專(zhuān)利名稱(chēng)：基于遠(yuǎn)程可操作微機(jī)電系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式一般涉及用于切斷電流路徑上電流的開(kāi)關(guān)裝置，并尤其涉及基 于微機(jī)電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
斷路器是被設(shè)計(jì)用來(lái)保護(hù)電設(shè)備免受由電路中的故障導(dǎo)致的損害的電裝置。傳統(tǒng) 地，大多數(shù)常規(guī)斷路器包括大體積的機(jī)電開(kāi)關(guān)。不幸的是，這些常規(guī)斷路器尺寸巨大從而需 要使用巨大的作用力來(lái)激活開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)。因此，常規(guī)斷路器的遠(yuǎn)程可操作性包括能產(chǎn)生用于 激活的巨大作用力的大型附加機(jī)械系統(tǒng)。另外，這些斷路器的開(kāi)關(guān)一般以相對(duì)低的速度操 作。此外，這些斷路器復(fù)雜而不利于建造，且因此制造昂貴。另外，當(dāng)常規(guī)斷路器內(nèi)的開(kāi)關(guān) 機(jī)構(gòu)的接觸部被物理分開(kāi)時(shí)，典型地在接觸部之間形成電弧并且該電弧繼續(xù)攜載電流直到 電路中的電流終止。而且，對(duì)于設(shè)備和人兩者而言，與電弧相關(guān)聯(lián)的能量一般都是所不希望 有的。接觸器是被設(shè)計(jì)用來(lái)根據(jù)命令接通和關(guān)斷電負(fù)載的電裝置。傳統(tǒng)地，機(jī)電接觸器 被用于控制裝備中，其中機(jī)電接觸器能夠處理在它們的中斷容量以內(nèi)的開(kāi)關(guān)電流。機(jī)電接 觸器也可以應(yīng)用在電力系統(tǒng)中以用于開(kāi)關(guān)電流。然而，電力系統(tǒng)內(nèi)的故障電流通常大于機(jī) 電接觸器的中斷容量。據(jù)此，為了在電力系統(tǒng)應(yīng)用中使用機(jī)電接觸器，所希望的可能是通過(guò) 用在接觸器打開(kāi)之前足夠快地行動(dòng)來(lái)中斷高于接觸器的中斷容量的所有電流值處的故障 電流的串聯(lián)裝置來(lái)支持接觸器，以保護(hù)接觸器免受損害。以前所構(gòu)思的用于輔助接觸器在電力系統(tǒng)內(nèi)的使用的解決方案包括真空接觸器、 真空斷續(xù)器和空氣斷路接觸器。不幸地是，因?yàn)榻佑|器觸點(diǎn)被封裝在密封的、抽空的外殼 內(nèi)，諸如真空接觸器的接觸器不適合于容易的目視檢查。此外，盡管真空接觸器非常適合處 理大型電動(dòng)機(jī)、變壓器和電容器的開(kāi)關(guān)，但已知的是它們會(huì)引起電壓上破壞性的瞬變過(guò)程， 尤其當(dāng)負(fù)載被切斷時(shí)。此外，機(jī)電接觸器一般使用機(jī)械開(kāi)關(guān)。然而，因?yàn)檫@些機(jī)械開(kāi)關(guān)傾向于以相對(duì)慢的 速度切換，需要預(yù)測(cè)技術(shù)以估計(jì)零點(diǎn)交叉的出現(xiàn)，經(jīng)常在開(kāi)關(guān)事件將要發(fā)生前的數(shù)十毫秒。 因?yàn)樵S多瞬變過(guò)程可能發(fā)生在這個(gè)時(shí)間，這樣的零點(diǎn)交叉預(yù)測(cè)易出錯(cuò)誤。作為慢速的機(jī)械和機(jī)電開(kāi)關(guān)的備選，快速的固態(tài)開(kāi)關(guān)已經(jīng)被用在高速的開(kāi)關(guān)應(yīng) 用中。如將被意識(shí)到的，通過(guò)電壓或偏壓的受控應(yīng)用，這些固態(tài)開(kāi)關(guān)在導(dǎo)電狀態(tài)和非導(dǎo)電 狀態(tài)之間切換。例如，通過(guò)反相偏置固態(tài)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)可以被轉(zhuǎn)變成非導(dǎo)電狀態(tài)。但是，因 為固態(tài)開(kāi)關(guān)在它們被切換成非導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，不在接觸部之間產(chǎn)生物理間隙，所以它們?cè)馐?(experience)泄露電流。此外，由于內(nèi)部電阻，當(dāng)固態(tài)開(kāi)關(guān)在導(dǎo)電狀態(tài)中工作時(shí)，它們?cè)馐?壓降。壓降和泄漏電流兩者都會(huì)促使正常工作環(huán)境下額外熱量的生成，該額外熱量可能有 害于開(kāi)關(guān)的性能和壽命。而且，至少部分地由于與固態(tài)開(kāi)關(guān)相聯(lián)系的固有的泄漏電流，將它 們使用在斷路器應(yīng)用中是不可能的。
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明示范性的實(shí)施例包括遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備。該設(shè)備可包括整體布置在 電流路徑上的控制電路以及安置在該電流路徑上的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開(kāi)關(guān)，該MEMS開(kāi)關(guān) 響應(yīng)于該控制電路來(lái)輔助通過(guò)該電流路徑的電流的中斷。該設(shè)備可進(jìn)一步包括與該控制電 路相信號(hào)連接的通信連接，使得該控制電路響應(yīng)于該通信連接上的控制信號(hào)以控制該MEMS 開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。本發(fā)明另一個(gè)示范性的實(shí)施例包括電流路徑的遠(yuǎn)程過(guò)流保護(hù)方法。該方法可包括 通過(guò)整體布置在電流路徑上的控制電路來(lái)測(cè)量電流、響應(yīng)于該控制電路通過(guò)MEMS開(kāi)關(guān)來(lái) 輔助該電流的中斷，該MEMS開(kāi)關(guān)安置在該電流路徑上，以及基于被傳送到該控制電路的控 制信號(hào)來(lái)改變?cè)揗EMS開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。


在參考附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明的情況下，本發(fā)明的這些及其它特征、方面以及優(yōu) 點(diǎn)將被更好地理解，在附圖中，各處的相同標(biāo)號(hào)表示相同部分，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示范性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的框圖；圖2是說(shuō)明基于圖1所描述的示范性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例并作為圖1所描述的系統(tǒng)的備選的示范性的基于MEMS 的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的框圖；圖4是說(shuō)明圖3所描述的示范性的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備的框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備的框圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括多個(gè)遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備的示范性系統(tǒng) 的框圖。
具體實(shí)施例方式在以下的詳細(xì)說(shuō)明中，為了提供對(duì)本發(fā)明的不同實(shí)施例的全面理解，闡明了許多 特定的細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明的實(shí)施例可以被實(shí)施而無(wú)需這些特定的 細(xì)節(jié)，本發(fā)明并不局限在所描述的實(shí)施例，以及本發(fā)明可以以各種備選的實(shí)施方式來(lái)實(shí)施。 在其它實(shí)例中，眾所周知的方法、步驟以及組件沒(méi)有被詳細(xì)描述。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一些方面的示范性的無(wú)電弧的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10 的框圖。當(dāng)前，MEMS —般指微米級(jí)的(micron-scale)結(jié)構(gòu)，舉例來(lái)說(shuō)，其能夠集成大量功能 相異的元件。這樣的元件包括，但不限于，通過(guò)微加工技術(shù)的公用機(jī)械襯底上的機(jī)械元件、 機(jī)電元件、傳感器、致動(dòng)器和電子儀器。但是，所預(yù)期的是當(dāng)前在MEMS裝置中可用的許多技 術(shù)和結(jié)構(gòu)在僅僅幾年之后將通過(guò)基于納米技術(shù)的裝置(，即尺寸上可能小于100納米的結(jié) 構(gòu))而可用。據(jù)此，即使貫穿本文件所描述的示例實(shí)施例可能指基于MEMS的開(kāi)關(guān)裝置，但 應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明有創(chuàng)造性的方面應(yīng)被廣義地解釋而不應(yīng)被限制在微米尺寸的裝置。如圖1所示，無(wú)電弧的基于MEMS的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)10被示為包括基于MEMS的開(kāi)關(guān)電路 12和電弧抑制電路14，其中電弧抑制電路14(備選地指混合式無(wú)電弧限制技術(shù)(HALT))可 操作地耦合到基于MEMS的開(kāi)關(guān)電路12。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，基于MEMS的開(kāi)關(guān)電路12可以整體上與電弧抑制電路14集成在單個(gè)封裝16中。在另外的示范性實(shí)施例中，只有基于MEMS的開(kāi)關(guān)電路12的特定部分或組件可以與電弧抑制電路14 一起被集成。在如將要參考圖2更詳細(xì)描述的、當(dāng)前所設(shè)想的配置中，基于MEMS的開(kāi)關(guān)電路12 可以包括一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)。另外地，電弧抑制電路14可以包括平衡二極管橋和脈沖 電路。此外，電弧抑制電路14可以被配置用來(lái)輔助抑制一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的接觸部之 間的電弧形成。可以注意到，電弧抑制電路14可以被配置為響應(yīng)于交流電流(AC)或直流 電流(DC)而輔助抑制電弧形成?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，根據(jù)實(shí)施例示出了圖1所描述的示范性的無(wú)電弧的基于MEMS的開(kāi) 關(guān)系統(tǒng)的示意圖18。如參考圖1所注意的，基于MEMS的開(kāi)關(guān)電路12可以包括一個(gè)或多個(gè) MEMS開(kāi)關(guān)。在示出的的示范性實(shí)施例中，第一 MEMS開(kāi)關(guān)20被表示為具有第一接觸部22、 第二接觸部24和第三接觸部26。在一個(gè)實(shí)施例中，第一接觸部22可以被配置作為漏極，第 二接觸部24可以被配置為源極而第三接觸部26可以被配置為柵極。此外，如圖2所示，電 壓緩沖電路33可以與MEMS開(kāi)關(guān)20并聯(lián)耦合，并且被配置用來(lái)在快速的接觸部分開(kāi)期間限 制電壓過(guò)沖(overshoot)，在下文中將更詳細(xì)解釋。在另外的實(shí)施例中，緩沖電路33可以包 括與緩沖電阻器(見(jiàn)圖4，附圖標(biāo)記78)串聯(lián)耦合的緩沖電容器(見(jiàn)76，圖4)。緩沖電容器 可以有助于改進(jìn)MEMS開(kāi)關(guān)20的打開(kāi)排序期間的瞬變電壓分擔(dān)。另外，緩沖電阻器可以抑 制在MEMS開(kāi)關(guān)20的關(guān)閉操作期間由緩沖電容器產(chǎn)生的任何電流脈沖。在又一個(gè)另外的實(shí) 施例中，電壓緩沖電路33可以包括金屬氧化物變阻器(MOV)(未示出)。根據(jù)本技術(shù)另外的方面，負(fù)載電路40可以與第一 MEMS開(kāi)關(guān)20串聯(lián)耦合。負(fù)載電 路40可以包括電壓源Vbus44。另外，負(fù)載電路40還可以包括負(fù)載電感Lum 46，其中負(fù)載電 感Lum 46表示由負(fù)載電路40所觀察到的組合負(fù)載電感和總線電感。負(fù)載電路40還可以 包括負(fù)載電阻R_D48，其中負(fù)載電阻表示由負(fù)載電路40所觀察到的組合負(fù)載電阻。 附圖標(biāo)記50表示可以流過(guò)負(fù)載電路40和第一 MEMS開(kāi)關(guān)20的負(fù)載電路電流ΙωΑΙ)。如參考圖1所注意的，電弧抑制電路14可以包括平衡二極管橋。在示出的實(shí)施例 中，平衡二極管橋28被描述為具有第一支路29和第二支路31。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“平 衡二極管橋”被用來(lái)表示以使第一和第二支路29、31兩者上的電壓降大體上相等的這種方 式所配置的二極管橋。平衡二極管橋28的第一支路29可以包括耦合在一起以形成第一串 聯(lián)電路的第一二極管D130和第二二級(jí)管D232。以相似的方式，平衡二極管橋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聯(lián)電路的第三二極管D334和第四二極管 D436在示范性實(shí)施例中，第一 MEMS開(kāi)關(guān)20可以并聯(lián)跨接地耦合到平衡二極管橋28的 中點(diǎn)。平衡二極管橋的中點(diǎn)可以包括位于第一和第二二極管30、32之間的第一中點(diǎn)及位于 第三和第四二極管34、36之間的第二中點(diǎn)。此外，第一 MEMS開(kāi)關(guān)20和平衡二極管28可以 被緊密地封裝以有助于最小化由平衡二極管橋28以及尤其是由到MEMS開(kāi)關(guān)20的連接所 引起的寄生電容。必須注意到，根據(jù)本技術(shù)的示范性的諸方面，第一 MEMS開(kāi)關(guān)20以及平衡 二極管橋28被相對(duì)于彼此放置，使得第一 MEMS開(kāi)關(guān)20和平衡二極管橋28之間固有的電 感產(chǎn)生di/dt電壓，在MEMS開(kāi)關(guān)20關(guān)斷期間該電壓比MEMS開(kāi)關(guān)20在攜載要傳遞到二極 管橋28的電流負(fù)載時(shí)漏極22和源極24之間的電壓小幾個(gè)百分點(diǎn)，這將在下文中更詳細(xì)描 述。在另外的實(shí)施例中，為了最小化使MEMS開(kāi)關(guān)20和二極管橋28相互連接的電感，第一MEMS開(kāi)關(guān)20可以與平衡二極管橋28 —起被集成在單個(gè)封裝38內(nèi)或者可選地在同一個(gè)小 片(die)內(nèi)。另外地，電弧抑制電路14可以包括可操作地與平衡二極管橋28相關(guān)聯(lián)耦合的脈 沖電路52。脈沖電路52可以被配置用來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)條件以及響應(yīng)于該開(kāi)關(guān)條件而啟動(dòng)MEMS 開(kāi)關(guān)20的打開(kāi)。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“開(kāi)關(guān)條件”指觸發(fā)改變MEMS開(kāi)關(guān)20的當(dāng)前工作 狀態(tài)的條件。例如，開(kāi)關(guān)條件可能導(dǎo)致將MEMS開(kāi)關(guān)20的第一關(guān)閉狀態(tài)改變成第二打開(kāi)狀 態(tài)，或者把MEMS開(kāi)關(guān)20的第一打開(kāi)狀態(tài)改變成第二關(guān)閉狀態(tài)。開(kāi)關(guān)條件可以響應(yīng)于包括 但不限于電路故障或開(kāi)關(guān)的通/斷請(qǐng)求的多個(gè)動(dòng)作而出現(xiàn)。脈沖電路52可以包括脈沖開(kāi)關(guān)54和串聯(lián)耦合到脈沖開(kāi)關(guān)54的脈沖電容器 Cpulse560此外，脈沖電路還可以包括脈沖電感LmsE58和與脈沖開(kāi)關(guān)54串聯(lián)耦合的第一二 極管DP60。脈沖電感LmsE58、二極管DP60、脈沖開(kāi)關(guān)54以及脈沖電容器CmsE56可以被串聯(lián) 耦合以形成脈沖電路52的第一支路，其中第一支路的組件可以被配置用來(lái)輔助脈沖電流 整形與定時(shí)。同樣，附圖標(biāo)記62表示可以流過(guò)脈沖電路52的脈沖電路電流ImsE。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面，MEMS開(kāi)關(guān)20可以從第一關(guān)閉狀態(tài)迅速地切換(例如，大 約皮秒或納秒)到第二打開(kāi)狀態(tài)同時(shí)攜載電流，即使在接近零的電壓處。這可以通過(guò)負(fù)載 電路40和包括平衡二極管橋28的脈沖電路52的組合操作來(lái)達(dá)成，其中平衡二極管橋28 并聯(lián)跨接地耦合到MEMS開(kāi)關(guān)20的接觸部?，F(xiàn)在參考圖3，其根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面示出了示范性軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)11的框圖。如 圖3所示，軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)11包括可操作地耦合在一起的開(kāi)關(guān)電路12、檢測(cè)電路70和控制電 路72。檢測(cè)電路70可以被耦合到開(kāi)關(guān)電路12并被配置用來(lái)檢測(cè)負(fù)載電路中的交流源電壓 (下文稱(chēng)“源電壓”)或負(fù)載電路中的交流電流(下文稱(chēng)之為“負(fù)載電路電流”)的零點(diǎn)交叉 的出現(xiàn)?？刂齐娐?2可以被耦合到開(kāi)關(guān)電路12和檢測(cè)電路70，并可以被配置用來(lái)響應(yīng)于 所檢測(cè)的交流源電壓或交流負(fù)載電路電流的零點(diǎn)交叉而輔助開(kāi)關(guān)電路12中一個(gè)或多個(gè)開(kāi) 關(guān)的無(wú)電弧切換。在一個(gè)實(shí)施例中，控制電路72可以被配置用來(lái)輔助包括至少部分開(kāi)關(guān)電 路12的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的無(wú)電弧切換。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)11可以被配置用來(lái)執(zhí)行軟件或波點(diǎn) (point-on-wave) (Poff)切換，由此開(kāi)關(guān)電路12中的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)可以在開(kāi)關(guān)電 路12上的電壓在0處或非常接近0的時(shí)候被關(guān)閉，以及在通過(guò)開(kāi)關(guān)電路12的電流在0處 或接近0時(shí)被打開(kāi)。通過(guò)在開(kāi)關(guān)電路12的電壓在0處或非常接近0的時(shí)候關(guān)閉開(kāi)關(guān)，當(dāng) 一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)可以通過(guò)保持它們的接觸部之間的低電場(chǎng)而避免預(yù)電弧閃擊 (pre-strike arcing)；即使多個(gè)開(kāi)關(guān)沒(méi)有同時(shí)全部關(guān)閉。相似地，通過(guò)在通過(guò)開(kāi)關(guān)電路12 的電流在0處或非常接近0時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)11能夠被設(shè)計(jì)成使得開(kāi)關(guān)電路12中 要打開(kāi)的最后一個(gè)開(kāi)關(guān)中的電流落在開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)容量?jī)?nèi)。如以上所提到的，控制電路72可 以被配置用來(lái)將開(kāi)關(guān)電路12的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與關(guān)閉與交流源電壓或交流負(fù) 載電路電流的零點(diǎn)交叉的出現(xiàn)同步。轉(zhuǎn)到圖4，圖3的軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)11的一個(gè)實(shí)施例的示意圖19被示出。根據(jù)所示的實(shí) 施例，示意圖19包括開(kāi)關(guān)電路12、檢測(cè)電路70和控制電路72的一個(gè)例子。盡管為了說(shuō)明的目的，圖4僅僅示出了開(kāi)關(guān)電路12中的單個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)20，但是開(kāi) 關(guān)電路12仍然可以包括多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)，這取決于，例如軟開(kāi)關(guān)系統(tǒng)11的電流和電壓處理要求。在示范性的實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電路12可以包括開(kāi)關(guān)模塊，該開(kāi)關(guān)模塊包括以并聯(lián)配置 耦合在一起以便在MEMS開(kāi)關(guān)之間分配電流的多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)。在另一個(gè)示范性的實(shí)施例中， 開(kāi)關(guān)電路12可以包括以串聯(lián)配置耦合以在MEMS開(kāi)關(guān)之間分配電壓的MEMS開(kāi)關(guān)陣列。在 又一個(gè)另外的示范性實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電路12可以包括串聯(lián)配置耦合以同時(shí)在MEMS開(kāi)關(guān)模 塊之間分配電壓以及在每個(gè)模塊中MEMS開(kāi)關(guān)之間分配電流的MEMS開(kāi)關(guān)模塊陣列。此外， 開(kāi)關(guān)電路12的一個(gè)或多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)可以被集成到單個(gè)封裝74內(nèi)。示范性MEMS開(kāi)關(guān)20可以包括3個(gè)接觸部。在示范性的實(shí)施例中，第一接觸部可 以被配置作為漏極22，第二接觸部可以被配置作為源極24，而第三接觸部可以被配置作為 柵極26。在一個(gè)實(shí)施例中，控制電路72可以被耦合到柵極接觸部26以輔助切換MEMS開(kāi)關(guān) 20的電流狀態(tài)。同樣，在另外的示范性實(shí)施例中，阻尼電路(緩沖電路)33可以與MEMS開(kāi) 關(guān)20并聯(lián)耦合，以延遲MEMS開(kāi)關(guān)20上電壓的出現(xiàn)。如所示出的，阻尼電路33可以包括與 緩沖電阻器78串聯(lián)耦合的緩沖電容器76。MEMS開(kāi)關(guān)20可以與負(fù)載電路40串聯(lián)耦合，如圖4進(jìn)一步所示。在當(dāng)前所設(shè)想的 配置中，負(fù)載電路40可以包括電壓源Vsqukce44，并可以擁有代表性的負(fù)載電感46和負(fù) 載電阻&_48。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓源VSOTKeE 44 (也稱(chēng)為AC電壓源)可以被配置用來(lái)生 成交流源電壓以及交流負(fù)載電流1_50。如前面所提到的，檢測(cè)電路70可以被配置用來(lái)檢測(cè)負(fù)載電路40中交流源電壓或 交流負(fù)載電流IMAD 50的零點(diǎn)交叉的出現(xiàn)。通過(guò)電壓感測(cè)電路80可以感測(cè)交流源電壓，以 及通過(guò)電流感測(cè)電路82可以感測(cè)交流負(fù)載電流IMAD 50。例如，交流源電壓和交流負(fù)載電 流可以連續(xù)地或在離散的時(shí)期被感測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)例如使用諸如所示出的零電壓比較器84的比較器檢測(cè)源電壓的零點(diǎn)交 叉。所感測(cè)的電壓輸入到零電壓比較器84。依次，可以生成表示負(fù)載電路40的源電壓的零 點(diǎn)交叉的輸出信號(hào)88。相似地，也可以通過(guò)使用諸如所示出的零電流比較器92的比較器檢 測(cè)負(fù)載電流IMAD 50的零點(diǎn)交叉。電流感測(cè)電路82所感測(cè)的電流和零電流參考90可以被 用作到零電流比較器92的輸入。依次，可以生成表示負(fù)載電流50的零點(diǎn)交叉的輸出 信號(hào)94?？刂齐娐?2又可以依次使用輸出信號(hào)88和94以確定何時(shí)改變MEMS開(kāi)關(guān)20 (或 者M(jìn)EMS開(kāi)關(guān)陣列)的電流工作狀態(tài)(例如打開(kāi)或關(guān)閉)。更具體地，控制電路72可以被 配置用來(lái)響應(yīng)于所檢測(cè)的交流負(fù)載電流50的零點(diǎn)交叉而輔助以無(wú)電弧方式打開(kāi)MEMS 開(kāi)關(guān)20來(lái)中斷或打開(kāi)負(fù)載電路40。另外地，控制電路72可以被配置用來(lái)響應(yīng)于所檢測(cè)的 交流源電壓的零點(diǎn)交叉而輔助以無(wú)電弧方式關(guān)閉MEMS開(kāi)關(guān)20來(lái)接通負(fù)載電路40?？刂齐娐?2可以至少部分地基于使能信號(hào)96的狀態(tài)而確定是否將MEMS開(kāi)關(guān)20 當(dāng)前的工作狀態(tài)切換到第二工作狀態(tài)。例如，在接觸器應(yīng)用中使能信號(hào)96可以作為切斷電 源命令的結(jié)果而生成。此外，如所示出的，使能信號(hào)96和輸出信號(hào)88與94可以被用作到 雙D觸發(fā)器98的輸入信號(hào)。在使能信號(hào)96被激活后(例如，上升沿觸發(fā))，這些信號(hào)可以 被用來(lái)在第一零源電壓處關(guān)閉MEMS開(kāi)關(guān)20，以及在使能信號(hào)96被去活后(例如，下降沿觸 發(fā))，這些信號(hào)可以被用來(lái)在第一零負(fù)載電流處打開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)20。對(duì)于圖4所示的示意圖 19，每當(dāng)使能信號(hào)96為激活(根據(jù)特定的實(shí)施，或者高或者低)以及或者輸出信號(hào)88或者 94指示感測(cè)的電壓或電流為零，可以生成觸發(fā)信號(hào)172。另外，可以通過(guò)或非門(mén)(NOR) 100來(lái)生成觸發(fā)信號(hào)172。觸發(fā)信號(hào)102又可以依次通過(guò)MEMS柵極驅(qū)動(dòng)器104而被傳輸以生成 柵極激活信號(hào)106，該柵極激活信號(hào)106可以被用來(lái)施加控制電壓到MEMS開(kāi)關(guān)20的柵極 26 (或者M(jìn)EMS陣列情況下的多個(gè)柵極)。如前面所提到的，為了達(dá)成用于特別應(yīng)用的所期望的電流強(qiáng)度，多個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)可 以被可操作地并聯(lián)耦合(例如，形成開(kāi)關(guān)模塊)以代替單個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)。MEMS開(kāi)關(guān)的組合容 量可以被設(shè)計(jì)為充分地?cái)y載負(fù)載電路可能遭受的持續(xù)的以及瞬變的過(guò)載電流水平。例如， 在具有6倍(6X)瞬變過(guò)載的10安培RMS電動(dòng)機(jī)接觸器的情況下，應(yīng)有足夠的開(kāi)關(guān)并聯(lián)耦 合以攜載60安培RMS10秒。使用波點(diǎn)開(kāi)關(guān)以在達(dá)到零電流的5微秒內(nèi)切換MEMS開(kāi)關(guān)，將 有160毫安瞬時(shí)電流在接觸部打開(kāi)時(shí)流過(guò)。因此，對(duì)那個(gè)應(yīng)用而言，每一個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)應(yīng)能 夠“熱切換” 160毫安，并且它們中足夠多個(gè)應(yīng)被并聯(lián)放置以攜載60安培。另一方面，單個(gè) MEMS開(kāi)關(guān)應(yīng)能夠中斷將在切換時(shí)刻流過(guò)的電流量。圖5描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備110的框圖。設(shè)備110 可以在用戶接口 115處接收用戶控制輸入。用戶控制輸入可以是來(lái)自跳閘調(diào)整電位計(jì) (trip adjustment potentiometer)的輸入、來(lái)自人接口 (例如，來(lái)自按鈕接口)的電信號(hào) 和/或外部控制裝備輸入/信號(hào)的形式。用戶控制輸入可以被用來(lái)控制MEMS開(kāi)關(guān)和提供 與跳閘時(shí)間曲線有關(guān)的可調(diào)整性。如圖5中進(jìn)一步所示，在用戶接口 115的終端塊116處接收三相電源輸入114。線 電源輸入114被饋電給終端塊116，然后分別通過(guò)(例如，通過(guò)電源連接118)到電源電路 135和開(kāi)關(guān)電路120。替代地，本地?cái)嚅_(kāi)121可以被包括在終端塊116之后，以允許斷開(kāi)設(shè) 備110中的三相電源以用于維護(hù)或指示設(shè)備中電力不足的情況。電源電路135執(zhí)行基本的 功能以為附加電路如瞬時(shí)抑制、電壓縮放和分離、以及電磁干擾(EMI)過(guò)濾提供電力。設(shè)備110進(jìn)一步包括控制電路125?？刂齐娐?25可以提供基于時(shí)控的決定(例 如，設(shè)置用于時(shí)控的過(guò)流的跳閘時(shí)間曲線(功能可以被包括在主控制126中)、允許設(shè)備 110的可編程性或可調(diào)整性，控制專(zhuān)用邏輯(126、128)的關(guān)閉/再次關(guān)閉，等等)。圖5進(jìn) 一步示出了 HALT電路130。例如，HALT電路130可以相似于或大體相似于圖1的電弧抑制 電路14。HALT電路130提供電壓和電流測(cè)量、執(zhí)行用于瞬間過(guò)流保護(hù)操作的邏輯，以及提 供用于開(kāi)關(guān)操作的能量轉(zhuǎn)移電路。如所示出的，HALT電路130可以包括充電電路132、脈 沖電路133和二極管橋134(例如，可以相似于上文中所詳細(xì)描述的“平衡二極管橋”)。另 外，HALT電路130與上文中所描述的脈沖電路52在配置和操作方面是相似的。圖5中進(jìn)一步示出的是開(kāi)關(guān)電路120。開(kāi)關(guān)電路120可以包括多個(gè)開(kāi)關(guān)(舉例來(lái) 說(shuō)諸如MEMS開(kāi)關(guān)、接觸器開(kāi)關(guān))。然而，如圖所示，開(kāi)關(guān)電路120包括開(kāi)關(guān)模塊122。開(kāi)關(guān) 模塊122在配置和操作方面相似于以上所描述的MEMS開(kāi)關(guān)20。開(kāi)關(guān)電路120還可以包括 隔離接觸器123。隔離接觸器123可以提供電流路徑的氣隙隔離，該電流路徑包括線119到 線114。這可以備選地被稱(chēng)為“最終隔離”或“保險(xiǎn)隔離”。應(yīng)注意最終隔離的包括是可選 的。在下文中，給出了遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備110的工作的更詳細(xì)的描述。設(shè)備110的電力從向設(shè)備110饋電的三相電源(例如來(lái)自終端塊116的線電源) 獲得。電力可以從輸入饋電器114的相位間差分(phase-to-phase differential)中引出 (例如，從線114通過(guò)終端塊116和/或本地?cái)嚅_(kāi)121來(lái)饋送給線118)。通過(guò)波動(dòng)抑制組件 136饋送所引出的電力。主電源級(jí)組件137在各電壓處分配電力以向控制邏輯電源級(jí)138、HALT電源級(jí)139、以及MEMS開(kāi)關(guān)柵極電壓級(jí)140饋電。對(duì)于觸發(fā)操作和MEMS開(kāi)關(guān)操作，電流和電壓傳感器127分別向瞬時(shí)過(guò)流控制邏輯 和主控制邏輯128和126饋電，過(guò)流控制邏輯和主控制邏輯又依次控制MEMS開(kāi)關(guān)柵極電壓 140和HALT電路130的觸發(fā)電路131。設(shè)備110的電流/電壓傳感器127監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的電流水平或電壓水平。如所實(shí)施 的，電流/電壓檢測(cè)器可以確定電流/電壓水平是否已經(jīng)不同于預(yù)先確定或期望的值。應(yīng)注 意到，這可以是為設(shè)備110設(shè)置或配置的任何值。在所監(jiān)測(cè)的電流/電壓水平的確不同于 預(yù)先確定或期望的值的情況下，在瞬時(shí)過(guò)流邏輯128處生成故障信號(hào)以指示系統(tǒng)確定的、 電壓/電流水平的變化已經(jīng)被檢測(cè)到。其后，故障信號(hào)被傳遞到觸發(fā)電路131，而觸發(fā)電路 啟動(dòng)HALT電路130處的過(guò)流保護(hù)脈沖操作。脈沖操作涉及脈沖電路133的激活，它的激活 導(dǎo)致LC脈沖電路關(guān)閉。如果LC脈沖電路133已經(jīng)被關(guān)閉，脈沖電路的電容通過(guò)平衡二極 管橋134放電。通過(guò)二極管橋134的脈沖電流產(chǎn)生由此引起的開(kāi)關(guān)模塊122的MEMS陣列 開(kāi)關(guān)上的短路，以及把能量從MEMS陣列轉(zhuǎn)移到二極管橋(見(jiàn)圖2和5)。所以，在保護(hù)脈沖 操作下，開(kāi)關(guān)模塊122的MEMS開(kāi)關(guān)可以被打開(kāi)而不形成電弧。圖5中進(jìn)一步所示的是通信連接124。通信連接124與控制電路125相信號(hào)連接。 所以，控制電路125響應(yīng)于通信連接上的控制信號(hào)來(lái)控制MEMS開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。例如，邏輯電 平信號(hào)可以被放置在通信連接124上。邏輯電平信號(hào)可以通過(guò)控制電路125激活開(kāi)關(guān)模塊 122的(一個(gè)或多個(gè))MEMS開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。所以，通過(guò)從相對(duì)于MEMS開(kāi)關(guān)在空間上偏移 的位置所產(chǎn)生的并被導(dǎo)向通信連接的遠(yuǎn)程控制信號(hào)，MEMS開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程可操作性是可能的。 如這樣的，可以通過(guò)通信連接124發(fā)送邏輯電平信號(hào)，以設(shè)置、重置、復(fù)位，例如過(guò)流保護(hù)設(shè) 備110。注意盡管已經(jīng)參考邏輯電平信號(hào)描述了前面的操作，但其它適當(dāng)?shù)男盘?hào)和/或信號(hào) 電平也可用于本發(fā)明示例性的實(shí)施例。以下參考圖6給出了對(duì)設(shè)備110的遠(yuǎn)程可操作性的 進(jìn)一步描述。圖6描述了可操作地連接到通信連接124的電路150。電路150可以大體上相似 于上文所描述的控制和開(kāi)關(guān)電路72和12，和/或125和120。所以，電路150被配置用來(lái) 測(cè)量與流過(guò)電流路徑114到141的電流相關(guān)的參數(shù)，以及被配置用來(lái)將所測(cè)量的參數(shù)與對(duì) 應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)定義的跳間事件的那些(參數(shù))來(lái)進(jìn)行比較，舉例來(lái)說(shuō)諸如電流量和過(guò)流 事件的時(shí)間。響應(yīng)于流過(guò)導(dǎo)電路徑114到141的電流的參數(shù)，諸如具有足夠大幅度的電流 的瞬時(shí)增加來(lái)指示短路，電路150可以啟動(dòng)電流路徑114到141的中斷。例如，中斷可能大 體上相似于以上參考圖1-4所描述的操作。另外，響應(yīng)于參數(shù)，諸如具有小于短路的幅度的 電流的增加的定義持續(xù)時(shí)間，其可能指示定義的時(shí)控過(guò)流故障，電路150可以同樣地啟動(dòng) 電流路徑114到141上的電流的中斷。在中斷之后，電路150可以通過(guò)通信連接124上的 信號(hào)被重置。相似地，可以通過(guò)通信連接124上的信號(hào)使電路150跳閘。所以，電路150提 供過(guò)流保護(hù)的遠(yuǎn)程可操作性。圖6中進(jìn)一步示出的是隔離接觸器123。這樣的接觸器是可 選的且僅僅因?yàn)槭疽獾哪康亩话?。?yīng)理解，本發(fā)明的示例實(shí)施例不限于單個(gè)的遠(yuǎn)程可操作設(shè)備。在一些示例實(shí)施例 中，系統(tǒng)包括多個(gè)過(guò)流保護(hù)設(shè)備。圖7是包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保 護(hù)設(shè)備的示范性系統(tǒng)的示意圖。如圖7所示，多個(gè)遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備110通過(guò)通信連接124相互連接。每
9一個(gè)設(shè)備110可以控制不同電源線饋電的中斷，或者甚至相同的電源饋電。如圖所示，可以 包括任何數(shù)量的設(shè)備110。此外，盡管圖7描述了一個(gè)通信連接124，應(yīng)當(dāng)理解的是可以使 用任何數(shù)量的通信連接來(lái)促進(jìn)設(shè)備110的個(gè)體或組操作。所以，根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例， 多個(gè)過(guò)流保護(hù)設(shè)備可以被遠(yuǎn)程地控制。 盡管已經(jīng)參考示范性的實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以做 出不同的變化并且其中的元件可以被等同物替代，而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，根據(jù)本發(fā) 明的教導(dǎo)，可以為了適應(yīng)特定的情形或原料來(lái)做出許多修改，而不脫離其本質(zhì)范圍。所以， 本發(fā)明不限于作為為執(zhí)行本發(fā)明所設(shè)想的最佳或唯一方式被公開(kāi)的特定實(shí)施方式，而且本 發(fā)明將包括落在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方式。同樣，在附圖和說(shuō)明書(shū)中已公開(kāi) 本發(fā)明的示范性實(shí)施例而且，盡管使用專(zhuān)門(mén)的術(shù)語(yǔ)，但除非另有聲明，否則它們僅僅以普通 和描述方式被使用，而非用于限制的目的，所以本發(fā)明的范圍并未被如此限制。此外，第一、 第二等等這些術(shù)語(yǔ)的使用并不表示任何順序或重要性，而只是第一、第二等等這些術(shù)語(yǔ)被 用于將一個(gè)元件與另一個(gè)區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外，一、一個(gè)等術(shù)語(yǔ)的使用也不表示數(shù)量的限制，而 只是表示所引用的項(xiàng)目中至少一個(gè)的存在。
權(quán)利要求
一種遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，其包括多個(gè)遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備，其中所述多個(gè)遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備中的每一個(gè)包括整體地布置在電流路徑上的控制電路；安置在所述電流路徑上的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開(kāi)關(guān)，所述MEMS開(kāi)關(guān)響應(yīng)于所述控制電路以輔助通過(guò)所述電流路徑的電流的中斷；以及通信連接，所述通信連接與所述控制電路相信號(hào)連接以使得所述控制電路響應(yīng)于所述通信連接上的遠(yuǎn)程控制信號(hào)來(lái)控制所述MEMS開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，所述遠(yuǎn)程控制信號(hào)被從空間上偏離所述MEMS開(kāi)關(guān)的位置接收。
2.一種電流路徑的遠(yuǎn)程過(guò)流保護(hù)的方法，其包括通過(guò)整體地布置在所述電流路徑上的控制電路來(lái)測(cè)量電流；通過(guò)響應(yīng)于所述控制電路的MEMS開(kāi)關(guān)來(lái)輔助所述電流的中斷，所述MEMS開(kāi)關(guān)被安置 在所述電流路徑上；以及基于被傳送到所述控制電路的遠(yuǎn)程控制信號(hào)來(lái)改變所述MEMS開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述輔助進(jìn)一步包括通過(guò)所述控制電路確定所述電流是否符合或超過(guò)定義的跳間事件的參數(shù)；以及 響應(yīng)于確定所述電流符合或超過(guò)所述定義的跳間事件的所述參數(shù)，使中斷信號(hào)對(duì)所述 MEMS開(kāi)關(guān)可用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述中斷進(jìn)一步包括響應(yīng)于在所述MEMS開(kāi)關(guān)處所接收的所述中斷信號(hào)，打開(kāi)所述MEMS開(kāi)關(guān)，從而輔助中斷 所述電流。
全文摘要
本發(fā)明提供了遠(yuǎn)程可操作過(guò)流保護(hù)設(shè)備。該設(shè)備包括整體布置在電流路徑上的控制電路和安置在該電流路徑上的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開(kāi)關(guān)，該MEMS開(kāi)關(guān)響應(yīng)于該控制電路以便于中斷通過(guò)該電流路徑的電流。該設(shè)備進(jìn)一步包括與該控制電路信號(hào)連接的通信連接，使得該控制電路響應(yīng)于該通信連接上的控制信號(hào)，以控制該MEMS開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01H9/54GK101874333SQ200780100251
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者B·C·孔菲爾, C·F·基梅爾, C·S·皮岑, D·J·勒西利, K·蘇布拉馬尼安, R·J·卡加諾, W·J·普雷默拉尼 申請(qǐng)人:通用電氣公司