(57)【要約】  微小電子機械システムベースの切替素子を実装したＨＶＡＣシステムを開示する。ＨＶＡＣシステムは、一実施形態において、負荷モータ、主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ、並びに、これらの負荷モータ及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ間に電気的に接続して設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）を備える。ＨＶＡＣシステムは、前記負荷モータ及び前記ＶＦＤ間に電気的に結合して設置された駆動ＭＥＭＳスイッチを更に含むことができる。ＨＶＡＣシステムは、前記ＶＦＤを駆動する閉状態、及び前記ＶＦＤをバイパスする開状態の少なくとも一方を含むスイッチ条件をトリガとして、前記駆動ＭＥＭＳスイッチが動作するよう構成されてもよい。  【選択図】図１
2010530208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷モータと、
主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記負荷モータ及び前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチ間に電気的に結合して設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）とを含むＨＶＡＣシステム。
【請求項２】
前記負荷モータ及び前記ＶＦＤ間に電気的に結合して設置された駆動ＭＥＭＳスイッチを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＶＦＤを駆動する閉状態、及び前記ＶＦＤをバイパスする開状態の少なくとも一方を含むスイッチ条件をトリガとして、前記駆動ＭＥＭＳスイッチが動作するよう構成された、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記駆動ＭＥＭＳスイッチ及び前記ＶＦＤが、電気的に直列である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＶＦＤ及び前記駆動ＭＥＭＳスイッチに電気的に並列であるバイパスＭＥＭＳスイッチを更に含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＶＦＤをバイパスする閉状態、及びＶＦＤを駆動する開状態の少なくとも一方を含むスイッチ条件をトリガとして、前記バイパスＭＥＭＳスイッチが動作するよう構成された、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＶＦＤが、前記駆動ＭＥＭＳスイッチと電源遮断ＭＥＭＳスイッチの間に設置された、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記駆動ＭＥＭＳスイッチ及び前記電源遮断ＭＥＭＳスイッチが開状態になるようにトリガし、前記ＶＦＤを電気的に遮断するように構成された、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチにおけるスイッチ条件のトリガが円滑に行われるよう、前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチに電気的に結合された制御回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチと電気的に連通して設置され、前記主遮断器ＭＥＭＳをトリガするスイッチ条件に応答して、前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの流れを受け取るハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）アーク抑制回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチに電気的に結合された電圧スナバ回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの状態変化を同期させるソフトスイッチング回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
負荷モータと、
主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記負荷モータと前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合された第１のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記負荷モータと前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合されて、前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に電気的に並列に配置された第２のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に、前記ＶＦＤと電気的に直列に設置された駆動ＭＥＭＳスイッチと、
前記第２のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されたバイパスＭＥＭＳスイッチとを含むＨＶＡＣシステム。
【請求項１４】
前記ＭＥＭＳスイッチにおけるスイッチ条件のトリガが円滑に行われるよう、前記ＭＥＭＳスイッチのそれぞれに更に結合された制御回路を更に含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記スイッチ条件には、短絡及びＶＦＤ制御の少なくとも一方が含まれる、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチに電気的に連通して設置され、前記主遮断器ＭＥＭＳをトリガするスイッチ条件に応答して、前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの流れを受け取るハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）アーク抑制回路を更に含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
負荷モータと、
主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記負荷モータと前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合された第１のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された駆動ＭＥＭＳスイッチと、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された電源遮断ＭＥＭＳスイッチと、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路において、前記駆動ＭＥＭＳスイッチ及び前記電源遮断ＭＥＭＳスイッチ間に電気的に直列に設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）と、
前記負荷モータと前記駆動ＭＥＭＳスイッチの間に設置されて、前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に電気的に並列に配置された第２のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記第２のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されたバイパスＭＥＭＳスイッチとを含むＨＶＡＣシステム。
【請求項１８】
前記ＭＥＭＳスイッチにおけるスイッチ条件のトリガが円滑に行われるよう、前記ＭＥＭＳスイッチのそれぞれに更に結合された制御回路を更に含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記スイッチ条件には、短絡及びＶＦＤ制御の少なくとも一方が含まれる、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチに電気的に連通して設置され、前記主遮断器ＭＥＭＳをトリガするスイッチ条件に応答して、前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの流れを受け取るハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）アーク抑制回路を更に含む、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、暖房・換気・空調（ＨＶＡＣ：Ｈｅａｔｉｎｇ−Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ−Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）に関し、特に、微小電子機械システムベースの切替素子を実装したＨＶＡＣシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、暖房・換気・空調（ＨＶＡＣ）用のパッケージ型変速駆動装置を完全に機能させるには、中核の電子回路の他に複数の補助動力処理部品が必要であった。主遮断器を設けることで、ＨＶＡＣシステム全体のオンとオフを切り替えて、接続されたモータ負荷を含むＨＶＡＣシステム全体を故障から保護している。接触器を設けることで、パワーエレクトロニクスを迂回して、電源に直接モータ負荷を接続する。また、ヒューズを設けることで、モータ及びその配線を短絡から保護している。
【０００３】
主遮断器により、その下流側の全ての構成要素について、電源から遮断、保護、及び制御することができる。従来、主遮断器には、一般的な回路遮断器が実装されているが、この回路遮断器は、応答が遅く、大型でノイズが大きい上に、深刻なアーク閃光事故の原因となり得る量の電流も故障中に通過させてしまう。回路遮断器は、ヒューズと同様の保護機能を有する他に、動作又はトリップ後も交換せずにリセットできるという利点がある。しかし、ヒューズと比べて回路遮断器は、短絡事故中、概して応答時間が遅く、回路遮断器の上流側と下流側を選択しにくい複雑な機械系を含む。
【０００４】
電子的トリップ装置を有する遮断器の故障を電子的に検知する方法では、必然的に、ある程度の計算時間を要するので、判定結果が出るまで時間がかかり、故障に対する反応が遅れる。また、トリップを行う判定が為された後、機械系の応答は、機械的慣性が原因で比較的ゆっくりとなる。従って、短絡に応答する際に、回路遮断器を通過して、（通過エネルギとして周知の）比較的大量のエネルギが流れる可能性がある。
【０００５】
ヒューズは、一般に、回路遮断器よりも選択性が高く、短絡状況への対応にばらつきが少ないが、その短絡保護後に交換が必要である。ヒューズは、一連の要素を用いて、所定の過電流で溶融して電流路が開くように設計されている。ヒューズの形状やサイズは様々であるが、パチンと嵌め込んでヒューズを着脱できる、交換が簡単なヒューズホルダに収まるように設計されている。製造業者は、差し込み式の交換を容易に行えるように、ヒューズ及びホルダの寸法を、ヒューズのタイプや規格に忠実に合わせている。
【０００６】
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ように設計された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により、自身の遮断容量までの電流の切り替え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にも適用可能である。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も大きい。従って、電力系統用途で電気機械的に接触器を用いる際は、接触器の遮断容量を上回る全ての電流値に対して十分に高速に動作して、接触器が開く前に故障電流を遮断することができる一連の装置で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。
【０００７】
電力系統への接触器の適用を容易にするために考案された既存の解決策としては、例えば、真空接触器、真空遮断器、及び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。周知のように、真空接触器は、大型のモータ、変圧器、及びコンデンサの切り替えを行うには十分であるが、特に負荷がオフに切り替わると、過渡過電圧を生じる不都合がある。
【０００８】
また、電気機械式接触器では、概して機械式スイッチが採用されている。機械式スイッチは、比較的低速で切り替わる傾向があるので、予測技法を採用しており、通常は切り替え動作の数十ミリ秒前にゼロ交差の発生を予測し、ゼロ交差においてスイッチが開閉するようにして、アークの発生を抑制している。しかし、予測時間間隔内にも多くの過渡電流が生じ得るので、ゼロ交差の予測には誤差が生じ易い。
【０００９】
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、高速の切り替え用途には、高速の固体スイッチが採用されている。周知のように、固体スイッチは、電圧又はバイアス制御により、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、接点間に物理的間隙が形成されないので、漏れ電流が生じる。更に、固体スイッチを導電状態で動作させると、その内部抵抗による電圧降下が生じる。通常の動作状況において、電圧降下と漏れ電流はいずれも、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。固体スイッチを回路遮断器用途でに用いることは、固体スイッチが伴う固有の漏れ電流が少なくとも原因の一部となり、実用的ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００８１４９Ａ１号
【特許文献２】欧州特許第１６４３３２４Ａ号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、当該技術分野において、上述の欠点を解消した電流切替回路の保護構成が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態において、負荷モータ、主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ、並びに、これらの負荷モータ及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ間に電気的に接続して設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）を含むＨＶＡＣシステムを開示する。
【００１３】
別の実施形態において、負荷モータ、主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ、これらの負荷モータと主遮断器ＭＥＭＳスイッチとの間に結合された第１のＭＥＭＳスイッチ岐路、これらの負荷モータと主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合して、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路と電気的に並列に配置された第２のＭＥＭＳスイッチ岐路、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路上でＶＦＤと電気的に直列に設置された駆動ＭＥＭＳスイッチ、及び、第２のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されたバイパスＭＥＭＳスイッチを含むＨＶＡＣシステムを開示する。
【００１４】
また別の実施形態において、負荷モータ、主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ、これらの負荷モータと主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合された第１のＭＥＭＳスイッチ岐路、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された駆動ＭＥＭＳスイッチ、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された電源遮断ＭＥＭＳスイッチ、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されて、駆動ＭＥＭＳスイッチと電源遮断ＭＥＭＳスイッチの間に電気的に直列に設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）、負荷モータと主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合されて、第１のＭＥＭＳスイッチ岐路と電気的に並列に配置された第２のＭＥＭＳスイッチ岐路、及び、第２のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されたバイパスＭＥＭＳスイッチを含むＨＶＡＣシステムを開示する。
【００１５】
添付図面に対応した以下の詳細な説明により、以上に記載した本発明による特徴、態様、及び利点を更に理解できよう。なお、添付図面において、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】
【００１６】
【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の模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、図１に記載したシステムの代替の構成である例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。
【図４】図３の例示的なＭＥＭＳベースの切替システムの模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳベースの切替システムを有する例示的ＨＶＡＣシステムの模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳベースの切替システムを有する例示的ＨＶＡＣシステムの代替例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態において、変速パッケージのＨＶＡＣ駆動装置は、保護及びバイパス機能に優れたＭＥＭＳマイクロスイッチアレイの統合ネットワークを含んでよい。主回路遮断器を限流アレイに置き換え、パッケージ内の他の構成要素全てを保護することもできる。限流機能により、故障通過電流について考慮することなく、他の全ての構成要素の寸法を設定することができる。従って、ヒューズを完全に排除し、接触器を、負荷電流のみを送るために必要なＭＥＭＳマイクロスイッチアレイと入れ替えることができる。本明細書に記載のシステムにより、可変周波数ＨＶＡＣ駆動装置における保護及びバイパス機能が得られる。保護することには、モータ負荷及びモータを接続するケーブルを含め、駆動装置内のあらゆる場所で短絡（故障）を排除することが含まれる。バイパス機能により、モータ負荷を直接、電力供給部に接続することができる。一実施形態では、モータ負荷を、ＭＥＭＳスイッチのネットワーク及び電子式可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）を介して電源に接続する。主遮断器ＭＥＭＳスイッチを用いて、全てのオンとオフを切り替え、遮断器の下流のあらゆる場所における故障を防止する。また、ＭＥＭＳスイッチは、電子回路をバイパスさせたり、又は作動させたりする。一実施形態によると、パッケージ内、ケーブル上、又はモータ内のあらゆる場所において、故障に伴うアーク閃光エネルギが数桁分も低減される。一実施形態によると、パッケージ（可変周波数駆動装置）の電子回路部分の電流処理要件が低減される。一実施形態において、制御と保護の連係構造が、複数のＭＥＭＳマイクロスイッチアレイ内で機能するため、限流機能と電力切替機能との両方が求められるのは、そのアレイのうちの１つのみである。他のデバイスは全て、「コールド」状態に切り替えられる（切り替えられている間、電圧又は電流は存在しない）。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る、例示的なアークレス微小電気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のブロック図である。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を、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構造で利用できよう。従って、本明細書に例示する実施形態では、ＭＥＭＳをベースとした切替素子を用いているが、本発明の教示内容は広義に解釈されるべきであり、適用する素子はミクロンサイズの素子に限定されるものではない。
【００１９】
図１では、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を含んでいる。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技術（ＨＡＬＴ：Ｈｙｂｒｉｄ  Ａｒｃｌｅｓｓ  Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）デバイスとも称され、ＭＥＭＳベースの切替回路１２に動作可能に結合される。実施形態によっては、ＭＥＭＳベースの切替回路１２を、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と一体に形成してもよい。また別の実施形態として、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を、アーク抑制回路１４と一体に形成してもよい。
【００２０】
図２を参照しながら更に詳細に説明するが、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に、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含めることができる。また、アーク抑制回路１４には、平衡ダイオードブリッジ及びパルス回路を含めることができる。更に、アーク抑制回路１４を、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の抑制が容易になるように構成することができる。また、アーク形成の抑制を容易にするために、アーク抑制回路１４が交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に反応するように構成してもよい。
【００２１】
図２は、図１に例示したアークレスＭＥＭＳベース切替システムの模式図１８の一実施形態である。図１を参照して説明したように、ＭＥＭＳベースの切替回路１２には、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを含めることができる。図示の実施形態では、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２５とを有する。一実施形態では、第１接点２２をドレインとして、第２接点２４をソースとして、第３接点２６をゲートとして構成する。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を結合してもよい。この電圧スナバ回路３３は、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を制限するように構成されている。実施形態によっては、スナバ回路３３は、スナバ抵抗（図４の７８を参照）に直列に結合されたスナバコンデンサ（図４の７６を参照）を含む。このスナバコンデンサによる改良によって、ＭＥＭＳスイッチ２０の一連の開動作中の過渡電圧の分配が容易になる。更に、スナバ抵抗により、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。また別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。
【００２２】
本発明の別の実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０に直列に負荷回路４０が結合される。負荷回路４０は、電源ＶＢＵＳ４４を含んでもよい。また、負荷回路４０は、負荷インダクタンス４６ＬＬＯＡＤを含んでもよく、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を含んでもよい。参照符号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を示す。
【００２３】
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んでよい。図示の実施形態では、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。本明細書において、「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の両端での電圧降下がほぼ等しくなるように構成されたダイオードブリッジを意味する。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を含んでよく、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。
【００２４】
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される。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を緊密にパッケージ化することにより、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簡単に最小化できる。また、本発明の一実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８の位置関係は、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により、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電圧が発生するように、定められることに留意されたい。これについては後に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。
【００２５】
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を含んでよい。パルス回路５２を、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の開動作が開始するように構成してもよい。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、スイッチ条件により、ＭＥＭＳスイッチ２０を第１閉状態からＭＥＭＳスイッチ２０の第２開状態へ変化させたり、ＭＥＭＳスイッチ２０を第１開状態から第２閉状態へ変化させたりできる。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／オフ要求を含む多様なアクションに応じて、スイッチ条件を生起することができる。
【００２６】
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を含んでよい。また、パルス回路は、パルススイッチ５４に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も含んでよい。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を直列に結合して、パルス回路５２の第１の岐路を形成し、この第１の岐路の構成要素を、パルス電流の整形及び時間的調節が容易になるように構成してもよい。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を示す。
【００２７】
本発明の実施形態によると、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、ピコ秒又はナノ妙のオーダーで）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との複合動作により可能である。
【００２８】
次に、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明に係る例示的ソフトスイッチングシステム１１のブロック図である。図３に示すように、ソフトスイッチングシステム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を、切替回路１２に結合して、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を、切替回路１２及び検出回路に結合して、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が円滑に行われる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を、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してよい。
【００２９】
本発明の実施形態において、ソフトスイッチングシステム１１は、例えば、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する。これにより、切替回路１２内の１つ以上のＭＥＭＳスイッチが、切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くである場合に閉じ、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くである場合に開く。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、複数のスイッチ全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の範囲に収まるように、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、一実施形態では、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。
【００３０】
次に、図４について説明する。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。模式図１９に示す実施形態は、切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２の一例である。
【００３１】
説明の便宜上、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の電流電圧処理要件に応じて、複数のＭＥＭＳスイッチを含んでよい。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た複数のＭＥＭＳスイッチを備えるスイッチモジュールを含んでよい。また別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互いに結合されたＭＥＭＳスイッチアレイを含んでよい。更に別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たＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含んでよい。一実施形態において、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチを、単一のパッケージ７４内に統合することができる。
【００３２】
ＭＥＭＳスイッチ２０には、例えば、３つの接点を含めることができる。一実施形態において、第１接点をドレイン２２として、第２接点をソース２４として、第３接点をゲート２６として構成する。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に結合されている。また、実施形態によっては、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延させることができる。図示のように、減衰回路３３は、例えば、スナバ抵抗７８に直列に結合されたスナバコンデンサ７６を含む。
【００３３】
また、図４に更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０を、負荷回路４０に直列に結合してもよい。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、典型的な負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ４６及び負荷抵抗ＲＬＯＡＤ４８を含んでよい。一実施形態において、電圧源ＶＳＯＵＲＣＥ４４（ＡＣ電圧源とも称される）を、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。
【００３４】
既に説明したように、検出回路７０を、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。電圧検知回路８０によって交流電源電圧を検知し、電流検知回路８２によって交流負荷電流ＩＬＯＡＤ５０を検知する。交流電源電圧及び交流負荷電流の検知周期は、例えば、連続的であっても離散的であってもよい。
【００３５】
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される。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を、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される。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を、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。
【００３６】
その後、制御回路７２では、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、検出された交流負荷電流ＩＬＯＡＤ５０のゼロ交差に応答して、アークを生じることなく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制御回路７２を構成できる。また、検出された交流電圧源のゼロ交差に応答して、アークを生じることなくＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作を円滑に行って、負荷回路４０が完結するように制御回路７２を構成することができる。
【００３７】
一実施形態において、制御回路７２では、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。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される。一実施形態において、イネーブル信号９６、並びに出力信号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される。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によって生成される。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が生成される。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。
【００３８】
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得るために、単一のＭＥＭＳスイッチを用いる代わりに、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ると、負荷回路に連続的に生じ得る過渡過負荷電流レベル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倍の場合、６０アンペアの実効値に１０秒間耐える十分な数のスイッチを並列に結合する必要がある。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、且つ、６０アンペアに耐えるように、十分な数のＭＥＭＳスイッチを並列に配置しなければならない。一方、単一のＭＥＭＳスイッチの場合、切り替えの瞬間に流れることになる量又はレベルの電流を遮断する必要がある。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳベースの切替システムを有する例示的ＨＶＡＣシステム１００の模式図である。図示したシステム１００は、二相のシステムである。ただし、本明細書に記載したシステムは、次の図６に記載したような三相システムなど、二相、又は三相以上のシステムであってよいことを理解されたい。
【００４０】
例示の実施形態において、システム１００は、２分岐並列回路１５０に直列に結合された負荷モータ１０５を含む。従来のＨＶＡＣシステムにおいて、ヒューズは、負荷モータ１０５と２分岐並列回路１５０の間に直列に挿入されることは理解されよう。従来、ヒューズは、負荷モータ及び個々のケーブルを短絡から保護するために設けられている。本明細書に記載するように、ＭＥＭＳベースのスイッチによりヒューズが不要になる。
【００４１】
例示の実施形態において、第１の岐路１５１は、可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）１１５に直列に駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０を含む。第２の岐路１５２は、バイパスＭＥＭＳスイッチ１２０を含む。既に説明したように、第１及び第２の岐路１５１、１５２は、並列回路１５０を形成する。説明したように、例示の実施形態において、駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０及びＶＦＤ１１５は、電気的に互いに直列である。駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０とＶＦＤ１１５の直列配列は、バイパスＭＥＭＳスイッチ１２０と電気的に並列である。
【００４２】
一実施形態において、ＶＦＤ１１５は、負荷モータ１０５を可変速制御する電子デバイスである。ＨＶＡＣ用途でのＶＦＤ１１５は、中核の電子回路の他に、複数の補助動力処理部品を含むことで完全に機能する。従来、ＶＦＤ１１５と同様の可変周波数駆動装置は、かなり高い確率で、可変周波数駆動装置の下流で生じる故障による故障電流に曝される。ＶＦＤ１１５の下流側の故障について故障電流が抑制される分、ＶＦＤ１１５の動作要求水準を低くすることができる。
【００４３】
並列回路１５０の上流側において、並列回路１５０に更に主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５が結合される。主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５は、負荷モータ１０５及びＶＦＤ１１５を含め、下流側の全ての構成要素についての、電源遮断、保護、及び制御機能を有する。主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５は、更に、切替機能を有し、電流を制限することもできる。
【００４４】
主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５は、ターンオフ及び電流制限を行うＨＡＬＴ、及びターンオンを行うパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）などを含んでよい。一実施形態では、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５は、ＨＶＡＣシステム１００内のいずれの場所であっても故障が検出されると必ず、積極的に限流を行い、全ての電流を遮断する。一実施形態では、故障の場所によっては、その故障を隔離するために、他のＭＥＭＳ構成要素（例えば、駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０及びバイパスＭＥＭＳスイッチ１２０など）を再構成する。このように故障を隔離すると、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５を再び素早く閉じることができる。これらの事象の全シーケンスは、１／２サイクルで完了する。
【００４５】
別の実施形態においても、再構成動作（常態からバイパス、又はバイパスから常態への再構成動作）に関して、前述の機能は同様である。一実施形態において、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５は、構成要素（例えば、駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０及びバイパスＭＥＭＳスイッチ１２０）を再構成する一方、１／２サイクルの間、電力を遮断する。その結果、電力は、１／２サイクル後に復元される。
【００４６】
上述したように、本発明の実施形態では、駆動、バイパス、及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０、１２５を実装することにより、従来の接触器が不要になることを理解されたい。また、ここでは、駆動、バイパス、及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０、１２５は、単一のスイッチとして図示及び説明されていることも理解されたい。また別の実施形態において、駆動、バイパス、及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０、１２５は、スイッチのＭＥＭＳアレイであり得ることは理解されよう。
【００４７】
上述したように、実施形態において、駆動、バイパス、及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０、１２５のそれぞれに個別に制御回路７２を含めることができるので、ＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０、１２５を個別に、本明細書に記載したようなスイッチ条件に従って制御することができる。例えば、負荷モータ１０５及びＶＦＤ１１５を損傷する可能性がある短絡状態がスイッチ条件の１つとなっている制御回路７２を、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５に含めることができる。
【００４８】
本発明の実施形態において、制御回路７２を、更に、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５を通るものなど、ＨＶＡＣシステムの電流路に流れる電流に関するパラメータを測定し、測定したパラメータを、スイッチ条件に対応するパラメータ、例えば、電流の量及び過電流の発生時間などと比較するように構成することができる。短絡を示唆する瞬間的な電流の大幅な増加が見られる電流のパラメータに応答して、制御回路７２は、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５を開いて、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５からＨＡＬＴデバイス１４（図１に最もよく示す）に短絡エネルギを送ることで、電流路に流れる電流を円滑に遮断する信号を生成する。また、所定の期間における短絡に至らない大きさの電流の増加などのパラメータは、規定の時限的過電流故障を示し得るものであり、このパラメータにも応答して、制御回路７２は、同様に、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５を開いて電流を遮断する信号を生成する。
【００４９】
本発明の実施形態において、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５は、前述したＨＡＬＴアーク抑制回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１（本明細書において、ソフトスイッチング回路とも称される）のうちの少なくとも１つを更に含んでよい。明らかなように、ＨＡＬＴアーク抑制回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１を、別個の回路としても、制御回路７２内に組み込んでもよい。明らかなように、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０は、ＨＡＬＴアーク抑制回路１４などの自己保護が必要になるほどには高い電流に曝されない。このように、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０（又はマイクロスイッチアレイ）が、ＨＡＬＴ、又はＰＡＴＯなどの他の保護を必要とせずに動作可能なのは、これらの機能が主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５によるからである。従って、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０は、コールドスイッチングが可能であり、概して、高い耐性電流（通過電流としても知られる）に曝されることもないため、極めて簡便になる。ただし、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチは、ＨＡＬＴアーク抑制回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１のうちの少なくとも１つを更に含んでもよいことも理解されたい。
【００５０】
また、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチは、次に説明するように、ＶＦＤを駆動又はバイパスするために、統合コントローラ回路７２を含んでよい。
【００５１】
本発明の実施形態において、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチ１１０、１２０を用いることで、ＶＦＤのバイパスが可能である。ＶＦＤ１１５を利用する場合、駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０を閉じるとＶＦＤ１１５が作動するように、制御回路を実装する。ＶＦＤ１１５に固有の個別の電子回路を組み込むことで、所望の用途に応じて駆動周波数を変更することもできる。上述したようにＶＦＤ１１５を利用する場合、バイパスＭＥＭＳスイッチ１２０の制御回路７２は、バイパスＭＥＭＳスイッチ１２０を開くように実装される。これにより、第２の岐路１５２に電流が流れなくなる。同様に、電力系統から直接負荷モータ１０５を通電することが必要な場合は、駆動ＭＥＭＳスイッチ１１０を開くと共に、バイパスＭＥＭＳスイッチ１２０を閉じる。明らかなように、負荷モータ１０５を全速で動作させる必要がある場合は、上述のようにＶＦＤ１１５を稼働させる必要はない。
【００５２】
本発明の実施形態において、例えば、スイッチ条件のトリップパラメータに基づいてトリップ−時間曲線を設定するなど、制御回路７２の機能として時間基準の決定を更に含むことができる。制御回路７２は、電圧及び電流の測定、各ＭＥＭＳスイッチのプログラム又は調整、各ＭＥＭＳスイッチの閉動作／再閉動作論理の制御を行い、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ１２５の場合は、例えば、コールドスイッチング、すなわちアーク放電を生じることなく切り替えを行うＨＡＬＴデバイス１４と協働する。制御回路７２の電力引き込みは最小限で、この電力はライン入力によって供給可能なので、追加の外部電力供給部を設ける必要はない。本明細書に記載した制御回路７２及びＭＥＭＳスイッチは、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）のいずれかで用いられるように構成される。
【００５３】
図６は、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳベースの切替システムを有する、代替的なＨＶＡＣシステム２００を例示する模式図である。図示のシステム２００は三相のシステムである。ただし、既に説明したように、本明細書に記載したシステムは、二相、又は三相以上のシステムであってよいことを理解されたい。
【００５４】
例示の実施形態において、システム２００は、２分岐並列回路２５０に直列に結合された負荷モータ２０５を含む。従来のＨＶＡＣシステムでは、周知のように、負荷モータ２０５と２分岐並列回路２５０の間に直列にヒューズが組み込まれる。上述したように、ＭＥＭＳベースのスイッチにより、ヒューズを利用する必要がなくなる。
【００５５】
例示の実施形態において、第１の岐路２５１は、ＶＦＤ２１５に直列に駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０を含む。この第１の岐路は、駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０及びＶＦＤ２１５に直列に電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２３０を更に含む。例示の実施形態において、電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２３０は、後に詳述するバイパス動作中に、ＶＦＤ２１５を完全に遮断するために組み込まれる。
【００５６】
第２の岐路２５２は、バイパスＭＥＭＳスイッチ２２０を含む。上述したように、第１及び第２の岐路２５１、２５２は並列回路２５０を構成する。既に説明したように、例示の実施形態において、駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０及びＶＦＤ２１５は、電気的に互いに直列である。駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０及びＶＦＤ２１５の直列配列は、バイパスＭＥＭＳスイッチ２２０に電気的に並列である。
【００５７】
本発明の実施形態において、ＶＦＤ２１５は、例えば、負荷モータ２０５を可変速制御する電子デバイスである。ＨＶＡＣの用途でのＶＦＤ２１５は、中核の電子部品の他に、いくつかの補助動力処理部品を含むことで、完全に機能する。上述したように、ＶＦＤ２１５の下流側の故障による故障電流が抑制される分、ＶＦＤ２１５の動作要求水準を低くすることができる。
【００５８】
主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５は、並列回路２５０の上流側で並列回路２５０に更に結合される。主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５は、負荷モータ２０５及びＶＦＤ２１５を含め、下流側の全ての構成要素に対して電源遮断、保護、及び制御機能を有する。主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５により、電流を切り替え、限流を行うことができる。
【００５９】
主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５は、ターンオフ及び限流を行うＨＡＬＴと、ターンオンを行うパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）などを含んでよい。ＨＡＬＴ及びＰＡＴＯについて、ここで更に説明する。一実施形態において、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５は、ＨＶＡＣシステム２００内のいずれの場所であっても故障が検出されたときには必ず、積極的に限流を行い、全電流を遮断する。一実施形態において、故障の場所によっては、故障を隔離するために、他のＭＥＭＳ構成要素（例えば、駆動、バイパス、及び電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０など）が再構成される。このように故障を隔離すると、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５を再び素早く閉じることができる。これらの事象の全シーケンスは、１／２サイクルで完了する。
【００６０】
別の実施形態においても、再設定動作（常態からバイパス、又はバイパスから常態への再設定動作）に関して、上述した機能は同様である。一実施形態において、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５は、構成要素（例えば、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０）が再設定されている１／２サイクルのあいだ、電力を遮断する。その後、電力は１／２サイクル後に復帰する。
【００６１】
上述したように、駆動、バイパス、電源遮断、及び主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０、２２５のそれぞれに制御回路７２を含めることができるので、ＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０、２２５をそれぞれを、本明細書に記載したスイッチ条件に従って独立的に制御することができる。例えば、負荷モータ１０５及びＶＦＤ２１５を損傷する恐れのある短絡状態がスイッチ条件の１つとなっている制御回路７２を、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５に含めることができる。
【００６２】
本発明の実施形態において、制御回路７２を、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５を通るものなど、ＨＶＡＣシステムの電流路に流れる電流に関するパラメータを測定し、その測定したパラメータを、スイッチ条件に対応するパラメータ、例えば、電流の量及び過電流の発生時刻などと比較するように更に構成することができる。短絡を示唆する瞬間的な電流の大幅な増加が見られる電流のパラメータに応答して、制御回路７２は、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５を開いて、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５からＨＡＬＴデバイス１４（図１に最もよく示す）に短絡エネルギを送ることで、電流路に流れる電流を円滑に遮断する信号を生成する。また、所定の期間における短絡に至らない大きさの電流の増加などのパラメータは、規定の時限的過電流故障を示し得るものであり、このパラメータにも応答して、制御回路７２は、同様に、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５を開いて電流を遮断する信号を生成する。
【００６３】
本発明の実施形態において、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５に、前述したＨＡＬＴアーク抑制回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１（本明細書においてソフトスイッチング回路とも称される）のうちの少なくとも１つを更に含めることができる。明らかなように、ＨＡＬＴアーク抑制回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１を、それぞれ別個の回路としても、制御回路７２内に組み込んでもよい。明らかなように、駆動、バイパス、及び電源遮断のＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０は、ＨＡＬＴアーク抑制回路１４などの自己保護が必要なほどの高い電流に曝されない。このように、駆動、バイパス、及び電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０（又はマイクロスイッチアレイ）が、ＨＡＬＴ、又はＰＡＴＯなどの他の自己保護を必要とせずに動作可能なのは、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５がこれらの機能を有しているからである。このように、駆動、バイパス、及び電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０は、コールド状態で切り替えられ、概して、高い耐性電流（通過電流としても知られる）に曝されることもないため、極めて簡便なものとなる。なお、例示の実施形態において、駆動及びバイパスＭＥＭＳスイッチは、ＨＡＬＴアーク抑制回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１のうちの少なくとも１つを更に含んでもよい。
【００６４】
一実施形態において、ＶＦＤ２１５のバイパスは、駆動、バイパス、及び電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２１０、２２０、２３０を用いて行われる。ＶＦＤ２１５を利用する場合、制御回路７２では、駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０を閉じることでＶＦＤ２１５が作動する。所望の用途に応じて駆動周波数を変更できるよう、ＶＦＤ２１５に別個独立に電子回路を組み込むことができる。上述したようにＶＦＤ２１５を利用する場合、バイパスＭＥＭＳスイッチ２２０の制御回路７２により、バイパスＭＥＭＳスイッチ２２０を開く。これにより、第２の岐路２５２に電流が流れなくなる。同様に、電源系統から直接負荷モータ２０５を通電することが必要な場合は、駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０を開くと共に、バイパスＭＥＭＳスイッチ２２０を閉じる。明らかなように、負荷モータ２０５を全速で動作させることが必要な場合は、前述した実装方式でＶＦＤ２１５を稼働させる必要はないことは理解されよう。
【００６５】
別の実施形態において、バイパスＭＥＭＳスイッチを上述したように閉じ、ＶＦＤ２１５の電力を完全に遮断することができる。更に、駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０を開くこともできる。また更に、電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２３０を開くことで、ＶＦＤ２１５を完全に遮断する。上述したように、個々の制御回路７２は、スイッチ条件（すなわち、バイパスＭＥＭＳスイッチ２２０の閉動作、駆動ＭＥＭＳスイッチ２１０及び電源遮断ＭＥＭＳスイッチ２３０の開動作など）をトリガするように実装される。
【００６６】
実施形態において、制御回路７２の機能として、例えば、スイッチ条件のトリップパラメータに基づいてトリップ−時間曲線を設定するなど、時間基準の決定を更に含めることができる。制御回路７２は、電圧及び電流の測定、各ＭＥＭＳスイッチのプログラム又は調整、各ＭＥＭＳスイッチの閉動作／再閉動作論理の制御を行い、主遮断器ＭＥＭＳスイッチ２２５の場合は、例えば、コールドスイッチング、すなわちアーク放電を生じることなく切り替えを行うＨＡＬＴデバイス１４と協働する。制御回路の電力引き込みは最小限で、この電力はライン入力で供給できるため、追加の外部電力源を設ける必要はない。本明細書に記載した制御回路７２及びＭＥＭＳスイッチは、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）のいずれかに用いられるように構成される。
【００６７】
上述した内容から明らかなように、本明細書に記載したＨＶＡＣシステムの実施形態では、主回路遮断器、接触器を含め、従来のＨＶＡＣ構成要素が全て不要となる。これらの機能は、ＭＥＭＳスイッチ及びマイクロスイッチアレイによって行われる。これらのスイッチ及びアレイにより、信頼性が高まり、騒音が小さくなり、コンパクトで軽量になった、同等の故障中保護機能及びバイパス機能が実現する。
【００６８】
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、これらの実施形態の構成要素に様々な改変及び等価の措置を加えても、本発明に係る実施形態として認められる。また、個々の条件又は材料に合わせて修正を加えても、これらは本発明に係る実施形態として認められる。従って、例示した実施形態は、本発明の実施に最適又は本発明の実施を企図したものとして記載されているが、上記のような形態も全て、本発明の実施形態である。添付図面及び詳細な説明では、特定の用語を用いて本発明の実施形態を例示しているが、これらの用語は広義においてあくまでも説明目的で用いられているものであって、本発明の開示内容を限定するものではない。「第１」「第２」などの序数は、それぞれの構成要素を区別するために付与されているものであり、順番や重要度を示すものではない。また、構成要素を単数名詞で記載している場合は、その数量を限定するのではなく、１つ以上その事項が存在する可能性を示唆するものである。
【図１】
2010530208.tif 000003
【図２】
2010530208.tif 000004
【図３】
2010530208.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010530208.tif 000007
【図６】
2010530208.tif 000008
【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】
負荷モータと、
主遮断器微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記負荷モータ及び前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチ間に電気的に結合して設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）とを含むＨＶＡＣシステム。
【請求項２】
前記負荷モータ及び前記ＶＦＤ間に電気的に結合して設置された駆動ＭＥＭＳスイッチを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＶＦＤを駆動する閉状態、及び前記ＶＦＤをバイパスする開状態の少なくとも一方を含むスイッチ条件をトリガとして、前記駆動ＭＥＭＳスイッチが動作するよう構成された、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記駆動ＭＥＭＳスイッチ及び前記ＶＦＤが、電気的に直列である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＶＦＤ及び前記駆動ＭＥＭＳスイッチに電気的に並列であるバイパスＭＥＭＳスイッチを更に含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＶＦＤをバイパスする閉状態、及びＶＦＤを駆動する開状態の少なくとも一方を含むスイッチ条件をトリガとして、前記バイパスＭＥＭＳスイッチが動作するよう構成された、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ＶＦＤが、前記駆動ＭＥＭＳスイッチと電源遮断ＭＥＭＳスイッチの間に設置された、請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記駆動ＭＥＭＳスイッチ及び前記電源遮断ＭＥＭＳスイッチが開状態になるようにトリガし、前記ＶＦＤを電気的に遮断するように構成された、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチにおけるスイッチ条件のトリガが円滑に行われるよう、前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチに電気的に結合された制御回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチと電気的に連通して設置され、前記主遮断器ＭＥＭＳをトリガするスイッチ条件に応答して、前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの流れを受け取るハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）アーク抑制回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチに電気的に結合された電圧スナバ回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの状態変化を同期させるソフトスイッチング回路を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記負荷モータと前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合された第１のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記負荷モータと前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合されて、前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に電気的に並列に配置された第２のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に、前記ＶＦＤと電気的に直列に設置された駆動ＭＥＭＳスイッチと、
前記第２のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されたバイパスＭＥＭＳスイッチとをさらに含む、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＨＶＡＣシステム。
【請求項１４】
前記負荷モータと前記主遮断器ＭＥＭＳスイッチの間に結合された第１のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された駆動ＭＥＭＳスイッチと、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置された電源遮断ＭＥＭＳスイッチと、
前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路において、前記駆動ＭＥＭＳスイッチ及び前記電源遮断ＭＥＭＳスイッチ間に電気的に直列に設置された可変周波数駆動装置（ＶＦＤ）と、
前記負荷モータと前記駆動ＭＥＭＳスイッチの間に設置されて、前記第１のＭＥＭＳスイッチ岐路に電気的に並列に配置された第２のＭＥＭＳスイッチ岐路と、
前記第２のＭＥＭＳスイッチ岐路に設置されたバイパスＭＥＭＳスイッチとをさらに含む、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＨＶＡＣシステム。
【請求項１５】
前記ＭＥＭＳスイッチにおけるスイッチ条件のトリガが円滑に行われるよう、前記ＭＥＭＳスイッチのそれぞれに更に結合された制御回路を更に含む、請求項１３又は１４に記載のシステム。
【国際調査報告】
2010530208.tif 000009
2010530208.tif 000010