断路器是被设计用来保护电设备免受由电路中的故障导致的损害的电装置。传统地，大多数常规断路器包括大体积的机电开关。不幸的是，这些常规断路器尺寸巨大从而需要使用巨大的作用力来激活开关机构。因此，常规断路器的远程可操作性包括能产生用于激活的巨大作用力的大型附加机械系统。另外，这些断路器的开关一般以相对低的速度操作。此外，这些断路器复杂而不利于建造，且因此制造昂贵。另外，当常规断路器内的开关机构的接触部被物理分开时，典型地在接触部之间形成电弧并且该电弧继续携载电流直到电路中的电流终止。而且，对于设备和人两者而言，与电弧相关联的能量一般都是所不希望有的。
接触器是被设计用来根据命令接通和关断电负载的电装置。传统地，机电接触器被用于控制装备中，其中机电接触器能够处理在它们的中断容量以内的开关电流。机电接触器也可以应用在电力系统中以用于开关电流。然而，电力系统内的故障电流通常大于机电接触器的中断容量。据此，为了在电力系统应用中使用机电接触器，所希望的可能是通过用在接触器打开之前足够快地行动来中断高于接触器的中断容量的所有电流值处的故障电流的串联装置来支持接触器，以保护接触器免受损害。
以前所构思的用于辅助接触器在电力系统内的使用的解决方案包括真空接触器、真空断续器和空气断路接触器。不幸地是，因为接触器触点被封装在密封的、抽空的外壳内，诸如真空接触器的接触器不适合于容易的目视检查。此外，尽管真空接触器非常适合处理大型电动机、变压器和电容器的开关，但已知的是它们会引起电压上破坏性的瞬变过程，尤其当负载被切断时。
此外，机电接触器一般使用机械开关。然而，因为这些机械开关倾向于以相对慢的速度切换，需要预测技术以估计零点交叉的出现，经常在开关事件将要发生前的数十毫秒。因为许多瞬变过程可能发生在这个时间，这样的零点交叉预测易出错误。
作为慢速的机械和机电开关的备选，快速的固态开关已经被用在高速的开关应用中。如将被意识到的，通过电压或偏压的受控应用，这些固态开关在导电状态和非导电状态之间切换。例如，通过反相偏置固态开关，该开关可以被转变成非导电状态。但是，因为固态开关在它们被切换成非导电状态时，不在接触部之间产生物理间隙，所以它们遭受(experience)泄露电流。此外，由于内部电阻，当固态开关在导电状态中工作时，它们遭受压降。压降和泄漏电流两者都会促使正常工作环境下额外热量的生成，该额外热量可能有害于开关的性能和寿命。而且，至少部分地由于与固态开关相联系的固有的泄漏电流，将它们使用在断路器应用中是不可能的。

本发明示范性的实施例包括远程可操作过流保护设备。该设备可包括整体布置在电流路径上的控制电路以及安置在该电流路径上的微机电系统(MEMS)开关，该MEMS开关响应于该控制电路来辅助通过该电流路径的电流的中断。该设备可进一步包括与该控制电路相信号连接的通信连接，使得该控制电路响应于该通信连接上的控制信号以控制该MEMS开关的状态。
本发明另一个示范性的实施例包括电流路径的远程过流保护方法。该方法可包括通过整体布置在电流路径上的控制电路来测量电流、响应于该控制电路通过MEMS开关来辅助该电流的中断，该MEMS开关安置在该电流路径上，以及基于被传送到该控制电路的控制信号来改变该MEMS开关的状态。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明的情况下，本发明的这些及其它特征、方面以及优点将被更好地理解，在附图中，各处的相同标号表示相同部分，其中：
图1是根据本发明的实施例示范性的基于MEMS的开关系统的框图；
图2是说明基于图1所描述的示范性的基于MEMS的开关系统的示意图；
图3是根据本发明的实施例并作为图1所描述的系统的备选的示范性的基于MEMS的开关系统的框图；
图4是说明图3所描述的示范性的基于MEMS的开关系统的示意图；
图5是根据本发明的实施例的示范性远程可操作过流保护设备的框图；
图6是根据本发明的实施例的示范性远程可操作过流保护设备的框图；以及
图7是根据本发明的实施例的包括多个远程可操作过流保护设备的示范性系统的框图。

在以下的详细说明中，为了提供对本发明的不同实施例的全面理解，阐明了许多特定的细节。然而，本领域技术人员将理解本发明的实施例可以被实施而无需这些特定的细节，本发明并不局限在所描述的实施例，以及本发明可以以各种备选的实施方式来实施。在其它实例中，众所周知的方法、步骤以及组件没有被详细描述。
图1示出了根据本发明的一些方面的示范性的无电弧的基于MEMS的开关系统10的框图。当前，MEMS一般指微米级的(micron-scale)结构，举例来说，其能够集成大量功能相异的元件。这样的元件包括，但不限于，通过微加工技术的公用机械衬底上的机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子仪器。但是，所预期的是当前在MEMS装置中可用的许多技术和结构在仅仅几年之后将通过基于纳米技术的装置(，即尺寸上可能小于100纳米的结构)而可用。据此，即使贯穿本文件所描述的示例实施例可能指基于MEMS的开关装置，但应认为本发明有创造性的方面应被广义地解释而不应被限制在微米尺寸的装置。
如图1所示，无电弧的基于MEMS的开关系统10被示为包括基于MEMS的开关电路12和电弧抑制电路14，其中电弧抑制电路14(备选地指混合式无电弧限制技术(HALT))可操作地耦合到基于MEMS的开关电路12。在本发明的示范性实施例中，基于MEMS的开关电路12可以整体上与电弧抑制电路14集成在单个封装16中。在另外的示范性实施例中，只有基于MEMS的开关电路12的特定部分或组件可以与电弧抑制电路14一起被集成。
在如将要参考图2更详细描述的、当前所设想的配置中，基于MEMS的开关电路12可以包括一个或多个MEMS开关。另外地，电弧抑制电路14可以包括平衡二极管桥和脉冲电路。此外，电弧抑制电路14可以被配置用来辅助抑制一个或多个MEMS开关的接触部之间的电弧形成。可以注意到，电弧抑制电路14可以被配置为响应于交流电流(AC)或直流电流(DC)而辅助抑制电弧形成。
现在转到图2，根据实施例示出了图1所描述的示范性的无电弧的基于MEMS的开关系统的示意图18。如参考图1所注意的，基于MEMS的开关电路12可以包括一个或多个MEMS开关。在示出的的示范性实施例中，第一MEMS开关20被表示为具有第一接触部22、第二接触部24和第三接触部26。在一个实施例中，第一接触部22可以被配置作为漏极，第二接触部24可以被配置为源极而第三接触部26可以被配置为栅极。此外，如图2所示，电压缓冲电路33可以与MEMS开关20并联耦合，并且被配置用来在快速的接触部分开期间限制电压过冲(overshoot)，在下文中将更详细解释。在另外的实施例中，缓冲电路33可以包括与缓冲电阻器(见图4，附图标记78)串联耦合的缓冲电容器(见76，图4)。缓冲电容器可以有助于改进MEMS开关20的打开排序期间的瞬变电压分担。另外，缓冲电阻器可以抑制在MEMS开关20的关闭操作期间由缓冲电容器产生的任何电流脉冲。在又一个另外的实施例中，电压缓冲电路33可以包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示出)。
根据本技术另外的方面，负载电路40可以与第一MEMS开关20串联耦合。负载电路40可以包括电压源VBUS44。另外，负载电路40还可以包括负载电感LLOAD 46，其中负载电感LLOAD 46表示由负载电路40所观察到的组合负载电感和总线电感。负载电路40还可以包括负载电阻RLOAD48，其中负载电阻RLOAD48表示由负载电路40所观察到的组合负载电阻。附图标记50表示可以流过负载电路40和第一MEMS开关20的负载电路电流ILOAD。
如参考图1所注意的，电弧抑制电路14可以包括平衡二极管桥。在示出的实施例中，平衡二极管桥28被描述为具有第一支路29和第二支路31。如这里所使用的，术语“平衡二极管桥”被用来表示以使第一和第二支路29、31两者上的电压降大体上相等的这种方式所配置的二极管桥。平衡二极管桥28的第一支路29可以包括耦合在一起以形成第一串联电路的第一二极管D130和第二二级管D232。以相似的方式，平衡二极管桥28的第二支路31可以包括可操作地耦合在一起以形成第二串联电路的第三二极管D334和第四二极管D436
在示范性实施例中，第一MEMS开关20可以并联跨接地耦合到平衡二极管桥28的中点。平衡二极管桥的中点可以包括位于第一和第二二极管30、32之间的第一中点及位于第三和第四二极管34、36之间的第二中点。此外，第一MEMS开关20和平衡二极管28可以被紧密地封装以有助于最小化由平衡二极管桥28以及尤其是由到MEMS开关20的连接所引起的寄生电容。必须注意到，根据本技术的示范性的诸方面，第一MEMS开关20以及平衡二极管桥28被相对于彼此放置，使得第一MEMS开关20和平衡二极管桥28之间固有的电感产生di/dt电压，在MEMS开关20关断期间该电压比MEMS开关20在携载要传递到二极管桥28的电流负载时漏极22和源极24之间的电压小几个百分点，这将在下文中更详细描述。在另外的实施例中，为了最小化使MEMS开关20和二极管桥28相互连接的电感，第一MEMS开关20可以与平衡二极管桥28一起被集成在单个封装38内或者可选地在同一个小片(die)内。
另外地，电弧抑制电路14可以包括可操作地与平衡二极管桥28相关联耦合的脉冲电路52。脉冲电路52可以被配置用来检测开关条件以及响应于该开关条件而启动MEMS开关20的打开。如这里所使用的，术语“开关条件”指触发改变MEMS开关20的当前工作状态的条件。例如，开关条件可能导致将MEMS开关20的第一关闭状态改变成第二打开状态，或者把MEMS开关20的第一打开状态改变成第二关闭状态。开关条件可以响应于包括但不限于电路故障或开关的通/断请求的多个动作而出现。
脉冲电路52可以包括脉冲开关54和串联耦合到脉冲开关54的脉冲电容器CPULSE56。此外，脉冲电路还可以包括脉冲电感LPULSE58和与脉冲开关54串联耦合的第一二极管DP60。脉冲电感LPULSE58、二极管DP60、脉冲开关54以及脉冲电容器CPULSE56可以被串联耦合以形成脉冲电路52的第一支路，其中第一支路的组件可以被配置用来辅助脉冲电流整形与定时。同样，附图标记62表示可以流过脉冲电路52的脉冲电路电流IPULSE。
根据本发明的多个方面，MEMS开关20可以从第一关闭状态迅速地切换(例如，大约皮秒或纳秒)到第二打开状态同时携载电流，即使在接近零的电压处。这可以通过负载电路40和包括平衡二极管桥28的脉冲电路52的组合操作来达成，其中平衡二极管桥28并联跨接地耦合到MEMS开关20的接触部。
现在参考图3，其根据本发明的多个方面示出了示范性软开关系统11的框图。如图3所示，软开关系统11包括可操作地耦合在一起的开关电路12、检测电路70和控制电路72。检测电路70可以被耦合到开关电路12并被配置用来检测负载电路中的交流源电压(下文称“源电压”)或负载电路中的交流电流(下文称之为“负载电路电流”)的零点交叉的出现。控制电路72可以被耦合到开关电路12和检测电路70，并可以被配置用来响应于所检测的交流源电压或交流负载电路电流的零点交叉而辅助开关电路12中一个或多个开关的无电弧切换。在一个实施例中，控制电路72可以被配置用来辅助包括至少部分开关电路12的一个或多个MEMS开关的无电弧切换。
根据本发明的一个方面，软开关系统11可以被配置用来执行软件或波点(point-on-wave)(PoW)切换，由此开关电路12中的一个或多个MEMS开关可以在开关电路12上的电压在0处或非常接近0的时候被关闭，以及在通过开关电路12的电流在0处或接近0时被打开。通过在开关电路12的电压在0处或非常接近0的时候关闭开关，当一个或多个MEMS开关关闭时可以通过保持它们的接触部之间的低电场而避免预电弧闪击(pre-strike arcing)；即使多个开关没有同时全部关闭。相似地，通过在通过开关电路12的电流在0处或非常接近0时打开开关，软开关系统11能够被设计成使得开关电路12中要打开的最后一个开关中的电流落在开关的设计容量内。如以上所提到的，控制电路72可以被配置用来将开关电路12的一个或多个MEMS开关的打开与关闭与交流源电压或交流负载电路电流的零点交叉的出现同步。
转到图4，图3的软开关系统11的一个实施例的示意图19被示出。根据所示的实施例，示意图19包括开关电路12、检测电路70和控制电路72的一个例子。
尽管为了说明的目的，图4仅仅示出了开关电路12中的单个MEMS开关20，但是开关电路12仍然可以包括多个MEMS开关，这取决于，例如软开关系统11的电流和电压处理要求。在示范性的实施例中，开关电路12可以包括开关模块，该开关模块包括以并联配置耦合在一起以便在MEMS开关之间分配电流的多个MEMS开关。在另一个示范性的实施例中，开关电路12可以包括以串联配置耦合以在MEMS开关之间分配电压的MEMS开关阵列。在又一个另外的示范性实施例中，开关电路12可以包括串联配置耦合以同时在MEMS开关模块之间分配电压以及在每个模块中MEMS开关之间分配电流的MEMS开关模块阵列。此外，开关电路12的一个或多个MEMS开关可以被集成到单个封装74内。
示范性MEMS开关20可以包括3个接触部。在示范性的实施例中，第一接触部可以被配置作为漏极22，第二接触部可以被配置作为源极24，而第三接触部可以被配置作为栅极26。在一个实施例中，控制电路72可以被耦合到栅极接触部26以辅助切换MEMS开关20的电流状态。同样，在另外的示范性实施例中，阻尼电路(缓冲电路)33可以与MEMS开关20并联耦合，以延迟MEMS开关20上电压的出现。如所示出的，阻尼电路33可以包括与缓冲电阻器78串联耦合的缓冲电容器76。
MEMS开关20可以与负载电路40串联耦合，如图4进一步所示。在当前所设想的配置中，负载电路40可以包括电压源VSOURCE44，并可以拥有代表性的负载电感LLOAD 46和负载电阻RLOAD48。在一个实施例中，电压源VSOURCE 44(也称为AC电压源)可以被配置用来生成交流源电压以及交流负载电流ILOAD50。
如前面所提到的，检测电路70可以被配置用来检测负载电路40中交流源电压或交流负载电流ILOAD 50的零点交叉的出现。通过电压感测电路80可以感测交流源电压，以及通过电流感测电路82可以感测交流负载电流ILOAD 50。例如，交流源电压和交流负载电流可以连续地或在离散的时期被感测。
可以通过例如使用诸如所示出的零电压比较器84的比较器检测源电压的零点交叉。所感测的电压输入到零电压比较器84。依次，可以生成表示负载电路40的源电压的零点交叉的输出信号88。相似地，也可以通过使用诸如所示出的零电流比较器92的比较器检测负载电流ILOAD 50的零点交叉。电流感测电路82所感测的电流和零电流参考90可以被用作到零电流比较器92的输入。依次，可以生成表示负载电流ILOAD 50的零点交叉的输出信号94。
控制电路72又可以依次使用输出信号88和94以确定何时改变MEMS开关20(或者MEMS开关阵列)的电流工作状态(例如打开或关闭)。更具体地，控制电路72可以被配置用来响应于所检测的交流负载电流ILOAD 50的零点交叉而辅助以无电弧方式打开MEMS开关20来中断或打开负载电路40。另外地，控制电路72可以被配置用来响应于所检测的交流源电压的零点交叉而辅助以无电弧方式关闭MEMS开关20来接通负载电路40。
控制电路72可以至少部分地基于使能信号96的状态而确定是否将MEMS开关20当前的工作状态切换到第二工作状态。例如，在接触器应用中使能信号96可以作为切断电源命令的结果而生成。此外，如所示出的，使能信号96和输出信号88与94可以被用作到双D触发器98的输入信号。在使能信号96被激活后(例如，上升沿触发)，这些信号可以被用来在第一零源电压处关闭MEMS开关20，以及在使能信号96被去活后(例如，下降沿触发)，这些信号可以被用来在第一零负载电流处打开MEMS开关20。对于图4所示的示意图19，每当使能信号96为激活(根据特定的实施，或者高或者低)以及或者输出信号88或者94指示感测的电压或电流为零，可以生成触发信号172。另外，可以通过或非门(NOR)100来生成触发信号172。触发信号102又可以依次通过MEMS栅极驱动器104而被传输以生成栅极激活信号106，该栅极激活信号106可以被用来施加控制电压到MEMS开关20的栅极26(或者MEMS阵列情况下的多个栅极)。
如前面所提到的，为了达成用于特别应用的所期望的电流强度，多个MEMS开关可以被可操作地并联耦合(例如，形成开关模块)以代替单个MEMS开关。MEMS开关的组合容量可以被设计为充分地携载负载电路可能遭受的持续的以及瞬变的过载电流水平。例如，在具有6倍(6X)瞬变过载的10安培RMS电动机接触器的情况下，应有足够的开关并联耦合以携载60安培RMS10秒。使用波点开关以在达到零电流的5微秒内切换MEMS开关，将有160毫安瞬时电流在接触部打开时流过。因此，对那个应用而言，每一个MEMS开关应能够“热切换”160毫安，并且它们中足够多个应被并联放置以携载60安培。另一方面，单个MEMS开关应能够中断将在切换时刻流过的电流量。
图5描述了根据本发明实施例的远程可操作过流保护设备110的框图。设备110可以在用户接口115处接收用户控制输入。用户控制输入可以是来自跳闸调整电位计(trip adjustment potentiometer)的输入、来自人接口(例如，来自按钮接口)的电信号和/或外部控制装备输入/信号的形式。用户控制输入可以被用来控制MEMS开关和提供与跳闸时间曲线有关的可调整性。
如图5中进一步所示，在用户接口115的终端块116处接收三相电源输入114。线电源输入114被馈电给终端块116，然后分别通过(例如，通过电源连接118)到电源电路135和开关电路120。替代地，本地断开121可以被包括在终端块116之后，以允许断开设备110中的三相电源以用于维护或指示设备中电力不足的情况。电源电路135执行基本的功能以为附加电路如瞬时抑制、电压缩放和分离、以及电磁干扰(EMI)过滤提供电力。
设备110进一步包括控制电路125。控制电路125可以提供基于时控的决定(例如，设置用于时控的过流的跳闸时间曲线(功能可以被包括在主控制126中)、允许设备110的可编程性或可调整性，控制专用逻辑(126、128)的关闭/再次关闭，等等)。图5进一步示出了HALT电路130。例如，HALT电路130可以相似于或大体相似于图1的电弧抑制电路14。HALT电路130提供电压和电流测量、执行用于瞬间过流保护操作的逻辑，以及提供用于开关操作的能量转移电路。如所示出的，HALT电路130可以包括充电电路132、脉冲电路133和二极管桥134(例如，可以相似于上文中所详细描述的“平衡二极管桥”)。另外，HALT电路130与上文中所描述的脉冲电路52在配置和操作方面是相似的。
图5中进一步示出的是开关电路120。开关电路120可以包括多个开关(举例来说诸如MEMS开关、接触器开关)。然而，如图所示，开关电路120包括开关模块122。开关模块122在配置和操作方面相似于以上所描述的MEMS开关20。开关电路120还可以包括隔离接触器123。隔离接触器123可以提供电流路径的气隙隔离，该电流路径包括线119到线114。这可以备选地被称为“最终隔离”或“保险隔离”。应注意最终隔离的包括是可选的。在下文中，给出了远程可操作过流保护设备110的工作的更详细的描述。
设备110的电力从向设备110馈电的三相电源(例如来自终端块116的线电源)获得。电力可以从输入馈电器114的相位间差分(phase-to-phase differentia1)中引出(例如，从线114通过终端块116和/或本地断开121来馈送给线118)。通过波动抑制组件136馈送所引出的电力。主电源级组件137在各电压处分配电力以向控制逻辑电源级138、HALT电源级139、以及MEMS开关栅极电压级140馈电。
对于触发操作和MEMS开关操作，电流和电压传感器127分别向瞬时过流控制逻辑和主控制逻辑128和126馈电，过流控制逻辑和主控制逻辑又依次控制MEMS开关栅极电压140和HALT电路130的触发电路131。
设备110的电流/电压传感器127监测系统内的电流水平或电压水平。如所实施的，电流/电压检测器可以确定电流/电压水平是否已经不同于预先确定或期望的值。应注意到，这可以是为设备110设置或配置的任何值。在所监测的电流/电压水平的确不同于预先确定或期望的值的情况下，在瞬时过流逻辑128处生成故障信号以指示系统确定的、电压/电流水平的变化已经被检测到。其后，故障信号被传递到触发电路131，而触发电路启动HALT电路130处的过流保护脉冲操作。脉冲操作涉及脉冲电路133的激活，它的激活导致LC脉冲电路关闭。如果LC脉冲电路133已经被关闭，脉冲电路的电容通过平衡二极管桥134放电。通过二极管桥134的脉冲电流产生由此引起的开关模块122的MEMS阵列开关上的短路，以及把能量从MEMS阵列转移到二极管桥(见图2和5)。所以，在保护脉冲操作下，开关模块122的MEMS开关可以被打开而不形成电弧。
图5中进一步所示的是通信连接124。通信连接124与控制电路125相信号连接。所以，控制电路125响应于通信连接上的控制信号来控制MEMS开关的状态。例如，逻辑电平信号可以被放置在通信连接124上。逻辑电平信号可以通过控制电路125激活开关模块122的(一个或多个)MEMS开关的工作状态。所以，通过从相对于MEMS开关在空间上偏移的位置所产生的并被导向通信连接的远程控制信号，MEMS开关的远程可操作性是可能的。如这样的，可以通过通信连接124发送逻辑电平信号，以设置、重置、复位，例如过流保护设备110。注意尽管已经参考逻辑电平信号描述了前面的操作，但其它适当的信号和/或信号电平也可用于本发明示例性的实施例。以下参考图6给出了对设备110的远程可操作性的进一步描述。
图6描述了可操作地连接到通信连接124的电路150。电路150可以大体上相似于上文所描述的控制和开关电路72和12，和/或125和120。所以，电路150被配置用来测量与流过电流路径114到141的电流相关的参数，以及被配置用来将所测量的参数与对应于一个或多个定义的跳闸事件的那些(参数)来进行比较，举例来说诸如电流量和过流事件的时间。响应于流过导电路径114到141的电流的参数，诸如具有足够大幅度的电流的瞬时增加来指示短路，电路150可以启动电流路径114到141的中断。例如，中断可能大体上相似于以上参考图1-4所描述的操作。另外，响应于参数，诸如具有小于短路的幅度的电流的增加的定义持续时间，其可能指示定义的时控过流故障，电路150可以同样地启动电流路径114到141上的电流的中断。在中断之后，电路150可以通过通信连接124上的信号被重置。相似地，可以通过通信连接124上的信号使电路150跳闸。所以，电路150提供过流保护的远程可操作性。图6中进一步示出的是隔离接触器123。这样的接触器是可选的且仅仅因为示意的目的而被包括。
应理解，本发明的示例实施例不限于单个的远程可操作设备。在一些示例实施例中，系统包括多个过流保护设备。图7是包括多个根据本发明实施例的远程可操作过流保护设备的示范性系统的示意图。
如图7所示，多个远程可操作过流保护设备110通过通信连接124相互连接。每一个设备110可以控制不同电源线馈电的中断，或者甚至相同的电源馈电。如图所示，可以包括任何数量的设备110。此外，尽管图7描述了一个通信连接124，应当理解的是可以使用任何数量的通信连接来促进设备110的个体或组操作。所以，根据本发明的示例实施例，多个过流保护设备可以被远程地控制。
尽管已经参考示范性的实施例描述了本发明，本领域技术人员应当理解，可以做出不同的变化并且其中的元件可以被等同物替代，而不偏离本发明的范围。另外，根据本发明的教导，可以为了适应特定的情形或原料来做出许多修改，而不脱离其本质范围。所以，本发明不限于作为为执行本发明所设想的最佳或唯一方式被公开的特定实施方式，而且本发明将包括落在所附的权利要求范围内的所有实施方式。同样，在附图和说明书中已公开本发明的示范性实施例而且，尽管使用专门的术语，但除非另有声明，否则它们仅仅以普通和描述方式被使用，而非用于限制的目的，所以本发明的范围并未被如此限制。此外，第一、第二等等这些术语的使用并不表示任何顺序或重要性，而只是第一、第二等等这些术语被用于将一个元件与另一个区分开来。此外，一、一个等术语的使用也不表示数量的限制，而只是表示所引用的项目中至少一个的存在。