(57)【要約】【課題】サージ電流に対処するようにＭＥＭＳスイッチを使用可能とさせる回路及び／または技法を提供する。【解決手段】切替システムを提供する。本切替システムは、マイクロ電子機械システム切替回路（２０２）などの電子機械式切替回路を含む。本システムはさらに、電子機械式切替回路と並列回路の形で結合された固体式切替回路（２０４）と、これら電子機械式切替回路及び固体式切替回路に結合された制御器（２０８）と、を含むことがある。この制御器は、これら切替回路のそれぞれの回路の動作能力に適した負荷電流条件に応答して電子機械式切替回路と固体式切替回路の間で負荷電流の選択的切替を実行するように構成させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ電子機械システム（２０２）切替回路と、
固体式切替回路（２０４）と、
前記マイクロ電子機械システム切替回路及び固体式切替回路と並列回路の形で接続された第１の過電流保護回路（２０６１）であって、マイクロ電子機械システム切替回路の接点間のアーク形成を抑制するように構成させた第１の過電流保護回路と、
前記電子機械式切替回路、固体式切替回路及び第１の過電流保護回路に結合された制御器（２０８）であって、これら切替回路のそれぞれの回路の動作能力に適した負荷電流条件に応答して電子機械式切替回路と固体式切替回路の間で負荷電流の選択的切替を実行するように構成させた制御器と、
を備える切替システム。
【請求項２】
前記第１の過電流保護回路は平衡型ダイオードブリッジ（２８）を備える、請求項１に記載の切替システム。
【請求項３】
前記第１の過電流保護回路はさらに、該第１の過電流保護回路の平衡型ダイオードブリッジに結合された第１のパルス回路（５２）を備えており、該パルス回路はパルス電流の流れを該平衡型ダイオードブリッジに通過させるためのパルス信号を形成するように適応させたパルスコンデンサ（５６）を備えており、該パルス信号はマイクロ電子機械システム切替回路の切替事象発生と連係して発生させている、請求項２に記載の切替システム。
【請求項４】
さらに、前記マイクロ電子機械システム切替回路、固体式切替回路及び第１の過電流保護回路と並列回路の形で接続された第２の過電流保護回路（２０６２）を備える、請求項１に記載の切替システム。
【請求項５】
前記第２の過電流保護回路は、前記マイクロ電子機械システム切替回路の切替事象発生と連係して前記第１の過電流保護回路内に第１のパルス回路がパルス信号を発生させたことに続いて第１の過電流保護回路の準備のための待機を要することなく、該切替システムと接続させた負荷回路内の障害電流からの保護を可能にするように構成されている、請求項４に記載の切替システム。
【請求項６】
前記第２の過電流保護回路は前記第１の過電流保護回路の平衡型ダイオードブリッジに結合された第２のパルス回路を備えており、該パルス回路はパルス電流の流れを該平衡型ダイオードブリッジに通過させるためのパルス信号を形成するように適応させたパルスコンデンサを備えており、該パルス信号は障害電流に応答して第２のパルス回路によって発生させている、請求項５に記載の切替システム。
【請求項７】
前記第２の過電流保護回路は平衡型ダイオードブリッジを備える、請求項４に記載の切替システム。
【請求項８】
前記第２の過電流保護回路はさらに、該第２の過電流保護回路の平衡型ダイオードブリッジに結合された第２のパルス回路を備えており、該パルス回路はパルス電流の流れを該平衡型ダイオードブリッジに通過させるためのパルス信号を形成するように適応させたパルスコンデンサを備えており、該パルス信号は該切替システムと接続させた負荷回路内の障害電流に応答して第２のパルス回路によって発生させている、請求項７に記載の切替システム。
【請求項９】
前記第１のパルス回路は前記第２の過電流保護回路の平衡型ダイオードブリッジに結合されており、該パルス回路はパルス電流の流れを該平衡型ダイオードブリッジに通過させるためのパルス信号を形成するように適応させたパルスコンデンサを備えており、該パルス信号はマイクロ電子機械システム切替回路の切替事象発生と連係して発生させている、請求項８に記載の切替システム。
【請求項１０】
前記それぞれの切替回路の動作能力は、電流運搬容量、熱容量、及び前出項目の組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の切替システム。
【請求項１１】
前記制御器は、交番するソース電圧または交番する負荷電流に関する検出したゼロ交差に応答して前記マイクロ電子機械システム切替回路の無アーク切替を実行するように構成されている、請求項１に記載の切替システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は全般的には選択可能な電流経路に電流を切り替えるための切替システムに関し、さらに詳細にはマイクロ電子機械システムベースの切替デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
回路遮断器は、回路内の障害により損傷が生じないように電気機器を保護するように設計された電気デバイスである。従来では、従来式回路遮断器の大部分は大量の電子機械式スイッチ群を含む。しかしながら、従来式のこれらの回路遮断器はサイズが大きいため、切替機構を作動させるために大きな力を使用する必要がある。さらにこれらの回路遮断器のスイッチはその動作が比較的低速であるのが一般的である。さらにこれらの回路遮断器は、構築が複雑でありそのため製作が高コストであるという欠点がある。さらに、従来の回路遮断器の切替機構の接点では物理的に離れさせると、その間にアークが形成され回路内の電流が終止するまで電流を伝達し続けることになるのが典型的である。さらに、このアークに関連するエネルギーは接点をひどく損傷させること、かつ／またはスタッフに対してやけど障害を生じさせることがあり得る。
【０００３】
低速の電子機械式スイッチに対する代替として、比較的高速の固体式スイッチ（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｓｗｉｔｃｈ）が高速切替用途で利用されている。これらの固体式スイッチは、電圧やバイアスの印加を制御することによって導通状態と非導通状態の間で切り替えが行われることが理解されよう。例えば固体式スイッチに逆バイアスを加えることによって、スイッチを非導通状態に遷移させることができる。しかし、固体式スイッチは非導通状態に切り替えられても接点間に物理的ギャップを生成しないため、固体式スイッチでは漏れ電流が生じる。さらに固体式スイッチを導通状態で動作させると、内部抵抗のために電圧降下が生じる。電圧降下と漏れ電流はいずれも通常の動作状況で過剰な熱の発生をもたらし、これによって切り替え性能及び寿命に悪影響を及ぼし兼ねない。さらに、固体式スイッチに関連する固有の漏れ電流に少なくともその一部で起因してその回路遮断器用途での利用が不可能となる。
【０００４】
参照によりその全体を本明細書に組み入れる米国特許出願第１１／３１４，３３６号（２００５年１２月２０日出願）（整理番号１６２７１１−１）は、マイクロ電子機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）スイッチの接点間のアーク形成を抑制するように適応させた回路及び技法を含むマイクロ電子機械システムベースの切替デバイスについて記載している。
【特許文献１】米国特許第２００５／０１４６８１４号
【特許文献２】米国特許第２００５／０１４６４０４号
【特許文献３】米国特許第６，７６０，２０２号
【特許文献４】米国特許第６，７３８，２４６号
【特許文献５】米国特許第２００３／０１８３８３８号
【特許文献６】米国特許第６，５６３，６８３号
【特許文献７】米国特許第５，４３０，５９７号
【特許文献８】米国特許第４，７２３，１８７号
【特許文献９】米国特許第４，７００，２５６号
【特許文献１０】米国特許第４，５００，９３４号
【特許文献１１】米国特許第５，１６４，８７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
切替デバイスは、モータその他の工業機器の始動に関連するサージ電流を吸収するまたはこれに耐える必要があるような電流制限保護デバイスの一部とすることがある。このサージ電流は、定常状態負荷電流値の数倍（例えば、６倍以上）に及ぶことが多く、最大１０秒間続く可能性がある。この電流を運搬する周知の技法の１つは、多数のＭＥＭＳスイッチ（例えば、定常状態電流の運搬に要するスイッチ数の６倍）を並列に組み合わせることである。この技法は恐らくＭＥＭＳスイッチアレイのコスト及び歩留まりが改善されるに連れて将来のある点では費用対効果が高まることになろうが、目下のところは６倍多くの数のＭＥＭＳスイッチを用いるとコストが６倍に増大し、またこれら追加のＭＥＭＳスイッチは約１０秒間の動作についてしか機能することがない。したがって、こうしたサージ電流に対して高信頼性かつ費用対効果よく対処できながら、依然として定常状態動作のため並びに発生する可能性がある障害条件に対処するためにＭＥＭＳスイッチの使用を可能とさせるような回路及び／または技法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
全般的には本発明の態様は、電子機械式切替回路を含む切替システムを提供する。本システムはさらに、電子機械式切替回路と並列回路の形で結合された固体式切替回路と、これら電子機械式切替回路及び固体式切替回路に結合された制御器と、を含むことがある。この制御器は、これら切替回路のそれぞれの回路の動作能力に適した負荷電流条件に応答して電子機械式切替回路と固体式切替回路の間で負荷電流の選択的切替を実行するように構成されることがある。
【０００７】
本発明の別の態様は、マイクロ電子機械システム切替回路を含む切替システムを提供する。本システムはさらに固体式切替回路を含むことがある。マイクロ電子機械システム切替回路及び固体式切替回路と並列回路の形で第１の過電流保護回路を接続させることがあり、該第１の過電流保護回路はマイクロ電子機械システム切替回路の接点間のアーク形成を抑制するように構成されることがある。電子機械式切替回路、固体式切替回路及び第１の過電流保護回路に制御器を結合させることがある。この制御器は、これら切替回路のそれぞれの回路の動作能力に適した負荷電流条件に応答して電子機械式切替回路と固体式切替回路の間で負荷電流の選択的切替を実行するように構成されることがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【０００９】
本発明の１つまたは複数の実施形態では、マイクロ電子機械システムベースの無アーク切替のためのシステム及び方法を本明細書で記載している。以下の詳細な説明では、本発明の様々な実施形態に対する完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細を掲げている。しかし、本発明の実施形態はこうした具体的な詳細を用いずに実施し得ること、本発明は提示した実施形態に限定されるものでないこと、並びに本発明は多種多様な代替的実施形態により実施し得ることは当業者であれば理解されよう。また一方、よく知られた方法、手順及び構成要素については詳細に記載していない。
【００１０】
さらに様々な動作については、本発明の実施形態の理解に役立つように複数の離散的な工程で実施されるように記述することがある。しかしこの記述順序は、これらの動作を提示した順序で実行する必要があることを意味すると解釈すべきではなく、またさらには順序に依存すると解釈すべきでもない。さらに、「一実施形態では」という表現を反復して使用していても必ずしもこれが同じ実施形態を指すものではない（ただし、同じものを指す場合もあり得る）。最後に、本出願において使用する場合「を備えた（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含んだ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、その他の表現は、特に指摘しない限り同義語とするように意図したものである。
【００１１】
図１は、本発明の態様による例示的な無アークマイクロ電子機械システムスイッチ（ＭＥＭＳ）ベースの切替システム１０のブロック図を表している。ここでＭＥＭＳとは一般に、例えばマイクロ製作テクノロジーを通じて多数の機能的に異なる要素（例えば、機械的要素、電子機械式要素、センサ、アクチュエータ及び電子回路）を共通のサブストレート上で一体化することが可能なマイクロメートルスケールの構造を意味している。しかし、ＭＥＭＳデバイスで目下のところ利用可能な多くの技法や構造は、わずか数年すればナノテクノロジーベースのデバイス（例えば、サイズを１００ナノメートルより小さくし得る構造）を介して入手可能となるであろうことが企図される。したがって、この文書全体を通じて記載している例示的実施形態はＭＥＭＳベース切替デバイスに言及することがあっても、本発明の態様は幅広く解釈されるべきでありまたマイクロメートルサイズのデバイスに限定されるべきではないと判断されるべきである。
【００１２】
図１に示すように、ＭＥＭＳベース切替回路１２及び過電流保護回路１４を含むような無アークＭＥＭＳベース切替システム１０を示しており、ここで過電流保護回路１４はＭＥＭＳベース切替回路１２と動作可能に結合されている。ある種の実施形態では、ＭＥＭＳベース切替回路１２は例えば単一のパッケージ１６内で過電流保護回路１４と全体として一体化されることがある。別の実施形態では、ＭＥＭＳベース切替回路１２のうちのある部分だけまたはある構成要素だけを過電流保護回路１４と一体化させることがある。
【００１３】
図２〜５を参照しながらより詳細に記載することにする目下のところ企図される構成では、ＭＥＭＳベース切替回路１２は１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを含むことがある。さらに過電流保護回路１４は、平衡型ダイオードブリッジ及びパルス回路を含むことがある。さらに過電流保護回路１４は、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間のアーク形成の抑制を容易にするように構成されることがある。過電流保護回路１４は、交流（ＡＣ）や直流（ＤＣ）に応答したアーク形成の抑制を容易にするように構成されることがある。
【００１４】
ここで図２を見ると、図１に示した例示的な無アークＭＥＭＳベースの切替システムの回路図１８を一実施形態に従って図示している。図１を参照しながら指摘したように、ＭＥＭＳベース切替回路１２は１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを含むことがある。図示した実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１の接点２２、第２の接点２４及び第３の接点２６を有するように表している。一実施形態では、第１の接点２２はドレインとして構成させることがあり、第２の接点２４はソースとして構成させることがあり、また第３の接点２６はゲートとして構成させることがある。さらに図２に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に電圧スナバー回路３３を結合させ、これを高速の接点分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せることがある（これについては、以下でより詳細に説明することにする）。ある種の実施形態では、スナバー回路３３は、スナバー抵抗器（図示せず）と直列に結合させたスナバーコンデンサ（図示せず）を含むことがある。スナバーコンデンサはＭＥＭＳスイッチ２０の開放シーケンス中の過渡電圧配分の改善を容易にさせることがある。さらにスナバー抵抗器は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉鎖動作中にスナバーコンデンサが発生させるあらゆる電流パルスを抑制することがある。ある種の別の実施形態では、電圧スナバー回路３３は金属酸化物バリスター（ＭＯＶ）（図示せず）を含むことがある。
【００１５】
本技法の別の態様では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と直列に負荷回路４０を結合させることがある。負荷回路４０は電圧源ＶＢＵＳ４４を含むことがある。さらに負荷回路４０は負荷インダクタンス４６ＬＬＯＡＤも含むことがあり、この負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ４６は負荷回路４０から見た負荷インダクタンスとバスインダクタンスの合成インダクタンスを表している。負荷回路４０はさらに、負荷回路４０から見た合成負荷抵抗を表した負荷抵抗ＲＬＯＡＤ４８を含む。参照番号５０は負荷回路４０及び第１のＭＥＭＳスイッチ２０内を流れることがある負荷回路電流ＩＬＯＡＤを表している。
【００１６】
さらに図１を参照しながら指摘したように、過電流保護回路１４は平衡型ダイオードブリッジを含むことがある。図示した実施形態では、平衡型ダイオードブリッジ２８は第１の分枝２９及び第２の分枝３１を有するように表している。本明細書で使用する場合、「平衡型ダイオードブリッジ」という語は第１及び第２の分枝２９、３１の両方の間の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示すために使用している。平衡型ダイオードブリッジ２８の第１の分枝２９は、第１の直列回路を形成するように互いに結合させた第１のダイオードＤ１（３０）及び第２のダイオードＤ２（３２）を含むことがある。同様にして、平衡型ダイオードブリッジ２８の第２の分枝３１は、第２の直列回路を形成するように互いに結合させた第３のダイオードＤ３（３４）及び第４のダイオードＤ４（３６）を含むことがある。
【００１７】
一実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、平衡型ダイオードブリッジ２８の中点間に並列に結合されることがある。平衡型ダイオードブリッジの中点は、第１と第２のダイオード３０、３２間に配置された第１の中点と、第３と第４のダイオード３４、３６間に配置された第２の中点と、を含むことがある。さらに第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡型ダイオードブリッジ２８は、平衡型ダイオードブリッジ２８により生じる寄生インダクタンスの最小化、また具体的にはＭＥＭＳスイッチ２０への接続を容易にするように隙間なくパッケージングされることがある。本技法の例示的な態様では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡型ダイオードブリッジ２８は、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡型ダイオードブリッジ２８の間の固有インダクタンスによって生成されるｄｉ／ｄｔ電圧がＭＥＭＳスイッチ２０のオフ切り替えの間のダイオードブリッジ２８への負荷電流遷移の伝達時におけるＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２２とソース２４の間の電圧の数パーセント未満になるようにして互いに対して相対的に位置決めされることに留意されたい（これについては以降でさらに詳細に記載することにする）。一実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、ＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ２８を相互接続するインダクタンスを最小限にする目的で、単一のパッケージ３８（また任意選択では、同じダイ）内で平衡型ダイオードブリッジ２８と一体化させることがある。
【００１８】
さらに、過電流保護回路１４は、平衡型ダイオードブリッジ２８と動作連係して結合させたパルス回路５２を含むことがある。パルス回路５２は、スイッチ条件を検出し該スイッチ条件に応答してＭＥＭＳスイッチ２０の開放を始動するように構成されることがある。本明細書で使用する場合、「スイッチ条件（ｓｗｉｔｃｈ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）」という語はＭＥＭＳスイッチ２０の目下の動作状態の変化をトリガする条件のことを指す。例えばスイッチ条件はＭＥＭＳスイッチ２０の第１の閉状態を第２の開状態にする変化、あるいはＭＥＭＳスイッチ２０の第１の開状態を第２の閉状態にする変化となることがある。スイッチ条件は回路障害やスイッチＯＮ／ＯＦＦ要求（ただし、これらに限らない）を含む多くの動作に応答して発生することがある。
【００１９】
パルス回路５２は、パルススイッチ５４と、パルススイッチ５４と直列に結合されたパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６と、を含むことがある。さらにパルス回路はさらに、パルススイッチ５４と直列に結合されたパルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ５８及び第１のダイオードＤＰ６０を含むことがある。パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ５８、ダイオードＤＰ６０、パルススイッチ５４及びパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６は、パルス回路５２の第１の分枝を形成するように直列に結合されることがあり、該第１の分枝の構成要素はパルス電流の成形及びタイミング調整を容易にするように構成されることがある。さらに参照番号６２によってパルス回路５２を通って流れ得るパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥを表している。
【００２０】
以降でさらに詳細には記載するような本発明の態様では、ＭＥＭＳスイッチ２０はニアゼロ電圧にある場合であっても電流を伝達しながら第１の閉状態から第２の開状態に迅速に（例えば、ピコ秒またはナノ秒のオーダーで）切り替えることができる。この動作は、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点間に並列に結合された平衡型ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２との合成動作を通じて実現することができる。
【００２１】
図３〜５は、図２に示した無アークＭＥＭＳベースの切替システム１８の例示的な一動作を表すための回路フローチャートとして使用している。引き続き図２を見ると、無アークＭＥＭＳベース切替システム１８の例示的動作の初期条件を図示している。ＭＥＭＳスイッチ２０は第１の閉状態で開始となるように表している。さらに図示したように、負荷回路４０においてＶＢＵＳ／ＲＬＯＡＤと実質的に等しい値を有する負荷電流ＩＬＯＡＤ５０が存在している。
【００２２】
さらに、無アークＭＥＭＳベース切替システム１８のこの例示的動作に関して検討するために、ＭＥＭＳスイッチ２０に関連付けされた抵抗は十分に小さくＭＥＭＳスイッチ２０の抵抗を通る負荷電流が発生させる電圧はパルス動作の際にダイオードブリッジ２８の中点間のニアゼロ電圧差に対する影響は無視できるだけであると仮定している。例えばＭＥＭＳスイッチ２０に関連付けされた抵抗は十分に小さく、予測される最大負荷電流であっても生成される電圧降下は数ミリボルト未満であると仮定することがある。
【００２３】
ＭＥＭＳベース切替システム１８に関するこの初期条件では、パルススイッチ５４は第１の開状態にあることに留意されたい。さらに、パルス回路５２内にはパルス回路電流が存在していない。さらにパルス回路５２内において、コンデンサＣＰＵＬＳＥ５６は電圧ＶＰＵＬＳＥまで前充電されることがある（ここで、ＶＰＵＬＳＥは負荷電流の遷移期間中の予想負荷電流ＩＬＯＡＤ５０よりかなり大きい（例えば、２倍の）ピーク規模を有する半正弦曲線（ｈａｌｆ  ｓｉｎｕｓｏｉｄ）のパルス電流を発生させることが可能な電圧である）。ＣＰＵＬＳＥ５６及びＬＰＵＬＳＥ５８は直列共振回路を成すことに留意されたい。
【００２４】
図３は、パルス回路５２に関するトリガ動作の過程を表した回路図６４である。このパルス回路５２には検出回路（図示せず）が結合されることがあることに留意されたい。検出回路は、例えば負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０のレベル及び／または電圧源ＶＢＵＳ４４の電圧レベルを検知するように構成された検知回路（図示せず）を含むことがある。さらに検出回路は、上述のようにスイッチ条件を検出するように構成されることがある。一実施形態ではスイッチ条件は、所定のしきい値を超える電流レベル及び／または電圧レベルに起因して生じることがある。
【００２５】
パルス回路５２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の目下の閉状態の第２の開状態への切替を容易にするためにスイッチ条件を検出するように構成されることがある。一実施形態ではそのスイッチ条件は、負荷回路４０内の所定のしきい値を超える電圧レベルや負荷電流に起因して発生した障害条件とすることがある。しかし、スイッチ条件はさらに、ＭＥＭＳスイッチ２０に関してシステム依存の所与のＯＮ時間を実現するためにランプ（ｒａｍｐ）電圧を監視することを含むことがあることが理解されよう。
【００２６】
一実施形態ではそのパルススイッチ５４は、検出し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させることがある。パルススイッチ５４のトリガ動作はパルス回路５２内に共振正弦波電流を始動させることがある。パルス回路電流の電流方向を参照番号６６及び６８で表すことがある。さらに、平衡型ダイオードブリッジ２８の第１の分枝２９の第１のダイオード３０及び第２のダイオード３２を通るパルス回路電流の電流方向及び相対的規模は電流ベクトル７２及び７０のそれぞれで表すことがある。同様に、電流ベクトル７６及び７４は第３のダイオード３４及び第４のダイオード３６のそれぞれを通るパルス回路電流の電流方向及び相対的規模を表している。
【００２７】
ピーク正弦波ブリッジパルス電流の値は、パルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６上の初期電圧、パルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６の値、並びにパルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ５８の値によって決定されることがある。パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ５８及びパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６に関する値によってさらに、パルス電流の半正弦曲線のパルス幅が決定される。ブリッジ電流パルス幅は、負荷障害条件中の負荷電流（ＶＢＵＳ／ＬＬＯＡＤ）の変化率及び所望のピーク通過許可（ｌｅｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ）電流に基づいて予測されるシステム負荷電流オフ切り替え要件を満たすように調整されることがある。本発明の態様ではパルススイッチ５４は、ＭＥＭＳスイッチ２０を開放させる前に導通状態となるように構成されることがある。
【００２８】
パルススイッチ５４のトリガ動作は、開放期間中におけるＭＥＭＳスイッチ２０の接点を通る経路のインピーダンスと比較してより低インピーダンスの経路を生成することが容易となるように平衡型ダイオードブリッジ２８を通るパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ６２のタイミングを制御することを含むことがあることに留意されたい。さらにパルススイッチ５４は、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点間に所望の電圧降下が提示されるようにトリガを受けることがある。
【００２９】
一実施形態ではそのパルススイッチ５４は、例えばナノ秒単位からマイクロ秒単位までの範囲の切替速度を有するように構成され得る固体式スイッチとすることがある。パルススイッチ５４の切替速度は、障害条件における負荷電流の予想立ち上がり時間と比較して比較的高速とさせるべきである。ＭＥＭＳスイッチ２０に要求される電流定格は負荷電流の上昇率に依存し、また一方この上昇率は上で指摘したように負荷回路４０内のインダクタンスＬＬＯＡＤ４６及びバス供給電圧ＶＢＵＳ４４に依存する。ＭＥＭＳスイッチ２０は、ブリッジパルス回路の速度機能と比較して負荷電流ＩＬＯＡＤ５０の上昇が迅速となり得る場合に、より大きな負荷電流ＩＬＯＡＤ５０を扱えるのに適した定格とさせることがある。
【００３０】
パルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ６２は、値ゼロから上昇すると共に、平衡型ダイオードブリッジ２８の第１の分枝２９と第２の分枝３１の間で等しく分割される。一実施形態では、平衡型ダイオードブリッジ２８の各分枝２９、３１間の電圧降下差は、上で記載したように無視できるように設計されることがある。さらに上で記載したように、ダイオードブリッジ２８は、ダイオードブリッジ２８の第１と第２の分枝の間の電圧降下が実質的に等しいような平衡型としている。さらに目下閉状態にあるＭＥＭＳスイッチ２０の抵抗が比較的低いと、ＭＥＭＳスイッチ２０間に存在する電圧降下は比較的小さい。しかし、ＭＥＭＳスイッチ２０間の電圧降下がたまたま（例えば、ＭＥＭＳスイッチの本来的設計に起因して）大きくなると、ダイオードブリッジ２８がＭＥＭＳスイッチ２０と並列で動作可能に結合されているためダイオードブリッジ２８の平衡が影響を受けることがある。本発明の態様では、ＭＥＭＳスイッチ２０の抵抗がＭＥＭＳスイッチ２０の両端に大きな電圧降下を生じさせる場合、ダイオードブリッジ２８はピークブリッジパルス電流の規模を増大させることによってパルスブリッジに関して生じた不平衡に対応することがある。
【００３１】
ここで図４を参照すると、ＭＥＭＳスイッチ２０の開放が開始されている回路図７８を表している。上で指摘したように、ＭＥＭＳスイッチ２０の開放前にパルス回路５２内のパルススイッチ５４がトリガを受ける。パルス電流ＩＰＵＬＳＥ６２が上昇すると、パルス回路５２の共振作用のためにパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６の両端の電圧が低下する。スイッチが閉じて導通しているＯＮ状態では、ＭＥＭＳスイッチ２０により負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０に対して比較的低インピーダンスの経路が提供される。
【００３２】
パルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ６２の振幅が（例えば、パルス回路５２の共振作用のために）負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０の振幅より大きくなると、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート接点２６に付与される電圧が適正にバイアスされ、ＭＥＭＳスイッチ２０の目下の動作状態が第１の閉鎖導通状態から、ＭＥＭＳスイッチ２０がオフ切り替えを始めており（例えば、その接点は依然として閉じているがスイッチ開放過程のために接触圧力は低下しつつあり）このためにスイッチ抵抗が上昇し負荷電流は一方ＭＥＭＳスイッチ２０からダイオードブリッジ２８に進路変更され始めるような抵抗上昇条件に切り替えられることがある。
【００３３】
この目下の条件では、平衡型ダイオードブリッジ２８によって、負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０に対してＭＥＭＳスイッチ２０を通る経路と比較してかなり低インピーダンスの経路が提供され、この際に接触抵抗の上昇が出現する。ＭＥＭＳスイッチ２０を通過する負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０のこの分流は、負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０の変化率と比べて極めて高速な過程であることに留意されたい。上で指摘したように、ＭＥＭＳスイッチ２０と平衡型ダイオードブリッジ２８の間の接続に関連付けされたインダクタンスＬ１８４及びＬ２８８の値は、高速の電流分流が阻害されないように非常に小さくすることが望ましい。
【００３４】
ＭＥＭＳスイッチ２０からパルスブリッジへの電流遷移過程によって第１のダイオード３０及び第４のダイオード３６の電流が上昇する一方、同時に第２のダイオード３２及び第３のダイオード３４の電流は減少する。この遷移過程は、ＭＥＭＳスイッチ２０の機械的接点２２、２４が分離されて物理的ギャップが形成されると共に、負荷電流がすべて第１のダイオード３０及び第４のダイオード３６によって伝達された時点で完了となる。
【００３５】
ＭＥＭＳスイッチ２０からダイオードブリッジ２８まで方向８６に負荷回路電流ＩＬＯＡＤが進路変更される結果、ダイオードブリッジ２８の第１の分枝２９と第２の分枝３１の間に不平衡が形成される。さらにパルス回路電流が崩壊するのに連れて、パルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６の両端の電圧の逆転（例えば、「逆起電力」の作用をする）が継続し、これが負荷回路電流ＩＬＯＡＤを事実上ゼロまで低下させることになる。ダイオードブリッジ２８の第２のダイオード３２と第３のダイオード３４は逆バイアスとなり、ここでパルスインダクタＬＰＵＬＳＥ５８及びブリッジパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６を含む負荷回路が生じて１つの直列共振回路となる。
【００３６】
ここで図５を見ると、負荷電流の減少過程のために接続された回路素子の回路図９４を表している。上で言及したように、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点が離れている時点で、無限大の接触抵抗が達成される。さらにダイオードブリッジ２８によって、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点間のニアゼロ電圧がもはや維持されない。さらにこの際、負荷回路電流ＩＬＯＡＤは第１のダイオード３０及び第４のダイオード３６を通過する電流に等しくなる。上で指摘したように、電流はダイオードブリッジ２８の第２のダイオード３２及び第３のダイオード３４を通過していない。
【００３７】
さらに、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２４からソース２６への大きなスイッチ接点電圧差は、パルスインダクタＬＰＵＬＳＥ５８、パルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６、負荷回路インダクタＬＬＯＡＤ４６、並びに負荷抵抗器ＲＬＯＡＤ４８及び回路損失に由来する減衰を含むネットの共振回路によって決定される率で、ＶＢＵＳ電圧の概ね２倍の最大値まで上昇することがある。さらにある時点では負荷回路電流ＩＬＯＡＤ５０に等しかったパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ６２が共振のためにゼロ値まで低下することがあり、またダイオードブリッジ２８及びダイオードＤＰ６０の逆阻止作用のためにこのゼロ値が維持されることがある。共振に由来するパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６の両端の電圧は、負のピークに対応して極性を逆転させ、こうした負のピークがパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６が再充電されるまで維持されることになる。
【００３８】
ダイオードブリッジ２８はＭＥＭＳスイッチ２０の接点が分離してＭＥＭＳスイッチ２０を開放させるまでこの接点間のニアゼロ電圧を維持し、これにより開放動作中にＭＥＭＳスイッチ２０の接点間に形成される傾向がある任意のアークを抑制することによって損傷を防止するように構成されることがある。さらにＭＥＭＳスイッチ２０の接点は、ＭＥＭＳスイッチ２０を通過する接点電流がかなり低下したときに開放状態に近づく。さらに、回路インダクタンス、負荷インダクタンス及びソース内に蓄積されるエネルギーはすべて、パルス回路コンデンサＣＰＵＬＳＥ５６に遷移させること、また電圧消費回路（図示せず）を介して吸収させることがある。電圧スナバー回路３３は、ブリッジとＭＥＭＳスイッチの間のインタフェースインダクタンス内に保持される誘導性エネルギーに由来する高速の接点分離中の電圧オーバーシュートを制限するように構成されることがある。さらに開放動作中のＭＥＭＳスイッチ２０の接点間への再付加電圧の上昇率は、スナバー回路（図示せず）を使用することによって制御されることがある。
【００３９】
さらに、開状態ではＭＥＭＳスイッチ２０の接点間にギャップが生じているが、そうであってもＭＥＭＳスイッチ２０の周りの負荷回路４０とダイオードブリッジ回路２８の間には漏れ電流が存在することがあることに留意されたい。この漏れ電流は負荷回路４０内に副次的な機械式スイッチ（図示せず）を直列接続して導入して物理的ギャップを生成することによって抑制させることがある。ある種の実施形態では、その機械式スイッチは第２のＭＥＭＳスイッチを含むことがある。
【００４０】
図６は、切替回路１２（図１参照）が例えば直列または直列−並列アレイの形に配列させた複数のＭＥＭＳスイッチを含み得るような例示的な一実施形態９６を表している。さらに図６に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０は直列回路の形で電気的に結合させた２個以上のＭＥＭＳスイッチ９８、１００からなる第１のスイッチ組によって置き換えられることがある。一実施形態では、第１組のＭＥＭＳスイッチ９８、１００のうちの少なくとも１個はさらに、第２組の２個以上のＭＥＭＳスイッチ（例えば、参照番号１００、１０２）を含むことがある並列回路の形で結合されることがある。本発明の態様では、静的なグレーディング抵抗器及び動的なグレーディングコンデンサを、第１または第２組のＭＥＭＳスイッチの少なくとも１個と並列に結合させることがある。
【００４１】
ここで図７を参照すると、グレーディング型ＭＥＭＳスイッチ回路の例示的な一実施形態１０４を表している。グレーディング型スイッチ回路１０４は、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ１０６と、グレーディング抵抗器１０８と、グレーディングコンデンサ１１０と、を含むことがある。グレーディング型スイッチ回路１０４は、例えば図６に示したように、直列または直列−並列アレイの形に配列させた複数のＭＥＭＳスイッチを含むことがある。グレーディング抵抗器１０８は、スイッチアレイに対して電圧グレーディングを提供するために少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチ１０６と並列に結合されることがある。例示的な一実施形態ではそのグレーディング抵抗器１０８は、直列スイッチ間で適当な定常状態電圧平衡（分割）を提供する一方、当該用途に関して受容可能な漏れが提供されるような大きさとさせることがある。さらにそのアレイの各ＭＥＭＳスイッチ１０６と並列にグレーディングコンデンサ１１０とグレーディング抵抗器１０８の両方が設けられ、切替動作時には動的にかつＯＦＦ状態では静的に配分（ｓｈａｒｉｎｇ）を提供させることがある。追加としてグレーディング抵抗器またはグレーディングコンデンサ、あるいはこれら両者をスイッチアレイ内の各ＭＥＭＳスイッチに付加することがあることに留意されたい。
【００４２】
図８は、ＭＥＭＳベース切替システムを目下の動作状態から第２の状態に切り替えるための例示的な論理フローチャート１１２である。本技法の例示的な態様では、切り替えのための方法を提示する。上で指摘したように、検出回路は過電流保護回路と動作可能に結合させ、かつスイッチ条件を検出するように構成されることがある。さらに検出回路は、電流レベル及び／または電圧レベルを検知するように構成された検知回路を含むことがある。
【００４３】
ブロック１１４で示したように、負荷回路４０（図２参照）などの負荷回路の電流レベル及び／または電圧レベルは、例えばこの検知回路を介して検知されることがある。さらに判断ブロック１１６に示したように、検知した電流レベルと検知した電圧レベルのいずれか一方が期待値から変動しているまたは期待値を超えているか否かの判定が実施されることがある。一実施形態では、検知した電流レベルまたは検知した電圧レベルがそれぞれの所定のしきい値レベルを超えているか否かの判定が（例えば、検出回路を介して）実施されることがある。別法として、実際に障害を発生させずにスイッチ条件を検出するために電圧または電流ランプ率が監視されることがある。
【００４４】
検知した電流レベルまたは検知した電圧レベルが期待値から変動しているまたは期待値から外れている場合、ブロック１１８で示したようなスイッチ条件が生成されることがある。上で指摘したように、「スイッチ条件」という語はＭＥＭＳスイッチの目下の動作状態の変化をトリガする条件のことを指している。ある種の実施形態では、そのスイッチ条件は障害信号に応答して生成されることがあり、またＭＥＭＳスイッチの開放の始動を容易にするために利用されることがある。ブロック１１４〜１１８はスイッチ条件の生成の一例を表していることに留意されたい。しかし本発明の態様に従った別のスイッチ条件生成方法も想定されることが理解されよう。
【００４５】
ブロック１２０で示したように、パルス回路はスイッチ条件に応答してパルス回路電流を始動するようにトリガを受ける。パルス回路の共振作用のために、パルス回路電流レベルは上昇を続けることがある。少なくともその一部でダイオードブリッジ２８に由来して、パルス回路電流の振幅瞬時値が負荷回路電流の振幅瞬時値を大幅に超える場合に、ＭＥＭＳスイッチの接点間でニアゼロ電圧降下が維持されることがある。さらにブロック１２２で示したように、ＭＥＭＳスイッチを通過する負荷回路電流はＭＥＭＳスイッチからパルス回路に進路変更されることがある。上で指摘したように、ＭＥＭＳスイッチの接点が離れ始めるに連れて比較的高インピーダンスの上昇を示すようなＭＥＭＳスイッチを通過する経路と異なり、ダイオードブリッジでは比較的低インピーダンスの経路が提供される。次いでブロック１２４で示したように、ＭＥＭＳスイッチを無アーク式に開放させることができる。
【００４６】
上で記載したように、パルス回路電流の振幅瞬時値が負荷回路電流の振幅瞬時値を大幅に超えている限りＭＥＭＳスイッチの接点間のニアゼロ電圧降下が維持され、これによってＭＥＭＳスイッチの開放を容易にすると共にＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク形成を抑制することができる。したがって、本明細書の上で記載したように、ＭＥＭＳスイッチの接点間のニアゼロ電圧条件でＭＥＭＳスイッチを通過する電流を大幅に減少させてＭＥＭＳスイッチを開放させることができる。
【００４７】
図９は、本技法の態様に従ったＭＥＭＳベース切替システムのＭＥＭＳスイッチの目下の動作状態の切替を表した実験結果をグラフ表示１３０したものである。図９に示すように、時間１３４の変化に対して振幅１３２の変動をプロットしている。さらに参照番号１３６、１３８及び１４０は、グラフ表示１３０の第１のセクション、第２のセクション及び第３のセクションを表している。
【００４８】
応答曲線１４２は負荷回路電流の振幅変化を時間の関数として表している。パルス回路電流の振幅変化を時間の関数として応答曲線１４４で表している。同様にして、ゲート電圧の振幅変化を時間の関数として応答曲線１４６で示している。応答曲線１４８はゼロゲート電圧基準値を表しており、一方応答曲線１５０はオフ切り替え前の負荷電流に関する基準レベルである。
【００４９】
さらに参照番号１５２は、スイッチ開放動作過程が生じている箇所にあたる応答曲線１４２上の領域を表している。同様に参照番号１５４は、ＭＥＭＳスイッチの接点が離れた後にスイッチが開状態にある箇所にあたる応答曲線１４２上の領域を表している。さらにグラフ表示１３０の第２のセクション１３８から分かるように、ゲート電圧はＭＥＭＳスイッチの開放の始動を容易にするように低い値にプルされている。さらにグラフ表示１３０の第３のセクション１４０から分かるように、平衡型ダイオードブリッジのうちの導通している半分にある負荷回路電流１４２及びパルス回路電流１４４は崩壊しつつある。
【００５０】
本発明の態様は、固体式（例えば、半導体ベースの）切替回路を用いて（例えば、スタートアップ事象または過渡条件中の）サージ電流に対して高信頼性で費用対効果よく耐えることを可能とする一方、例えば定常状態動作に関して、また起こり得る障害条件に対処するためにＭＥＭＳベース切替回路を利用することを可能とした回路及び／または技法を含む。
【００５１】
サージ電流はモータや別のタイプの電気機器などの電気的負荷を始動させる際に発生することや、過渡条件の間に発生することがあることは当業者であれば理解されよう。スタートアップ事象中のサージ電流の値は、定常状態の負荷電流値の数倍（例えば、６倍以上）を成すことが多く、また数秒間（例えば、概ね１０秒間）持続する可能性がある。
【００５２】
図１０は、本発明の態様を具現化した切替システム２００を表したブロック図である。例示的一実施形態ではシステム２００は、ＭＥＭＳベース切替回路２０２、固体式切替回路２０４及び過電流保護回路２０６（例えば例示的一実施形態では、図１〜９のコンテキストにおいて図示及び／または記載したパルス回路５２及び平衡型ダイオードブリッジ３１を備えることがある）を並列回路を成すように接続している。
【００５３】
ＭＥＭＳベース切替回路２０２、固体式切替回路２０４及び過電流保護回路２０６には制御器２０８を結合させることがある。制御器２０８は、過電流保護回路２０６を作動させる時点、並びにそれぞれの各切替回路を開閉させる時点を決定するように構成された制御方針を実施すること（例えば、切替回路のうちのそれぞれの回路の電流伝達能力に適した負荷電流条件及び／または切替システムに影響を与え得る障害条件に応答して実施されることがある）によってＭＥＭＳベース切替回路と固体式切替回路の間を行き来するように電流を選択的に遷移させるように構成されることがある。こうした制御方針では、負荷電流がそれぞれの切替回路の最大電流運搬容量に近づく際に常に、障害電流の制限を実施する一方でそれぞれの切替回路２０２と２０４の間を行き来するように電流を遷移させると共に、電流制限及び負荷非通電を実施するように備えることが望ましいことに留意されたい。
【００５４】
上述の例示的回路を具現化したシステムは、サージ電流がＭＥＭＳベース切替回路２０２によって伝達されることがなくかつこれに代わってこの電流が固体式切替回路２０４に伝達されるように制御を受けることがある。定常状態電流はＭＥＭＳベース切替回路２０２によって伝達されることになり、また過電流保護回路２０６を介してシステム動作中における過電流及び／または障害保護が利用可能となる。その広範な態様では提唱した考え方がＭＥＭＳベース切替回路に限定されるものでないことを理解されたい。例えば、１つまたは複数の固体式スイッチ及び適当な制御器と並列とした１つまたは複数の標準の電子機械式スイッチ（すなわち、ＭＥＭＳベースの電子機械式切替回路でない）を備えたシステムも同様に本発明の態様による利点から恩恵を得ることができる。
【００５５】
負荷開始事象の発生時における切替状態の例示的シーケンス並びに切替システムの例示的電流値を以下に示している。数字の後にある文字Ｘは、例示的電流値が定常状態条件下の典型的な電流値の何倍に対応するかを示している。したがって６Ｘとは、電流値が定常状態条件下の典型的な電流値の６倍に対応することを示している。
１．固体式切替回路          −開
ＭＥＭＳベース切替回路  −開
電流−０
２．固体式切替回路          −閉
ＭＥＭＳベース切替回路  −開
電流−６Ｘ
３．固体式切替回路          −閉
ＭＥＭＳベース切替回路  −閉
電流−１Ｘ
４．固体式切替回路          −開
ＭＥＭＳベース切替回路  −閉
電流−１Ｘ
図１１は、切替システム２００内の固体式切替回路２０４が過剰保護回路２０６及びＭＥＭＳベース切替回路２０２と並列回路の形で接続された２個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチ２１０及び２１２（ＡＣ電流の導通を可能にするためにダイオード２１４及び２１６と逆並列構成で接続されたスイッチ）を備えている例示的一実施形態を表している。電気的負荷（図示せず）は、ＦＥＴスイッチ２１０及び２１２をオンに切り替えることによって作動させ、負荷へのスタートアップ電流（「Ｉｓｔａｒｔ」で示す）の流入を可能にする一方、負荷のスタートアップの間にＦＥＴスイッチ２１０及び２１２によるこの電流の伝達を可能にすることができる。固体式切替回路２０４は図１１に示した回路配列に限定されるものでなく、またＦＥＴスイッチに限定されるものでもないことを理解されたい。例えば、双方向の電流伝導能力を備えた固体式または半導体式の電力切替デバイスは所与のＡＣ用途で等しく効率よく動作することができる。この双方向能力は、ＴＲＩＡＣ、ＲＣＴなどの切替デバイスにおいて本来的なものとなり得ること、またＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＳＣＲ、ＭＯＳＦＥＴ、その他のこうしたデバイスを少なくとも２つ適当に配列させることによってこの双方向能力が達成され得ることは当業者であれば理解されよう。
【００５６】
図１６は、固体式切替回路２０４が逆直列回路配列で接続された１対のＭＯＳＦＥＴスイッチ２４０及び２４２を備えている例示的一実施形態を表している。ダイオード２４４及び２４６はボディ（ｂｏｄｙ）ダイオードを備えることに留意されたい。すなわち、こうしたダイオードはそのそれぞれのＭＯＳＦＥＴスイッチの不可欠な部分を成す。ゼロゲート駆動電圧では、各スイッチはオンに切り替えられ、これによってスイッチの各々は交番する電圧の交替極性をブロックし、一方もう一方のスイッチの対応する各ダイオードは順バイアスされることになる。ゲート駆動回路２２２から適当なゲート駆動電圧が印加されると、各ＭＯＳＦＥＴは、切替端子に現れるＡＣ電圧の極性に関わらず低い抵抗状態に引き戻されることになる。
【００５７】
逆直列接続の１対のＭＯＳＦＥＴ間の電圧降下は、逆並列の配列のケースのような１つのＲｄｓｏｎ＋電圧ダイオードドロップに代わって２つのＲｄｓｏｎ（オン抵抗）スイッチのＩＲドロップとなることは当業者であれば理解されよう。したがって例示的一実施形態では、ＭＯＳＦＥＴを逆直列構成させると比較的低い電圧降下を提供しこれにより低い電力消費、熱及びエネルギー損失を提供する能力があるため、逆直列構成とすることが望ましいことがある。
【００５８】
さらに、固体式切替回路２０４が双方向サイリスタ（または、逆並列の１対のサイリスタ）を備える一方、この配列がより小さい電流において比較的高い損失を生じるような例示的一実施形態では、大電流における電圧降下が比較的小さいこと並びに過渡熱応答特性のためにこうした配列は比較的高い短期的電流サージに耐えることができるという利点を有する。
【００５９】
初期スタートアップ電流が適当なレベルまで下がった後、適当なＭＥＭＳ準拠の切替技法を用いること、あるいは閉鎖によって固体式切替回路の両端の電圧を降下させる（ただし、この電圧降下が比較的小さい電圧を成す場合）ことによってＭＥＭＳベース切替回路２０２をオン切り替えすることがある。この点において、ＦＥＴスイッチ２１０及び２１９をオフ切り替えすることができる。図１２は、ＭＥＭＳベース切替回路２０２によって定常状態電流（「Ｉｓｓ」で示す）が伝達される切替システム２００の条件を表している。
【００６０】
ＭＥＭＳベース切替回路はその切替用接点の両端に電圧が存在している際に閉じて導通切替状態にすべきではなく、またこうした接点に電流を通過させている間にこうした回路を開放して非導通切替状態にすべきでもないことは当業者であれば理解されよう。ＭＥＭＳ準拠の切替技法の一例は、図１〜９のコンテキストで記載及び／または図示したパルス形成技法である。
【００６１】
ＭＥＭＳ準拠の切替技法の別の例は、切替システムをソフト切替またはポイントオンウェーブ（ｐｏｉｎｔ−ｏｎ−ｗａｖｅ）切替を実施するように構成させ、これによって切替回路２０２内の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを、切替回路２０２両端の電圧がゼロであるかゼロに非常に近い時点で閉鎖し、かつ切替回路２０２を通過する電流がゼロであるかゼロに近い時点で開放することによって実現させることがある。こうした技法に関する背景情報を希望する読者は、参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする「Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｂａｓｅｄ  Ｓｏｆｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と題する米国特許出願第１１／３１４，８７９号（２００５年１２月２０日出願）（整理番号１６２１９１−１）を参照されたい。
【００６２】
切替回路２０２両端の電圧がゼロであるかゼロに非常に近い時点でスイッチを閉じると、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電場が（複数のスイッチのすべてが同時に閉じられない場合でも）接点が近づいても低く保たれることによってプレストライク（ｐｒｅ−ｓｔｒｉｋｅ）アークを回避することが可能である。上で言及したように、制御回路は、切替回路２０２の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの開放と閉鎖を交番するソース電圧または交番する負荷回路電流ゼロ交差の発生と同期するように構成されることがある。スタートアップ事象中に万一障害が発生しても、過電流保護回路２０６が下流側の負荷並びにそれぞれの切替回路を保護するように構成されている。図１３に示すように、この保護は障害電流（Ｉｆａｕｌｔ）を過電流保護回路２０６に遷移させることによって実現される。
【００６３】
電子機械的切替回路と固体式切替回路とは、大局的に見ると概念上は互いに実質的に同様の挙動のように見えるが、実際上はこれらの切替回路は、実質的に異なる物理的原理に基づいて動作するためそれぞれ異なる動作特性を示すことがあり、また過電流保護回路はこうした特性に対応すると共に、依然として切替回路を適当に作動するように適正に構成させることが必要であることに留意されたい。例えば、ＭＥＭＳスイッチは一般に接点を開くために片持ち梁式の機械的動きが必要であり、一方固体式スイッチは一般に電圧誘導チャンネル内の電荷キャリアの動きが必要である。キャリアのチャンネルをクリアするのに要する時間は回復時間と呼ばれており、この回復時間は＜１μの時間から＞１００μの時間までの範囲とすることができる。例えば固体式スイッチが閉じて障害に至ると、過電流保護回路２０６はスイッチのチャンネルが完全にクリアされてスイッチが完全に開放状態になるまでその障害電流を吸収して固体式スイッチ及び下流側負荷を保護できる必要がある。過電流保護回路２０６がパルス回路５２及び平衡型ダイオードブリッジ３１を備えるときは、パルス特性（例えば、パルス回路により形成されるパルスの幅及び／または高さ）が下流側保護の品質に影響を及ぼす可能性があることが理解されよう。例えば過電流保護回路２０６は、並列の固体式切替回路の回復時間に対応でき、かつＭＥＭＳベース切替回路の障害保護に対応できるだけの十分な幅及び／または高さを有するパルスを発生できる必要がある。
【００６４】
障害電流の中断に関して固体式切替回路には２つの一般的分類が存在することは当業者であれば理解されよう。ある種の固体式スイッチ（例えば、ＦＥＴ）はオフ切り替えした時に本来的にゼロ電流条件にさせることが可能である。別のスイッチ（例えば、ＳＣＲ）はこうしたゼロ電流条件にさせることはできない。ゼロ電流条件にさせることが可能な固体式切替回路では、障害時に電流制限を実施するために過電流保護回路２０６の支援を受ける必要はない。ゼロ電流条件にさせることが不可能な固体式切替回路では一般に、過電流保護回路２０６が必要となる。
【００６５】
上で言及したように、ＭＥＭＳベース切替回路と固体式切替回路の間で電流が行き来するように選択的に遷移させるような適当な制御技法を実現させるべきである。例示的一実施形態ではこうした制御技法の１つは、各切替回路に関するそれぞれの電気損失モデルに基づくことがある。例えばＭＥＭＳベース切替回路内の電気的損失（及び、これに付随する温度上昇）は一般に、負荷電流の２乗に比例する一方、固体式切替回路内の損失（及び、これに付随する温度上昇）は一般に、負荷電流絶対値に比例する。さらに固体式デバイスの熱容量は一般に、ＭＥＭＳベース切替回路の熱容量より大きい。したがって負荷電流の正常値では、ＭＥＭＳベース切替回路が電流を伝達するように企図する一方、一時的な過負荷電流については固体式切替回路が電流を伝達することが企図される。したがって過渡過負荷の状況では、電流が行き来するように遷移させることが企図される。
【００６６】
以下では、ＭＥＭＳベース切替回路と固体式切替回路の間で行き来させて負荷電流を選択的に遷移させるための３つの例示的技法について検討することにする。例示的な一技法では、この遷移を支援するために第１の過電流保護回路２０６１及び第２の過電流保護回路２０６２をＭＥＭＳベース切替回路及び固体式切替回路と並列回路の形で接続させた（この第２の過電流保護回路はさらに例示的一実施形態では、図１〜９のコンテキストで図示及び／または記載したようなパルス回路５２及び平衡型ダイオードブリッジ３１を備えることがある）図１４に示すようなデュアル過電流保護回路の使用が企図される。
【００６７】
切替システムが単一の過電流保護回路２０６のみを使用する場合、この単一の過電流保護回路はＭＥＭＳベース切替回路と関連した切替事象に従って作動させることになることに留意されたい。しかし、直ぐ後に障害が生じることになると、単一の過電流保護回路２０６は再び作動して切替回路を保護する準備が整わないことがあり得る。上述のように、過電流保護回路２０６はパルス技法に基づいて動作するため、保護回路はパルス発射の直ぐ後では瞬時に動作準備が整わない。例えば、パルス回路５２のパルスコンデンサを再充電するためのある期間だけ待機することが必要となる。
【００６８】
デュアル過電流保護回路を含んだ技法では、一方の過電流保護回路２０６１が通常の切替事象（非障害駆動性の切替事象）に関連してパルス支援型切替を実行したばかりの状態であっても、もう一方の過電流保護回路（例えば、回路２０６２）が障害事象の発生において電流制限を支援するように使用できる準備完了状態にあることが保証される。この技法は、比較的簡単な制御によってかなりの設計上の柔軟性が得られるが、単一の過電流保護回路に代えてデュアル過電流保護回路が必要になることを理解されたい。この技法は任意のタイプの固体式切替回路と適合することに留意されたい。
【００６９】
デュアル過電流保護回路を備えた例示的な一実施形態では、こうした保護回路はパルス回路５２をデュアルで含む必要があるが、平衡型ダイオードブリッジ３１はデュアルで含む必要がないことを理解されたい。例えば、第１の過電流保護回路がそれぞれのパルス回路５２及びそれぞれの平衡型ダイオードブリッジ３１を含む場合に、第２の過電流保護回路は第１の過剰保護回路の平衡型ダイオードブリッジ３１に適当なパルス電流（必要な場合）を付与するように構成させたそれぞれのパルス回路５２を備えるだけとすることができる。逆に第２の過電流保護回路がそれぞれのパルス回路５２及びそれぞれの平衡型ダイオードブリッジ３１を含む場合に、第１の過電流保護回路は第２の過剰保護回路の平衡型ダイオードブリッジ３１に適当なパルス電流（必要な場合）を付与するように構成させたそれぞれのパルス回路５２を備えるだけとすることができる。
【００７０】
第２の例示的技法ではその遷移の実施が電流のゼロと同時となるようにタイミング設定される。これによれば第２の過電流保護回路は必要なくなり、さらに任意のタイプの固体式切替回路と適合させることができる。しかしこの技法は、比較的綿密な制御を必要とすることがあり、幾つかのケースではシステムに対する完全なシャットオフを要求する可能性もある。第３の例示的技法では、ＭＥＭＳ切替回路及び固体式切替回路に対する開放及び閉鎖を協調させることによって電流遷移が実施される。この技法はその固体式切替回路が比較的小さい電圧降下を有する場合に使用できることは当業者であれば理解されよう。
【００７１】
いずれのケースでもその制御方針は、過電流保護回路（単一過電流保護回路のこともデュアル過電流保護回路のこともある）を動作させる時点の決定、並びに切替回路のそれぞれの回路の電流伝達能力に適した負荷電流条件に応答するなどによりそれぞれの切替回路を開放及び閉鎖させる時点の決定を行うように構成されることがあることを理解されたい。全体的な考え方は、交代する電流経路間で行き来するように電流を遷移させると共にその負荷電流が負荷電流伝達経路のいずれかの最大容量に接近した時点で電流制限及び回路非通電を実施しながら障害電流制限を実施するようにすることとなる。制御方針の一例を以下に挙げることにする。
○  固体式切替回路を用いて（大きな初期電流が存在することを予期して）負荷に通電する。電流がＭＥＭＳベース切替回路の定格範囲内に下がった後に負荷をＭＥＭＳベース切替回路に遷移させる。
○  通常条件で負荷を非通電としたいときは、切替回路がその時点で電流を伝達しているか否かによらずこれを実施する。その回路がＭＥＭＳベース切替回路であれば、ポイントオンウェーブ切替を用いて電流ゼロの時点でオフ切り替えを行う。
○  シミュレーションまたは検知温度に基づいて、ＭＥＭＳベース切替回路と固体式切替回路の両方に関するそれぞれの温度を決定する。これらの温度のいずれかがそれぞれの熱定格限界に接近していると判定されるか、その負荷電流がそれぞれの最大電流伝達能力に接近していれば、（例えば、障害条件または過酷な過負荷下において）瞬時に電流中断を実施し（過電流保護回路の支援による）、ＭＥＭＳベース切替回路と固体式切替回路の両方を開放させる。この動作は別の任意の制御動作に優先する。リセットされるのを待ってから再閉切替動作が許可される。
【００７２】
通常動作下で、それぞれの各切替回路のそれぞれの熱条件を用いて、電流をＭＥＭＳベース切替回路に通すべきか固体式切替回路に通すべきかが判定されることがある。一方の切替回路がその熱限界または電流限界に接近している一方で、もう一方の切替回路が依然として熱マージンを有していれば、自動的に遷移が実施されることがある。精細なタイミングはその切替遷移技法に依存することになる。例えばパルス支援型の遷移では、遷移が必要となるや否や本質的に瞬時に遷移を実施することが可能である。ポイントオンウェーブ切替に基づいた遷移では、こうした遷移は可能な次の電流ゼロ交差が発生するまで実施される（例えば、遅延される）ことになる。遅延させた遷移では、次の電流ゼロまで遷移を確実に遅らせることができるようにするために遷移の判断に関する設定にあるマージンを設けるべきである。
【００７３】
図１５は、図１０の切替システムの例示的一実施形態に関する回路の詳細を表している。例えば図１５は、制御器２０８からの制御信号に応答して、ＭＥＭＳベース切替回路２０６、固体式切替回路２０４及びパルススイッチ５４をそれぞれ駆動するためのそれぞれのドライバ２２０、２２２及び２２４を表している。図１５はさらに、これら切替回路のそれぞれの回路の電流伝達能力に適した負荷電流条件並びに切替システムに影響を及ぼす可能性がある障害条件の決定に使用できるような、電流を検知するように制御器２０８と接続させた電流センサ２２６を表している。
【００７４】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本技法の態様による例示的なＭＥＭＳベース切替システムのブロック図である。
【図２】図１に示した例示的なＭＥＭＳベース切替システムを表した回路図である。
【図３】図２に示したＭＥＭＳベース切替システムの例示的動作を表した回路フローチャートである。
【図４】図２に示したＭＥＭＳベース切替システムの例示的動作を表した回路フローチャートである。
【図５】図２に示したＭＥＭＳベース切替システムの例示的動作を表した回路フローチャートである。
【図６】ＭＥＭＳスイッチの直列−並列アレイを表した回路図である。
【図７】グレーディング型ＭＥＭＳスイッチを表した回路図である。
【図８】図１に示したＭＥＭＳベース切替システムを有するシステムの動作の流れを表したフローチャートである。
【図９】切替システムのオフ切り替えを表す実験結果のグラフ表示である。
【図１０】本発明の態様による例示的切替システムを表したブロック図である。
【図１１】図１０の切替システムの例示的一実施形態の回路の詳細において、負荷開始事象時などにおけるそれぞれの固体式切替回路を通過する電流経路を表した図である。
【図１２】図１０の切替システムの例示的一実施形態の回路の詳細において、定常状態動作時などにおけるそれぞれのＭＥＭＳベース切替回路を通過する電流経路を表した図である。
【図１３】図１０の切替システムの例示的一実施形態の回路の詳細において、障害条件時などにおける過電流保護回路を通過する電流経路を表した図である。
【図１４】デュアル過電流保護回路を備えた切替システムの例示的一実施形態の概要を表した図である。
【図１５】図１０の切替システムの例示的一実施形態に関する回路の詳細を表した図である。
【図１６】固体式切替回路が逆直列回路配列で接続された１対のスイッチを備えているような例示的な一実施形態を表した図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  無アークマイクロ電子機械システムスイッチ（ＭＥＭＳ）ベースの切替システム
１２  ＭＥＭＳベース切替回路
１４  過電流保護回路
１６  単一のパッケージ
１８  無アークマイクロ電子機械システムスイッチ（ＭＥＭＳ）ベースの切替システムの回路図
２０  ＭＥＭＳスイッチ
２２  第１の接点
２４  第２の接点
２６  第３の接点
２８  平衡型ダイオードブリッジ
２９  平衡型ダイオードブリッジの第１の分枝
３０  第１のダイオードＤ１
３１  平衡型ダイオードブリッジの第２の分枝
３２  第２のダイオードＤ２
３３  電圧スナバー回路
３４  第３のダイオードＤ３
３６  第４のダイオードＤ４
３８  単一のパッケージ
４０  負荷回路
４４  電圧源ＶＢＵＳ
４６  負荷インダクタンス
４８  負荷抵抗ＲＬＯＡＤ
５０  負荷電流ＩＬＯＡＤ
５２  パルス回路
５４  パルススイッチ
５６  パルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ
５８  パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ
６０  第１のダイオードＤＰ
６２  パルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ
６４  パルス回路に対するトリガ動作過程を表した回路図
６６  パルス回路電流の方向
６８  パルス回路電流の方向
７２  電流ベクトル
７４  電流ベクトル
７６  電流ベクトル
７８  電流ベクトル
８４  インダクタンス
８６  負荷電流方向
８８  インダクタンス
９４  回路素子の回路図
９６  切替回路の例示的な実施形態
９８  ＭＥＭＳスイッチ
１００  ＭＥＭＳスイッチ
１０２  ＭＥＭＳスイッチ
１０４  グレーディング型スイッチ回路
１０６  ＭＥＭＳスイッチ
１０８  グレーディング抵抗器
１１０  グレーディングコンデンサ
１１２  例示的な論理フローチャート
１１４  検知ブロック
１１６  判断ブロック
１１８  スイッチ条件の生成ブロック
１２０  トリガ動作ブロック
１２２  電流進路変更ブロック
１２４  無アーク開放動作ブロック
１３０  実験結果のグラフ表示
１３２  振幅の変化
１３４  時間の変化
１３６  グラフ表示１３０の第１のセクション
１３８  グラフ表示１３０の第２のセクション
１４０  グラフ表示１３０の第３のセクション
１４２  応答曲線
１４４  応答曲線
１４６  応答曲線
１４８  応答曲線
１５０  応答曲線
１５２  応答曲線１４２のうちスイッチ開放動作過程を示す領域
１５４  応答曲線１４２のうちスイッチの開状態を示す領域
２００  切替システム
２０２  ＭＥＭＳベース切替回路
２０４  固体式切替回路
２０６  過電流保護回路
２０６１  第１の過電流保護回路
２０６２  第２の過電流保護回路
２０８  制御器
２１０  ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチ
２１２  ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチ
２１４  ダイオード
２１６  ダイオード
２１９  ＦＥＴスイッチ
２２０  ドライバ
２２２  ドライバ、ゲート駆動回路
２２４  ドライバ
２２６  電流センサ
２４０  ＭＯＳＦＥＴスイッチ
２４２  ＭＯＳＦＥＴスイッチ
２４４  ダイオード
２４６  ダイオード
【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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【外国語明細書】
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