(57)【要約】  電流制御装置を開示する。この電流制御装置は、電流路に組み込まれた制御回路と、電流路に設置された少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ（２０）を備える。電流制御装置は、更に、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの開動作をアークを生じることなく円滑に行うためのハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路と、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの閉動作をアークを生じることなく円滑に行うためのパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路（５２）とを備える。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流路に組み込まれた制御回路と、
前記電流路に設置された少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに電気的に接続された、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの開動作をアークを生じることなく円滑に行うハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路と、
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに電気的に接続された、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの閉動作をアークを生じることなく円滑に行うパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路とを備える、電流制御装置。
【請求項２】
前記ＨＡＬＴ回路は、パルスインダクタンスと、パルスキャパシタンスと、パルススイッチとを含み、
各パルス素子は、他のパルス素子と互いに直列に接続される、請求項１に記載の電流制御装置。
【請求項３】
前記パルスキャパシタンスの放電により、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの開動作をアークを生じることなく円滑に行う、請求項２に記載の電流制御装置。
【請求項４】
前記ＨＡＬＴ回路は、前記ＭＥＭＳスイッチの閉状態から開状態への状態変化に反応して、前記ＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの移動を受け入れる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項５】
前記ＰＡＴＯ回路は、パルスインダクタンスと、パルスキャパシタンスと、パルススイッチとを含み、
各パルス素子は、他のパルス素子と互いに直列に接続される、請求項１に記載の電流制御装置。
【請求項６】
前記パルスキャパシタンスの放電により、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの閉動作をアークを生じることなく円滑に行う、請求項５に記載の電流制御装置。
【請求項７】
前記ＰＡＴＯ回路は、前記ＭＥＭＳスイッチの開状態から閉状態への状態変化に反応して、前記ＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの移動を受け入れる、請求項１、５又は６のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項８】
前記ＨＡＬＴ回路及びＰＡＴＯ回路は、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された平衡ダイオードブリッジを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続され、前記電流路内の電流過負荷に反応して、前記電流路から過負荷電流を受け取る電子バイパス回路を更に含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１０】
前記電流路に設置され、前記電流路上の電気負荷の空隙絶縁を安全に行うための最終絶縁回路を更に含む、請求項９に記載の電流制御装置。
【請求項１１】
前記電流路に設置され、前記電流路上の電気負荷の空隙絶縁を安全に行うための最終絶縁回路を更に含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチは、前記電流路に沿って直列に接続される複数のＭＥＭＳスイッチのうちの１つである、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１３】
前記複数のＭＥＭＳスイッチのそれぞれに電気的に接続された、前記複数のＭＥＭＳスイッチ間で電圧を均等にするための電圧勾配緩和回路網を更に含む、請求項１２に記載の電流制御装置。
【請求項１４】
前記複数のＭＥＭＳスイッチの両端に平衡ダイオードブリッジが並列に接続される、請求項１２に記載の電流制御装置。
【請求項１５】
前記電流制御装置は、前記電流路において、アークレス直流回路遮断器として機能する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１６】
前記電流制御装置は、前記電流路において、アークレス直流電流断続器極として機能する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１７】
前記電流制御装置は、前記電流路において、アークレス直流接触器として機能する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１８】
電流路の電流を制御する方法であって、
前記電流路に設置された少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチからの電気エネルギを、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路に移送することによって、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチによる前記電流路の開路を円滑に行うこと、並びに、
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路に移送することによって、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチによる前記電流路の閉路を円滑に行うことを含む方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを前記ＨＡＬＴ回路に移送することに、前記ＨＡＬＴ回路のパルスキャパシタンスを放電することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを前記ＰＡＴＯ回路に移送することに、前記ＰＡＴＯ回路のパルスキャパシタンスを放電することを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電流路内の電流のオン／オフを切り替える切替素子に関し、特に、微小電子機械システムベースの切替素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気システムでは、一連の接点を用いて、電流のオン／オフを切り替えることができる。これらの接点が開くと電流が遮断され、接点が閉じると電流が流れる。一般に、この一連の接点を、接触器、回路遮断器、電流断続器、モータスタータ、又はその他同様の装置に適用できる。なお、電流オン／オフの切替原理については、接触器の説明により理解できよう。
【０００３】
接触器は、命令により電気負荷のオンとオフを切り替える電気デバイスである。慣例的に、制御装置には電気機械式接触器が採用されおり、この電気機械式接触器は、自身の遮断容量までの電流切替処理を行うことができる。電気機械式接触器は、電流を切り替える電力系統の用途に応用できる。ただし、電力系統内の故障電流は、概して、電気機械式接触器の遮断容量より大きい。従って、電力系統の用途に電気機械式接触器を採用するためには、接触器の遮断容量を超える電流のすべての値で十分高速に動作して、接触器が開く前に故障電流を遮断する一連の装置で接触器をバックアップすることによって、接触器の損傷を防ぐことが望ましい。
【０００４】
電力系統内での接触器の使用を容易にするために既に考案されている解決策としては、例えば、真空接触器、真空遮断器、気中遮断接触器が挙げられる。残念ながら、真空接触器などの接触器は、接触器の先端が、封止された真空筐体の中に密封されているため、簡単な目視検査に適さない。更に、真空接触器は、大型のモータ、変圧器、及びコンデンサの切替を行うことには十分適しているが、特に負荷がオフに切り替えられるときに、望ましくない過渡過電圧を生じることが知られている。
【０００５】
また、電気機械式接触器は、概して機械式スイッチを利用している。ただし、これらの機械式スイッチは、比較的低速で切り替わる傾向があるため、予測技法が採用されており、通常は切替事象が生じる数十ミリ秒前にゼロ交差の発生を予想して、ゼロ交差近くでの開閉を容易化することでアークの発生を抑制している。このようなゼロ交差の予測には、その予測時間間隔内で多くの過渡電流が生じ得るために誤差が生じやすい。
【０００６】
低速の機械式スイッチ及び電気機械式スイッチに代わるものとして、高速のスイッチング用途には、高速の固体スイッチが採用されている。理解されるであろうが、これらの固体スイッチは、電圧又はバイアスを制御して適用することによって導電状態と非導電状態の間で切り替わる。例えば、固体スイッチに逆バイアスをかけることによって、このスイッチは、非導電状態に移行し得る。ただし、固体スイッチは、非導電状態に切り替わるときに、接点間に物理的隙間が形成されないので、漏れ電流が生じる。更に、固体スイッチが導電状態で動作する場合は、その内部抵抗による電圧降下が生じる。電圧降下及び漏れ電流はいずれも、正常な動作状況において、スイッチの性能及び寿命に影響し得る過剰な熱を発生させる。また、少なくとも部分的には、固体スイッチに付随する固有の漏れ電流が原因で、回路遮断器の用途における固体スイッチの利用は実用的なものではない。
【０００７】
更に、電流が流れている間に電流のオン又はオフを切り替えると、概して望ましくないアーク、すなわち放電を生じる可能性がある。前述したように、接触器は、交流電流正弦波上の他のポイントよりも電流の流れが減少するゼロ交差ポイントの近く、又はゼロ交差ポイントにおいて交流電流（ＡＣ）を切り替えることができる。これとは対照的に、直流電流（ＤＣ）には、通常、ゼロ交差ポイントが存在しない。このため、アークは、遮断のあらゆる事例において生じる可能性がある。
【０００８】
従って、直流電流の遮断には、交流電流の遮断とは異なるスイッチング要件がある。例えば、かなりの大きさの電流又は電流が存在する場合、交流電流断続器は、遮断処理の前に、ＡＣ正弦波負荷又は事故電流が、自然に生じる零点に達するのを待つことができる。これに対して、ＤＣ断続器では、自然に生じる零点は存在しない。従って、ＤＣ断続器では、アーク放電を抑制するために、電流又は電圧を低くする必要がある。トランジスタや、電界効果トランジスタなどの電子デバイスには、ＤＣ電流をより低いレベルで送ることができるが、高導通電圧の低下、及び電力損失が生じるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／２０２９３３Ａ１号
【特許文献２】米国特許第５４３０５９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、当該技術分野において、上述の欠点を克服した直流電流の制御装置や断続器構成、或いはその両方が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態において、電流制御装置を開示する。この電流制御装置は、電流路に組み込まれた制御回路、及び、電流路に設置された少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを備える。電流制御装置は、更に、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されて、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの開動作をアークを生じることなく円滑に行うためのハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ：Ｈｙｂｒｉｄ  Ａｒｃｌｅｓｓ  Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）回路と、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの閉動作をアークを生じることなく円滑に行うためのパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ：Ｐｕｌｓｅ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｔｕｒｎ  Ｏｎ）回路とを備える。
【００１２】
本発明の別の実施形態において、電流路の電流を制御する方法を開示する。この方法は、少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチからの電気エネルギを、その少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された、電流路を円滑に開くためのハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路に移送することを含む。この方法は、更に、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを、その少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された、電流路を円滑に閉じるためのパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路に移送することを含む。
【００１３】
添付図面に対応する以下の詳細な説明において、本発明による、以上に記載の並びにその他の特徴、態様、及び利点が記載されている。なお、全図面を通じて同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る、例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。
【図２】図１に記載した例示的なＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。
【図３】図１に記載したシステムの代替例である、本発明の一実施形態に係る例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。
【図４】図３に記載した例示的なＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係る例示的ＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。
【図６】図５に記載した例示的ＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳスイッチアレイのブロック図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電流制御装置のブロック図である。
【図９】本発明の実施形態に係る単極断続器の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る二極断続器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態において、直流電流のアークレス遮断に適した電気遮断装置を開示する。この遮断装置は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを備える。ＭＥＭＳスイッチを利用することで応答時間が短くなる。ＭＥＭＳスイッチには、ハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路が並列に接続されており、これによって、電流又は電圧にかかわらずいつでも、アーク放電を生じることなくＭＥＭＳスイッチを開くことができる。ＭＥＭＳスイッチには、また、パルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路が並列に接続されており、これによって、アーク放電を生じることなくＭＥＭＳスイッチを閉じることができる。
【００１６】
図１に、本発明の態様に係る、例示的なアークレス微小電子機械システムスイッチ（ＭＥＭＳ）をベースとする切替システム１０のブロック図を示す。現在のところ、ＭＥＭＳは、一般にミクロン規模の構造であり、例えば、微細加工技術によって、機能の異なる多数の素子、例えば、機械的素子、電気機械的素子、センサ、アクチュエータ、及び電子回路を、共通の基板に組み込むことができる構造を意味するものである。ただし、ＭＥＭＳデバイスに現在利用できる多くの技法及び構造は、わずか数年後には、ナノテクノロジに基づいたデバイスによって、例えば、１００ナノメートル未満のサイズになり得る構造で利用できると考えられる。従って、この文書の中に記載した実施形態の例は、ＭＥＭＳをベースとした切替素子であるが、本発明の実施形態に様々な改良を加えることができる。また、ミクロンサイズの素子に限定されるものではない。
【００１７】
図１に示すように、アークレスのＭＥＭＳベースの切替システム１０は、ＭＥＭＳベースの切替回路１２及びアーク抑制回路１４を含むものとして図示されている。このアーク抑制回路１４は、これに代えてハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ：Ｈｙｂｒｉｄ  Ａｒｃｌｅｓｓ  Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）デバイスとも呼ばれ、ＭＥＭＳベースの切替回路１２に動作結合される。特定の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、例えば、単一のパッケージ１６内で、その全体がアーク抑制回路１４と一体に形成されてもよい。他の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２のうちの特定の部分又は特定の構成要素のみが、アーク抑制回路１４と一体に形成されてもよい。
【００１８】
図２を参照しながら更に詳細に説明するように、現在考案されている構成において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジ及びパルス回路を含むことができる。更に、アーク抑制回路１４は、閉状態から開状態へのＭＥＭＳスイッチの変化に応答して、ＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの移動を受け入れることによって、１つ以上のＭＥＭＳスイッチの接点間におけるアーク形成を円滑に抑制するように構成できる。また、アーク抑制回路１４は、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に反応して、アーク形成を円滑に抑制するように構成できることを指摘しておく。
【００１９】
次に、図２を参照すると、図１に記載した例示的なアークレスＭＥＭＳベース切替システムの模式図１８が、一実施形態に従って示されている。図１を参照して説明したように、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。図示した実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１接点２２と、第２接点２４と、第３接点２６とを有するものとして示されている。一実施形態において、第１接点２２はドレインとして構成することができ、第２接点２４はソースとして構成することができ、第３接点２６はゲートとして構成することができる。また、図２に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に電圧スナバ回路３３を結合することができ、この電圧スナバ回路３３は、本明細書において後で更に詳しく説明するように、高速の接点分離中の電圧オーバーシュートが制限されるように構成することができる。特定の実施形態において、スナバ回路３３は、スナバ抵抗（図４の７８を参照）に直列に結合されるスナバコンデンサ（図４の７６を参照）を含むことができる。このスナバコンデンサにより、ＭＥＭＳスイッチ２０の一連の開動作中の過渡電圧の分配を容易に改良することができる。更に、スナバ抵抗は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作中にスナバコンデンサによって生成されるあらゆる電流パルスを抑制することができる。他の特定の実施形態において、電圧スナバ回路３３は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含むことができる。
【００２０】
本技法の更に他の態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０に直列に負荷回路４０を結合することができる。負荷回路４０は、電源ＶＢＵＳ４４を含むことができる。また、負荷回路４０は、負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ４６も含むことができ、この負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ４６は、負荷回路４０側で認識される、負荷インダクタンスとバスインダクタンスの複合インダクタンスを表している。負荷回路４０は、負荷回路４０側で認識される複合負荷抵抗を表す負荷抵抗ＲＬＯＡＤ４８も含むことができる。参照数字５０は、負荷回路４０及び第１のＭＥＭＳスイッチ２０に流れ得る負荷回路電流ＩＬＯＡＤを表す。
【００２１】
また、図１を参照して説明したように、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジを含むことができる。図示した実施形態において、平衡ダイオードブリッジ２８は、第１の岐路２９及び第２の岐路３１を有することが示されている。本明細書では、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１及び第２両方の岐路２９，３１の両端の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されるダイオードブリッジを意味するものとして用いられる。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の岐路２９は、第１のＤ１ダイオード３０及び第２のＤ２ダイオード３２を含むことができ、これらのダイオードは、互いに結合されて第１直列回路を形成する。同様に、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の岐路３１は、第３のＤ３ダイオード３４及び第４のＤ４ダイオード３６を含むことができ、これらのダイオードは、互いに動作結合されて第２直列回路を形成する。
【００２２】
一実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、平衡ダイオードブリッジ２８の中間点に並列接続することができる。平衡ダイオードブリッジの中間点には、第１のダイオード３０と第２のダイオード３２の間に位置する第１中間点、及び第３のダイオード３４と第４のダイオード３６の間に位置する第２中間点が含まれてよい。更に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、緊密にパッケージ化されてよく、これにより、平衡ダイオードブリッジ２８、特に、ＭＥＭＳスイッチ２０との接続部によって生じる寄生インダクタンスを容易に最小化できる。また、本技法の例示的態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、ＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフ中にダイオードブリッジ２８への負荷電流の移行が進行しているときに、その第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８の間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２２とソース２４の両端の電圧の数パーセントに満たないｄｉ／ｄｔ電圧を発生させるように、互いに位置決めされていることに留意されたい。これについては後でより詳細に説明する。一実施形態において、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とを相互接続するインダクタンスを最小化することを目的として、単一のパッケージ３８内で平衡ダイオードブリッジ２８と一体化されても、又は任意構成として、同一のダイ内で一体化されてもよい。
【００２３】
また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジ２８と動作連係的に結合されるパルス回路５２を含むことができる。パルス回路５２は、スイッチ条件を検出し、そのスイッチ条件に応じて、ＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を開始するように構成することができる。本明細書において、「スイッチ条件」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を変化させる引き金となる条件を意味する。例えば、スイッチ条件は、ＭＥＭＳスイッチ２０の第１閉状態から第２開状態への変化、又はＭＥＭＳスイッチ２０の第１開状態から第２閉状態への変化を引き起こすことができる。スイッチ条件は、特に限定するものではないが、回路の故障又はスイッチのオン／オフ要求を含む多数のアクションに応じて生起してよい。
【００２４】
パルス回路５２は、パルススイッチ５４、及びそのパルススイッチ５４に直列結合されるパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ５６を含むことができる。また、パルス回路は、パルススイッチ５４に直列に結合されるパルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ５８及び第１のダイオードＤＰ６０も含むことができる。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、直列に結合されて、パルス回路５２の第１の岐路を形成することができ、この第１の岐路の構成要素は、パルス電流の整形及び時間的調節が円滑に行われるように構成することができる。また、参照番号６２は、パルス回路５２に流れ得るパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥを表している。
【００２５】
本発明の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチ２０は、ほぼゼロに近い電圧であるにも関わらず電流を送りながら、第１閉状態から第２開状態に速やかに（例えば、ピコ秒又はナノ秒のオーダーで）切り替えることができる。このことは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端に並列に結合された平衡ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２との複合動作によって達成できる。
【００２６】
次に、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の態様に係る例示的ソフト切替システム１１のブロック図である。図３に示すように、ソフト切替システム１１は、動作可能に互いに結合される切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２を含む。検出回路７０は、切替回路１２に結合され、負荷回路内の交流電源電圧（以下、「電源電圧」と記す）、又は負荷回路内の交流電流（以下、「負荷回路電流」と記す）のゼロ交差の発生を検知するように構成できる。制御回路７２は、切替回路１２及び検出回路７０に結合することができ、更に、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反応して、切替回路１２内の１つ以上のスイッチのアークレス切替を円滑に行うように構成することができる。一実施形態において、制御回路７２は、切替回路１２の少なくとも一部を構成する１つ以上のＭＥＭＳスイッチのアークレス切替を円滑に行うように構成されてよい。
【００２７】
本発明の一態様によれば、ソフトスイッチングシステム１１は、ソフトスイッチング又はポイントオンウェーブ（ＰｏＷ）スイッチングを実行するように構成でき、これにより、切替回路１２内の１つ以上のＭＥＭＳスイッチは、切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くであるときに閉じる一方で、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くであるときに開くことになる。切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くになった時点でスイッチを閉じれば、１つ以上のＭＥＭＳスイッチが閉じるときのその接点間の電界を低く維持することによって、複数のスイッチすべてが同時には閉じない場合であっても、接触前のアーク放電を回避することができる。同様に、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くになった時点でスイッチを開くことで、切替回路１２内の最後に開くスイッチに流れる電流がそのスイッチの設計性能内に入るように、ソフトスイッチングシステム１１を設計することができる。上記で示唆したように、一実施形態によれば、制御回路７２は、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチの開動作及び閉動作を、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同期させるように構成できる。
【００２８】
図４に移って説明する。図４は、図３のソフトスイッチングシステム１１の一実施形態を示す模式図１９である。図示した実施形態によれば、模式図１９には、切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２の一例が含まれている。
【００２９】
説明のため、図４には切替回路１２内に単一のＭＥＭＳスイッチ２０のみを示したが、切替回路１２は、この構成に限らず、例えば、ソフトスイッチングシステム１１の電流及び電圧の処理要件に応じて、複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。一実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電流が分割される並列構成で互いに結合される複数のＭＥＭＳスイッチを備えるスイッチモジュールを含むことができる。他の実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電圧が分割される直列構成で結合されるＭＥＭＳスイッチアレイを含むことができる。更に他の実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチモジュールの間で電圧が分割されると同時に、各モジュール内のＭＥＭＳスイッチの間で電流が分割される直列構成で互いに結合されるＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含むことができる。一実施形態において、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチは、単一のパッケージ７４内に統合することができる。
【００３０】
例示的ＭＥＭＳスイッチ２０は、３つの接点を含むことができる。一実施形態において、第１接点はドレイン２２として構成することができ、第２接点はソース２４として構成することができ、第３接点はゲート２６として構成することができる。一実施形態において、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の電流状態の切り替えを容易にするために、ゲート接点２６に結合されてよい。また、特定の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に減衰回路（スナバ回路）３３を結合して、ＭＥＭＳスイッチ２０の両端への電圧の出現を遅らせることができる。図示したように、減衰回路３３は、例えば、スナバ抵抗７８に直列に結合されるスナバコンデンサ７６を含むことができる。
【００３１】
また、図４に更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０は、負荷回路４０に直列に結合されてもよい。現在考察している構成において、負荷回路４０は、電圧源ＶＳＯＵＲＣＥ４４を備えることができ、代表的な負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ４６及び負荷抵抗ＲＬＯＡＤ４８を含むことができる。一実施形態において、電圧源ＶＳＯＵＲＣＥ４４（ＡＣ電源とも呼ばれる）は、交流電源電圧及び交流負荷電流ＩＬＯＡＤ５０を生成するように構成することができる。
【００３２】
既に説明したように、検出回路７０は、負荷回路４０における交流電源電圧又は交流負荷電流ＩＬＯＡＤ５０のゼロ交差の発生を検出するように構成することができる。交流電源電圧は、電圧検知回路８０によって検知することができ、交流負荷電流ＩＬＯＡＤ５０は、電流検知回路８２によって検知することができる。交流電源電圧及び交流負荷電流は、例えば、連続的に、又は離散的な周期で検知されてよい。
【００３３】
電源電圧のゼロ交差は、例えば、図示したゼロ電圧比較器８４などの比較器を用いて検出することができる。電圧検知回路８０によって検知された電圧及びゼロ電圧基準８６は、ゼロ電圧比較器８４の入力として採用することができる。これにより、負荷回路４０の電源電圧のゼロ交差を表す出力信号８８を生成することができる。同様に、負荷電流ＩＬＯＡＤ５０のゼロ交差も、図示したゼロ電流比較器９２などの比較器を用いて検出することができる。電流検知回路８２によって検知された電流及びゼロ電流基準９０は、ゼロ電流比較器９２への入力として採用することができる。これにより、負荷電流ＩＬＯＡＤ５０のゼロ交差を表す出力信号９４を生成することができる。
【００３４】
この後、制御回路７２は、出力信号８８及び９４を利用して、ＭＥＭＳスイッチ２０（又はＭＥＭＳスイッチのアレイ）の現行の動作状態を変化（例えば、開状態から閉状態に変化）させる時点を決定することができる。具体的には、制御回路７２は、検出された交流負荷電流ＩＬＯＡＤ５０のゼロ交差に応答して、アークレス方式でＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を円滑に行って、負荷回路４０を遮断又は開路するように構成できる。また、制御回路７２は、検出された交流電源電圧のゼロ交差に応答して、アークレス方式でＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作を円滑に行って、負荷回路４０を完結させるように構成することができる。
【００３５】
一実施形態において、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を第２動作状態に切り替えるかどうかを、イネーブル信号９６の状態に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。イネーブル信号９６は、例えば、接触器の用途における電源オフコマンドの結果として生成することができる。一実施形態において、イネーブル信号９６、ならびに出力信号８８及び９４は、図示したように、デュアルＤフリップフロップ９８への入力信号として利用することができる。これらの信号を利用して、イネーブル信号９６がアクティブ化（例えば、立ち上がり端でトリガ）された後の最初の電源電圧の零点でＭＥＭＳスイッチ２０を閉じ、イネーブル信号９６が非アクティブ化（例えば、立ち下り端でトリガ）された後の最初の負荷電流の零点でＭＥＭＳスイッチ２０を開くことができる。図４に例示した模式図１９では、イネーブル信号９６がアクティブ（特定の実施内容に応じてＨＩＧＨ又はＬＯＷ）で、かつ出力信号８８又は９４のいずれかが、検知された電圧零点又は電流零点を示すときに毎回、トリガ信号１０２を生成することができる。一実施形態において、トリガ信号１０２は、例えば、ＮＯＲゲート１００によって生成されてよい。この後、トリガ信号１０２は、ＭＥＭＳゲートドライバ１０４を通り、ゲート活性化信号１０６を生成できる。このゲート活性化信号１０６を利用して、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（ＭＥＭＳアレイの場合は複数のゲート）に制御電圧を印加することができる。
【００３６】
既に説明したように、特定の用途に対応した所望の定格電流を達成するために、単一のＭＥＭＳスイッチの代わりに、複数のＭＥＭＳスイッチを並列に動作結合（例えば、スイッチモジュールを形成するように結合）することができる。ＭＥＭＳスイッチを組み合わせた能力は、負荷回路に現れ得る連続した過渡過負荷電流に十分に耐えるように設計することができる。例えば、実効値が１０アンペアのモータ接触器で、過渡過負荷が６倍であれば、６０アンペアの実効値に１０秒のあいだ耐える十分な数のスイッチを並列に結合しなければならない。ポイントオンウェーブのスイッチングを利用して、電流零点に達してから５マイクロ秒以内でＭＥＭＳスイッチを切り替えると、接点の開路時に瞬間的に１６０ミリアンペアが流れることになる。従って、この用途では、各ＭＥＭＳスイッチは、１６０ミリアンペアの「ウォームスイッチング」が可能でなければならず、かつ、６０アンペアに耐えるように、十分な数のＭＥＭＳスイッチが並列に配置されなければならない。一方、単一のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングの瞬間に流れることになる量又はレベルの電流を遮断できなければならない。
【００３７】
ただし、例示的実施形態は、交流電流と正弦波波形の少なくとも一方のアークレス切替に限定されるものではない。図５に記載したように、例示的実施形態は、直流電流もしくは当然発生する零点が存在しない電流、又はその両方の電流のアークレス切替にも適用可能である。
【００３８】
図５に、本発明の実施形態に係る例示的ＭＥＭＳベースの切替システム１１２のブロック図を示す。図５に示すように、アークレスであるＭＥＭＳベースの切替システム１１２は、ＭＥＭＳベースの切替回路１１１及びアーク抑制回路１１０を含むものとして図示され、このアーク抑制回路１１０は、これに代えてハイブリッドアークレス制限回路（ＨＡＬＴ）やパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路とも称され、ＭＥＭＳベースの切替回路１１１に動作結合される。一部の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１１１は、例えば、単一のパッケージ１１３内で、その全体がアーク抑制回路１１０と一体に形成されてもよい。他の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１１１のうちの特定の部分又は特定の構成要素のみが、アーク抑制回路１１０と一体に形成されてもよい。
【００３９】
図６を参照しながら更に詳細に説明するように、現在考案されている構成において、ＭＥＭＳベースの切替回路１１１は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。また、アーク抑制回路１１０は、平衡ダイオードブリッジ、ならびにパルス回路及びパルス回路構成の少なくともいずれかを含むことができる。更に、アーク抑制回路１１０は、閉状態から開状態（又は開状態から閉状態）へのＭＥＭＳスイッチの変化に応答して、ＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの移動を受け入れることによって、１つ以上のＭＥＭＳスイッチの接点間におけるアーク形成を円滑に抑制するように構成できる。また、アーク抑制回路１１０は、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に反応して、アーク形成を円滑に抑制するように構成できることに留意されたい。
【００４０】
次に図６を参照すると、図５に記載した例示的なアークレスＭＥＭＳベース切替システムの模式図が、一実施形態に従って示されている。図５を参照して説明したように、ＭＥＭＳベースの切替回路１１１は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。図示した実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３は、第１接点１２０と、第２接点１２２と、第３接点１２１とを有するものとして示されている。一実施形態において、第１接点１２０はドレインとして構成することができ、第２接点１２２はソースとして構成することができ、第３接点１２１はゲートとして構成することができる。
【００４１】
本技法の更に他の態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３に直列に負荷回路１４０を結合することができる。負荷回路１４０は、電源ＶＢＵＳ１１８を含むことができる。また、負荷回路１４０は、負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ１１７も含むことができ、この負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ１１７は、負荷回路１４０側で認識される、負荷インダクタンスとバスインダクタンスの複合インダクタンスを表している。参照数字１１６は、負荷回路１４０及び第１のＭＥＭＳスイッチ１２３に流れ得る負荷回路電流ＩＬＯＡＤを表す。
【００４２】
また、図５を参照して説明したように、アーク抑制回路１１２は、平衡ダイオードブリッジを含むことができる。図示した実施形態において、平衡ダイオードブリッジ１４１は、第１の岐路１４２及び第２の岐路１４３を有することが示されている。本明細書では、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１及び第２両方の岐路１４２，１４３の両端の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されるダイオードブリッジを意味するものとして用いられる。平衡ダイオードブリッジ１４１の第１の岐路１４２は、第１のＤ１ダイオード１２４及び第２のＤ２ダイオード１２５を含むことができ、これらのダイオードは、互いに結合されて第１直列回路を形成する。同様に、平衡ダイオードブリッジ１４１の第２の岐路１４３は、第３のＤ３ダイオード１２６及び第４のＤ４ダイオード１２７を含むことができ、これらのダイオードは、互いに動作結合されて第２直列回路を形成する。
【００４３】
一実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３は、平衡ダイオードブリッジ１４１の中間点に並列接続することができる。平衡ダイオードブリッジの中間点には、第１のダイオード１２４と第２のダイオード１２５の間に位置する第１中間点、及び第３のダイオード１２６と第４のダイオード１２７の間に位置する第２中間点が含まれてよい。更に、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３及び平衡ダイオードブリッジ１４１は、緊密にパッケージ化されてよく、これにより、平衡ダイオードブリッジ１４１、特に、ＭＥＭＳスイッチ１２３との接続部によって生じる寄生インダクタンスを容易に最小化できる。また、本技法の例示的態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３及び平衡ダイオードブリッジ１４１は、ＭＥＭＳスイッチ１２３のターンオフ中にダイオードブリッジ１４１への負荷電流の移行が進行しているときに、その第１のＭＥＭＳスイッチ１２３と平衡ダイオードブリッジ１４１の間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ１２３のドレイン１２０とソース１２２の両端の電圧の数パーセントに満たないｄｉ／ｄｔ電圧を発生させるように、互いに位置決めされていることに留意されたい。これについては後でより詳細に説明する。一実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３は、ＭＥＭＳスイッチ１２３とダイオードブリッジ１４１とを相互接続するインダクタンスを最小化することを目的として、単一のパッケージ１１９内で平衡ダイオードブリッジ１４１と一体化されても、又は任意構成として、同一のダイ内で一体化されてもよい。
【００４４】
また、アーク抑制回路１１０は、平衡ダイオードブリッジ１４１と動作連係的に結合されるパルス回路１３８及び１３９を含むことができる。パルス回路１３９は、スイッチ条件を検出し、そのスイッチ条件に応じて、ＭＥＭＳスイッチ１２３の開動作を開始するように構成することができる。同様に、パルス回路１３８は、スイッチ条件を検出し、そのスイッチ条件に応じて、ＭＥＭＳスイッチ１２３の閉動作を開始するように構成することができる。本明細書において、「スイッチ条件」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ１２３の現在の動作状態を変化させる引き金となる条件を意味する。例えば、スイッチ条件は、ＭＥＭＳスイッチ１２３の第１閉状態から第２開状態への変化、又はＭＥＭＳスイッチ２０の第１開状態から第２閉状態への変化を引き起こすことができる。スイッチ条件は、特に限定するものではないが、回路の故障又はスイッチのオン／オフ要求を含む多数のアクションに応じて生起してよい。
【００４５】
パルス回路１３８は、パルススイッチ１３３、及びそのパルススイッチ１３３に直列結合されるパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ１１２９を含むことができる。また、パルス回路１３８は、パルススイッチ１３３に直列に結合されるパルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ１１３７を含むことができる。パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ１１３７、パルススイッチ１３３、及びパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ１１２９は、直列に結合されて、パルス回路１３８の第１の岐路を形成することができ、この第１の岐路の構成要素は、パルス電流の整形及び時間的調節が円滑に行われるように構成することができる。パルス電流の整形及び時間的調節は、コンデンサＣＰＵＬＳＥ１の両端の初期電圧（充電回路により生成）から、ならびにＣＰＵＬＳＥ１及びＬＰＵＬＳＥ１のキャパシタンス及びインダクタンスの各値から決定することができる。従って、パルス電流の整形及び時間的調節は、初期電圧、ＣＰＵＬＳＥ１のキャパシタンス、及びＬＰＵＬＳＥ１のインダクタンスにそれぞれ異なる値を選択することによって容易に行うことができる。また、参照番号１３６は、パルス回路１３８に流れ得るパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ１を表している。
【００４６】
パルス回路１３８は、抵抗１２８及び電圧源１３０を含むキャパシタンス充電回路網１４２に動作可能に接続することができる。キャパシタンス充電回路網は、パルスコンデンサ１２９に電荷を送ることができる。切替事象において、パルスコンデンサ１２９の放電は、ＭＥＭＳスイッチ１２３からパルス回路１３８へのエネルギの移動を促進することができる。従って、パルス回路１３８は、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３のアークレスの閉動作を容易にするパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路であってよい。
【００４７】
パルス回路１３９は、パルススイッチ１３２と、そのパルススイッチ１３２に直列結合されるパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ２１３１とを含む。更に、パルス回路１３９は、パルススイッチ１３２に直列に結合されるパルスインダクタンスＬＰＵＳＬＥ２１３４を含むことができる。パルスインダクタンスＬＰＵＳＬＥ２１３４、パルススイッチ１３２、及びパルスコンデンサＣＰＵＳＬＥ２１３１は、直列に結合されて、パルス回路１３９の第１の岐路を形成することができ、この第１の岐路の構成要素は、パルス電流の整形及び時間的調節が円滑に行われるように構成することができる。また、参照番号１３５は、パルス回路５２に流れ得るパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥ２を表している。
【００４８】
また、パルス回路１３９は、抵抗１２８及び電圧源１３０を含むキャパシタンス充電回路網１４２にも動作接続することができる。キャパシタンス充電回路網１４２は、パルスコンデンサ１３１に電荷を送ることができる。切替事象において、パルスコンデンサ１３１の放電は、ＭＥＭＳスイッチ１２３からパルス回路１３９へのエネルギの移動を促進することができる。従って、パルス回路１３９は、ＭＥＭＳスイッチ１２３のアークレスの開動作を容易にするハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路であってよい。
【００４９】
前述したように、パルス回路１３８及び１３９は、パルスインダクタンス１３７及び１３４を含むことができる。ただし、一部の実施形態において、パルス回路１３８及び１３９は、インダクタンスを共有することができ、これにより、アーク抑制回路内の構成部品の数を削減できる。
【００５０】
本発明の態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３は、ゼロに近い電圧であるにも関わらず電流を送りながら、第１閉状態から第２開状態に速やかに（例えば、ピコ秒又はナノ秒のオーダーで）切り替えることができる。このことは、負荷回路１４０と、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３の接点の両端に並列に結合された平衡ダイオードブリッジ１４１を含むパルス回路１３８，１３９との複合動作によって達成できる。例えば、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３からパルス回路１３８にエネルギを移送することができる。このことは、パルスコンデンサ１２９の放電によって円滑に行うことができる。同様に、エネルギは、第１のＭＥＭＳスイッチ１２３からパルス回路１３９に移送することができる。このことは、パルスコンデンサ１３１の放電によって円滑に行うことができる。抵抗１２８及び電圧源１３０により、パルスコンデンサ１２９及び１３１の放電を円滑に行えることは理解されよう。従って、本発明の実施形態により、ＭＥＭＳスイッチ１２３のアークレス動作が可能になる。
【００５１】
ただし、例示的実施形態は、単一のＭＥＭＳスイッチを含む電流制御装置には限定されない。例えば、複数のＭＥＭＳスイッチを利用して、単一のＭＥＭＳスイッチの場合とは異なる定格電圧や電流処理能力を実現することができる。例えば、複数のＭＥＭＳスイッチを並列に接続して、電流処理能力を向上させることができる。同様に、複数のＭＥＭＳスイッチを直列に接続して、より高い定格電圧を実現することができる。更に、複数のＭＥＭＳスイッチは、直列接続と並列接続の組み合わせを含む回路網として接続することもでき、これにより所望の定格電圧及び電流処理能力を実現することができる。このような組み合わせはすべて、本発明の例示的実施形態の範囲に入ることが意図されている。
【００５２】
図７は、本発明の実施形態に係る、複数のＭＥＭＳスイッチを有するＭＥＭＳスイッチアレイ１５５を示すブロック図である。図７に示すように、複数の並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１は、電流路１５４内に直列に接続することができる。各並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１は、互いに並列に接続される複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。更に図示されているように、複数の並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１に並列に、平衡ダイオードブリッジ１５２を接続することができる。例えば、平衡ダイオードブリッジ１５２は、図２に記載した平衡ダイオードブリッジ２８、又は図６に記載した平衡ダイオードブリッジ１４１と実質的に同様であってよい。また、図７には、ダイオードブリッジ１５２に動作接続されるパルス回路１５３も図示されている。パルス回路１５３は、例えば、図６の両方のパルス回路１３８及び１３９、又は図２のパルス回路５２を含むことができる。従って、パルス回路１５３は、複数の並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１のアークレスの開動作及び閉動作を円滑化することができる。
【００５３】
図７に更に示すように、複数の並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１の両端には、各配列１５１中間の電気接続を用いて電圧勾配緩和回路網１５０が接続される。電圧勾配緩和回路網１５０は、複数の並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１間の電圧を均一化することができる。例えば、電圧勾配緩和回路網１５０は、複数の並列ＭＥＭＳスイッチ配列１５１間の電圧を配分する受動素子（例えば、抵抗）の回路網、もしくは電流路１５４に沿って存在し得る誘導エネルギからの過電圧を抑制するためにエネルギを吸収する受動素子（例えば、コンデンサ及びバリスタの少なくともいずれか）の回路網、又はその両方の回路網を含むことができる。従って、電流制御装置に、図７に記載したＭＥＭＳスイッチ配列を組み込むことで、電流路に沿って電流を制御することができる。
【００５４】
図８は、本発明の実施形態に係る電流制御装置のブロック図である。図８に示すように、電流制御装置１６４は、ＭＥＭＳスイッチアレイ１６０及び制御回路１６３を含むことができる。ＭＥＭＳスイッチアレイ１６０は、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチを含むことができる。例えば、ＭＥＭＳスイッチアレイ１６０は、図７のＭＥＭＳスイッチアレイ１５５、図５のＭＥＭＳベースの切替システム１１２、又はアーク抑制回路を含む任意の適切なＭＥＭＳ切替システムと同一、又は実質的に同様のものであってよい。図示するように、制御回路１６３は、少なくともＭＥＭＳスイッチアレイ１６０を介して電流路１５４に一体に配置される。また、図４を参照して上記で説明したように、制御回路は、ＭＥＭＳスイッチアレイ回路から切り離された電流検知回路を介して電流路に一体に配置されてもよい。
【００５５】
例示的実施形態において、電流制御装置１６４は、最終絶縁装置１６１を含むことができる。最終絶縁装置１６１により、電流路１５４の電気負荷の空隙絶縁を安全に行うことができる。例えば、最終絶縁装置は、ＭＥＭＳスイッチアレイ１６０のスイッチ条件の変化に応答して開路できる接触器又は他の遮断装置を含むことができる。
【００５６】
他の例示的実施形態において、電流制御装置１６４は、電子バイパス装置１６２を更に含むことができる。バイパス装置は、電流過負荷の継続期間のあいだ、ＭＥＭＳスイッチから過負荷電流を分路する１つ以上の電子部品を含むことができる。例えば、電子バイパス装置１６２は、電流過負荷に応答して電流路１５４から過負荷電流を受け取ることができる。従って、電子バイパス装置１６２は、電流制御装置１６４の一時的過負荷耐量を増量することができる。電流制御装置１６４は、本発明の例示的実施形態から逸脱せずに、最終絶縁装置１６１及び電子バイパス装置１６２の一方、又は両方を包含できることを注記しておく。
【００５７】
本明細書において既に説明したように、例示した実施形態に係る電流制御装置は、直流及び交流の両方について、電流の流れを遮断するために利用することができる。図９及び図１０を参照すると、直流電流制御装置の構成例が示されている。
【００５８】
図９は、本発明の実施形態に係る単極断続器構成を示すブロック図である。図９に示すように、電流路にＭＥＭＳ断続器極１７０が設けられる。この電流路は、電圧源１７１及び負荷１７２を含むことができる。ＭＥＭＳ断続器極１７０は、電流路上の電流の流れを遮断して、負荷１７２への電流の流れを止めることができる。ただし、電流路に、複数のＭＥＭＳ断続器極を利用してもよい。図１０を参照すると、複数のＭＥＭＳ断続器極を含む構成例が示されている。
【００５９】
図１０は、本発明の実施形態に係る二極断続器構成を示す図である。図示するように、ＭＥＭＳ断続器極１７４及び１７５が電流路に設置されている。これらのＭＥＭＳ断続器極の一方が、電流路における電流の流れを遮断することができる。同様に、両方のＭＥＭＳ断続器極が、ほぼ同時に電流の流れを遮断してもよい。このような方式は、追加の遮断保護が必要であると考えられる場合に有用である。例えば、ＭＥＭＳ断続器極１７０，１７４、及び１７５は、本明細書で既に説明したような電流制御装置を含むことができる。
【００６０】
従って、本明細書に記載した電流制御装置は、電流路に一体に配置される制御回路と、電流路に設けられる少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されて、少なくともＭＥＭＳスイッチのアークレスの開動作を円滑化するハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路と、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されて、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのアークレスの閉動作を円滑化するパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）とを含むことができる。
【００６１】
例示的実施形態において、更に、電流路の電流を制御する方法を開示する。この方法は、例えば、少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチからの電気エネルギを、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路に移送し、電流路を円滑に開くことを含んでよい。この方法は、更に、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路に移送し、電流路を円滑に閉じることを含んでよい。このように、例示した本発明の実施形態では、アークレスの電流制御装置及びアークレスの電流制御方法を開示する。
【００６２】
以上、実施形態を例示しながら本発明を説明してきたが、当業者には明らかなように、これらの構成要素に様々な改変及び等価の措置を加えても、本発明の実施形態に含まれる。従って、本発明の実施形態は、本発明を実施するための最適又は最良の形態として記載した一部の形態のみならず、添付の特許請求の範囲に含まれるかかる実施形態も全て包含するものとする。また、本明細書及び図面において、具体的な用語を用いて本発明の実施形態を説明しているが、これらの用語は、広義においてあくまでも説明目的において用いられており、本発明の企図を限定するものではない。更に、「第１」「第２」などの序数は、或る校正要素どうしを区別するために用いられており、順序又は重要性を示唆するものではない。構成要素を単数名詞として記載している場合も同様に、その数量を限定するものではなく、その構成要素が１つ以上存在することを示唆するものである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月15日(2010.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流路に組み込まれた制御回路と、
前記電流路に設置された少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに電気的に接続された、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの開動作をアークを生じることなく円滑に行うハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路と、
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに電気的に接続された、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの閉動作をアークを生じることなく円滑に行うパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路とを備える、電流制御装置。
【請求項２】
前記ＨＡＬＴ回路は、パルスインダクタンスと、パルスキャパシタンスと、パルススイッチとを含み、
各パルス素子は、他のパルス素子と互いに直列に接続される、請求項１に記載の電流制御装置。
【請求項３】
前記パルスキャパシタンスの放電により、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの開動作をアークを生じることなく円滑に行う、請求項２に記載の電流制御装置。
【請求項４】
前記ＨＡＬＴ回路は、前記ＭＥＭＳスイッチの閉状態から開状態への状態変化に反応して、前記ＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギの移動を受け入れる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項５】
前記ＰＡＴＯ回路は、パルスインダクタンスと、パルスキャパシタンスと、パルススイッチとを含み、
各パルス素子は、他のパルス素子と互いに直列に接続される、請求項１に記載の電流制御装置。
【請求項６】
前記パルスキャパシタンスの放電により、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチの閉動作をアークを生じることなく円滑に行う、請求項５に記載の電流制御装置。
【請求項７】
前記ＨＡＬＴ回路及びＰＡＴＯ回路は、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続された平衡ダイオードブリッジを含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続され、前記電流路内の電流過負荷に反応して、前記電流路から過負荷電流を受け取る電子バイパス回路を更に含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項９】
前記電流路に設置され、前記電流路上の電気負荷の空隙絶縁を安全に行うための最終絶縁回路を更に含む、請求項８に記載の電流制御装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチは、前記電流路に沿って直列に接続される複数のＭＥＭＳスイッチのうちの１つである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１１】
前記複数のＭＥＭＳスイッチのそれぞれに電気的に接続された、前記複数のＭＥＭＳスイッチ間で電圧を均等にするための電圧勾配緩和回路網を更に含む、請求項１０に記載の電流制御装置。
【請求項１２】
前記複数のＭＥＭＳスイッチの両端に平衡ダイオードブリッジが並列に接続される、請求項１０に記載の電流制御装置。
【請求項１３】
前記電流制御装置は、前記電流路において、アークレス直流回路遮断器として機能する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電流制御装置。
【請求項１４】
電流路の電流を制御する方法であって、
前記電流路に設置された少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチからの電気エネルギを、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたハイブリッドアークレス制限（ＨＡＬＴ）回路に移送することによって、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチによる前記電流路の開路を円滑に行うこと、並びに、
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチに並列に接続されたパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路に移送することによって、前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチによる前記電流路の閉路を円滑に行うことを含む方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギを前記ＨＡＬＴ回路に移送することに、前記ＨＡＬＴ回路のパルスキャパシタンスを放電することを含む、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2010530119.tif 000013
2010530119.tif 000014