(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム動作中、閉路スイッチング状態で動作する３以上の微小電気機械スイッチ（Ｓ１．．．Ｓｎ）を備える微小電気機械スイッチング回路（１２）と、
前記微小電気機械スイッチング回路（１２）と結合され、前記３以上の微小電気機械スイッチの少なくとも１つを一時的開路スイッチング状態に作動させるように構成され、残りの前記微小電気機械スイッチは、負荷回路（５０）電流を導き、システム動作を中断しないようにするために閉路スイッチング状態を維持するコントローラ（１４）であって、前記微小電気機械スイッチの前記一時的開路スイッチング状態は、スイッチ接点どうしが互いに付着し合うという傾向を回避するのに有効であるコントローラ（１４）と
を備え、
前記コントローラ（１４）が、前記一時的開路スイッチング状態に所定の時間期間にわたって、以前に作動したことのないスイッチを優先して、前記一時的開路スイッチング状態に設定するように、前記３以上の微小電気機械スイッチの少なくとも１つの微小電気機械スイッチを前記一時的開路スイッチング状態に作動させる、システム。
【請求項２】
システム動作中、閉路スイッチング状態で動作する３以上の微小電気機械スイッチを備える微小電気機械スイッチング回路（１２）と、
前記微小電気機械スイッチング回路（１２）と結合され、前記３以上の微小電気機械スイッチの少なくとも１つを一時的開路スイッチング状態に作動させるように構成されるコントローラ（１４）と、
前記微小電気機械スイッチング回路（１２）と並列回路で接続され、前記一時的開路スイッチング状態の間、電気的導電経路を瞬間的に形成するように構成された過電流保護回路（１５）であって、前記電気的導電経路は、前記微小電気機械スイッチング回路（１２）と並列回路であり、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチが前記閉路スイッチング状態から前記一時的開路スイッチング状態に入るように遷移すると、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチの接点を通る電流フローを回避し、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチが前記一時的開路スイッチング状態から前記閉路スイッチング状態に戻ると、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチの前記接点の両端間の電圧レベルを崩壊させるようになされる過電流保護回路（１５）と
を備え、
前記コントローラ（１４）が、前記一時的開路スイッチング状態に所定の時間期間にわたって、以前に作動したことのないスイッチを優先して、前記一時的開路スイッチング状態に設定するように、前記３以上の微小電気機械スイッチの少なくとも１つの微小電気機械スイッチを前記一時的開路スイッチング状態に作動させる、
システム。
【請求項３】
前記コントローラ（１４）は、前記所定の時間期間にわたって、スイッチングアルゴリズムを選択的に実行するようにさらに構成され、それにより、最終的には、前記複数のスイッチのそれぞれが、前記時間期間にわたって、前記一時的開路スイッチング状態に少なくとも１回作動し、それによって、前記微小電気機械スイッチング回路（１２）のそれぞれのスイッチは、それぞれのスイッチ接点が互いに付着し合うという傾向を回避するように作動したことが確実にされる、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記微小電気機械スイッチが前記閉路スイッチング状態から前記一時的開路スイッチング状態に入るように遷移すると、前記微小電気機械スイッチの前記少なくとも１つの前記接点を通る電流フローを回避するように、前記微小電気機械スイッチング回路（１２）と結合された過電流保護回路（１５）をさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記過電流保護回路（１５）は、前記微小電気機械スイッチが前記一時的開路スイッチング状態から前記閉路スイッチング状態に戻ると、前記微小電気機械スイッチの前記少なくとも１つの前記接点の両端間の電圧レベルを崩壊させるようにさらに構成される、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記３以上の微小電気機械スイッチの前記少なくとも１つの前記一時的開路スイッチング状態の発生を、交流電源電圧および交流負荷回路電流の少なくとも１つのゼロ交差の発生と同期化するように構成された回路（１６）をさらに備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチとの組合せで、複数の微小電気機械スイッチをさらに備え、前記複数の微小電気機械スイッチもまた、システム動作中、閉路スイッチング状態で動作する、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記過電流保護回路（１５）が、前記３以上の微小電気機械スイッチの前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチの前記一時的開路スイッチング状態の間、電気的導電経路を瞬間的に形成するように構成され、前記電気的導電経路は、前記微小電気機械スイッチング回路（１２）と並列回路であり、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチが、前記閉路スイッチング状態から前記一時的開路スイッチング状態に入るように遷移すると、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチの接点を通る電流フローを回避し、前記微小電気機械スイッチが、前記一時的開路スイッチング状態から前記閉路スイッチング状態に戻ると、前記微小電気機械スイッチの前記接点の両端間の電圧レベルを崩壊させるようになされる、請求項２記載のシステム。
【請求項９】
前記コントローラ（１４）は、前記過電流保護回路（１５）とさらに結合され、スイッチングアルゴリズムが実行されるとき、前記過電流保護回路（１５）が任意の一時的開路スイッチング状態の間、前記電気的導電経路を瞬間的に形成するように設定されるかどうかを選択的に制御するように構成される、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記過電流保護回路（１５）が、
第１の分岐（２９）および第２の分岐（３１）を有し、前記第１の分岐（２９）と前記第２の分岐（３１）の両端間の電圧降下が実質的に等しくなるように構成された、平衡ダイオードブリッジ（２８）であって、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチが、該平衡ダイオードブリッジ（２８）の中点の両端間に並列に結合される、平衡ダイオードブリッジ（２８）と、
前記平衡ダイオードブリッジ（２８）と動作可能に結合され、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチのスイッチ状態を検出し、該スイッチ状態に応答して、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチの開路を開始するパルス回路（５２）と、
前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチと並列に結合し、前記少なくとも１つの微小電気機械スイッチの接点分離の間、電圧オーバシュートを制限する電圧スナバ回路（３３）と、
を含む、請求項２記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して、電気回路に関し、より詳細には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのスイッチングデバイスに関し、さらにより詳細には、システム動作を中断することなく、スイッチ接点どうしが互いに付着し合うという傾向を回避するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路遮断器は、回路内の不良によって生じるダメージから電気装置を保護するように設計されている電気デバイスである。以前から、ほとんどの従来の回路遮断器は、大型の電気機械スイッチを有する。残念なことに、これらの従来の回路遮断器はサイズが大きく、それによって、スイッチング機構を活動化にするのに大きな力を使用することが必要になる。加えて、これらの回路遮断器のスイッチは、一般に、比較的低速度で動作する。さらには、これらの回路遮断器は、組み立てるのに複雑であり、したがって、製造するのに費用がかかるので不利である。加えて、従来の回路遮断器内のスイッチング機構の接点が物理的に分離された場合、通常、アークがそこに形成されて、回路内の電流が止まるまで、その間で電流を搬送し続ける。さらには、アークに伴うエネルギーは、接点に深刻なダメージをもたらし、かつ／または作業者に火傷の危険をもたらす恐れがある。
【０００３】
低速の電気機械スイッチの代替として、高速スイッチング用途では比較的高速な固体スイッチ（Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｓｗｉｔｃｈｅｓ）を使用することが知られている。理解されるように、これらの固体スイッチは、電圧、すなわち、バイアスの制御された印加により、導電状態と非導電状態を切り替える。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、スイッチは、非導電状態に遷移可能である。しかし、固体スイッチは、非導電状態に切り替えられた場合、接点間に物理的空隙を形成しないので、それらには、漏れ電流がもたらされる。さらには、固体スイッチが導電状態で動作した場合、内部抵抗により、それらには電圧降下がもたらされる。電圧降下や漏れ電流の双方は、正常動作状況の下で、余剰パワーを消散させる一因となり、スイッチ性能や寿命に弊害をもたらす場合がある。
【０００４】
ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、従来の電気機械スイッチおよび固体スイッチに勝る、顕著な利点を提供することが可能である。しかし、ＭＥＭＳスイッチングデバイスが、比較的長い時間期間にわたって閉路されていた後に、接点吸着、すなわち、スイッチの接点どうしが互いに付着し合うという傾向を示す場合がある（例えば、スイッチ接点は、開路するように指示を出されたとき、閉路状態を維持する場合があり、または開路するように指示を出されたとき、開路する際に許容不可能な時間遅延を示す場合がある）ことが分かっており、それは所与のスイッチの特性に応じて変わる可能性がある。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１４６８１４号
【特許文献２】米国特許出願公開第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】米国特許出願公開第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
【特許文献１２】米国特許第３，８０９，９５９号
【特許文献１３】米国特許第５，３７４，７９２号
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００７／０１３９８２９号
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００７／０１３９８３０号
【特許文献１６】米国特許第６，９３１，１７３号
【特許文献１７】米国特許第６，９１９，７８４号
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００６／２０２９３３  Ａ１号
【特許文献１９】米国特許出願公開第２００６／１８７６８８号
【特許文献２０】米国特許第３，４９６，４０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
接点吸着は、例えば、接点材料の経時な金属拡散により、生じる可能性のあることが知られている。この吸着現象は、スイッチが、回路遮断器用途など、スイッチの標準動作状態が閉路している場合の用途に使用される動作状況で起こりやすい。これは、スイッチングデバイスが特定のスイッチング時間よりも長くかかって開路すると、性能の低下を招く可能性があり、さらには、スイッチがまったく開路しないと、故障を招く可能性もある。したがって、ＭＥＭＳスイッチングデバイスの吸着するこの傾向を低減し、または回避するシステムおよび／または制御技術を提供すること、したがって、スイッチが使用されるシステムおよび／または用途の信頼性全体に付加的に貢献することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
概して、本発明の態様は、複数の微小電気機械スイッチで構成可能である微小電気機械システムスイッチング回路を含むシステムを提供する。複数の微小電気機械スイッチは、システム動作中、概して、閉路スイッチング状態で動作することが可能である。コントローラが電気機械スイッチング回路と結合されている。コントローラは、微小電気機械スイッチの少なくとも１つを一時的開路スイッチング状態に作動させるように構成可能であり、残りの微小電気機械スイッチは、負荷電流を導き、システム動作を中断しないようにするように閉路スイッチング状態を維持する。スイッチの一時的開路スイッチング状態は、スイッチ接点どうしが互いに付着し合うという傾向を回避するのに有効である。
【０００７】
本発明の別の態様は、システム動作中、概して、閉路スイッチング状態で動作する少なくとも１つの微小電気機械スイッチで構成可能である微小電気機械システムスイッチング回路を含むシステムを提供する。コントローラが、微小電気機械スイッチを一時的開路スイッチング状態に作動させるように電気機械スイッチング回路と結合されている。過電流保護回路が、微小電気機械システムスイッチング回路と並列回路で接続可能である。過電流保護回路は、一時的開路スイッチング状態の間、電気的導電経路を瞬間的に形成するように構成可能である。電気的導電経路は、微小電気機械システムスイッチング回路と並列回路を形成し、スイッチが閉路スイッチング状態から一時的開路スイッチング状態に入るように遷移すると、スイッチの接点を通る電流フローを回避するようになされる。さらには、経路は、スイッチが一時的開路スイッチング状態から閉路スイッチング状態に戻ると、スイッチの接点の両端間の電圧レベルを崩壊するようになされる。
【０００８】
本発明のこれらならびに他の特徴、態様および利点は、図面全体を通して同様の文字が同様の部分を示す添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むと、より理解されることになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の１つまたは複数の実施形態により、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチング回路を含むシステムが本明細書に説明されることになる。以下の詳細な説明では、多数の特定の詳細が、本発明の様々な実施形態を十分に理解することを可能にするために記載される。しかし、当業者には、本発明の実施形態はこれらの特定の詳細がなくても実施可能であること、本発明は示された実施形態に限定されないこと、および本発明は様々な代替の実施形態において実施可能であることが理解されよう。他の例においては、よく知られている方法、手順および構成要素は、詳細には説明されない。
【００１０】
さらには、様々な動作は、本発明の実施形態を理解するのに役立つように実行される複数の個別の段階として説明される場合がある。しかし、説明の順序はこれらの動作が示された順序で実施される必要があると解釈されるべきではなく、さらには、それらが順序に依存しているとも理解されるべきではない。さらには、語句「一実施形態では」を繰り返して使用することは、それが可能であっても、必ずしも同一の実施形態を示すとは限らない。最後に、本出願に使用される用語「備える」、「含む」、「有する」などは、特に指示がない限り、同義であると意図される。
【００１１】
図１は、本発明の態様による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのスイッチングシステム１０の実施形態例のブロック図を示している。現在、ＭＥＭＳは、一般に、例えば、複数の機能的に別個の要素、例えば、機械要素、電気機械要素、センサ、アクチュエータ、および電子装置を、微細加工技術による１つまたは複数の基板上に集積することができるミクロン規模の構造を示す。しかし、ＭＥＭＳデバイスにおいて現在利用できる多くの技術および構造は、わずか数年の間には、ナノテクノロジーベースのデバイス、例えば、サイズを１００ナノメートルよりも小さくすることが可能である構造により、利用できるようになることが考えられる。したがって、たとえ本文献全体を通して説明される実施形態例が、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステムを示すことがあっても、本発明の発明的態様は広義に解釈されるべきであり、ミクロンサイズのデバイスに限定されるべきでないものと考えられる。
【００１２】
図１に示されるように、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１０は、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１２を含む。例えば、回路遮断器の用途では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１２は、システム動作中、負荷回路電流を導くように、概して、閉路スイッチング状態で動作する複数の微小電気機械スイッチで構成可能である。したがって、このようなスイッチは、接点吸着を起こしやすい可能性がある。さらに図１に示されるように、コントローラ１４がＭＥＭＳベースのスイッチング回路１２と結合されている。
【００１３】
図２に示されるように、コントローラ１４は、微小電気機械スイッチ（例えば、スイッチＳｉ）の少なくとも１つを一時的開路スイッチング状態に作動させるように構成可能であり、スイッチＳ１、Ｓ２からＳｉ−１、およびＳｉ＋１からＳｎなど、残りの微小電気機械スイッチは、負荷回路電流（Ｉｌ）を導き、システム動作を中断しないようにするために、閉路スイッチング状態を維持する。本発明の発明者らは、スイッチのこのような一時的開路スイッチング状態（例えば、数マイクロ秒程度）は、スイッチ接点どうしが互いに付着し合うという傾向を回避するのに有効であることを認識した。一時的開路スイッチング状態に同時に設定可能であるスイッチの数が１つのスイッチに制限される必要のないことは理解されよう。実施形態の一例では、この数は、一時的開路状態に設定されたスイッチの数により、負荷回路電流の増分レベルを搬送するために閉路状態を維持するスイッチの能力に基づくことが可能である。すなわち、閉路状態を維持するスイッチは、それらが、通常、搬送する負荷電流に加えて、一時的開路状態に設定されたスイッチの数により、示された電流の増分レベルを搬送することになる。図示の例では、スイッチＳ１、Ｓ２からＳｉ−１、およびＳｉ＋１からＳｎは組合せで、スイッチＳｉが一時的開路状態に設定されているため、負荷回路電流の増分レベルを（それらが、通常、搬送する負荷電流に加えて）搬送できなくてはならない。直列回路構成、または並列と直列回路の微小電気機械スイッチの組合せは、本発明の態様から等しく便益を享受することができるので、本発明の態様は、微小電気機械スイッチの並列回路構成に限定されないことが理解されよう。
【００１４】
一実施形態例では、コントローラ１４が、複数の微小電気機械スイッチの少なくとも１つの個別の微小電気機械スイッチを一時的開路スイッチング状態に作動させるようにスイッチングアルゴリズムを実行するように構成可能である。典型的には、このスイッチは、一時的開路スイッチング状態に所定の時間期間にわたって（例えば、数週間、数日程度などの）、以前に作動したことのないスイッチになる。図示の例に戻ると、スイッチＳｉが所定の時間期間にわたって、一時的開路状態に既に設定されていた場合、任意のスイッチ（または、まだ作動したことのないスイッチ）が、一時的開路状態に設定されるべきである。一時的開路スイッチング状態へのこのような少なくとも１つの個別の微小電気機械スイッチの作動が起こりながら、別の残りの微小電気機械スイッチは、システム動作を中断しないようにするために閉路スイッチング状態を維持することになる。例えば、現在、スイッチＳ１およびＳ２が一時的開路スイッチング状態に設定されたスイッチである場合、閉路スイッチング状態の残りの微小電気機械スイッチは、スイッチＳ３（図示せず）からＳｎになる。
【００１５】
一実施形態例では、コントローラ１４が、所定の時間期間にわたって、スイッチングアルゴリズムを選択的に実行するように構成され、それにより、最終的には、複数のスイッチのそれぞれが、このような時間期間にわたって、一時的開路スイッチング状態に少なくとも１回は作動するようになる。スイッチングアルゴリズムにより、微小電気機械システムスイッチング回路のそれぞれのスイッチは、それぞれのスイッチ接点が互いに付着し合うという傾向を回避するように作動したことが確実にされることになる。
【００１６】
図３に示される一実施形態例では、過電流保護回路１５などの回路は、微小電気機械システムスイッチング回路と結合可能である。過電流保護回路１５は、平衡ダイオードブリッジおよびパルス回路を含むことが可能である。さらには、過電流保護回路１５は、ＭＥＭＳスイッチの接点間のアーク形成を抑制しやすくするように構成可能である。過電流保護回路１５は、交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）に応答して、アーク形成を抑制しやすくするように構成可能であることに留意されたい。
【００１７】
アーク形成の抑制に関連して背景情報を希望する読者のために、２００５年１２月２０日に出願された米国特許出願第１１／３１４，３３６号（代理人整理番号１６２７１１−１）を参照し、本出願に全体的に引用して援用する。前述の出願には、微小電気機械システムの接点間のアーク形成を抑制するようになされた回路およびパルス技術を含む高速の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのスイッチングデバイスが記載されている。このような出願において、アーク形成の抑制は、このような接点を流れる電流を効率的にシャントすることによって達成される。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、過電流保護回路１５は、一時的開路状態に作動している微小電気機械スイッチのそれぞれの接点を通る電流フローを回避するように構成可能である。例えば、電流フローは、このようなスイッチのそれぞれが閉路スイッチング状態から一時的開路スイッチング状態に入るように遷移すると、迂回される（例えば、シャントされる）。さらには、過電流保護回路１５は、一時的開路状態に作動している微小電気機械スイッチのそれぞれの接点の両端間の電圧レベルを崩壊させるように構成可能である。例えば、電圧レベルは、このようなスイッチのそれぞれが一時的開路スイッチング状態から閉路スイッチング状態に戻ると、このような崩壊をもたらすことになる。
【００１９】
特定の実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１２は、例えば、単一のパッケージ１６内に、過電流保護回路１５と共に全体的に集積可能である。他の実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１２の特定の部分または構成要素のみが、過電流保護回路１５と共に集積可能である。
【００２０】
概して、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路は、そのスイッチング接点の両端間に電圧が存在する場合には、導電スイッチング状態に閉路されるべきではなく、また、このような回路は、このような接点に電流が通過する間には、非導電スイッチング状態に開路されるべきではない。前述の問題を回避するＭＥＭＳに適合可能なスイッチング技術の一例は、前述の特許出願に記載されているパルス形成技術であることが可能である。
【００２１】
ＭＥＭＳに適合可能なスイッチング技術の別の例は、ソフトスイッチングまたはポイントオンウェーブスイッチングを行い、それによって、スイッチング回路１２内の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチは、スイッチング回路１２全体の電圧がゼロのとき、またはゼロに非常に近いときに閉路可能であり、スイッチング回路１２を通る電流がゼロであるとき、またはゼロに近いときに開路可能になるように、スイッチングシステムを構成することによって達成可能である。このような技術に関する背景情報を希望する読者のために、２００５年１２月２０日に出願された米国特許出願第１１／３１４，８７９号（代理人整理番号１６２１９１−１）の「Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｂａｓｅｄ  Ｓｏｆｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」という表題の特許出願を参照する。
【００２２】
スイッチング回路１２全体の電圧がゼロである時点、またはゼロに非常に近い時点で、１つまたは複数のスイッチを閉路することにより、このようなスイッチが一時的開路状態に指示されるとき、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電界を低く維持することによって、プリストライクアーク放電が回避可能である。先に触れ、図５に示されるように、コントローラ１４は、スイッチング回路１２の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの開路および閉路を、適切なゼロ交差検出回路１６により検出可能である交流電源電圧または交流負荷回路電流のゼロ交差の発生と同期化するように構成可能である。
【００２３】
次に、図４に戻ると、図３に示される例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの回路図１８が過電流保護回路の一実施形態例により示されている。図示の実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１の接点２２、第２の接点２４、および第３の接点２６を有するものとして示されている。一実施形態では、第１の接点２２はドレインとして構成可能であり、第２の接点２４はソースとして構成可能であり、第３の接点２６はゲートとして構成可能である。さらには、図４に示されるように、電圧スナバ回路３３がＭＥＭＳスイッチ２０と並列に結合可能であり、高速な接点分離の間、電圧オーバシュートを制限するように構成可能であり、それは以下に詳細に説明する。特定の実施形態では、スナバ回路３３は、スナバ抵抗器（図示せず）と直列に結合されたスナバコンデンサ（図示せず）を含むことが可能である。スナバコンデンサは、ＭＥＭＳスイッチ２０の開路を順序付ける間、過渡電圧共有の改善をしやすくすることが可能である。さらには、スナバ抵抗器は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉路動作中、スナバコンデンサによって生成される電流のいずれのパルスも抑制することが可能である。一実施形態例では、スナバ３３は、１つまたは複数のタイプの回路、例えば、Ｒ／Ｃスナバ、および／または固体スナバ（金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）など）、または任意の適切な過電圧保護回路、例えば、コンデンサに給電するように結合された整流器を備えることが可能である。好ましくは、スナバコンデンサは、インダクタンスの問題を回避するようにそれぞれのダイ上に構成されるべきである。
【００２４】
本技術の別の態様によれば、電動機または電気モータなど、負荷回路４０は、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と直列に結合可能である。負荷回路４０は、交流電圧（ＡＣ）または直流電圧（ＤＣ）４４など、適切な電圧源ＶＢＵＳに接続可能である。加えて、負荷回路４０は、負荷インダクタンス４６ＬＬＯＡＤを含むことが可能であり、ここで、負荷インダクタンスＬＬＯＡＤ４６は、負荷回路４０によって見られる複合の負荷インダクタンスおよびバスインダクタンスを示している。また、負荷回路４０は、負荷回路４０によって見られる複合負荷抵抗を示す負荷抵抗ＲＬＯＡＤ４８を含むことが可能である。参照番号５０は、負荷回路４０と第１のＭＥＭＳスイッチ２０とを流れることが可能である負荷回路電流ＩＬＯＡＤを示す。
【００２５】
図示の実施形態では、平衡ダイオードブリッジ２８が、第１の分岐２９および第２の分岐３１を有するものとして示されている。本明細書に使用されるとき、用語「平衡ダイオードブリッジ」を使用して、第１の分岐２９と第２の分岐３１の両端間の電圧降下が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示す。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の分岐２９は、第１の直列回路を形成するように、一緒に結合された第１のダイオードＤ１  ３０および第２のダイオードＤ２  ３２を含むことが可能である。同様にして、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の分岐３１は、第２の直列回路を形成するように、一緒に動作可能に結合された第３のダイオードＤ３  ３４および第４のダイオードＤ４  ３６を含むことが可能である。平衡ダイオードブリッジ２８内のダイオード要素のそれぞれは、ただ１つの個別ダイオードではなく、並列の複数のダイオードで構成可能であることが理解されよう。このタイプのマルチダイオード構成により、ダイオードブリッジの分岐内の抵抗が低減されやすくなることが可能である。
【００２６】
一実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、平衡ダイオードブリッジ２８の中点の両端間に並列に結合可能である。平衡ダイオードブリッジの中点は、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の中点、および第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の中点を含むことが可能である。さらには、第１のＭＥＭＳスイッチ２０および平衡ダイオードブリッジ２８は、平衡ダイオードブリッジ２８、および具体的には、ＭＥＭＳスイッチ２０への接続によって生じる寄生インダクタンスを最小限に抑えることを容易にするために、堅くパッケージされることが可能である。本技術の例示的な態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０および平衡ダイオードブリッジ２８は、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、Ｌが寄生インダクタンスを示す場合、Ｌ＊ｄｉ／ｄｔ電圧を生成するように、互いに対して位置決めされることに留意されたい。発生する電圧は、ＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフの間、ダイオードブリッジ２８への負荷電流の移動を伝送するとき、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２２とソース２４との両端間の電圧の数パーセント未満であってよく、以下に、より詳細に説明することにする。一実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、平衡ダイオードブリッジ２８と共に、単一のパッケージ３８内に、または適宜、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抑える意図で同一のダイ内に集積可能である。一例として、図４は、ダイオードブリッジと結合された１つのＭＥＭＳスイッチを示している。概して、並列および／または直列回路内の複数のスイッチは、ダイオードブリッジと結合可能である。
【００２７】
加えて、過電流保護回路１５は、平衡ダイオードブリッジ２８と関連して動作可能に結合されたパルス回路５２を含むことが可能である。パルス回路５２は、スイッチ状態を検出し、スイッチ状態に応答して、ＭＥＭＳスイッチ２０の開路を開始するように構成可能である。本明細書に使用されるとき、用語「スイッチ状態」は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を変えることをトリガする状態を示す。例えば、スイッチ状態は、ＭＥＭＳスイッチ２０の第１の閉路状態を第２の開路状態に、またはＭＥＭＳスイッチ２０の第１の開路状態を第２の閉路状態に変えることを結果的にもたらすことが可能である。スイッチ状態は、回路不良、回路過負荷、またはスイッチＯＮ／ＯＦＦ要求を含むが、それらに限定されないいくつかの動作に応答して生じることが可能である。
【００２８】
パルス回路５２は、パルススイッチ５４およびパルススイッチ５４と直列結合されたパルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ  ５６を含むことが可能である。さらには、パルス回路はまた、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ＬＰＵＬＳＥ  ５８および第１のダイオードＤｐ  ６０を含むことが可能である。パルスインダクタンスＬＰＵＬＳＥ  ５８と、ダイオードＤｐ  ６０と、パルススイッチ５４と、パルスコンデンサＣＰＵＬＳＥ  ５６とは、パルス回路５２の第１の分岐を形成するように直列に結合可能であり、ただし、第１の分岐の構成要素は、パルス電流の整形および時間的調節をしやすくするように構成可能である。また、参照番号６２は、パルス回路５２を流れることができるパルス回路電流ＩＰＵＬＳＥを示す。
【００２９】
本発明の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチ２０は、電流を搬送していない、またはゼロに近い電流を搬送しながら、第１の閉路状態から第２の開路状態に、高速（例えば、マイクロ秒程度）に切替え可能である。これは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端間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とを組み合わせて動作することにより達成可能である。
【００３０】
図６は、過電流保護回路が、微小電気機械システムスイッチング回路と並列回路で利用される場合、スイッチが一時的開路状態に設定されているとき、生成可能である時間の関数としての波形例のグラフを示す。コントローラは、スイッチングアルゴリズムが実行されるとき、任意の一時的開路スイッチング状態の間、過電流保護回路が電気的導電経路を瞬間的に形成するために発火されるかどうかを選択的に制御するように構成可能であることに留意されたい。例えば、このような発火が、ダイオードブリッジの分岐に起こることのある電圧不平衡により、望ましくない状況になる可能性がある。
【００３１】
このような過電流保護回路および対応するパルス技術は、本発明の態様が、いずれのこのようなパルス技術もなしに、またはいずれのゼロ交差技術も利用せずに実施可能であるので、本発明の態様を実施するための必要条件ではないことを改めて述べておきたい。さらには、コントローラは、スイッチングアルゴリズムが実行されるとき、任意の一時的開路スイッチング状態の間、過電流保護回路が電気的導電経路を瞬間的に形成するように設定されるかどうかを選択的に制御するように構成可能である。あるいは、本発明の態様は、ゼロ交差およびパルス技術の両方を利用することが可能である（しかし、利用する必要はない）技術との組合せで、実施可能である。
【００３２】
図６では、波形１００は、一時的開路状態に設定されているスイッチのゲートに与えられるゲーティング（例えば、作動）信号を示している。波形１０２は、パルス回路からのパルス電流を示している。波形１０４は、定常負荷電流を示している。時間間隔ＩおよびＶは、標準システム動作を示している。すなわち、スイッチは閉路され、回路負荷電流は、定常状態であることが可能である。時間間隔ＩＩは、一時的スイッチ開路およびパルス発火の開始を示している。時間間隔ＩＩＩは、一時的スイッチ動作を示している。時間間隔ＩＶは、概して閉路の状態へのリターンを示している。一時的スイッチ開路と関連するそれぞれのイベントは、パルス電流が存在している間に起こることが、前述の波形から見てとれるはずである。すなわち、過電流保護回路が、ＭＥＭＳスイッチング回路と並列に電気的導電経路を瞬間的に形成することが可能である間である。
【００３３】
図７は、ゼロ交差検出回路が微小電気機械システムスイッチング回路と共に利用される場合に、スイッチが一時的開路状態に設定されているとき、生成可能である時間関数としての波形例を示すグラフである。図７では、波形２００は、一時的開路状態に設定されているスイッチのゲートに与えられるゲーティング（例えば、作動）信号を示している。波形２０２は、ゼロ交差を含むＭＥＭＳスイッチング回路全体の電圧を示している。第１のゼロ交差と同期しているターンオフ遷移２０４が一時的スイッチ開路の開始を示していることに留意されたい。第２のゼロ交差と同期しているターンオン遷移２０６が、概して閉路の状態へのリターンを示していることに留意されたい。
【００３４】
本発明の特定の特徴のみを図示し、本明細書に説明してきたが、多くの修正形態および変態形態が当業者には思いつくであろう。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内にあるものとして、このような修正形態および変形形態のすべてをカバーするように意図されていることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本技術の態様による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。
【図２】図１のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムと接続している回路例の詳細を示す図である。
【図３】過電流保護回路を含むことが可能である例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。
【図４】図３のＭＥＭＳベースのスイッチングシステムと接続している回路の詳細を示す回路図である。
【図５】ゼロ交差検出回路を含むことが可能である例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。
【図６】接点吸着しないようにするために、スイッチが一時的開路状態に設定されているとき、図３および４の例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムにおいて展開することが可能である波形例を示すグラフである。
【図７】ゼロ交差検出回路が微小電気機械システムスイッチング回路と共に利用される場合、展開することが可能である波形例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１２  ＭＥＭＳベースのスイッチング回路
１４  コントローラ
１５  電流保護回路
１６  ゼロ交差検出回路
１８  ＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの回路図
２０  第１のＭＥＭＳスイッチ
２２  第１の接点（ドレイン）
２４  第２の接点（ソース）
２６  第３の接点（ゲート）
２８  平衡ダイオードブリッジ
２９  第１の分岐
３０  第１のダイオードｄ１
３１  第２の分岐
３２  第２のダイオードｄ２
３３  電圧スナバ回路
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
４６  負荷インダクタンス
４８  負荷抵抗
５０  負荷電流
５２  パルス回路
５４  パルススイッチ
５６  パルスコンデンサ
５８  パルスインダクタンス
６０  第１のダイオード
６２  パルス電流
１００  波形
１０２  波形
１０４  波形
２００  波形
２０２  波形
２０４  ターンオフ遷移
２０６  ターンオン遷移
【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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