JP5576604B2

JP5576604B2 - 超小型電子機械システムを利用したスイッチを有するプログラマブルロジックコントローラ

Info

Publication number: JP5576604B2
Application number: JP2008289347A
Authority: JP
Inventors: セシル・リバーズ，ジュニア; ブレント・チャールズ・カムファー; ウィリアム・ジェームズ・プレメリアニ; カナカサバパティ・スブラマニアン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: JP2009123211A; KR101519143B1; KR20090050003A; CN101436048B; US7839611B2; MX2008014542A; CN101436048A; EP2065770B1; EP2065770A1; US20090125124A1

Description

本発明は一般に、プログラマブルロジックコントローラに関し、特に超小型電子機械システムを利用したスイッチングデバイスを使用してディジタル入力および出力インターフェースを供給するプログラマブルロジックコントローラに関する。

プログラマブルロジックコントローラ（「ＰＬＣ」）は自動化および制御に広く利用されている。それらには産業自動化、工場の自動化、ビルの自動化などが含まれる。ＰＬＣは一般的には所望の機能を実装するための制御プログラムでユーザーによりプログラムされる。制御プログラムは、例えばはしご論理などのプログラミング言語を書き込んで所望の制御を実行する。例えば、ＰＬＣはモータ速度、温度、圧力、体積流量などの入力状態をモニタすることができる。制御プログラムは、ある入力信号または状態に遭遇するとどのような動作を行うべきかをＰＬＣに指示するためにＰＬＣ内のメモリに記憶されている。

ＰＬＣは通常は、それが制御するデバイスに直に接続することはない。必要な接続を行い、信号をデバイスとＰＬＣの双方に有用になるように適応させるためにインターフェースモジュール、または入力／出力モジュール（「Ｉ／Ｏモジュール」）が使用される。Ｉ／Ｏモジュールはさらに、ＰＬＣを短絡状態などの異常な電気的故障から保護する。Ｉ／Ｏモジュールは一般的にはＰＬＣ内の背面ボード上に配設されたそれぞれのスロット内に実装される。スロットは、いずれかのＩ／Ｏモジュールを中央処理ユニット（「ＣＰＵ」）に結合するメインバスにより互いに結合されている。

ＰＬＣを比較的高電力の用途と結びつけるために一般に使用される２つの種類のデバイスは、電子機械継電器、およびソリッドステート・デバイスである。これらのデバイスによって、５ＶＤＣ回路を使用して動作するディジタル論理デバイスであるＰＬＣは、例えば２４Ｖｄｃまたは１２０Ｖａｃなど、より高い電圧および電流で動作するデバイスを制御することが可能になる。

継電器は電磁石を使用して動作する電子機械スイッチである。電気系統で電流をスイッチオン／オフするには、接点のセットを使用できる。接点は開位置にして電流の流れを止めるか、閉位置にして電流が流れるようにできる。継電器内のコイルが励磁され、電機子に作用する磁界を生成する。電機子は接点に機械的に接続され、コイルにより生成された磁界の作用で接点を移動させる。この動きは接点により生成される電気的接続を行ったり、遮断したりする。継電器に信頼性が高いという利点があり、多様な継電器を容易に入手できる。したがって、適正な継電器を用途に容易に適合させることができる。しかし、電子機械スイッチは動作が遅い傾向があり、また、特定の電力レベル向けに設計または選択される必要がある。継電器は１つの電力レベルでしか動作しないので、デバイスのスケーラビリティは限定される。さらに、継電器は、それ自体を、またはそれが駆動する回路を保護しない。

遅動電子機械スイッチの代替として、例えばバイポーラ接合トランジスタまたは金属酸化物−半導体−電界効果型トランジスタ（「ＭＯＳＦＥＴ」）などの速動ソリッドステートスイッチが低電力レベルでの直流の用途で開発されている。これらのソリッドステートスイッチは電圧またはバイアスの制御された印加によって導電状態と非導電状態を切り換える。例えば、ソリッドステートスイッチに逆バイアスを印加することによって、スイッチを非導電状態に移行させることができる。しかし、ソリッドステートスイッチは、それらが非導電状態に切り換わる際に接点間に物理的空隙を形成しないので、漏れ電流が生ずる。物理的空隙がないので、ソリッドステートスイッチによって行われる電気的保護は限定されている。さらに、継電器と同様、ソリッドステートスイッチは特定の電力レベル向けのサイズにされており、したがってスケーラビリティが限定される。
米国特許第６，９０４，４７１Ｂ２号公報米国特許第６，７３８，２４６Ｂ１号公報米国特許第６，５６３，６８３Ｂ１号公報米国特許第５，９４３，２２３号公報米国特許第５，４３０，５９７号公報米国特許第３，４９６，４０９号公報米国特許出願公開第２００７０１７３９６０Ａ１号公報米国特許出願公開第２００７０１４２９３８Ａ１号公報米国特許出願公開第２００７００１３３５７Ａ１号公報米国特許出願公開第２００６０２０２９３３Ａ１号公報米国特許出願公開第２００６０１８７６８８Ａ１号公報米国特許出願公開第２００５００８５９２８Ａ１号公報ＥｕｒｏｐｅａｎＳｅａｒｃｈＲｅｐｏｒｔｆｏｒＥｕｒｏｐｅａｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＮｏ．０７１１０５５４．８；ＥｕｒｏｐｅａｎＦｉｌｉｎｇＤａｔｅｏｆＯｃｔｏｂｅｒ１９，２００７；ＭａｉｌｉｎｇＤａｔｅｏｆＯｃｔｏｂｅｒ３０，２００７；（６ｐｇｓ）

既存のＩ／Ｏモジュール技術は意図された目的向けには適切であるが、上記の欠点を克服するスケーラビリティと、電気的故障からの保護をもたらすＩ／Ｏモジュールを有するＰＬＣがこの分野には必要である。

中央処理ユニットを有するプログラマブルロジックコントローラが提供される。ディジタル入力／出力インターフェースが中央処理ユニットに作動的に結合される。ディジタル入力／出力インターフェースは少なくとも１つの入力端子と少なくとも１つの出力端子とを有している。超小型電子機械システム（「ＭＥＭＳ」）スイッチが少なくとも１つの入力端子の各々と、少なくとも１つの出力端子の各々とに接続され、入力ＭＥＭＳスイッチと出力ＭＥＭＳスイッチとを画成する。各ＭＥＭＳスイッチはソース接続と、ドレン接続と、ゲート接続とを有している。

プログラマブルロジックコントローラ・インターフェースを有するプログラマブルロジックコントローラ用の入力／出力インターフェースモジュールも提供される。少なくとも１つのインターフェース端子が制御インターフェースに電気的に結合されている。ソース接続と、ドレン接続と、ゲート接続とを有する少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチがインターフェース端子に接続されている。ゲートドライバがそれぞれのＭＥＭＳスイッチに結合され、回路はＭＥＭＳスイッチの開離を促進するため、ゲートドライバスイッチに電気的に接続されている。

中央処理ユニットを有するプログラマブルロジックコントローラも提供される。インターフェースモジュールは中央処理ユニットに電気的に結合されている。インターフェースモジュールはさらに、ドレン接続と、ソース接続と、ゲート接続とを有する少なくとも１つの第１のＭＥＭＳスイッチを含んでいる。ゲートドライバは第１のＭＥＭＳスイッチに作動的に結合され、中央処理ユニットからの第１の論理信号を受信するように電気的に結合されている。

本発明の上記の、およびその他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号は同様の部品を示す添付図面を参照した以下の詳細な説明を読むことでより明解に理解されよう。

例示的実施形態は、外部デバイスのディジタル制御を行うのに適した電気的保護をもたすスケーリング可能なインターフェースを有するプログラマブルロジックコントローラ（「ＰＬＣ」）を提供する。入力／出力インターフェースモジュール（「Ｉ／Ｏモジュール」）は超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを含んでいる。ＭＥＭＳスイッチを使用することによって迅速な応答時間が得られ、さらにＰＬＣのディジタル論理回路と、より高電力の外部回路とのインターフェースが得られる。ＭＥＭＳスイッチと並列に接続されたハイブリッド・アークレス制限技術（ＨＡＬＴ）回路は、電流、電圧に関わらず任意の所定の時点でＭＥＭＳスイッチがアーク放電を伴わずに開離される機能を備えている。あるいは、ＭＥＭＳスイッチと並列の接続されたパルス援用ターンオン（図示せず）回路は、任意の所定の時点でＭＥＭＳスイッチがアーク放電を伴わずに閉成される機能を備えている。

図１は、「ＭＥＭＳスイッチ１」、「ＭＥＭＳスイッチ２」から「ＭＥＭＳスイッチｎ」と呼ばれる複数のＭＥＭＳスイッチを有するＭＥＭＳベースのスイッチングシステム２８を含むＩ／Ｏモジュール２４、２６を有する例示的ＰＬＣ２０のブロック図を示している。入力モジュール２４に接続されたＭＥＭＳスイッチは本明細書で入力ＭＥＭＳスイッチと呼ばれ、出力モジュール２６に接続されたＭＥＭＳスイッチは同様に本明細書で出力ＭＥＭＳスイッチと呼ばれる。ＰＬＣ２０は入力モジュール２４からの信号を受信するように配置された中央処理ユニット（「ＣＰＵ」）２２を含んでいる。入力モジュール２４は、例えば外部デバイス、モータコントローラ、または温度センサからの状態を示す信号を受信する。ＰＬＣ２０内の回路は一般的には低電圧、例えば５ＶＤＣであり、ＭＥＭＳスイッチ２８は、外部信号をＣＰＵ２２に接続された論理回路が使用できる形態に変換する。出力モジュール２６はＣＰＵ２２からの信号を受信するように配置されている。出力モジュール２６内のＭＥＭＳスイッチ２８は信号を外部デバイスが利用できる形態に変換し、信号を外部デバイスに送る。本明細書でより詳細に記載するように、Ｉ／Ｏモジュールは外部デバイスと、ＣＰＵ２２に接続された論理回路との間に絶縁障壁を設ける。入力モジュール２４と出力モジュール２６とは本明細書では明解にするために別個の２つのコンポーネントとして記載されているが、Ｉ／Ｏモジュールを、入力モジュールまたは出力モジュールまたはその組み合わせとして動作するように構成できる単一のコンポーネントとして組み合わせてもよいことを理解されたい。

ＣＰＵ２２は一般的には、マイクロプロセッサ、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）および読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）を含む特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。ＲＯＭはＰＬＣ２０のオペレーティングシステムを含み、ＰＬＣの種類に応じてＥＰＲＯＭまたはフラッシュＥＰＲＯＭのいずれかでよい。ＲＡＭはオペレーティングシステムのデータメモリとして、かつオペレータが実行可能コードとしてコンパイルした制御プログラムを記憶するために使用される。ＣＰＵ２２はさらに、ディジタル論理回路内に例えば汎用非同期送受信機、コンディショニング回路、高速カウンタ、ウオッチドッグ回路およびバスインターフェースなどのコンポーネント有している。

図２は例示的なアークレス超小型電子機械システムスイッチ（ＭＥＭＳ）を利用したスイッチングシステム２８のブロック図を示す。現在、ＭＥＭＳとは一般に、例えば機械素子、電子機械素子、センサ、アクチュエータ、および電子素子などの機能的に別個の複数の素子を微細加工技術によって共通の基板上の集積可能なミクロンスケール構造のことである。しかし、ＭＥＭＳデバイスで現在利用できる多くの技術および構造は、例えばサイズが１００ナノメートル未満であり得る構造など、ナノテクノロジーを利用したデバイスにより僅か数年で利用できるようになることが予測される。したがって、本明細書全体を通して記載されている例示的実施形態はＭＥＭＳを利用したスイッチングデバイスと呼ばれていても、実施形態は広義に解釈されるべきであり、マイクロサイズのデバイスに限定されるべきではない。

図２に示すように、アークレスＭＥＭＳスイッチングシステム２８は、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路３０と、消弧回路３２とを含むものとして示されており、別称ハイブリッド・アークレス制限テクノロジー（ＨＡＬＴ）デバイスとも呼ばれる、消弧回路３２はＭＥＭＳベースのスイッチング回路３０に作動的に結合されている。ある実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路３０の全体を消弧回路３２と共に、例えば単一パッケージ３４に統合してもよい。別の実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路３０のある部品またはコンポーネントを消弧回路３２と共に統合してもよい。

現在企図されている構成では、図３を参照して詳細に説明するように、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路３０は１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。加えて、消弧回路３２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できる。さらに、消弧回路３２は、ＭＥＭＳスイッチの閉成から開離への状態変化に応動してＭＥＭＳスイッチからの電気エネルギ転送を受けることによって、１つまたは複数の接点間のアーク形成の抑止を促進するように構成することができる。消弧回路３２は、交流電流（ＡＣ）または直流電流（ＤＣ）に応じてアーク形成の抑止を促進するように構成できることを付記しておく。

ＭＥＭＳスイッチを利用したスイッチング回路３０は図３に示すようなＭＥＭＳスイッチ３６を含むことができる。図示した実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ３６は第１の接続３８と、第２の接続４０と、第３の接続４２とを有することが示されている。一実施形態では、第１の接続３８はドレンとして構成され、第２の接続４０はソースとして構成され、第３の接続４２はゲートとして構成されることができる。ゲート接続４２はゲートドライバ４４に接続されている。ゲートドライバ４４は電源供給入力（図示せず）と、ＣＰＵ２２からの信号を受信するように接続され、ＭＥＭＳスイッチ３６の状態を変更する手段を備える制御論理入力４６とを含んでいる。ＭＥＭＳスイッチ３６は単一のスイッチとして図示されているが、用途に必要な必要電圧および電流容量を供給するため、並列、直列またはそれらのいずれかの組み合わせで組み合わせてもよいことが理解されよう。例示的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２８は、所望の外部デバイスとの必要なインターフェースを備えるためにＭＥＭＳスイッチを増減できるようにモジュラ配置で構成されている。本明細書で用いられるＭＥＭＳスイッチングシステム２８は、ＭＥＭＳスイッチング回路３０を組み込んだシステムを示し、そしてこのスイッチング回路はＭＥＭＳスイッチ３６を組み込んだ回路を示す。

電圧スナバ回路４８はＭＥＭＳスイッチ３６に並列に結合され、以下により詳細に説明するように、迅速な接点分離中の電圧オーバーシュートを制限するように構成できる。ある実施形態では、スナバ回路４８はスナバ抵抗器に直列に結合されたスナバコンデンサを含んでいてもよい。スナバコンデンサはＭＥＭＳスイッチ３６の開離の手順中に過渡電圧の共用の向上を促進することができる。さらに、スナバ抵抗器は、ＭＥＭＳスイッチ３６の閉成中にスナバコンデンサによって生成される電流パルスがあればこれを抑止することができる。ある他の実施形態では、電圧スナバ回路４８は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含んでいてもよい。

本技術のさらなる態様によれば、負荷回路５０をＭＥＭＳスイッチ３６に直列に結合できる。負荷回路５０はさらに、制御され、またはＰＬＣ２０に信号を送る外部デバイス５４を含むことができる。加えて、負荷回路５０は電圧源Ｖ_ＢＵＳ５２を含むことができる。負荷回路５０はさらに負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ５６を含むことができ、ただし負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ５６は負荷回路５０から見た結合された負荷インダクタンスとバスインダクタンスとを表している。負荷回路５０はさらに、負荷回路５０から見た結合された負荷抵抗を表す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ５８含むことができる。参照番号６０は、負荷回路５０とＭＥＭＳスイッチ３６とを流れることができる負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤを表している。

さらに、図２を参照して述べたように、消弧回路３２は平衡ダイオードブリッジを含むことができる。図示した実施形態では、平衡ダイオードブリッジ６２は、第１の分岐６４および第２の分岐６６を有するものとして示されている。本明細書で使用される「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１と第２の分岐６４、６６の双方の両端間の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されたダイオードブリッジを示すために用いられる。平衡ダイオードブリッジ６２の第１の分岐６４は、互いに結合されて第１の直列回路を形成する第１のダイオードＤ１６８と第２のダイオードＤ２７０とを含むことができる。同様に、平衡ダイオードブリッジ６２の第２の分岐６６は、互いに作動的に結合されて第２の直列回路を形成する第３のダイオードＤ３７２と第４のダイオードＤ４７４とを含むことができる。

一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ３６は、平衡ダイオードブリッジ６２の中間点の両端に並列接続されてもよい。平衡ダイオードブリッジ６２の中間点は、第１と第２のダイオード６８、７０の間に位置する第１の中間点と、第３と第４のダイオード７２、７４の間に位置する第２の中間点とを含むことができる。さらに、ＭＥＭＳスイッチ３６と平衡ダイオードブリッジ６２とは、平衡ダイオードブリッジ６２によって、特にＭＥＭＳスイッチ３６への接続によって生ずる寄生インダクタンスの最小限化を促進するために密にパッケージすることができる。本技術の例示的態様によれば、後に詳述するＭＥＭＳスイッチ３６のターンオフ中に、負荷電流のダイオードブリッジ６２への電流伝達を搬送する際に、ＭＥＭＳスイッチ３６と平衡ダイオードブリッジ６２との間の固有インダクタンスがＭＥＭＳスイッチ３６のドレン３８およびソース４０の両端間の電圧よりも数パーセント低いｄｉ／ｄｔ電圧を生成するように、ＭＥＭＳスイッチ３６および平衡ダイオードブリッジ６２が互いに位置決めされることを付記しておく。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ３６とダイオードブリッジ６２とを相互に接続するインダクタンスを最小限にする意図で、ＭＥＭＳスイッチ３６は平衡ダイオードブリッジ６２と共に単一のパッケージ、または必要なら同じダイ内に統合されてもよい。

加えて、消弧回路３２は、平衡ダイオードブリッジ６２と作動的な関係で結合されたパルス回路７６を含むことができる。パルス回路７６を、切り換え状態を検知し、切り換え状態に応じてＭＥＭＳスイッチ３６の開離を開始するように構成できる。本明細書で用いられる「切り換え状態」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ３６の現在の動作状態の変化を誘発する状態を意味する。例えば、切り換え状態は、ＭＥＭＳスイッチ３６の第１の閉状態が第２の開状態に変化し、またはＭＥＭＳスイッチ３６の第１の開状態が第２の閉状態に変化することができる。切り換え状態は、回路の故障またはＣＰＵ２２からのＯＮ／ＯＦ要求を含むが、それに限定されない幾つかの動作に応動して生ずることができる。

パルス回路７６は、パルススイッチ７８、およびパルススイッチ７８に直列に結合されたパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}８０を含むことができる。さらに、パルス７６回路は、パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}８２およびパルススイッチ７８に直列に接続された第１のダイオードＤ_Ｐ８４を含むことができる。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}８２、ダイオードＤ_Ｐ８４、パルススイッチ７８およびパスルコンデンサ８０は直列に結合されて、パルス回路７６の第１の分岐を形成することができ、パルス電流成形およびタイミングを促進するように第１の分岐のコンポーネントを構成してもよい。さらに、参照番号８６は、パルス回路７６を流れることができるパルス回路電流Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}を表している。

例示的実施形態の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチ３６は、ゼロに近い電圧ではあるが電流を搬送しつつ、第１の閉状態から第２の開状態へと切り換えることができる。これは、負荷回路５０と、ＭＥＭＳスイッチ３６の接点と並列に結合された平衡ダイオードブリッジ６２を含むパルス回路７６との複合動作によって達成できる。

図４を参照すると、例示的な実施形態の入力モジュール２４が示されている。入力モジュール２４は前述のように、負荷回路５０、ダイオード回路６２、およびパルス回路７６と直列に結合されたＭＥＭＳスイッチ３６を含んでいる。入力モジュールは負荷回路５０からの信号を受け、負荷信号をＰＬＣ２０のディジタル論理回路で使用するように変換する。この実施形態では、電圧検出回路９０がＭＥＭＳスイッチ３６のソース４０およびドレン３８の端子に結合されている。参照番号９２は、負荷回路５０を流れることができる電位Ｖ_ＬＯＡＤを表している。電位９２は、例えば温度センサまたはロードセルなどの外部デバイス５４により生成される信号を表している。電圧センサ９０は、例えばＰＬＣ２０の背面を経て入力モジュール２４をＣＰＵ２２に接続する端子ブロック９６に結合されている。端子ブロック９６は、各々が個々のＭＥＭＳスイッチ回路２８に接続するのに適した複数の端子を有している。

電圧センサは、例えばＭＥＭＳスイッチ３６の両端間に生ずる予測電圧範囲を測定可能な高抵抗電流計などのいずれかの適宜の電圧測定回路であってよい。電圧回路９０は、ＣＰＵ２２のディジタル論理回路に適する電圧信号Ｖ_{ＤＩＧＩＴＡＬ}を生成する。参照番号９４はＣＰＵ２２に送信される電圧信号Ｖ_{ＤＩＧＩＴＡＬ}を表している。例示的実施形態では、電圧信号９４は負荷電圧９２に比例し、−５ＶＤＣ〜＋５ＶＤＣの範囲を有している。前述のように、ＣＰＵ２２には電圧信号９４に応動し、信号で示される状態に基づいて命令を実行し、これに応答して出力データ信号を生成する。

次に図５を参照して、出力モジュール２６の例示的実施形態を説明する。入力信号９４に応答してＣＰＵ２２は制御命令を実行して出力応答を行い、入力状態が検出、または測定されるとシステムのオペレータが希望するように、例えばモータをオンに切り換える。出力信号は参照番号１００で表わされる。出力信号１００はＣＰＵ２２から出力モジュール２６内の端子ブロック９８に送信される。出力モジュールは、例えば背面を経てＰＬＣ２０に結合されている。

出力モジュール２６は、図３を参照して前述したように、ダイオードブリッジ６２とパルス回路７６とに結合されたＭＥＭＳスイッチ３６を有するＭＥＭＳベースのスイッチングシステム２８を含んでいる。例示的実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ３６は外部デバイス１０２と直列に結合され、電力を外部デバイス１０２に接続し、ここから遮断するように配置されている。出力モジュール２６は異なる種類の外部デバイスの異なる多くの用途に利用でき、外部デバイスに電力を接続し、そこから遮断する機能は、例示目的のためであり、限定的なものではないことを理解されたい。

出力信号１００は端子ブロック９８を介してＣＰＵ２２によって送信され、ゲートドライバ制御回路４６によって受信される。出力信号１００の性質に応じて、ゲートドライバ４４はゲート接続４２を不勢または除勢し、ＭＥＭＳスイッチ３６をそれぞれ閉成、または開離させる。ＭＥＭＳスイッチ３６が閉じている場合は、電力は電源１０４から外部デバイス１０２に流れることができる。ＭＥＭＳスイッチ３６が開離している場合は、外部デバイス１０２への電力は遮断される。前述のように、ＭＥＭＳスイッチは、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム２８またはＣＰＵ２２のディジタル論理回路を損傷することがある不都合な電気的状態からＭＥＭＳスイッチを利用したスイッチングシステム２８およびＰＣＬ２０を保護するために回路に統合された消弧回路３２を有することができる。

入力モジュール２４および出力モジュール２６をＰＬＣ２０に結合された別個のコンポーネントとして記載してきたが、それは例示目的、およびモジュール２４、２６の説明を補助するためであることに留意されたい。入力／出力モジュール２４、２６は、例えば背面を経てＰＬＣ２０に結合された単一のコンポーネントに組み込んでもよい。さらに、ＭＥＭＳベースの個々のスイッチングシステム２８を、入力および出力の双方のインターフェース機能を設けるように構成して、製造工程で、またはその用途の現場で事後変更できるようにしてもよい。入力インターフェースから出力インターフェースへの変更は、例えばデイップスイッチなどのハードウエアによって、またはＣＰＵ２２で実行される制御コードを介して達成できる。ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム２８を再構成可能であることにより、再構成を達成するには専用のハードウエアを交換する必要がある既存のＩ／Ｏモジュールに対してコストおよび据え付け時間の利点が得られる。

ここで、例示的実施形態の対応による出力モジュール２６用の例示的ソフトスイッチングシステム１０６のブロック図を示す図６を参照する。図６に示すように、ソフトスイッチングシステム１０６は互いの作用的に結合されたスイッチング回路３０、検出回路１０８、および制御回路１１０を含んでいる。検出回路１０８をスイッチング回路３０に結合され、外部デバイスに接続された負荷回路内の交流電源電圧（以下「ソース」電圧と言う）、または負荷回路の交流電流（以下「負荷回路電流」と言う）のゼロ交差の発生を検出するように構成できる。制御回路１１０はスイッチング回路３０および検出回路１０８に結合でき、交流ソース電圧または交流負荷電流の検出されたゼロ交差に応答してスイッチング回路３０内の１つまたは複数のスイッチのアークを発生しない切換えを促進するように構成できる。一実施形態では、制御回路１１０を、スイッチング回路３０の少なくとも一部を備える１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチのアークを発生しない切換えを促進するように構成できる。

例示的実施形態の１つの態様によれば、ソフトスイッチングシステム１０６をソフト、すなわちポイントオンウェーブ（ＰｏＷ）スイッチングを実施するように構成でき、それによってスイッチング回路３０内の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチは、スイッチング回路３０の両端間の電圧がゼロ、またはゼロに極めて近い場合は閉成され、スイッチング回路３０を流れる電流がゼロまたはゼロに近い場合は開離されることができる。スイッチング回路３０の両端間の電圧がゼロ、またはゼロに極めて近い場合にスイッチが閉成されることによって、複数のスイッチが全て同時に閉じないとしても、スイッチが閉じる際に１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電界を低く保つことにより、プレストライク・アーク発生を回避することができる。同様に、スイッチング回路３０を流れる電流がゼロまたはゼロに近い場合にスイッチを一度に開離することによって、スイッチング回路３０内の最後のスイッチを開く電流がスイッチの設計容量内にあるようにソフトスイッチングシステム１０６を設計できる。上記に示唆したように、また一実施例によれば、制御回路１１０は、スイッチング回路３０の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの開閉が交流ソース電圧または交流負荷回路電流のゼロ交差の発生と同期するように構成できる。

図３、図４、および図５は説明目的でＭＥＭＳスイッチ３６を単一のスイッチとして図示しているが、ＭＥＭＳスイッチ３６は例えばソフトスイッチングシステム１０６の電流および電圧処理の必要性に応じて１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを含んでいてもよい。一実施形態では、スイッチング回路３０はさらに、電流をＭＥＭＳスイッチ間で分流するために並列構成で互いに結合された複数のＭＥＭＳスイッチモジュールを含んでいてもよい。さらに別の実施形態では、スイッチング回路３０の１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを単一のパッケージに統合してもよい。

次に図７を参照すると、図６のソフトスイッチングシステム１０６の一実施形態の概略図１１２が示されている。図示した実施形態によれば、概略図１１２はスイッチング回路３０、検出回路１０８、および制御回路１１０の一実施例を含んでいる。さらに説明する目的で、各ＭＥＭＳスイッチ３６を、図３を参照して記載したＭＥＭＳスイッチに関連して記載する。一実施形態では、制御回路１０８は、ＭＥＭＳスイッチ３６の電流状態の切り換えを促進するため、制御論理入力４６を介してゲートドライバ４４に結合することができる。

加えて、図７にさらに示すように、ＭＥＭＳスイッチ３６を負荷回路５０と直列に結合できる。現在企図される構成では、外部制御デバイス５４に接続する負荷回路５０は電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}５２を含むことができ、かつ代表的な付加インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ５６と負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ５８とを有することができる。一実施形態では、（ＡＣ電圧源とも言われる）電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}５２を、交流ソース電圧および交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ６０を生成するように構成してもよい。

前述のように、検出回路１０８を、負荷回路５０内の交流ソース電圧または交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ６０のゼロ交差の発生を検出するように構成できる。交流ソース電圧は電圧検出回路１１４を介して検出でき、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ６０は電流検出回路１１６を介して検出できる。交流ソース電圧および交流負荷電流は例えば継続的に、または個々の周期で検出できる。

ソース電圧のゼロ交差を、例えば図示したゼロ電圧比較器１１８などの比較器を使用して検出できる。電圧検出回路１１４、およびゼロ電圧基準１２０によって検出された電圧を、ゼロ電圧比較器１１６への入力として使用できる。言い換えると、負荷回路５０のソース電圧のゼロ交差を表す出力信号１２２を生成できる。同様に、図示したゼロ電流比較器１２４などの比較器を使用することによって、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ６０のゼロ交差も検出できる。電流検出回路１１６とゼロ電流基準１２６とによって検出された電流は、ゼロ電流比較器１２４への入力として使用できる。言い換えると、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ６０のゼロ交差を表す出力信号１２８を生成できる。

言い換えると制御回路１１０は、ＭＥＭＳスイッチ３６の現在の動作状態（例えば開または閉）をいつ変更するかを決定するために出力信号１２２および１２８を使用できる。より具体的には、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ６０の検出されたゼロ交差に応動して、負荷回路５０を遮断または開離するためにＭＥＭＳスイッチ３６の開離を促進するように制御回路１１０を構成できる。加えて、交流ソース電圧の検出されたゼロ交差に応動して、負荷回路５０を完結するためにＭＥＭＳスイッチ３６の閉成を促進するように電圧制御回路１１０を構成できる。

一実施形態では、制御回路１１０は、ＭＥＭＳスイッチ３６の現在の動作状態をＣＰＵ２２から送信されたイネーブル信号１３０の状態に応じて少なくとも部分的に第２の動作状態に切換えるか否かを決定することができる。イネーブル信号１３０は、例えば電源オフ指令の結果として生じ得る。一実施形態では、イネーブル信号１３０と出力信号１２２および１２８を、図示のようにデュアルＤ型フリップフロップ１３２への入力信号として使用できる。これらの信号を、イネーブル信号１３０が能動状態にされた後（例えば立ち上がりエッジでトリガされた後）の最初のソース電圧ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチ３６を閉じ、イネーブル信号１３０が非能動状態にされた後（例えば立下りエッジでトリガされた後）の最初の負荷電流ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチ３６を開くために使用できる。図７に示された概略図１１２に関しては、イネーブル信号１３０が能動状態（特定の実装に応じてハイまたはロー）にあり、出力信号１２２または１２８のいずれかが検出された電圧、または電流がゼロであることを示す場合は常にトリガ信号１３４を生成できる。一実施形態では、トリガ信号１３４を、例えばＮＯＲゲート１３６を介して生成できる。翻って、トリガ信号１３４はゲート起動信号１４０を生成するためにドライバ１３８に送られることができ、この信号はＭＥＭＳスイッチ３６内のゲートドライバ４４の制御論理入力４６に制御電圧を印加するために使用できる。

前述のように、特定の用途向けに所望の定格電圧を達成するため、ＭＥＭＳスイッチ３６を他のＭＥＭＳスイッチと直列に作動的に結合できる。個々の各ＭＥＭＳスイッチ３６はホールドオフ電圧と言われる電気特性を有している。これは、ＭＥＭＳスイッチ内にある静電力の影響下でＭＥＭＳスイッチの状態が開から閉に変更され、または閉から開に変更される電圧である。一般的なＭＥＭＳスイッチのホールドオフ電圧は約１００Ｖである。しかし、ある実施形態では、例えば４００Ｖなどのより高い電圧で動作することが望ましい。ＭＥＭＳスイッチ３６は直列に配置されているので、このスイッチ対のホールドオフ電圧は各ＭＥＭＳスイッチのホールドオフ電圧の合計に等しい。スイッチのホールドオフ電圧が同一である場合、例えば１００Ｖである場合は、ＭＥＭＳスイッチ３６のホールドオフ電圧は例えば２Ｘ、すなわち２００Ｖであろう。

ＭＥＭＳスイッチ３６は、付加的な電流搬送容量を付与するためにＭＥＭＳスイッチ３６と並列に配置される付加的なＭＥＭＳスイッチを含んでいてもよいことを理解されたい。ＭＥＭＳスイッチの複合された機能は、ホールドオフ電圧を高めることと、負荷回路が受ける連続的かつ過渡的な過負荷電流レベルを適切に搬送することの両方のために設計できる。例えば、６倍の過渡的過負荷を有する１０アンペアのＲＭＳモータのコンデンサの場合、１０秒間にわたり６０アンペアのＲＭＳを搬送するために十分な並列に結合されたスイッチが必要であろう。５マイクロ秒以内に電流ゼロに達するＭＥＭＳスイッチを切換えるためにポイントオンウエーブ・スイッチングを使用すると、接点の開離時に１６０ミリアンペアが瞬間的に流れよう。したがって、各ＭＥＭＳスイッチは１６０ミリアンペアを「ウォームスイッチング」できることが必要であり、６０アンペアを搬送するために十分な数のこれらのＭＥＭＳスイッチを並列に配置する必要があろう。これに対して、単一のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングの瞬間に流れる電流の量またはレベルを遮断可能である必要があろう。

しかし、例示的実施形態は交流電流および／または制限波形のアーク放電を生じないスイッチングに限定されない。図８に示すように、例示的実施形態は、自然に発生するゼロ交差がない直流電流および／または複数の直流電流のアークレススイッチングにも応用できる。図８に示すように、例示的実施形態は自然発生のゼロ交差なく、直流電流および／または複数の直流電流のアークレススイッチングにも利用できる。

図８は、例示的実施形態による例示的ＭＥＭＳスイッチを使用したスイッチングシステム１４２のブロック図を示している。図８に示すように、アークレスのＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１４２は、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１４４と、消弧回路１４６とを含むものとして示されており、例えばＨＡＬＴおよびＰＡＴＯ回路などの消弧回路１４６はＭＥＭＳを利用してスイッチング回路１４４に作動的に結合されている。ある実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１４４の全体を消弧回路１４６と共に例えば単一のパッケージ１４８内に統合してもよい。別の実施形態では、ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１４４のある部分またはコンポーネントだけを消弧回路１４６と統合してもよい。

ＭＥＭＳベースのスイッチング回路１４４は１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。加えて、消弧回路１４６は平衡ダイオードブリッジおよびパルス回線および／またはパルス回路を含んでいてもよい。さらに、消弧回路１４６を、ＭＥＭＳスイッチの閉から開への（または開から閉への）状態変化に応答してＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの伝達を受けることによって、１つまたは複数のＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク放電の形成の抑止を促進するように構成してもよい。消弧回路１４６を、交流電流（ＡＣ）、または直流電流（ＤＣ）に応答してアーク放電形成の抑止を促進するように構成できることを付記しておく。

しかし、例示的実施形態は単一のＭＥＭＳスイッチ対を含むＩ／Ｏモジュールに限定されない。例えば、単一のＭＥＭＳスイッチ対と比較して異なる電圧定格または異なる電流処理能力を達成するために複数のＭＥＭＳスイッチを使用してもよい。例えば、前述のように、増大した電流処理能力を達成するために、複数のＭＥＭＳスイッチを並列に接続してもよい。同様に、より高い電圧定格を達成するために、複数のＭＥＭＳスイッチを直列に接続してもよい。さらに、所望の電圧定格および電流処理能力を達成するため、複数のＭＥＭＳスイッチを直列と並列の接続の組み合わせを含む回路網内に接続してもよい。このような組み合わせは全て例示的実施形態の範囲に含まれるものである。次に図９を参照すると、複数のＭＥＭＳスイッチを有する出力モジュール２６の例示的構成が示されている。

図９は、例示的実施形態により構成された出力モジュール２６を有するＰＬＣ２０のブロック図である。図９に示すように、ＭＥＭＳベースの２つのスイッチングシステム１５０、１５２が端子ブロック９８および負荷回路１５４、１５６にそれぞれ接続されている。負荷回路１５４、１５６は、システムのオペレータが制御したい外部デバイスに各々接続されている。ＭＥＭＳベースの第３のスイッチングシステム１６０は外部回路１６６上の信号を測定するように接続されている。ＣＰＵ２２は、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１６０を介して受信した入力信号に応答して、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１５０、１５２を各々別個に起動することができる。

図９に示すように、ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１５０は端子ブロック９８の端子１に結合されている。ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１５０は、負荷回路１５４が必要とするより高い電圧スタンドオフ性能を付与するようにＭＥＭＳスイッチ１５８のアレイが直列に接続されて配置されている。ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１５２は端子ブロック９８内の端子２に接続されている。ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１５２は、より高電流の用途で使用できるように、並列に結合されたＭＥＭＳスイッチ１６０のアレイを組み込んでいる。ＰＬＣは、各々が端子ブロック９８上の端子に接続された出力モジュール２６上に複数のＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１５０、１５２を有することができる。これらのそれぞれのＭＥＭＳベースのスイッチングシステムは各々、本明細書に記載のようにＣＰＵ２２によって別個に制御される。

ＭＥＭＳベースの第３のスイッチングシステム１６０は外部回路に１６６からの信号を受信するように配置されている。本明細書に記載のように、ＭＥＭSスイッチ１６４は、信号を電圧センサ１６８によって測定された電圧として受信する。電圧センサ１６８は、ディジタル信号をＭＥＭＳベースのスイッチングシステム１６０からＣＰＵ２２に送信できるようにする端子ブロック９８内に端子「ｎ−１」に接続されている。ＭＥＭＳベースの第３のスイッチングシステム１６０は、前述と同様に直列または並列に配置された複数のＭＥＭＳスイッチ１６４を含むことができることが理解されよう。

したがって、本明細書に記載のＰＬＣ２０は、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチが内部に配置された電流経路と一体に配置された制御回路と、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのアークレス開離を促進する少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと並列に接続されたＨＡＬＴ回路と、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチのアークレス閉成を促進する少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと並列に接続されたＰＡＴＯ回路とを含むことができる。

さらに、例示的実施形態は電流経路を導通する電流を制御する方法を提供する。例えば、この方法は、電流経路の開離を促進するために電気エネルギを少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチから、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと並列に接続されたＨＡＬＴ回路へと転送するステップを含むことができる。この方法はさらに、電流経路の閉成を促進するために電気エネルギを少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチから、少なくとも１つのＭＥＭＳスイッチと並列に接続されたＰＡＴＯ回路へと転送するステップを含むことができる。したがって、例示的実施形態はさらに、アークレス電流制御デバイスと、アークレス電流制御方法とを提供することができる。

さらに、本明細書ではＭＥＭＳスイッチと、例えばＨＡＬＴまたはＰＡＴＩＯ回路などの消弧回路との組み合わせを記載しているが、このような保護を必要としない用途もある。例えば−５ＶＤＣから＋５ＶＤＣの論理回路で動作することを意味するディジタルデバイスをモニタし、制御するためにＰＬＣ２０が使用される用途では、このような保護回路は不要である。したがって、これらの用途では、コストを節減し、Ｉ／Ｏモジュールのサイズを縮減するために消弧回路は除去してもよい。

この記載要件は最良の形態を含む本発明を開示し、さらに当業者がいずれかのデバイスまたはシステムを製造および使用し、組み込まれた方法を実施することを含め、本発明を実施することができるような実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲はクレームによって決定されるものであり、当業者によって生ずる他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例は、クレームの文言と異ならなければ、またはクレームの文言とほとんど違わない等価の構造要素を含んでいれば、クレームの範囲内に含まれるものである。さらに、第１の、第２のなどの用語の使用は、何ら順番や重要度を示すものではなく、第１の、第２のなどの用語はむしろ１つの要素を別の要素と区別するために用いられている。さらに、ａ、ａｎなどの冠詞の使用は量の限定性を示すものではなく、むしろ少なくとも１つの関連品目が存在することを示すものである。

例示的実施形態によるＭＥＭＳベースのスイッチングシステムを有するＩ／Ｏモジュールを有する例示的ＰＬＣのブロック図である。例示的実施形態による例示的な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に示した例示的なＭＥＭＳスイッチを示す概略図である。図１に示した例示的実施形態による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの入力インターフェースモジュールの概略図である。図３に示した例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの出力インターフェースモジュールの概略図である。例示的実施形態による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。例示的実施形態による、かつ図５に示したシステムの代替実施形態による例示的なＭＥＭＳベースのスイッチングシステムの出力インターフェースモジュールの概略図である。例示的実施形態による電気的故障保護機能を有するＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのブロック図である。例示的実施形態による直列および並列に配置されたＭＥＭＳベースのスイッチングシステムのアレイを有するＰＬＣのブロック図である。

符号の説明

２０プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
２２中央処理ユニット
２４Ｉ／Ｏ入力モジュール
２６Ｉ／Ｏ出力モジュール
２８ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
３０ＭＥＭＳベースのスイッチング回路
３２消弧回路
３４単一パッケージ
３６ＭＥＭＳスイッチ
３８第１の接続（ドレン）
４０第２の接続（ソース）
４２第３の接続（ゲート）
４４ゲートドライバ
４６制御論理入力
４８電圧スナバ回路
５０負荷回路
５２電圧源
５４外部デバイス
５６負荷インダクタンス
５８負荷抵抗
６０負荷回路電流
６２平衡ダイオードブリッジ
６４第１の分岐
６６第２の分岐
６８第１のダイオード
７０第２のダイオード
７２第３のダイオード
７４第４のダイオード
７６パルス回路
７８パルススイッチ
８０パルスコンデンサ
８２パルスインダクタンス
８４第１のダイオード
８６パルス回路電流
９０電圧検出回路
９２電位
９４電圧信号
９６端子ブロック
１００出力信号
１０２外部デバイス
１０４電圧源
１０６ソフトスイッチングシステム
１０８検出回路
１１０制御回路
１１２概略図
１１４電圧検出回路
１１６電流検出回路
１１８ゼロ電圧比較器
１２０ゼロ電圧基準
１２２出力信号
１２４ゼロ電流比較器
１２６ゼロ電流基準
１２８出力信号
１３０イネーブル信号
１３２デュアルＤフリップフロップ
１３４トリガ信号
１３６ＭＥＭＳスイッチ
１３８ドライバ
１４０ゲート起動信号
１４２ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１４４ＭＥＭＳベースのスイッチング回路
１４６消弧回路
１４８単一パッケージ
１５０ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１５２ＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１５４負荷回路
１５６負荷回路
１５８ＭＥＭＳスイッチのアレイ
１６０第３のＭＥＭＳベースのスイッチングシステム
１６４ＭＥＭＳスイッチ
１６６外部回路

Claims

プログラマブルロジックコントローラであって、
中央処理ユニット（２２）と、
前記中央処理ユニット（２２）に結合され、第１の端子と第２の端子とを有するディジタル入力／出力インターフェース（２４）と、
前記第１の入力端子及び前記第２の端子に接続されることにより入力ＭＥＭＳスイッチ（２８）と出力ＭＥＭＳスイッチ（２８）とを画成し、各ＭＥＭＳスイッチ（２８）がソース接続（４０）と、ドレン接続（３８）と、ゲートドライバ（４４）に接続されたゲート接続（４２）とを有する超小型電子機械システム（「ＭＥＭＳ」）スイッチ（２８）と、
を備え、
前記ソース接続（４０）が前記第１の端子に接続され、前記ドレン接続（３８）が前記第２の端子に接続され、
前記プログラマブルロジックコントローラは、前記入力ＭＥＭＳスイッチ（２８）の電圧を測定する電圧センサ（９０）をさらに備え、前記中央処理ユニット（２２）が、該電圧センサ（９０）で測定された電位（Ｖ _ｌｏａｄ）に比例する電圧信号（９４）に基づいて出力信号を生成し、
前記プログラマブルロジックコントローラは、入力インターフェース機能及び出力インターフェース機能の双方を提供可能である
ことを特徴とする、プログラマブルロジックコントローラ。
前記ＭＥＭＳスイッチ（２８）の前記ゲートドライバ（４４）が、前記ＭＥＭＳスイッチ（２８）の開離を電気的に促進するドライバ回路（３０）に結合される、請求項１に記載のプログラマブルロジックコントローラ。