(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を制御する装置（５００）であって、
制御回路（９０１）と、
該制御回路（９０１）と連絡しており、該制御回路（９０１）に応答して前記電流の遮断を促進する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）と、
該微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）と電気的に連絡して配設されており、該微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）が閉状態から開状態へ状態を変化させることに応答して前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）からの電気エネルギの転移を受け取るように構成されているハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）電弧抑制回路（５０８）であって、ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）スイッチと直列に接続されたハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）キャパシタ（５２１）を含んでいるハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）電弧抑制回路（５０８）と、
該ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）電弧抑制回路（５０８）の前記ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）キャパシタ（５２１）と並列に、前記ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）スイッチと直列に電気的に連絡して構成されている可変抵抗（５３４）と
を備えた装置（５００）。
【請求項２】
前記制御回路（９０１）は所定のトリップ事象のパラメータに合致した前記電流に応答して前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）を開く、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記所定のトリップ事象の前記パラメータは障害事象を含んでいる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）は、前記制御回路と信号連絡しており前記所定のトリップ事象に続いて前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）を開くように構成されている単一のゲート接点を含んでいる、請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記制御回路（９０１）と信号連絡しており、前記所定のトリップ事象の指標を与えるように構成されている検出回路（９０２）をさらに含んでいる請求項２乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）は負荷（５１２）と信号連絡するように構成されている、請求項２乃至５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記負荷（５１２）はモータ又は誘導負荷である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）と並列接続している電圧スナバ回路（５０５）をさらに含んでいる請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）の状態変化を交流電流及び絶対ゼロ電圧基準に対する交流電圧の少なくとも一方のゼロ交差の発生に同期させるように構成されている検出回路（９０２）をさらに含んでいる請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（５１１）は、単一の電流路に対応する複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの一つであり、該複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの各々の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチが、前記制御回路（９０１）に応答して前記単一の電流路を流れる電流の遮断を促進する、請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチは並列または直列に構成されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記可変抵抗（５３４）は可変抵抗器（５３３〜５３４）の列である、請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記可変抵抗器の各々は酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記可変抵抗器の各々が前記ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）電弧抑制回路（５０８）の前記容量部分（５２１）と並列に電気的に連絡して構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記可変抵抗（５３４）は、前記受け取ったエネルギを、前記ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）電弧抑制回路（５０８）のＤＣ（直流）電圧ピークに基づいて発散するように構成されている、請求項１乃至１４のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書に開示される主題は、スイッチング・システムに関する。具体的には、本発明の実施形態の例は、電動機始動装置（モータ・スタータ）及び電流遮断装置を含めた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムに関する。
【発明の概要】
【０００２】
本発明の実施形態の一例によれば、電流を制御する装置が、制御回路と、該制御回路と連絡しており、制御回路に応答して電流の遮断を容易にする微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、該ＭＥＭＳスイッチと電気的に連絡して配設されており、ＭＥＭＳスイッチが閉状態から開状態へ状態を変化させるのに応答してＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの転移を受け取るように構成されているハイブリッド無電弧制限技術（Hybrid Arcless Limiting Technology、ＨＡＬＴ）電弧抑制回路であって、容量部分を含んでいるＨＡＬＴ電弧抑制回路と、該ＨＡＬＴ電弧抑制回路の容量部分と並列に電気的に連絡して構成されている可変抵抗とを含み得る。
【０００３】
これらの利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、以下の記載を図面と共に参照することによりさらに明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
発明と看做される主題は、明細書の結びにおいて特許請求の範囲に具体的に指摘され明確に請求されている。以上に述べた特徴及び利点、並びに本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照することにより明らかとなる。
【図１】実施形態の一例による例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図２】実施形態の一例による障害状態での例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図３】実施形態の一例による障害状態での例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図４】実施形態の一例による障害状態での例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図５】実施形態の一例による例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図６】実施形態の一例による障害状態での例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図７】実施形態の一例による障害状態での例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図８】実施形態の一例による障害状態での例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【図９】実施形態の一例による例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システムを示す図である。
【０００５】
以下の詳細な説明は、本発明の各実施形態を図面に関して例として利点及び特徴と併せて説明する。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の実施形態の例は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）方式のモータ・スタータ及び電流遮断装置について障害状態での効率のよいエネルギ吸収を提供しつつ装置の複雑さ、費用、及び寸法を著しく縮小する新規技術を提示する。ＭＥＭＳスイッチの利用によって高速の応答時間を提供し、これにより遮断障害の通過（let-through）エネルギの低下を促進する。ＭＥＭＳスイッチに並列接続されたハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）回路がＭＥＭＳスイッチに対し、電流又は電圧を問わず任意の所与の時刻に電弧発生なしに開く能力を与え、新規の構成として酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）を含めることにより障害状態での相対的に効率のよいエネルギ吸収を提供する。
【０００７】
図１は、実施形態の一例による例示的な無電弧微小電気機械システム・スイッチ（ＭＥＭＳ）方式のスイッチング・システム１００を示す。現状で、ＭＥＭＳは、例えば作用の異なる多数の素子、例えば機械素子、電気機械素子、センサ、アクチュエータ、及び電子回路を、微細加工技術を通じて共通の基材に一体化し得るミクロン規模の構造を広く指す。但し、ＭＥＭＳデバイスにおいて現状で利用可能な多くの手法及び構造は、比較的短期間で、ナノ技術に基づく装置例えば寸法が１００ナノメートル未満であり得る構造を介して利用可能になるものと思量される。従って、本書を通じて記載される実施形態の例がＭＥＭＳ方式スイッチング・デバイスを参照している場合でも、本発明の新規の観点は広く解釈されるべきであり、ミクロン寸法の装置に限定されないものとする。
【０００８】
例えば、幾つかの実施形態の例によれば、ＭＥＭＳスイッチング・デバイスは、片持ち梁構造を含み得る。片持ち梁構造はゲート制御電圧を介して静電的に動作させられる。電流は片持ち梁を通ってドレイン端子からソース端子まで流れる。ＭＥＭＳスイッチング・デバイスは一般的には、機械的移動部品が設けられていること及び寸法が小型であることによってトランジスタ及び他のスイッチとは区別される。他の複数の形式のＭＥＭＳスイッチが実施形態の例に適用可能であり、例えば適当な装置として、十分に小型であるため接点電弧発生（例えば典型的な継電器／電気機械的スイッチでは見受けられるようなもの）を介してエネルギを発散することができないような接点／スイッチ等が挙げられる。また、これらのＭＥＭＳデバイスは、（１）構造の寸法尺度（梁の長さ／幅が５０μｍ〜１００μｍであり接点ギャップが１μｍ程度であること）、及び（２）静電式で制御されること（すなわち電磁式制御に対立する）によって小型の機械的スイッチと区別される。
【０００９】
図１に示すように、無電弧ＭＥＭＳ方式スイッチング・システム１００は、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１及び電弧抑制回路１０２を含むものとして示されており、電弧抑制回路１０２はパルス支援式オン切り換え（ＰＡＴＯ）回路及びハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）回路から成っているか又はこれらの回路を含んでいてよく、回路１０２はＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１に結合されて動作する。幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１は全体として、電弧抑制回路１０２と共に例えば単一のパッケージとして一体化され得る。他の実施形態では、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１の幾つかの部分又は構成要素のみが電弧抑制回路１０２と共に一体化されていてもよい。
【００１０】
ＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１は、１又は複数のＭＥＭＳスイッチ１１１を含み得る。加えて、電弧抑制回路１０２は、平衡ダイオード・ブリッジ１０３及びパルス回路１０４を含み得る。さらに、電弧抑制回路１０２は、ＭＥＭＳスイッチが閉状態から開状態へ状態を変化させるのに応答してＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの転移を受け取ることにより１又は複数のＭＥＭＳスイッチ１１１の接点の間での電弧形成の抑制を促進するように構成され得る。尚、電弧抑制回路１０２は、交流電流（ＡＣ）１１３又は直流電流（ＤＣ。但し分かり易くするために図示しない）に応答して電弧形成の抑制を促進するように構成され得ることが特記され得る。
【００１１】
図示の実施形態の例では、ＭＥＭＳスイッチ１１１は二つの接点を有する単純なスイッチであるものとして図示されているが、ＭＥＭＳスイッチ１１１は少なくとも三つの接点を含むスイッチであることを理解されたい。例えば、図示しないが、ＭＥＭＳスイッチ１１１は、ドレインとして構成されている第一の接点、ソースとして構成されている第二の接点、及びゲートとして構成されている第三の接点を含み得る。さらにまた、図１に示すように、電圧スナバ（snubber）回路１０５がＭＥＭＳスイッチ１１１と並列結合されて、高速の接点分離時の電圧オーバシュートを制限するように構成され得る。このことについて以下で詳述する。
【００１２】
幾つかの実施形態の例では、スナバ回路１０５は、スナバ抵抗器１１５に直列結合されているスナバ・キャパシタ１１４を含み得る。スナバ・キャパシタ１１４は、ＭＥＭＳスイッチ１１１の一連の開動作時の過渡電圧分配の改善を促進し得る。さらにまた、スナバ抵抗器１１５は、ＭＥＭＳスイッチ１１１の閉動作時にスナバ・キャパシタ１１４によって発生されるあらゆる電流のパルスを抑制し得る。他の幾つかの実施形態の例では、電圧スナバ回路１１４は、酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）（図１には示されていない。図５の参照番号５１６を参照されたい）を含み得る。
【００１３】
本発明の手法のさらに他の観点によれば、負荷１１２が、ＭＥＭＳスイッチ１１１及び電圧源１１３と直列結合され得る。加えて、負荷１１２はまた、負荷インダクタンス及び負荷抵抗を含むことができ、この場合には負荷インダクタンスはＭＥＭＳスイッチ１１１から見て負荷インダクタンスとバス・インダクタンスとの合計に相当する。参照番号１０６が負荷１１２及びＭＥＭＳスイッチ１１１を流れ得る負荷電流を表わす。
【００１４】
さらに、図１に関して記載されるように、電弧抑制回路１０２は平衡ダイオード・ブリッジ１０３を含み得る。図示の実施形態の例では、平衡ダイオード・ブリッジ１０３は第一の枝１３１と第二の枝１３２とを有するものとして図示されている。本書で用いられる「平衡ダイオード・ブリッジ」との用語は、第一及び第二の枝１３１及び１３２に跨がる電圧降下が両方とも実質的に等しくなるように構成されているダイオード・ブリッジを表わすのに用いられている。平衡ダイオード・ブリッジ１０３の第一の枝１３１は、第一のダイオードＤ１  １２８と第二のダイオードＤ３  １２７とを含むことができ、これらのダイオードは共に結合されて第一の直列回路を形成する。類似の態様で、平衡ダイオード・ブリッジ１０３の第二の枝１３２は、第三のダイオードＤ２  １３０と第四のダイオードＤ４  １２９とを含むことができ、これらのダイオードは共に結合されて動作して第二の直列回路を形成する。
【００１５】
一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１１１は、平衡ダイオード・ブリッジ１０３の中間点に跨がって並列結合され得る。平衡ダイオード・ブリッジの中間点は、第一及び第二のダイオード１２８、１２７の間に位置する第一の中間点と、第三及び第四のダイオード１３０、１２９の間に位置する第二の中間点とを含み得る。さらにまた、ＭＥＭＳスイッチ１１１及び平衡ダイオード・ブリッジ１０３は、当該平衡ダイオード・ブリッジ１０３、特にＭＥＭＳスイッチ１１１への接続に起因する寄生インダクタンスの最小化を促進するように緊密にパッケージ化され得る。尚、本発明の手法の例示的な観点によれば、ＭＥＭＳスイッチ１１１及び平衡ダイオード・ブリッジ１０３は、これら第一のＭＥＭＳスイッチ１１１と平衡ダイオード・ブリッジ１０３との間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ１１１のオフへの切り換え時にダイオード・ブリッジ１０３への負荷電流の転移を伝達しているときにＭＥＭＳスイッチ１１１のドレイン及びソースに跨がる電圧の数％未満のｄｉ／ｄｔ電圧を発生するように、互いに対して配置されていることが特記され得る。このことについて以下で詳述する。
【００１６】
一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ１１１は平衡ダイオード・ブリッジ１０３と共に、これらＭＥＭＳスイッチ１１１及びダイオード・ブリッジ１０３を相互接続するインダクタンスを最小化する目的で、単一のパッケージとして又は選択随意で同じダイとして一体化され得る。
【００１７】
加えて、電弧抑制回路１０２は、平衡ダイオード・ブリッジ１０３と並列に電気的に連絡して結合されているパルス回路１０４を含み得る。パルス回路１０４は、切り換え条件を検出して、該切り換え条件に応答してＭＥＭＳスイッチ１１１の開放を開始するように構成され得る。ここで用いられる「切り換え条件」との用語は、ＭＥＭＳスイッチ１１１の現在の動作状態を変化させるきっかけとなる条件を指す。例えば、切り換え条件は、ＭＥＭＳスイッチ１１１の第一の閉状態を第二の開状態へ変化させ、又はＭＥＭＳスイッチ１１１の第一の開状態を第二の閉状態へ変化させることを帰結し得る。切り換え条件は、限定しないが回路障害又はオン・オフ切り換え要求を含めた多数の動作に応答して生じ得る。
【００１８】
パルス回路１０４は、パルス・スイッチ１２４と、該パルス・スイッチ１２４に直列結合されているパルス・キャパシタ１２３とを含み得る。さらに、パルス回路はまた、パルス・スイッチ１２４に直列結合されているパルス・インダクタンス１２６と第一のダイオード１２５とを含み得る。パルス・インダクタンス１２６、ダイオード１２５、パルス・スイッチ１２４及びパルス・キャパシタ１２３は直列結合されてパルス回路１０４を形成することができ、この回路１０４では前記各構成要素はパルス電流の成形及びタイミング制御を促進するように構成され得る。
【００１９】
加えて、電弧抑制回路１０２は、ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）特定回路１０８を含み得る。回路１０８は、ＨＡＬＴキャパシタンス１２１（すなわち容量部分又はキャパシタ）と、ＨＡＬＴスイッチ１２２とを含み得る。ＨＡＬＴキャパシタンス１２１及びＨＡＬＴスイッチ１２２は直列結合されてＨＡＬＴ特定回路１０８を形成することができる。図１はＨＡＬＴ特定回路１０８と直列のパルス・インダクタンス１２６を示しているが、実施形態の例はこのように限定されないことを特記する。例えば、別個のＨＡＬＴインダクタンスがＨＡＬＴキャパシタンス１２１及びスイッチ１２２と直列結合しており、ＨＡＬＴ特定回路１０８全体がさらにパルス・インダクタンス１２６及びパルス・キャパシタンス１２３に跨がって並列結合されていてもよい。
【００２０】
本発明の観点によれば、ＭＥＭＳスイッチ１１１は、近ゼロ電圧であるが電流を流しつつ第一の閉状態から第二の開状態へ高速に切り換えられ得る（例えばピコ秒又はナノ秒程度）。このことは、負荷回路１１２と、ＭＥＭＳスイッチ１１１の接点に跨がって並列結合されている平衡ダイオード・ブリッジ１０３を含むパルス回路１０２との動作の組み合わせを通して達成され得る。
【００２１】
さらに詳細に図示されているように、システム１００は、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１と並列に電気的に連絡して結合されている複数の可変抵抗器１３３、１３４を含む可変抵抗列を含み得る。可変抵抗器１３３、１３４は、限定しないが酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）を含む任意の適当な可変抵抗器であってよい。可変抵抗器１３３、１３４は、障害の発生時にＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１から直接転移される電気エネルギを吸収するような定格を有して構成され得る。例えば、障害状態でのＭＥＭＳ方式のスイッチング・システム２００を図２に示す。
【００２２】
図示のように、システム２００はシステム１００と実質的に同様である。従って、簡潔にするために各々の構成要素の構成及び動作についての網羅的記載はここでは省く。
【００２３】
図示のように、システム２００は障害状態にあって、障害電流２０１が可変抵抗器１３３〜１３４に転移されて障害電流２０３がＭＥＭＳスイッチ１１１の接点を横断して流れる。この障害に応答して、ＨＡＬＴ特定回路１０８はＨＡＬＴスイッチ１２２の起動を通して初期化されて、障害の解消及びＨＡＬＴ電流２０４の開始を支援することができる。このことを図３に示す。
【００２４】
図示のように、図３のシステム３００は、システム１００に実質的に同様である。従って、簡潔にするために各々の構成要素の構成及び動作についての網羅的記載はここでは省く。
【００２５】
上述のように、ＨＡＬＴスイッチ１２２が起動されており、これにより電流３０１〜３０３によって示すように電気エネルギをＭＥＭＳ方式スイッチング回路１０１からＨＡＬＴ特定回路１０８へ転移している。電気エネルギの転移が起こると、ＭＥＭＳスイッチ１１１を開くことにより障害が解消され、このことを図４に示す。
【００２６】
図示のように、図４のシステム４００はシステム１００と実質的に同様である。従って、簡潔にするために各々の構成要素の構成及び動作についての網羅的記載はここでは省く。
【００２７】
上述のように、ＭＥＭＳスイッチ１１１が開き、これにより障害を解消して、スナバ回路１０５、及び電流４０１〜４０２によって示すようにバリスタ１３３、１３４を通じて電気エネルギを吸収することを可能にする。
【００２８】
ここで図５を参照すると、同図には代替的なＭＥＭＳ方式のスイッチング・システム５００が示されている。
【００２９】
図５に示すように、無電弧ＭＥＭＳ方式のスイッチング・システム５００は、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１及び電弧抑制回路５０２を含むものとして示されており、電弧抑制回路５０２はパルス支援式オン切り換え（ＰＡＴＯ）回路及びハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）回路から成っているか又はこれらの回路を含んでいてよく、回路５０２はＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１に結合されて動作する。システム１００を参照して記載されているように、幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１は全体として、電弧抑制回路５０２と共に例えば単一のパッケージとして一体化され得る。他の実施形態では、ＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１の幾つかの部分又は構成要素のみが電弧抑制回路５０２と共に一体化されていてもよい。
【００３０】
ＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１は、１又は複数のＭＥＭＳスイッチ５１１を含み得る。加えて、電弧抑制回路５０２は、平衡ダイオード・ブリッジ５０３及びパルス回路５０４を含み得る。さらに、電弧抑制回路５０２は、ＭＥＭＳスイッチが閉状態から開状態へ状態を変化させるのに応答してＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの転移を受け取ることにより１又は複数のＭＥＭＳスイッチ５１１の接点の間での電弧形成の抑制を促進するように構成され得る。尚、電弧抑制回路５０２は、交流電流（ＡＣ）５１３又は直流電流（ＤＣ。但し分かり易くするために図示しない）に応答して電弧形成の抑制を促進するように構成され得ることが特記され得る。
【００３１】
図示の実施形態の例では、ＭＥＭＳスイッチ５１１は二つの接点を有する単純なスイッチであるものとして図示されているが、ＭＥＭＳスイッチ５１１は少なくとも三つの接点を含むスイッチであることを理解されたい。例えば、図示しないが、ＭＥＭＳスイッチ５１１は、ドレインとして構成されている第一の接点、ソースとして構成されている第二の接点、及びゲートとして構成されている第三の接点を含み得る。さらにまた、図５に示すように、電圧スナバ回路５０５がＭＥＭＳスイッチ５１１と並列結合されて、高速の接点分離時の電圧オーバシュートを制限するように構成され得る。このことについて以下で詳述する。
【００３２】
幾つかの実施形態の例では、スナバ回路５０５は、スナバ抵抗器５１５に直列結合されているスナバ・キャパシタ５１４を含み得る。スナバ・キャパシタ５１４は、ＭＥＭＳスイッチ５１１の一連の開動作時の過渡電圧分配の改善を促進し得る。さらにまた、スナバ抵抗器５１５は、ＭＥＭＳスイッチ１５１の閉動作時にスナバ・キャパシタ５１４によって発生されるあらゆる電流のパルスを抑制し得る。さらに詳細に図示されているように、電圧スナバ回路５０５は酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）５１６を含み得る。
【００３３】
本発明の手法のさらに他の観点によれば、負荷５１２が、ＭＥＭＳスイッチ５１１及び電圧源５１３と直列結合され得る。加えて、負荷５１２はまた、負荷インダクタンス及び負荷抵抗を含むことができ、この場合には負荷インダクタンスはＭＥＭＳスイッチ５１１から見て負荷インダクタンスとバス・インダクタンスとの合計に相当する。参照番号５０６が負荷５１２及びＭＥＭＳスイッチ５１１を流れ得る負荷電流を表わす。
【００３４】
さらに、図５に関して記載されるように、電弧抑制回路５０２は平衡ダイオード・ブリッジ５０３を含み得る。図示の実施形態の例では、平衡ダイオード・ブリッジ５０３は第一の枝５３１と第二の枝５３２とを有するものとして図示されている。本書で用いられる「平衡ダイオード・ブリッジ」との用語は、第一及び第二の枝５３１及び５３２に跨がる電圧降下が両方とも実質的に等しくなるように構成されているダイオード・ブリッジを表わすのに用いられている。平衡ダイオード・ブリッジ５０３の第一の枝５３１は、第一のダイオードＤ１  ５２８と第二のダイオードＤ３  ５２７とを含むことができ、これらのダイオードは共に結合されて第一の直列回路を形成する。類似の態様で、平衡ダイオード・ブリッジ５０３の第二の枝５３２は、第三のダイオードＤ２  ５３０と第四のダイオードＤ４  ５２９とを含むことができ、これらのダイオードは共に結合されて動作して第二の直列回路を形成する。
【００３５】
一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ５１１は、平衡ダイオード・ブリッジ５０３の中間点に跨がって並列結合され得る。平衡ダイオード・ブリッジの中間点は、第一及び第二のダイオード５２８、５２７の間に位置する第一の中間点と、第三及び第四のダイオード５３０、５２９の間に位置する第二の中間点とを含み得る。さらにまた、ＭＥＭＳスイッチ５１１及び平衡ダイオード・ブリッジ５０３は、当該平衡ダイオード・ブリッジ５０３、特にＭＥＭＳスイッチ５１１への接続に起因する寄生インダクタンスの最小化を促進するように緊密にパッケージ化され得る。尚、本発明の手法の例示的な観点によれば、ＭＥＭＳスイッチ５１１及び平衡ダイオード・ブリッジ５０３は、これら第一のＭＥＭＳスイッチ５１１と平衡ダイオード・ブリッジ５０３との間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ５１１のオフへの切り換え時にダイオード・ブリッジ５０３への負荷電流の転移を伝達しているときにＭＥＭＳスイッチ５１１のドレイン及びソースに跨がる電圧の数％未満のｄｉ／ｄｔ電圧を発生するように、互いに対して配置されていることが特記され得る。このことについて以下で詳述する。
【００３６】
一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ５１１は平衡ダイオード・ブリッジ５０３と共に、これらＭＥＭＳスイッチ５１１及びダイオード・ブリッジ５０３を相互接続するインダクタンスを最小化する目的で、単一のパッケージとして又は選択随意で同じダイとして一体化され得る。
【００３７】
加えて、電弧抑制回路５０２は、平衡ダイオード・ブリッジ５０３と並列に電気的に連絡して結合されているパルス回路５０２を含み得る。パルス回路５０２は、切り換え条件を検出して、該切り換え条件に応答してＭＥＭＳスイッチ５１１の開放を開始するように構成され得る。ここで用いられる「切り換え条件」との用語は、ＭＥＭＳスイッチ５１１の現在の動作状態を変化させるきっかけとなる条件を指す。例えば、切り換え条件は、ＭＥＭＳスイッチ５１１の第一の閉状態を第二の開状態へ変化させ、又はＭＥＭＳスイッチ１１１の第一の開状態を第二の閉状態へ変化させることを帰結し得る。切り換え条件は、限定しないが回路障害又はオン・オフ切り換え要求を含めた多数の動作に応答して生じ得る。
【００３８】
パルス回路５０２は、パルス・スイッチ５２４と、該パルス・スイッチ５２４に直列結合されているパルス・キャパシタ５２３とを含み得る。さらに、パルス回路はまた、パルス・スイッチ５２４に直列結合されているパルス・インダクタンス５２６と第一のダイオード５２５とを含み得る。パルス・インダクタンス５２６、ダイオード５２５、パルス・スイッチ５２４及びパルス・キャパシタ５２３は直列結合されてパルス回路５０２を形成することができ、この回路５０２では前記各構成要素はパルス電流の成形及びタイミング制御を促進するように構成され得る。
【００３９】
加えて、電弧抑制回路５０２は、ハイブリッド無電弧制限技術（ＨＡＬＴ）特定回路５０８を含み得る。回路５０８は、ＨＡＬＴキャパシタンス５２１（すなわち容量部分）と、ＨＡＬＴスイッチ５２２とを含み得る。ＨＡＬＴキャパシタンス５２１及びＨＡＬＴスイッチ５２２は直列結合されてＨＡＬＴ特定回路５０８を形成することができる。図５はＨＡＬＴ特定回路５０８と直列のパルス・インダクタンス５２６を示しているが、実施形態の例はこのように限定されないことを特記する。例えば、別個のＨＡＬＴインダクタンスがＨＡＬＴキャパシタンス５２１及びスイッチ５２２と直列結合しており、ＨＡＬＴ特定回路５０８全体がさらにパルス・インダクタンス５２６及びパルス・キャパシタンス５２３に跨がって並列結合されていてもよい。
【００４０】
本発明の観点によれば、ＭＥＭＳスイッチ５１１は、近ゼロ電圧であるが電流を流しつつ第一の閉状態から第二の開状態へ高速に切り換えられ得る（例えばピコ秒又はナノ秒程度）。このことは、負荷回路５１２と、ＭＥＭＳスイッチ５１１の接点に跨がって並列結合されている平衡ダイオード・ブリッジ５０３を含むパルス回路５０２との動作の組み合わせを通して達成され得る。
【００４１】
さらに詳細に図示されているように、システム５００は、ＨＡＬＴキャパシタンス５２１と並列に電気的に連絡して結合されている複数の可変抵抗器５３３、５３４を含む可変抵抗列を含み得る。可変抵抗器５３３、５３４は、限定しないが酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）を含む任意の適当な可変抵抗器であってよい。可変抵抗器５３３、５３４は、一旦ＨＡＬＴスイッチ５２２が起動されると障害の発生時にＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１から直接転移される電気エネルギを吸収するような定格を有して構成され得る。例えば、障害状態でのＭＥＭＳ方式のスイッチング・システム６００を図６に示す。
【００４２】
図示のように、システム６００はシステム５００と実質的に同様である。従って、簡潔にするために各々の構成要素の構成及び動作についての網羅的記載はここでは省く。
【００４３】
図示のように、システム６００は障害状態にある。一般的には、システムが障害状態にある場合には、障害を迅速に又は直ちに解消することが望ましいと考えられる。電流が大きい（又は少なくとも非ゼロである）ので相対的に大量のエネルギがモータ５１２の内部に閉じ込められ得る。従って、この障害に応答して、ＨＡＬＴ特定回路５０８はＨＡＬＴスイッチ５２２の起動を通して初期化されて、障害の解消を支援することができる。このことを図７に示す。
【００４４】
図示のように、図７のシステム７００はシステム５００と実質的に同様である。従って、簡潔にするために各々の構成要素の構成及び動作についての網羅的記載はここでは省く。
【００４５】
上述のように、ＨＡＬＴスイッチ５２２が起動されており、これにより電気エネルギをＭＥＭＳ方式スイッチング回路５０１からＨＡＬＴ特定回路５０８へ転移し、ここで障害電流６０１が可変抵抗器５３３〜５３４へ転移されて、障害電流６０２がＭＥＭＳスイッチ５１１の接点を横断して流れる。
【００４６】
電気エネルギの転移が起こると、ＭＥＭＳスイッチ５１１を開くことにより障害が解消され、このことを図８に示す。
【００４７】
図示のように、図８のシステム８００はシステム５００と実質的に同様である。従って、簡潔にするために各々の構成要素の構成及び動作についての網羅的記載はここでは省く。
【００４８】
上述のように、ＭＥＭＳスイッチ５１１が開き、これにより障害を解消して、スナバ回路５０５、及び電流８０１〜８０２によって示すようにバリスタ５３３、５３４を通じて電気エネルギを吸収することを可能にする。
【００４９】
以上に示すように、バリスタ５３３、５３４は、障害状態に応答して誘導負荷に蓄積された障害エネルギを吸収する。バリスタは、ＨＡＬＴ回路５０８の容量部分５２１と並列に連絡しているので、印加電圧の差のためバリスタ１３３、１３４と比較して相対的に小さい電圧定格を有していればよい。さらに、保護エネルギ転移動作時にバリスタ５３３、５３４に跨がって観察される電圧は相対的に小さいため、相対的に小さい電圧がダイオード・ブリッジ５０３、ＭＥＭＳスイッチ５１１、ＨＡＬＴスイッチ５２２、及びＰＡＴＯスイッチ５２４に跨がって現われる。このように保護エネルギ転移動作時の電圧が相対的に小さいため、ダイオード・ブリッジ５０３、ＭＥＭＳスイッチ５１１、ＨＡＬＴスイッチ５２２、及びＰＡＴＯスイッチ５２４は相対的に低い電圧に定格を設定されることができ、寸法及び費用がさらに縮小されて実用向きになる。
【００５０】
ここで図９を参照すると、同図は、本発明の観点による例示的なソフト・スイッチング・システム９００のブロック図を示す。図９に示すように、ソフト・スイッチング・システム９００は、スイッチング回路９０３と、検出回路９０２と、制御回路９０１とを含んでおり、これらの回路は共に結合されて動作する。検出回路９０２はスイッチング回路９０３に結合されて、負荷回路における交流電源電圧（以下「電源電圧」とする）又は同じく負荷回路における交流電流（以下「負荷回路電流」と呼ぶ）のゼロ交差の発生を検出するように構成され得る。制御回路９０１は、スイッチング回路９０３及び検出回路９０２に結合されて、交流電源電圧又は交流負荷回路電流の検出されたゼロ交差に応答してスイッチング回路９０３の１又は複数のスイッチの無電弧スイッチングを促進するように構成され得る。一実施形態では、制御回路９０１は、スイッチング回路９０３の少なくとも一部を構成する１又は複数のＭＥＭＳスイッチの無電弧スイッチングを促進するように構成され得る。
【００５１】
本発明の一観点によれば、ソフト・スイッチング・システム９００は、ソフト・スイッチング又はポイント・オン・ウェーブ（ＰｏＷ）・スイッチングを行なうように構成されることができ、これにより、スイッチング回路９０３の１又は複数のＭＥＭＳスイッチを、スイッチング回路９０３に跨がる電圧がゼロ又はゼロの極く近傍にある時刻に閉じ、スイッチング回路９０３を流れる電流がゼロ又はゼロの近傍にある時刻に開くことができる。スイッチング回路９０３に跨がる電圧がゼロ又はゼロの極く近傍にある時刻にスイッチを閉じることにより、多数のスイッチが全て同時に閉じる訳ではなくても１又は複数のＭＥＭＳスイッチを閉じるときに該接点の接点の間の電場を低く保つことにより前駆（pre-strike）電弧発生を回避することができる。同様に、スイッチング回路９０３を流れる電流がゼロ又はゼロの近傍にある時刻にスイッチを開くことにより、ソフト・スイッチング・システム９００は、スイッチング回路９０３において最後に開くスイッチを流れる電流がスイッチの設計性能の範囲内になるように設計され得る。上で示唆されているように、一実施形態によれば、制御回路９０１は、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の発生に又は障害の事象発生時にスイッチング回路９０３の１又は複数のＭＥＭＳスイッチの開閉を同期させるように構成され得る。
【００５２】
以上に記載したように、本発明の実施形態の例は、ＭＥＭＳ方式モータ・スタータについて障害状態での効率のよいエネルギ吸収を提供しつつ装置の複雑さ、費用、及び寸法を著しく縮小する新規技術を提示する。
【００５３】
発明を限られた数の実施形態にのみ関連して詳細に記載したが、本発明はかかる開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。寧ろ、本発明は、以上には記載されていないが発明の要旨及び範囲に沿った任意の数の変形、変更、置換又は均等構成を組み入れるように改変され得る。加えて、発明の様々な実施形態について記載したが、発明の観点は所載の実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、以上の記載によって制限されるのではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【符号の説明】
【００５４】
１００：無電弧ＭＥＭＳ方式スイッチング・システム
１０１：ＭＥＭＳ方式スイッチング回路
１０２：電弧抑制回路
１０３：平衡ダイオード・ブリッジ
１０４：パルス回路
１０５：スナバ回路
１０６：負荷電流
１０８：ＨＡＬＴ特定回路
１１１：ＭＥＭＳスイッチ
１１２：負荷
１１３：交流電流（ＡＣ）／電圧源
１１４：スナバ・キャパシタ
１１５：スナバ抵抗器
１２１：ＨＡＬＴキャパシタンス
１２２：ＨＡＬＴスイッチ
１２３：パルス・キャパシタ
１２４：パルス・スイッチ
１２５：ダイオード
１２６：パルス・インダクタンス
１２７、１２８、１２９、１３０：ダイオード
１３１、１３２：枝
１３３、１３４：可変抵抗器
１５１：ＭＥＭＳスイッチ
２００：ＭＥＭＳ方式スイッチング・システム
２０１、２０３：障害電流
２０４：ＨＡＬＴ電流
３００：システム
３０１、３０２、３０３：電流
４００：システム
４０１、４０２：電流
５００：無電弧ＭＥＭＳ方式スイッチング・システム
５０１：ＭＥＭＳ方式スイッチング回路
５０２：パルス回路
５０３：平衡ダイオード・ブリッジ
５０４：パルス回路
５０５：電圧スナバ回路
５０６：負荷電流
５０８：ＨＡＬＴ特定回路
５１１：ＭＥＭＳスイッチ
５１２：モータ／負荷
５１３：交流電流（ＡＣ）／電圧源
５１４：スナバ・キャパシタ
５１５：スナバ抵抗器
５１６：酸化金属バリスタ（ＭＯＶ）
５２１：ＨＡＬＴキャパシタンス
５２２：ＨＡＬＴスイッチ
５２３：パルス・キャパシタ
５２４：パルス・スイッチ
５２５：ダイオード
５２６：パルス・インダクタンス
５２７、５２８、５２９、５３０：ダイオード
５３１、５３２：枝
５３３、５３４：可変抵抗器
６００：ＭＥＭＳ方式スイッチング・システム
６０１、６０２：障害電流
７００、８００：システム
８０１、８０２：電流
９００：ソフト・スイッチング・システム
９０１：制御回路
９０２：検出回路
９０３：スイッチング回路
【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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