Protection of micro-electromechanical switch connected in series and parallel

本発明は、一般的に云えば、スイッチング装置の保護に関し、より具体的には、超小型電気機械システム利用のスイッチング装置の保護に関するものである。

回路遮断器は、回路内の障害によって惹起される損害から電気機器を保護するように設計された電気装置である。 従来では、最も通常の回路遮断器は嵩張る電気機械スイッチを含んでいる。 残念なことに、これらの通常の回路遮断器はサイズが大きく、もってスイッチング機構を作動するために大きな力を必要とする。 従って、電力システムの用途に電気機械接触器を用いるためには、接触器の遮断容量を超える全ての電流値で接触器の開放前に障害電流を遮断するように充分高速で作用する直列の装置を用いて接触器を支援することによって、接触器を損傷から保護することが望ましいことがある。

低速の電気機械スイッチの代替物として、高速スイッチング用途で高速のソリッドステート・スイッチが採用されている。 理解されるように、これらのソリッドステート・スイッチは、電圧又はバイアスの制御された印加により導通状態と非道通状態と間で切り換えられる。 例えば、ソリッドステート・スイッチを逆バイアスすることによって、該スイッチは非道通状態に遷移させることができる。

しかしながら、ソリッドステート・スイッチは非道通状態に切り換えられたときに接点間に物理的ギャップを生成しないので、漏洩電流が生じる。 また更に、ソリッドステート・スイッチは、電圧及び電流処理能力を一層高くするように１つ以上のスイッチ・アレイ（配列体）を含む直並列接続形態にして使用される。 しかしながら、このようなスイッチ・アレイは非同期的に開放又は閉成し、その結果として望ましくない大きさの負荷電流がこれらのスイッチを通って流れる。 その結果、負荷電流はスイッチの電流処理能力を超えて、短絡又は溶着を生じさせてスイッチを動作不能にすることがある。 従って、このようなスイッチ・アレイの保護を改善する必要がある。

簡略に述べると、電気的スイッチング装置を提供する。 この電気的スイッチング装置は直列に結合された複数のスイッチ・セットを有し、各々のスイッチ・セットは並列に結合された複数のスイッチを有する。 電気的スイッチング装置は更に、複数のスイッチ・セットに結合されていて、これらのスイッチの開放及び閉成を制御するように構成された制御回路を有する。 電気的スイッチング装置は更に、それぞれの対のスイッチ・セットの間の各々の点を制御回路に結合する１つ以上の中間ダイオードを有する。

別の実施形態では、電気的スイッチ・システムを提供する。 この電気的スイッチ・システムは、該システムを第１のスイッチング状態から第２のスイッチング状態へ切り換えるように構成された超小型電気機械システム・スイッチを含むスイッチング回路を有する。 電気的スイッチング・システムは更に、スイッチング回路に結合された電圧放出回路を有し、この電圧放出回路はスイッチング回路の接点における電圧を放出するように構成される。 電気的スイッチ・システムは更に、電圧放出回路に結合された制御回路を有し、この制御回路はパルス信号を形成するように構成されており、このパルス信号は、スイッチング回路の動作を開始することに関連して電圧放出回路に印加される。

別の実施形態では、電気的スイッチング装置を保護する方法を提供する。 この方法は、制御回路を介して少なくとも一対のダイオードに電流パルスをトリガする段階を有し、該少なくとも一対のダイオードは複数のスイッチ・セットと制御回路との間に結合されている。 本方法は更に、トリガに基づいて少なくとも一対のダイオードをバイアする段階を有する。 本方法は更に、前記対のダイオードをバイアスすることにより複数のスイッチ・セットにかかる電圧を放電させる段階を有する。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳しい説明を読むことによりより良く理解されよう。 図面では、図面全体を通じて同様な参照符号は同様な部品を表す。

図１は、本発明の一面に従った保護回路を含む直列構成にした超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）利用の並列スイッチ・セットのブロック図である。

図２は、模範的な保護回路を含む、図１のＭＥＭＳ利用の並列スイッチ・セットの更に別のブロック図である。

図３は、図２の保護回路に用いられるダイオード対の拡大図である。

図４は、図２で具現化されるようなダイオード対の更に別の実施形態の拡大図である。

本発明の実施形態に従って、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチ利用のスイッチング・アレイにおいて電圧拡縮性を提供する（例えば、所望の電圧定格を満たす）ために用いることができるような、構造及び／又は動作関係を本書で説明する。 典型的には、ＭＥＭＳは、例えば、機械要素、電気機械要素、センサ、アクチュエータ及び電子装置のような多種多様な機能的に別々の要素を、微細加工技術により共通の基板上に集積化することができるミクロン規模の構造を表す。 しかしながら、ＭＥＭＳ装置に現在利用可能である多数の技術及び構造が、ナノ技術（極微小技術）利用の装置、例えば、サイズが１００ナノメートルよりも小さいこともある構造により、利用可能であると考えられる。 更に、本書で表される「ＭＥＭＳ利用のスイッチング装置」は広義に解釈することができ、しかもナノ技術利用の装置又はミクロン・サイズの装置に制限されないことが理解されよう。

図１は、本発明の一面に従った直列構成にしたＭＥＭＳ利用の並列スイッチ・セットのブロック図である。 ＭＥＭＳ利用のスイッチ・セット１０（これはまた、「スイッチング回路」とも呼ぶ）はスイッチ２０を含み、スイッチ２０は、上流側接続部３０を介して電源２８に結合されると共に、下流側接続部３４を介して負荷３２に結合されていて、電源２８と負荷３２との間で電流を導通又は遮断するように構成されている。 スイッチ２０は更に、直列に結合された複数のスイッチ・セット１２、１４、１６及び１８を含み、各々のスイッチ・セットは並列に結合された複数のスイッチを持つ。 本発明の一面では、各々の並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８内の複数のスイッチはＭＥＭＳスイッチを用いて構成される。 例えば、スイッチ・セット１２は、並列に接続された複数のＭＥＭＳスイッチを含む。 図１には、スイッチ２０が複数のＭＥＭＳスイッチ・セットを含むものとして示されているが、スイッチ２０は単一のＭＥＭＳスイッチ・セットで構成してよいことが理解されよう。 並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８は更に、接続部２２、２４及び２６により直列に結合される。 直列に接続された並列スイッチ・セットは、通電容量を増大させ且つ電圧耐力を増大させる利点を持つ。 別の実施形態では、所望の電流及び電圧定格を達成するために５つ以上の並列スイッチ・セットを直列に接続することができる。

再び図１について説明すると、制御回路３６が、端子３８を介して、線路側ダイオード（Ｄ _Ｓ ）４０、負荷側ダイオード（Ｄ _Ｌ ）４２及び中間ダイオード・ブロック５４に結合される。 制御回路３６は、パルスによるスイッチ２０の開放（ターンオフ）及び／又は閉成（ターンオン）の際に（順方向バイアス電圧を供給することによって）ダイオードを制御するように構成されている。 パルス信号の一例は、電流パルス、及び／又はダイオードを順方向バイアスするのに充分な電圧を含むことができる。 制御回路３６は、スイッチング・サイクルの適切な時点に、ダイオード４０、４２、及び中間ダイオード・ブロック５４内のダイオードを順方向バイアスして、ダイオードを導通モードに作動する。 一実施形態では、制御回路３６は、端子３８を介してダイオードを順方向バイアスするための適切な電圧レベルを供給するように構成されている。 一実施形態では、制御回路はハイブリッド・アーク制限技術（ＨＡＬＴ）及び／又はパルス支援ターンオン（ＰＡＴＯ）回路を含む。

一対又は複数対のダイオードが、スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８のそれぞれの対の間の各点と制御回路３６との間に結合される。 線路側ダイオード４０が並列スイッチ・セット１２と制御回路３６との間に結合される。 同様に、負荷側ダイオード（Ｄ _Ｌ ）４２が並列スイッチ・セット１８と制御回路３６との間に結合される。 本発明の一実施形態によれば、線路側ダイオード（Ｄ _Ｓ ）４０及び負荷側ダイオード（Ｄ _Ｌ ）４２は、負荷電流の大部分を担持するように構成される。 図示の実施形態では、中間ダイオード・ブロック５４は中間ダイオード（Ｄ１）４８、（Ｄ２）５０及び（Ｄ３）５２を含み、これらの中間ダイオードは接続部５６、５８及び６０を介してスイッチ・セット１２、１４、１６及び１８の間の各々の点にそれぞれ結合される。 ここで、中間ダイオード（Ｄ１）４８、（Ｄ２）５０及び（Ｄ３）５２は線路側ダイオード（Ｄ _Ｓ ）及び負荷側ダイオード（Ｄ _Ｌ ）に比べて比較的小さい負荷電流を担持することができることが理解されよう。 本発明技術の一面によれば、ダイオード（線路側、負荷側及び中間）は、スイッチ２０が動作（ターンオン及び／又はターンオフ）する時に各々のスイッチ・セット１２、１４、１６及び１８にかかっている電圧を放出(drain) するように構成されているので、電圧放出回路と呼ぶことができる。

スイッチ２０には、線路側では接続部６４を介して、負荷側では接続部６６を介して、また中間の位置では接続部６８、７０及び７２を介して、並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８の間の各々の点で、グレーディング(grading) 回路網６２が結合される。 一実施形態では、グレーディング回路網６２は、スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８にかかる電圧を均等に分布させるように構成される。 模範的な実施形態では、グレーディング回路網６２は、電圧及び電流スパイクからスイッチ２０を保護するように構成される。

次に図２について説明すると、図１のダイオード４０、４２、４８、５０及び５２並びにグレーディング回路網６２の更に詳細な実施形態を示している。 グレーディング回路網６２は更に、複数のブロック８８を含む。 これらのブロック８８の各々は、抵抗８２、コンデンサ８４及び非線形電圧クランプ装置８６を含む。 ブロック８８は、図１に示されているように、スイッチ２０に複数の位置で、すなわち、接続部６４を介して線路側位置で、接続部６６を介して負荷側位置で、並びに接続部６８、７０及び７２を介して中間点で結合される。 グレーディング回路網６２は典型的には、複数のスイッチ・セット１２、１４、１６及び１８にわたって均等に電圧を分布させるのに役立つ。 複数の並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８にかかる電圧が不均等であると、１つのスイッチ・セットの両端間に損傷を生じさせる過大な電圧が生じる虞があることに気付かれよう。 模範的な実施形態では、グレーディング回路網６２の一部分である非線形電圧クランプ装置８６は、「過電圧」とも呼ぶことのできる電圧の急速な変化速度を抑制するように構成される。 非線形装置８６はまた、誘導負荷及び／又は障害の遮断の際に放出されることのある誘導エネルギを吸収するように形成することができる。 非線形装置の例としては、限定するものではないが、バリスタ及び金属酸化物バリスタを挙げることができる。

ＭＥＭＳスイッチのアレイ（配列）がターンオンされるとき、それらのスイッチは全てが正確に同時に閉成することがないことに気付かれよう。 このような非同期のスイッチングにより、単一のスイッチ・セットの閉成が生じて、電源と負荷との間の回路接続が完成し、その結果として、１つのスイッチ・セットに全負荷電流が流れることがある。 単一のスイッチ・セットは、内部の接点を溶接して永久的な損傷を生じさせるような負荷電流を担持するように構成されていないことがある。 制御回路３６は、スイッチ２０のターンオンの際に（線路側、負荷側、及び中間）ダイオードを順方向バイアスするために使用される。 ダイオードについて順方向バイアスは電力回路を完成して、ＭＥＭＳスイッチが閉成しつつある間、且つ負荷回路に電流が生起している間、ＭＥＭＳスイッチにかかる電圧を崩壊させる。 ターンオンの際、接点が閉成される間、パルスが最初に印加される。 接点はパルスの持続期間は閉じており、負荷電流はパルスが終了したときにスイッチを通って流れる。

同様に、ターンオフの際、スイッチ２０の接点が未だ閉成されているが、接触圧力がスイッチ開放プロセスに起因して減少しているとき、スイッチの抵抗が増加する。 抵抗の増加に起因して、前に述べたように、切換えが同期せずに行われた場合に１つのスイッチ・セットに過剰な負荷電流が流れて、その結果として損傷が生じることがある。 制御回路３６は、ターンオフの際に（線路側、負荷側、及び中間）ダイオードを順方向バイアスするように構成されている。 順方向バイアスの結果としてダイオードが導通して、負荷電流をＭＥＭＳスイッチ２０からダイオードへと転流させ始める。 この状態では、ダイオード・ブリッジが負荷回路電流に対して比較的低いインピーダンスの通路を提供して、スイッチ２０を過剰な電流から保護する。 従って、前に述べたように、ターンオン及び／又はターンオフの際、負荷電流を線路側、負荷側及び中間位置においてダイオードへ転流させることができ、このことを以下に詳しく説明する。

線路側ダイオード４０は、電源２８に近い方の位置において制御回路３６とスイッチ２０との間に結合される。 同様に、負荷側ダイオード４２は、負荷に近い方の位置において制御回路３６とスイッチ２０との間に結合される。 線路側ダイオード４０は更に、一般的にターンオン・ダイオード９６及びターンオフ・ダイオード９８と呼ぶ一対のダイオードを含む。 同様に、負荷側ダイオード４２はターンオン・ダイオード１００及びターンオフ・ダイオード１０２を含む。 また更に、中間ダイオード４８、５０及び５２は、並列スイッチ・セット１２，１４，１６，１８の間の中間位置と制御回路３６とに結合される。 中間ダイオード４８、５０及び５２はターンオン・ダイオード１０４，１０８，１１２とターンオフ・ダイオード１０６，１１０，１１４とをそれぞれ含む。

典型的には、線路側ダイオード４０は、スイッチ２０を閉成しようとする（負荷電流を導通させ始める）ターンオンの際にターンオン・ダイオード（９６、１００）が活性化するように構成される。 同様に、ターンオフ・ダイオード（９８、１０２）は、スイッチ２０を開放しようとする（負荷電流の導通を停止させる）ターンオフの際に活性化する。 模範的な実施形態では、ターンオン・ダイオード９６、１００、１０４、１０８及び１１２はターンオン時に順方向バイアスされる。 典型的には、ターンオンの際、各々の並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８の各々の両端間の電圧はゼロであることが望ましく、これはターンオン・ダイオード９６、１００、１０４、１０８及び１１２を順方向バイアスすることによって達成される。 同様に、ターンオフの際、並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８にかかる電圧は、或る特定のスイッチ・セット１２、１４、１６及び／又は１８と減少する負荷電流のための代替の通路（最小抵抗路）とを損傷させる虞のある不均等な電圧分布を避けるために、均等であることが望ましい。 模範的な実施形態では、ターンオフの際にターンオフ・ダイオード９８、１０２、１０６、１１０及び１１４を順方向バイアスすることにより、負荷電流のための代替の通路を提供し且つ並列スイッチ・セット１２、１４、１６及び１８にかかる電圧分布を均等にする。

ここで、当業者には、ダイオードがそれらの動作中に負荷電流を担持すること及び負荷電流と同等の充分な電流定格を必要とすることが理解されよう。 しかしながら、負荷電流の大部分は線路側ダイオード４０及び負荷側ダイオード４２を通って流れることができることに気付かれよう。 従って、線路側ダイオード４０又は負荷側ダイオード４２に比べて相対的に低い定格のダイオードを中間ダイオード４８、５０及び５２として用いることができる。 ここで、ダイオードを順方向バイアスするためにパルスを供給する制御回路３６にかかる負担は、このような相対的に低い定格の中間ダイオード４８、５０及び５２を係合することによって実質的に増加しないことに気付かれよう。 一実施形態では、ダイオード４０、４２、４８、５０及び５２に同じ定格のダイオードが選択される。 しかしながら、線路側ダイオード４０及び負荷側ダイオード４２に複数の並列枝路のダイオードを用いることができる。 別の実施形態では、線路側及び負荷側ダイオード４０及び４２として相対的に高い定格のダイオードを選択することができ、且つ中間ダイオード４８、５０及び５２として相対的に低い定格のダイオードを選択することができる。 しかしながら、制御回路の電流負担を低くするために全てのダイオード（線路側、負荷側及び中間）について低い順方向電圧降下のようなダイオード特性を選択できることに気付かれよう。

図３は、図２に用いられる線路側ダイオード４０の拡大図である。 模範的な実施形態では、線路側ダイオード４０の図示の実施形態（参照数字１２０で表す）は、複数のターンオン・ダイオード９６、１２２及び１２４と複数のターンオフ・ダイオード９８、１２８及び１３０とを含む。 ここで、参照数字１２６及び１３２で表すように、このようなダイオードを多数含むことができることに気付かれよう。 ここに示したダイオード４０は一例である。 更に、ダイオード１２０として示したこのようなダイオード構成は、前に述べた負荷側ダイオード及び中間ダイオードのような他のダイオードにも用いることができる。

図４は、図２で具現化することのできる中間ダイオード４８のような中間ダイオードの一実施形態を示す。 理解されるように、簡単にするために単一の中間ダイオード４８のみを図示しているが、この実施形態は中間ダイオード４８、５０及び５２の各々に用いることができる。 中間ダイオード４８の拡大図はターンオン・ダイオード１０４、１３６及び１３８にそれぞれ結合された直列抵抗１４４、１４６及び１４８を含む。 同様に、直列抵抗１５０、１５２及び１５４がターンオフ・ダイオード１０６、１４０及び１４２にそれぞれ結合されている。 中間ダイオード４８は、前に述べたように、線路側ダイオード４０及び／又は負荷側ダイオード４２よりも小さい負荷電流を担持することができる。 ダイオードと直列に結合された抵抗は更に、中間ダイオード４８、５０及び５２を通って流れることのできる負荷電流を制限する。 また更に、中間ダイオード４８、５０及び５２の電流を制限することはまた、大部分の電流が線路側ダイオード及び／又は負荷側ダイオードを通って流れるとき、制御回路３６についての負荷要件（負担）を低減する。 更に、所要の電流担持能力及び制御回路３６の負荷電流（負担）処理容量に応じて、参照数字１５６及び１５８で示したように並列に複数のダイオード枝路を含むことができる。

有利な点は、本書で述べたようなダイオード配置構成及びグレーディング回路網が、複数のスイッチにわたる電圧分布を均等にするのに役立つことである。 このようなダイオード構成を用いることにより、回路の様々な構成部品の間での漂遊容量及びＲＣ時定数の差の影響が実質的に低減される。 中間ダイオードは、複数のスイッチ構成内の各スイッチにかかる電圧をゼロにクランプするようにする。 更に、中間ダイオードの電流定格の低減により、ダイオードを駆動する制御回路に余分な負担を生じさせないようにすることができる。

これまで本発明の特定の特徴のみを例示して説明したが、当業者には多数の修正及び変更を行えよう。 従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神内に入る全てのこのような修正及び変更を包含することを意図したものである。

１０ ＭＥＭＳ利用のスイッチ・セット ２０ スイッチ ２２、２４、２６ 接続部 ２８ 電源 ３０ 上流側接続部 ３２ 負荷 ３４ 下流側接続部 ３８ 端子 ４０ 線路側ダイオード ４２ 負荷側ダイオード ４８、５０、５２ 中間ダイオード ５４ 中間ダイオード・ブロック ５６、５８、６０ 接続部 ６４ 接続部 ６６ 接続部 ６８、７０、７２ 接続部 ８２ 抵抗 ８４ コンデンサ ８６ 非線形電圧クランプ装置 ８８ グレーディング回路網６２の複数のブロック ９６、１００、１０４、１０８、１１２ ターンオン・ダイオード ９８、１０２、１０６、１１０、１１４ ターンオフ・ダイオード １２０ 線路側ダイオード４０の実施形態 １２２、１２４、１２６ ターンオン・ダイオード １２８、１３０、１３２ ターンオフ・ダイオード １３６、１３８ ターンオン・ダイオード １４０、１４２ ターンオフ・ダイオード １４４、１４６、１４８ 直列抵抗 １５０、１５２、１５４ 直列抵抗 １５６、１５８ 並列に複数のダイオード枝路 １６０ 中間ダイオードの実施形態