。各電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆ及び関連する平衡ダイオードブリッジ５０２ａ〜ｆはそれぞれ、電気機械スイッチ構造体５０２ａ〜ｆ及び関連する転流回路５２０ａ〜ｆの各組合せにおいて（例えば、スイッチ５０２ａ及び転流回路５２０ａが１つの関連組合せ、スイッチ５０２ｂ及び転流回路５２０ｂがもう１つの関連組合せ等）、転流回路に関連する合計インダクタンスが、関連スイッチに関連付けられた特性時間と関連スイッチの最低特性抵抗との積以下になるように、相互に対して配置される。幾つかの実施形態において、電圧評価ネットワーク（図示せず）も、スイッチモジュール５００に含まれる。
【００６０】
スイッチ／ブリッジ／パルス回路の各組合せは、相互に独立して動作してもよく、各パルス回路は、それぞれ保護されているスイッチの許容可能な電圧及び電流レベルに応じたサイズである。スイッチ５０２ａ〜ｆと可能な限り物理的に接近してダイオードブリッジ５２２ａ〜ｆ（及び関連するダイオード）を配置することによって、転流ループの浮遊インダクタンスが減少する。更に、各電気機械スイッチ５０２ａ〜ｆ（電気機械スイッチ構造体がスイッチのアレイを含む場合には電気機械スイッチのセット）に専用の転流回路５２０ａ〜ｆを設けることによって、各スイッチ／スイッチアレイを、電圧サージを損傷する危険から保護することができる。スイッチ／スイッチアレイとこれに関連する転流回路との各組合せを個別のモジュール要素とすると、転流回路のインダクタンスが最低スイッチ抵抗とスイッチの特性開放時間との積以下になるように各要素を構成して、様々な構成においてモジュール要素を組み立てることによって、スイッチモジュール５００を製造できる。
【００６１】
スイッチモジュール５００は、複数の転流回路５２０ａ〜ｆを含む。幾つかの実施形態において、例えば転流回路のうちの幾つかを集約することによって、スイッチモジュール全体の複雑さを緩和することが望ましい。具体的には、図１５を参照すると、そこには、別の例示的実施形態に従って構成されたスイッチモジュール６００が示されている。スイッチモジュール６００は、端子６０３を通じて、負荷回路（図示せず）に、相互に並列に（例えば、図１５のスイッチ構造体６０２ａ及び６０２ｄ参照）、及び相互に直列に（例えば、図１５のスイッチ構造体６０２ａ及び６０２ｂ参照）、接続するように構成された複数の電気機械スイッチ６０２ａ〜ｆを含む。
【００６２】
各電気機械スイッチ構造体６０２ａ〜ｆは、それぞれの平衡ダイオードブリッジ６２２ａ〜ｆと並列接続される。更に、外部負荷回路と並列接続されるように構成されたスイッチ（例えば、図１５のスイッチ構造体６０２ａ及び６０２ｄ、スイッチ構造体６０２ｂ及び６０２ｅ、ならびにスイッチ構造体６０２ｃ及び６０２ｆ）において、それぞれのパルス回路６４２ａ〜ｃは、関連するスイッチ６０２ａ〜ｆ向けの適切な平衡ダイオードブリッジ６２２ａ〜ｆにパルス電流を流すため、切り替え事象と関連して、パルス信号を生成するように構成される。
【００６３】
各電気機械スイッチ構造体６０２ａ〜ｆ及び関連する平衡ダイオードブリッジ６２２ａ〜ｆはそれぞれ、電気機械スイッチ構造体６０２ａ〜ｆと、関連する平衡ダイオードブリッジ６２２ａ〜ｆと、パルス回路６４２ａ〜ｃとの各組合せにおいて（例えば、スイッチ６０２ａ、平衡ダイオードブリッジ６２２ａ、及びパルス回路６４２ａが１つの関連する組合せ；スイッチ６０２ｂ、平衡ダイオードブリッジ６２２ｂ、及びパルス回路６４２ｂが１つの関連する組合せ；並びにスイッチ６０２ｄ、平衡ダイオードブリッジ６２２ｄ、及びパルス回路６４２ａが１つの関連する組合せ、等）、パルス回路／平衡ダイオードブリッジの組合せに関連する合計インダクタンスが特性時間と関連スイッチの最低特性抵抗との積以下になるように、互いに対して配置される。
【００６４】
ここでも、幾つかの実施形態において、結果的な浮遊インダクタンスを最小限に抑えるために、各ダイオードブリッジ６２２ａ〜ｆを、それぞれ関連するスイッチ６０２ａ〜ｆに可能な限り物理的に近くに配置されるように接続することが望ましい。更に、単一のパルス回路６４２ａ〜ｃの動作は、電流のパルスを、接続されているダイオードブリッジの全てに印加する（例えば、図１５に示される実施形態では、パルス回路６４２ａからのパルスはダイオードブリッジ６２２ａ及び６２２ｄに電流を供給する）。合計パルス電流は、接続されているダイオードブリッジの全てに対してほぼ均一に分配され、各ダイオードブリッジの電流容量は、関連するスイッチから流れる負荷電流に応じたサイズとなる。各ダイオードブリッジ６２２ａ〜ｆと各パルス回路６４２ａ〜ｃの電圧定格は、単一のスイッチの電圧定格から定めることもできる。
【００６５】
図１を参照すると、全体的に、平衡ダイオードブリッジ１２２は、切り替え事象の間、関連するＭＥＭＳスイッチ１０２に対して切替保護を提供できる。幾つかの実施形態において、転流回路１４２に関する合計インダクタンスが特性時間とスイッチの最低特性抵抗との積以下になるようにスイッチ１０２及び平衡ダイオードブリッジ１２２を構成することによって、浮遊インダクタンスによるスイッチ開放時の電圧サージ損傷が緩和される。例えば、図１６を参照すると、図１のスイッチモジュール１００に関して適用可能な等価回路７００が示されており、この等価回路は、スイッチ１０２（図１）が転流回路１４２（図１）によって保護された状態で開放している間のスイッチモジュールの動作を表している。
【００６６】
図１及び１６を参照すると、ＩＬ（ｔ）は、負荷（又は故障）電流を表す。負荷電流パルスの間、ＩＬ（ｔ）は完全に外部回路によって定まる。ＩＢ（ｔ）及びＩＳ（ｔ）は、ダイオードブリッジ１２２及びスイッチ１０２を流れる負荷電流の一部である。伝達プロセスが開始すると、この電流の全てがスイッチ１０２を流れる。スイッチ１０２の抵抗ＲＳ（ｔ）は時間関数に従って変化し、スイッチが完全閉鎖構成にあるときには最初は最小値ＲＳＭＩＮであって、スイッチが開放されると無限大まで上昇する。ＬＣＯＭは、転流される電流が流れる転流回路１４２のインダクタンスである。この電流は、例えば、短絡ダイオード１２８、１３０、１３２、１３４を備える、転流回路１４２の実装及び接続を解析し、接続点１６２、１６４からみた実効インダクタンスを計算することによって求められる。ＲＤは、ＭＥＭＳスイッチ１０２からみたダイオードブリッジ１２２の等価抵抗である（多くの場合、ダイオードブリッジの等価抵抗ＲＤは、転流回路１４２及び負荷回路１０４を流れる電流の非線形関数であるが、この抵抗は線形抵抗器を用いても十分に概算可能である）。
【００６７】
等価回路７００の目的においては、スナバ回路１３６を無視する。スイッチ１０２が開放している間、スイッチにかかる電圧は、スイッチの溶解電圧（０．５から１．０Ｖ程度）に制限される。したがって、スナバ回路１３６は、溶解電圧に匹敵する電圧の変化を誘発する必要がある。このファクターによって、スナバ回路に関する許容可能な容量を約２０ナノファラッドに制限し、スイッチ開放時間を約８マイクロ秒とすると、スイッチ１０２の切り替え事象の間にスナバ回路１３６を流れる電流は、合計負荷電流の０．２％未満になると予想される。したがって、スナバ回路１３６は、スイッチが開放後まで、スイッチ１０２にかかる過渡電圧に対して実際には何ら影響を与えず、転流プロセス中はスナバ回路１３６を無視できる。
【００６８】
図１６の回路の過渡挙動は、一次的な、時間依存微分方程式で表される。
【００６９】
【数１】
2011129516.tif 000003
【００７０】
等式（１）は、以下のように書き換えられる。
【００７１】
【数２】
2011129516.tif 000004
【００７２】
等式（２）は、アレイスイッチ抵抗及び負荷電流の両方の、任意の時間関数があっても、以下の閉形式解を有する。
【００７３】
【数３】
2011129516.tif 000005
【００７４】
ダイオード抵抗ＲＤが無視できるほど小さい（ＲＤ＝０）場合、負荷電流は、切り替え事象の間、ほぼ一定となり（ＩＬ（ｔ）＝ＩＬ）、スイッチ１０２の開放は、スイッチ抵抗ＲＳ（ｔ）が以下の式となるように特性時間Ｔｃにわたって均等に分散する。
【００７５】
【数４】
2011129516.tif 000006
【００７６】
（４）を（３）に直接代入して簡略化すると、ダイオード電流ＩＤ（ｔ）の単純な式ができる。
【００７７】
【数５】
2011129516.tif 000007
【００７８】
数式（５）のダイオード電流ＩＤ（ｔ）を負荷電流から差し引くと、スイッチ電流ＩＳ（ｔ）になる。
【００７９】
【数６】
2011129516.tif 000008
【００８０】
数式（４）に示したスイッチ抵抗ＲＳ（ｔ）の式を、数式（６）に掛けると、スイッチ１０２にかかる電圧ＶＳ（ｔ）が求められる。
【００８１】
【数７】
2011129516.tif 000009
【００８２】
数式（７）より、スイッチ１０２にかかる電圧ＶＳ（ｔ）の挙動が指数の符号に依存していることがわかる。指数が正の場合（ＬＣＯＭ＜ＲＳＭＩＮ・ＴＣ）、スイッチ電圧ＶＳ（ｔ）は時間と共に減衰し；指数がゼロの場合（ＬＣＯＭ＝ＲＳＭＩＮ・ＴＣ）、電圧ＶＳ（ｔ）は一定であり；指数が負の場合（ＬＣＯＭ＞ＲＳＭＩＮ・ＴＣ）、電圧ＶＳ（ｔ）は時間と共に上昇する（特異点まで）。物理的に、ＴＣ＝ＬＣＯＭ／ＲＳＭＩＮの値は、２つの異なる状態の境界を示す。ＴＣの値が比較的大きい場合、スイッチ１０２を通る電流が切り替え事象の期間にわたって減少するように、開放しているスイッチ１０２によって拒絶されるよりも高速で、電流がダイオードブリッジ１２２に迂回する。しかし、ＴＣの値が比較的小さい場合、電流が十分な速さでダイオードブリッジ１２２に迂回することは不可能で、スイッチ１０２を通る電流は時間と共に増加する。
【００８３】
合計インダクタンスが転流回路ＬＣＯＭ≦ＲＳＭＩＮ・ＴＣに関連付けられるように、スイッチ１０２及び平衡ダイオードブリッジ１２２を配置することによって、スイッチ１０２に関する電圧ＶＳ（ｔ）は、幾つかの実施形態において、一定のまま維持されるか、又は切り替え事象に関連して時間と共に減衰する。このように、幾つかの実施形態において、スイッチ１０２の開放時の電圧サージ損傷が緩和される。
【００８４】
ここでは、本発明の一部の特徴のみを説明したが、当業者には数多くの修正及び改変が想到可能であろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような修正及び改変も本発明の技術的範囲に含まれるものとして包含することを理解されたい。
【符号の説明】
【００８５】
１００  スイッチモジュール
１０２  微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ
１０４  負荷回路
１０６  電気負荷
１０８  電源
１１０  片持梁
１１２  接点
１１４  基板
１１６  電極
１１８  ゲート電圧源
１２０  転流回路
１２２  平衡ダイオードブリッジ
１２４  平衡ダイオードブリッジの第１分岐
１２６  平衡ダイオードブリッジの第２分岐
１２８  第１ダイオード
１３０  第２ダイオード
１３２  第３ダイオード
１３４  第４ダイオード
１３６  電圧スナバ回路
１３８、１４０  平衡ダイオードブリッジの中点
１４２  パルス回路
１４４  パルススイッチ
１４６  パルスキャパシタ
１４８  ダイオード
１５０、１５２  パルス電流ＩＰＵＬＳＥの電流方向
１５４、１５６、１５８、１６０  電流ベクトル
１６２、１６４  電気接続
１６６  方向
１６８  パルス回路ダイオード
２００  スイッチモジュール
２０２ａ、２０２ｂ  電気機械スイッチ
２０３  端子
２２２  平衡ダイオードブリッジ
２３８、２４０  平衡ダイオードブリッジの中点
２４２  パルス回路
３００  スイッチモジュール
３０２ａ、３０２ｂ  電気機械スイッチ
３０３  端子
３２２  平衡ダイオードブリッジ
３３８、３４０  平衡ダイオードブリッジの中点
３４２  パルス回路
４００  スイッチモジュール
４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄ  電気機械スイッチ
４０３  端子
４２２  平衡ダイオードブリッジ
４３８、４４０  平衡ダイオードブリッジの中点
４４２  パルス回路
５００  スイッチモジュール
５０２ａ  第１電気機械スイッチ構造体
５０２ｂ  第２電気機械スイッチ構造体
５０２ｃ、５０２ｄ、５０２ｅ、５０２ｆ  第３、第４、第５、第６電気機械スイッチ構造体
５０３  端子
５０４  負荷回路
５０６  電気負荷
５０８  電源
５２０ａ〜ｆ  転流回路
５２２ａ〜ｆ  平衡ダイオードブリッジ
５４２ａ〜ｆ  パルス回路
６００  スイッチモジュール
６０２ａ〜ｆ  複数の電気機械スイッチ
６０３  端子
６２２ａ〜ｆ  平衡ダイオードブリッジ
６４２ａ〜ｃ  パルス回路
７００  等価回路
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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