为了避免火灾和设备损坏，电气设备和线路必须被保护以避免导致 电流水平在其额定值之上的情况。用损坏发生之前所需要的时间对过流 条件进行分类并将其分成两类：定时过流和瞬时过流。
定时过流故障是不太严重的一类，并且需要保护设备在取决于故障 等级的给定时间段之后停用电路。定时过流故障一般为正好高于额定值 以及最高到8-10倍额定值的电流水平。系统电缆线路和设备可以在一段 时间内应付这些故障，但如果电流水平不降低，则保护设备将停用电路。 一般来说，定时故障是由机械过载的设备或极性相反的线路之间-火线 到火线、火线到地线或火线到零线的高阻抗路径引起的。
瞬时过流，也被称为短路故障，是严重故障，并且涉及8到10倍 额定电流和更高的电流水平。这些故障是由极性相反的线路之间-火线 到火线、火线到地线或火线到零线的低阻抗路径引起的，并且必须立即 从系统中将其消除。短路故障涉及极大的电流，并且可以严重地损坏设 备并危及人员。这些故障在系统上持续的时间越长，则释放的能量越多 并且产生的损坏越大。在短路故障过程中使响应时间最短并从而使通过 能量最小是极其重要的。
断路器是被设计为保护电气设备免受由电路中故障导致的损坏的 电气装置。一般来说，大多数常规断路器包括大体积的电机械开关。不 幸的是，这些常规断路器尺寸大，因而需要使用大作用力来激活开关机 构。另外，这些断路器的开关通常以相对低的速度操作。并且，这些断 路器构造起来不利地较复杂，从而制造起来较昂贵。此外，当常规断路 器内开关机构的接触在物理上分开时，接触之间一般形成电弧，并持续 传导电流直到电路中的电流停止。另外，与该电弧相关的能量通常是设 备和人员所不希望的。
接触器是一种设计为按需要接通和断开电流负载的电器件。传统 上，电机械接触器在控制装置中使用，其中电机械接触器能够处理高达 它们的断续容量的开关电流。电机械接触器也可以在电力系统中找到切 换电流的应用。然而，电力系统中的故障电流通常大于电机械接触器的 断续容量。因此，为了在电力系统应用中采用电机械接触器，可能期望 用一个串联器件来支持它来保护该接触器不受损坏，该串联器件足够快 速动作以在接触器以在接触器的断续容量之上的全值的电流断开之前 中断故障电流。
电气系统目前使用保险丝或断路器来执行过流保护。保险丝依靠热 效应(即，I2t)来操作。它们被设计为电路中的弱点，并且依次越来越 接近负载的各保险丝必须具有越来越小的电流额定值。在短路条件下， 所有的上游保险丝都经受相同的加热能量，并且在设计上最接近故障的 最弱保险丝将第一个操作。然而，保险丝为一次性装置，并且在故障发 生之后必须被更换。
之前设想的解决方案是促进接触器在电力系统中的使用，包括例如 真空接触器，真空断续器和空气断路式接触器。不幸的是，诸如真空接 触器的接触器并不有助于容易的视觉检查，因为接触器末端装入在密封 的，抽空的外壳中。此外，尽管真空接触器很适合于处理大的电动机， 变压器和电容器的开关，已知它们会引起损坏性的瞬态过电压，特别是 当负载被断开时。
此外，电机械接触器一般使用机械开关。然而，由于这些机械开关 趋向于以相对慢的速度开关，需要预测技术以便估计过零的发生，通常 在开关事件要发生前几十毫秒。这种过零预测容易出现错误，因为在该 时间内可能发生很多瞬变。
作为对慢的机械和电机械开关的一种替代，快速固态开关已经在高 速开关应用中被采用。如将理解的，这些固态开关通过受控施加电压或 偏置而在导通和非导通状态之间切换。例如，通过反转偏置固态开关， 开关可以转变到非导通状态。然而，因为固态开关在它们被切换到非导 通状态中时不产生接触之间的物理间隙，它们经受漏电流。此外，由于 内部电阻，如果固态开关在导通状态工作，它们受到电压降。电压降和 漏电流都贡献于在常规工作环境下产生过热，这会影响开关性能和寿 命。此外，至少部分由于与固态开关相关联的固有漏电流，它们在电路 断续器应用中的使用是不实际的。

本发明的示例性实施例包括基于微机电系统(MEMS)微开关阵列 的限流使能的电路中断设备。该设备包括过流保护部件，其中该过流保 护部件包括开关电路，其中该开关电路包括多个微机电系统开关装置。 该设备还包括电路中断部件，其中该电路中断部件与过流保护部件可操 作地联系。
本发明的另一示例性实施例包括用于实施基于MEMS微开关阵列 的限流使能的电路中断设备的方法。该方法包括在物理上关联过流保护 部件与断路器部件，其中过流保护部件包括多个微机电系统开关装置， 并且配置这些微机电系统开关以在断路器部件断路之前断开。该方法进 一步包括监控经过该多个微机电开关系统装置的负载电流的负载电流 值，并确定监控的负载电流值是否不同于预定负载电流值。另外，该方 法包括在监控的负载电流值不同于预定负载电流值的情况下从该多个 微机电开关系统装置转移负载电流。
附图说明
本发明的这些和其他特征，方面和优点在参考附图阅读下列详细描 述时将被更好地理解，贯穿所有附图，附图中相似的符号代表相似的部 件，其中：
图1是根据本发明一实施例的示例性基于MEMS的开关系统的框图。
图2是示出图1所绘示例性基于MEMS的开关系统的示意图。
图3是根据本发明一实施例并且作为图1所绘系统的替换的示例性 基于MEMS的开关系统的框图。
图4是示出图3所绘示例性基于MEMS的开关系统的示意图。
图5是根据本发明实施例的示例性的基于MEMS的过流保护部件的 框图。
图6是根据本发明实施例的示例性的包括断路器的MEMS使能的电 路中断设备的框图。
图7是根据本发明实施例的示例性的包括开关部件的MEMS使能的 电路中断设备的框图。

在以下详细说明中阐述了大量具体细节，以便于提供对本发明不同 实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员可以理解的是，可以在没有 这些具体细节的情况下实施本发明的实施例，本发明不限于所述的实施 例，并且可以以多种替换形式的实施例来实施本发明。在另外一些情况 下，没有详细描述公知的方法、步骤和部件。
另外，不同的操作可以被描述为以有助于理解本发明实施例的方式 来执行的多个分立步骤。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作 需要按照它们被提出的顺序来执行，或者暗示它们甚至是与顺序相关 的。此外，短语“在一实施例中”的重复使用并非必定指的是相同的实 施例，尽管它有可能指的是相同的实施例。最后，本申请中所使用的术 语“包含”、“包括”、“具有”等旨在具有相同的意义，除非另有说 明。
图1示出了根据本发明的方面的、示例的无电弧的基于MEMS的开 关系统10的框图。目前，MEMS一般指例如可集成多种多样的功能性不 同的元件的微米级结构。所述元件包括但不限于通过微制造技术在共同 衬底上的机械元件，电机械元件，传感器，致动器以及电子器件。然而， 预期目前在MEMS器件中可用的很多技术和结构将在仅几年内通过基于 纳米技术的器件而可用，即，尺寸可能小于100纳米的结构。因此，尽 管贯穿本文描述的示例实施例可能参考基于MEMS的开关器件，也主张 本发明的发明性方面应当被宽泛地解释并且不应当限制于微米尺寸的 器件。
如图1所示，无电弧的基于MEMS的开关系统10示出为包括基于 MEMS的开关电路12和电弧抑制电路14，其中电弧抑制电路14，或者称 为混合式无电弧限制技术(HALT)，操作地耦合于基于MEMS的开关电 路12。在本发明的示例性实施例中，基于MEMS的开关电路12可以以其 整体与电弧抑制电路14集成在单个封装16中。在其他实施例中，仅基 于MEMS的开关电路12的特定部分或者组件可以与电弧抑制电路14集 成。
在如将参考图2更详细地描述的目前预期的配置中，基于MEMS的 开关电路12可以包括一个或多个MEMS开关。此外，电弧抑制电路14 可以包括平衡二极管电桥和脉冲电路。此外，电弧抑制电路14可以配 置为，帮助抑制该一个或多个MEMS开关的接触之间的电弧形成。应当 注意，电弧抑制电路14可以被配置为响应于交流(AC)或直流(DC) 来帮助抑制电弧形成。
现在转到图2，示出了根据一实施例的图1所示示例性无电弧的基 于MEMS的开关系统的示意图18。如参考图1所述，基于MEMS的开关电 路12可以包括一个或多个MEMS开关。在所示的实施例中，第一MEMS 开关20被示出为具有第一接触22，第二接触24和第三接触26。在一 个实施例中，第一接触22可以被配置为漏极，第二接触24可以被配置 为源极，第三接触26可以被配置为栅极。此外，如图2中所示，电压 缓冲器电路33可以与MEMS开关20并联，并且配置为在快速接触分离 期间限制电压过冲，如下面将详细描述的。在某些实施例中，缓冲器电 路33可以包括与缓冲电阻器(见附图标记78，图4)串联的缓冲电容 器(见76，图4)。缓冲电容器可以帮助改进在MEMS开关20的断开的 定序期间的瞬态电压共享。此外，缓冲电阻器可以抑制在MEMS开关20 的闭合操作期间缓冲电容器产生的任何电流脉冲。在某些其他实施例 中，电压缓冲器电路33可以包括金属氧化物压敏电阻器(MOV)(未示 出)。
根据本技术的其他方面，负载电路40可以与第一MEMS开关20串 联。负载电路40可以包括电压源VBUS 44。此外，负载电路40还可以包 括负载电感LLOAD 46，其中负载电感LLOAD 46代表了负载电路40看到的组 合的负载电感和总线电感。负载电路40还可以包括负载电阻RLOAD 48， 其代表了负载电路40看到的组合的负载电阻。附图标记50代表了可流 过负载电路40和第一MEMS开关20的负载电路电流ILOAD。
如前面关于图1提到的，电弧抑制电路14可以包括平衡二极管电 桥。在示出的实施例中，平衡二极管电桥28示出为具有第一分支29和 第二分支31。如此处所使用的，术语“平衡二极管电桥”用于代表这样 的二极管电桥，其配置为使得跨第一和第二分支29和31的电压降基本 相等。平衡二极管电桥28的第一分支29可以包括第一二极管D130和 第二二极管D232，它们耦接在一起形成第一串联电路。以相似的方式， 平衡二极管电桥28的第二分支31可以包括第三二极管D334和第四二 极管D4 36，它们操作地耦接在一起形成第二串联电路。
在一个实施例中，第一MEMS开关20可以跨平衡二极管电桥28的 中点并联耦接。平衡二极管电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，和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和平衡二极管电桥28可以紧密地封装 以帮助最小化平衡二极管电桥28，特别是到MEMS开关20的连接引起的 寄生电感。注意到，根据本技术的示例性方面，第一MEMS开关20和平 衡二极管电桥28相对定位为使得，第一MEMS开关20和平衡二极管电 桥28之间的固有电感，当在MEMS开关20断开期间携带负载电流到二 极管电桥28的转移时，产生小于跨MEMS开关20的漏极22和源极24 的电压的几个百分点的di/dt电压，如下面将进一步详细描述的。在一 个实施例中，第一MEMS开关20可以与平衡二极管电桥28集成在单个 封装38中，或者可选地，在同一芯片上，目的是最小化互连MEMS开关 20与二极管电桥28的电感。
此外，电弧抑制电路14可以包括与平衡二极管电桥28操作关联地 耦接的脉冲电路52。脉冲电路52可配置为检测开关条件并响应于开关 条件启动MEMS开关20的打开。如这里所使用的，术语“开关条件”指 的是触发改变MEMS开关20的当前工作状态的条件。例如，开关条件可 以引起将MEMS开关20的第一闭合状态改变到第二打开状态，或者MEMS 开关20的第一打开状态改变到第二闭合状态。开关条件可以响应于多 个动作发生，包括但不限于电路故障或者接通/断开请求。
脉冲电路52可以包括脉冲开关54和与脉冲开关54串联耦接的脉 冲电容器CPULSE 56。此外，脉冲电路可以还包括与脉冲开关54串联耦接 的脉冲电感LPULSE 58和第一二极管DP 60。脉冲电感LPULSE 58，二极管DP 60， 脉冲开关54和脉冲电容器CPULSE 56可以串联耦接以形成脉冲电路52的 第一分支，其中第一分支的组件可以配置为帮助脉冲电流整形和定时。 另外，附图标记62代表可以流过脉冲电路52的脉冲电路电流IPULSE。
根据本发明的方面，MEMS开关20可以在携带电流的同时快速地(例 如，以皮秒或纳秒的量级)从第一闭合状态切换到第二打开状态，尽管 在接近零的电压下。这可以通过负载电路40，以及包括并联跨MEMS开 关20的接触耦接的平衡二极管电桥28的脉冲电路52的组合操作来实 现。
现在参考图3，其示出了根据本发明的方面的示例软开关系统11的 框图。如图3中所示，软开关系统11包括操作地耦接在一起的开关电 路12，检测电路70，以及控制电路72。检测电路70可以耦接到开关电 路12，并且配置为检测负载电路中交流源电压(下文称为“源电压”)， 或者负载电路中的交流电流(下文称为“负载电路电流”)的过零的发 生。控制电路72可以与开关电路12和检测电路70耦接，并且可以配 置为，响应于检测到的交流源电压或者交流负载电路电流的过零，帮助 开关电路12中的一个或多个开关的无电弧开关。在一个实施例中，控 制电路72可以配置为帮助构成开关电路12的至少部分的一个或多个 MEMS开关的无电弧开关。
根据本发明的一个方面，软开关系统11可以配置为执行软或者波 形上的点(PoW)开关，由此开关电路12中的一个或多个MEMS开关可 以在跨开关电路12的电压处于或者非常接近于零的时候闭合，并且在 通过开关电路12的电流处于或者接近于零的时候打开。通过在跨开关 电路12的电压处于或者非常接近于零的时候闭合开关，可以通过保持 在所述一个或多个MEMS开关的接触之间的电场在接触闭合的时候很低， 避免击前(pre-strike)电弧发生，即使多个开关并不都在同一时刻闭 合。类似地，通过在通过开关电路12的电流处于或者接近于零的时候 一次打开这些开关，软开关系统11可以被设计为使得开关电路12中最 后要打开的开关中的电流落在该开关的设计能力之内。如上面提到的， 控制电路72可以配置为将开关电路12的一个或多个MEMS开关的打开 与闭合与交流源电压或者交流负载电路电流的过零的发生同步。
转到图4，示出了图3的软开关系统11的一个实施例的示意图19. 根据该示例的实施例，示意图19包括开关电路12，检测电路70和控制 电路72的一个实例。
尽管为了描述的目的，图4示出了开关电路12中的仅单个MEMS开 关20，开关电路12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。在一个实施例中，开关电路12可以包括一 个开关模块，该开关模块包括以并联配置耦接在一起的多个MEMS开关， 以在这些MEMS开关之间分电流。在另一个实施例中，开关电路12可以 包括以串联配置耦接的MEMS开关的阵列，以在这些MEMS开关之间分电 压。在还有另一实施例中，开关电路12可以包括以串联配置耦接在一 起的MEMS开关模块的阵列，以同时在MEMS开关模块之间分电压，以及 在每个模块中的MEMS开关之间分电流。此外，开关电路12的一个或多 个MEMS开关可以集成到单个封装74中。
示例MEMS开关20可以包括三个接触。在一个实施例中，第一接触 可以被配置为漏极22，第二接触可以被配置为源极24，第三接触可以 被配置为栅极26。在一个实施例中，控制电路72可以耦接到栅极接触 26以帮助切换MEMS开关20的电流状态。另外，在某些实施例中，阻尼 电路(缓冲器电路)33可以与MEMS开关20并联耦接，以延迟跨MEMS 开关20的电压的出现。如所示的，阻尼电路33例如可以包括与缓冲电 阻器78串联耦接的缓冲电容器76。
MEMS开关20可以与负载电路40串联耦接，如图4中进一步示出的。 在目前预期的配置中，负载电路40可以包括电压源VSOURCE 44，并且可以 有代表负载电感LLOAD 46，和负载电阻RLOAD 48。在一个实施例中，电压 源VSOURCE 44(也称为AC电压源)可以配置为产生交流源电压和交流负载 电流ILOAD 50。
如前面所述，检测电路70可以配置为检测负载电路40中的交流源 电压或者交流负载电流ILOAD 50的过零的发生。交流源电压可以通过电 压感测电路80来感测，而交流负载电流ILOAD 50可以通过电流感测电路 82来感测。交流源电压和交流负载电流可以例如持续地或者以离散的周 期感测。
源电压的过零可以例如通过使用诸如示出的零电压比较器84的比 较器来检测。电压感测电路80感测的电压和零电压参考86可以用作对 零电压比较器84的输入。接着，可以生成代表负载电路40的源电压的 过零的输出信号88。类似地，负载电流ILOAD 50的过零也可以通过使用 诸如示出的零电流比较器92的比较器来检测。电流感测电路82感测的 电流和零电流参考90可以用作对零电流比较器92的输入。接着，可以 生成代表负载电流ILOAD 50的过零的输出信号94。
接着，控制电路72可以利用输出信号88和94来确定何时改变(例 如打开或闭合)MEMS开关20(或者MEMS开关的阵列)的当前工作状态。 更具体地，控制电路72可以被配置为响应于检测到的交流负载电流ILOAD 50的过零，帮助以无电弧的方式打开MEMS开关20，以中断或者断开负 载电路40。此外，控制电路72可以配置为响应于检测到的交流源电压 的过零，帮助以无电弧的方式闭合MEMS开关20，以使负载电路40完整。
控制电路72可以至少部分基于使能信号96的状态，确定是否将 MEMS开关20的当前工作状态切换到第二工作状态。使能信号96例如可 以作为接触器应用中的断电命令的结果而产生。此外，使能信号96和 输出信号88和94可以用作对如图所示的双D触发器98的输入信号。 这些信号可以用于在使能信号96被变得活动(例如上升沿触发的)之 后的第一个源电压零点闭合MEMS开关20，以及在使能信号96被变得不 活动(例如，下降沿触发的)之后的第一个负载电流零点打开MEMS开 关20。关于图4的示出的示意图19，每当使能信号96活动(或者高， 或者低，取决于特定的应用)，并且输出信号88或者94的任一个指示 感测的电压或者电流零点，触发信号172可以生成。此外，可以通过NOR 门100生成触发信号172。触发信号102接着可以传过MEMS栅极驱动器 104来生成栅极激活信号106，该信号106可以用于施加控制电压到MEMS 开关20的栅极26(或者在MEMS阵列的情况下，到多个栅极)。
如前面提到的，为了实现对于特定应用的期望的电流额定，多个 MEMS开关可以操作地并联耦接(例如，形成开关模块)，来代替单个 MEMS开关。这些MEMS开关的组合的能力可以被设计为适当地承载负载 电路可能受到的连续的和瞬态的过载电流等级。例如，在有6X瞬态过 载的10安培RMS电动机接触器的情况下，应该有足够的开关并联耦接 来承载60安培RMS 10秒种。使用波形上的点开关来在达到电流零点的 5微秒之内开关这些MEMS开关，将会有160微安瞬时，在接触断开时流 动。因此，对于该应用，每个MEMS开关应当能够“暖开关”160微安， 并且应当有足够的MEMS开关被并联以承载60安培。另一方面，单个MEMS 开关应当能够中断将在开关的时刻流动的电流量。
图5示出了可以在本发明示例性实施例中实施的基于MEMS的过 流保护装置110的框图。装置110在用户接口115处接收用户控制输入， 用户接口115为用户提供与装置110交互的控制和输入接口。在用户接 口115内，在接线板116处接收三相线路功率输入114，其中线路功率 输入114被馈送至接线板116，然后分别送到功率电路135和开关模块 120。
用户输入可以是如下形式：来自断开调整电位计的输入、来自人机 接口(例如，来自按钮接口)的电信号，或者连线到用户接口115的控 制设备。用户输入被用来控制MEMS开关，以及提供关于断开时间曲 线的用户可调节性。功率电路135执行基本功能以为诸如瞬时抑制、电 压缩放与隔离以及EMI滤波的附加电路提供功率。
过流保护装置110进一步包括逻辑电路125；其中逻辑电路125负 责控制正常操作，以及识别故障情况(比如，设定定时过流的断开时间 曲线(126)、允许可编程性或可调节性、控制指定的逻辑(126、128) 的关闭/重新接通，等等)。电流/电压感测部件127提供实现过流保护 操作要求的逻辑所需要的电流和电压测量，以及用于保护责任的、由能 量转移电路用以进行冷切换操作的电流和电压测量，其中，这些操作是 使用上述充电电路132和脉冲电路133以及二极管电桥134来实现的。 MEMS保护电路130的配置和操作类似于如上所述的脉冲电路52。
最后，实施开关电路120，其中开关电路包括含有MEMS器件阵列 的开关模块122。开关模块122的配置和操作类似于如上所述的MEMS 开关20。开关电路120还负责对任何下游设备输送三相负载电流141。
在本发明的示例性实施例中，从相间差中提取用于逻辑电路125的 功率，并通过浪涌抑制部件136来馈送该功率。主功率级部件137以不 同的电压分配功率，以便于为控制逻辑138、过流保护装置充电电路139 和MEMS开关栅电压140供电。电流和电压传感器127为定时和瞬时过 流逻辑128提供馈送，该定时和瞬时过流逻辑128进而控制MEMS开关 栅电压140和MEMS保护电路130的触发电路131。
过流保护部件110的电流/电压传感器127连续地监控系统中的电流 水平或电压水平。如所实施的，电流/电压检测器负责确定电流/电压的 水平是否已经不同于预定值。在监控的电流/电压水平确实不同于预定值 的情况下，在瞬时过流逻辑128处生成故障信号以表明已经检测到了系 统确定的电流/电压水平变化。此后，故障信号被送至触发电路131，其 中触发电路在MEMS保护电路130处启动MEMS保护脉冲发生操作。 脉冲发生操作包括激活脉冲电路133，该脉冲电路133的激活导致LC 脉冲电路的闭合。一旦LC脉冲电路133已闭合，充电电路132就通过 平衡二极管电桥134放电。经过二极管电桥134的脉冲电流产生其导致 的跨开关模块122的MEMS阵列开关的短路，并将负载电流转移到二极 管电桥中并绕开MEMS阵列(见图2和5)。在该保护脉冲操作下，开 关模块122的MEMS开关可以以零电流或接近零的电流断开。
在本发明另外的示例性实施例中，以这样的方式与MEMS开关和 辅助逻辑电路相结合地使用MEMS保护电弧抑制电路的过流保护功能， 即，使其与现有电路中断装置(例如，断路器或开关)串联地布置。分 别如图6和7所示，在本发明的示例性实施例中，可以配置MEMS过流 保护装置110与以下装置之任一串联：断路器155，比如工业用断路器， 其具有包括操作柄的操作机构、一组电流传感器、电子断路单元、一组 与操作机构可操作地联系的可分离的接触臂、以及中断室；或者开关装 置165，比如直线的一组接触，其具有操作柄以断开和闭合这些接触。 典型的断路器155和开关165在本领域中是公知的，并且不需要在这里 进一步描述。因此，MEMS开关的限流能力具有在故障情况期间保护电 路中断器的能力；即在电流中断器有时间断开并生成导致的电弧之前断 路。在本发明另外的实施例中，开关装置可以包括多个开关装置(例如， 简单的半导体开关、简单的电气开关等，或者其它适用于文中所公开目 的开关装置)。
这些串联连接的配置进一步提供了一种设备或装置，其具有提升断 路器的中断额定值的能力。该设备或装置可以被配置为用于现有电路中 断器的辅助附件，或者与电路中断器一起集成在独立外壳内。特别地， 该双重概念配置消除了对在过流保护装置中实施隔离接触器和断开开 关的需求。另外，该配置将允许用户以极少的维护和成本来升级功率系 统保护能力。
虽然已经在文中示出并描述了本发明的特定特征，对于本领域技术 人员来说，可以进行很多修改和改变。因此，应当理解的是，所附权利 要求意在涵盖属于本发明真正精神的修改和改变。