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KR20100021610A - Ｍｅｍｓ 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치 및 이것의 구현 방법 - Google Patents

Ｍｅｍｓ 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치 및 이것의 구현 방법 Download PDF

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KR20100021610A
KR20100021610A KR1020097026419A KR20097026419A KR20100021610A KR 20100021610 A KR20100021610 A KR 20100021610A KR 1020097026419 A KR1020097026419 A KR 1020097026419A KR 20097026419 A KR20097026419 A KR 20097026419A KR 20100021610 A KR20100021610 A KR 20100021610A
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KR
South Korea
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circuit
mems
current
switching
switch
Prior art date
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KR1020097026419A
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English (en)
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KR101492659B1 (ko
Inventor
윌리엄 제임스 프리멜라니
카나카사바파시 수브라마니안
캐슬린 앤 오브라이언
존 노튼 파크
브렌트 찰스 쿰퍼
Original Assignee
제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of KR20100021610A publication Critical patent/KR20100021610A/ko
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Abstract

본 발명은 MEMS 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치를 포함한다. 이 장치는 과전류 보호 구성요소를 포함하는데, 이 과전류 보호 구성요소는 복수의 마이크로-전자기계적 시스템 스위칭 디바이스를 포함하는 스위칭 회로를 포함한다. 이 장치는 또한 회로 차단기 또는 스위칭 구성요소를 포함하는데, 상기 회로 차단기 또는 스위칭 구성요소는 과전류 보호 구성요소와 동작가능하게 통신한다.

Description

ＭＥＭＳ 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치{MEMS MICRO-SWITCH ARRAY BASED ON CURRENT LIMITING ENABLED CIRCUIT INTERRUPTING APPARATUS}
본 발명의 실시예는 일반적으로 전류 경로 내의 전류를 스위칭하기 위한 스위칭 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로-전자기계적 시스템 기반의 스위칭 디바이스에 관한 것이다.
화재 및 장비 손상에 대한 보호를 위해, 전기 장비 및 배선은 자신의 정격 전류보다 높은 전류 레벨을 발생시키는 환경으로부터 보호되어야만 한다. 과전류 환경은 손상이 발생하기 전에 요구되는 시간으로 분류되어 정기적 과전류(timed over-currents)와 순간 과전류(instantaneous over-currents)의 두 카테고리로 나뉘어진다.
정기적 과전류 장애(fault)는 덜 심각한 변화이며, 장애의 레벨에 따른 주어진 시간 주기 후에 회로를 비활성화하기 위한 보호성 장비를 필요로 한다. 정기적 과전류 장애는 전형적으로 단지 정격 전류의 8-10배에 이르는 정도만큼 정격 전류 보다 높은 전류 레벨이다. 시스템 케이블링 및 장비는 시간의 주기 동안 이러한 장애를 핸들링할 수 있지만, 보호성 장비는 만약 전류 레벨이 감소하지 않으면 회로를 비활성화해야만 한다. 전형적으로 정기적 과전류 장애는 기계적으로 과부하된 장비 또는 반대 극성의 라인들 - 라인 투 라인, 라인 투 그라운드, 또는 라인 투 뉴트럴(neutral) - 사이의 높은 임피던스 경로로부터 발생한다.
단락 장애로도 지칭되는 순간 과전류는 심각한 장애이며, 정격 전류의 8-10배 이상의 전류 레벨을 포함한다. 이러한 장애는 반대 극성의 라인들 - 라인 투 라인, 라인 투 그라운드, 또는 라인 투 뉴트럴 - 사이의 낮은 임피던스 경로로부터 발생하며, 시스템으로부터 즉시 제거되어야 한다. 단락 장애는 비정상 전류(extreme current)를 포함하며, 장비에 극심한 손상을 입힐 수 있고 사람에게도 위험할 수 있다. 시스템 상에 이러한 장애가 더 오래 지속 될수록, 보다 많은 에너지가 방출되어 보다 큰 손상이 발생한다. 응답 시간을 최소화하여 그에 따라 단락 장애 동안의 렛-스루(let-through) 에너지를 최소화하는 것이 극히 중요하다.
회로 차단기는 회로 내의 장애에 의해 발생되는 손상으로부터 전기 장비를 보호하도록 설계된다. 통상적으로, 대부분의 종래의 회로 차단기는 부피가 큰 전자기계적 스위치를 포함한다. 불행히도, 이러한 종래의 회로 차단기는 크기가 크고, 따라서 스위칭 메커니즘을 활성화하는 데에 큰 힘을 사용해야 한다. 또한, 이러한 회로 차단기의 스위치는 일반적으로 비교적 낮은 속도로 동작한다. 더욱이, 이러한 회로 차단기는 불리하게도 설계가 복잡하고 그에 따라 제조 비용이 높다. 또한, 종래의 회로 차단기 내의 스위칭 메커니즘의 콘택트가 물리적으로 분리되어 있을 때, 전형적으로 콘택트들 사이에서 아크가 형성되어 회로 내의 전류가 중단될 때까지 전류를 계속 전달한다. 또한, 아크와 관련된 에너지는 일반적으로 장비와 사람 모두에게 있어서 바람직하지 않다.
콘택터(contactor)는 커맨드에 따라 전기 부하 ON 및 OFF를 스위칭하도록 설계된 전기 디바이스이다. 통상적으로, 전자기계적 콘택터는 제어 기어에서 사용되며, 이때 전자기계적 콘택터는 자신의 인터럽트 커패시티(interrupting capacity)까지 스위칭 전류를 조작할 수 있다. 전자기계적 콘택터는 또한 전류를 스위칭하기 위한 파워 시스템에서 응용될 수 있다. 그러나, 파워 시스템 내의 이상 전류(fault current)는 전형적으로 전자기계적 콘택터의 인터럽트 커패시티보다 더 크다. 따라서, 파워 시스템 애플리케이션에서 전자기계적 콘택터를 사용하기 위해, 콘택터가 자신의 인터럽트 커패시티보다 높은 모든 전류 값에서 개방하기에 앞서, 이상 전류를 인터럽트하도록 충분히 빠르게 작동하는 일련의 디바이스(a series device)를 사용하여 콘택터를 백업함으로써 손상으로부터 보호하는 것이 요구될 수 있다.
전기 시스템은 현재 과전류 보호를 수행하기 위해 퓨즈 또는 회로 차단기를 사용한다. 퓨즈는 동작을 위해 발열 효과(즉, I2t)에 의존한다. 이것은 회로 내의 위크 포인트(weak point)로서 설계되며, 각 연속적인 퓨즈는 로드에 근접할수록 점점 더 작은 정격 전류를 가져야만 한다. 단락 상태에서, 모든 업스트림 퓨즈는 동일한 발열 에너지를 인지하고, 장애에 가장 근접하도록 설계된 가장 약간 퓨즈가 가장 먼저 동작할 것이다. 그러나, 퓨즈는 일회성 디바이스이며 장애가 발생한 후에는 대체되어야만 한다.
파워 시스템에서 콘택터의 사용을 용이하게 하기 위해 이전에 고안된 솔루션은 예를 들어 진공 콘택터, 진공 인터럽터(interrupter) 및 공기 차단 콘택터를 포함한다. 불행히도, 진공 콘택터와 같은 콘택터는 콘택터 팁이 밀봉되고 진공화된 인클로저 내에 인캡슐레이션되기 때문에 용이한 시각적 검사를 제공하지 않는다. 또한, 진공 콘택터가 대형 모터, 변압기 및 커패시터의 스위칭을 조작하는 데에 적합한 반면, 그들은 특히 부하가 스위칭 오프되어 있을 때 원치 않는 과도 과전압을 발생시킨다고 알려져 있다.
또한, 전자기계적 콘택터는 일반적으로 기계적 스위치를 사용한다. 그러나, 이러한 기계적 스위치가 상대적으로 낮은 속도로 스위칭하려 하기 때문에, 흔히 스위칭 이벤트의 수백분의 1초 이전에 제로 크로싱의 발생을 예측하기 위해 예측 기술이 요구된다. 이러한 제로 크로싱 예측은 이러한 시간에서 다수의 과도 현상이 발생할 수 있기 때문에 오류가 발생하기 쉽다.
느린 속도의 기계적 및 전자기계적 스위치에 대한 대안으로서, 빠른 속도의 고체-상태 스위치가 고속 스위칭 애플리케이션에 사용되어왔다. 이러한 고체-상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어 애플리케이션을 통해 전도성 상태와 비전도성 상태 사이에서 스위칭한다. 예를 들어, 고체-상태 스위치를 역 바이어싱함으로써, 스위치는 비전도성 상태로 전이될 수 있다. 그러나, 고체-상태 스위치가 비전도성 상태로 스위칭되었을 때 콘택트들 사이에 물리적 공간을 형성하지 않기 때문에, 누 설 전류를 겪게 된다. 또한, 내부 저항으로 인해, 고체-상태 스위치가 전도 상태에서 동작할 때, 전압 강하를 경험한다. 전압 강하와 누설 전류 모두가 정상 동작 환경 하에서 초과 열 발생에 기여하며, 이는 스위치의 성능과 수명에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 적어도 부분적으로는 고체-상태 스위치와 연관된 고유 누설 전류로 인하여, 회로 차단기 애플리케이션에서 이러한 스위치를 사용하는 것이 가능하지 않다.
본 발명의 예시적인 실시예는 마이크로-전자기계적 시스템(MEMS) 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치를 포함한다. 이 장치는 과전류 보호 구성요소를 포함하는데, 이 과전류 보호 구성요소는 복수의 마이크로-전자기계적 시스템 스위칭 디바이스를 포함하는 스위칭 회로를 포함한다. 이 장치는 또한 회로 차단기 또는 스위칭 구성요소를 포함하는데, 상기 회로 차단기 또는 스위칭 구성요소는 과전류 보호 구성요소와 동작가능하게 통신한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예는 마이크로-전자기계적 시스템(MEMS) 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치를 포함한다. 이 방법은 과전류 보호 구성요소를 회로 차단기 구성요소와 물리적으로 연관시키는 것을 포함하며, 이 과전류 보호 구성요소는 복수의 마이크로-전자기계적 시스템 스위칭 디바이스를 포함하고 회로 차단기 구성요소의 트립핑 이전에 마이크로-전자기계적 스위치를 개방하도록 구성된다. 이 방법은 또한 복수의 마이크로-전자기계적 스위칭 시스템 디바이스를 통과하는 부하 전류의 부하 전류 값을 모니터링하고, 모니터링된 부하 전류 값이 사전결정된 부하 전류 값과 다른지를 결정하는 것을 더 포함한다. 또한, 본 발명은 모니터링된 부하 전류 값이 사전결정된 부하 전류 값과 다른 경우에 복수의 마이크로-전자기계적 스위칭 시스템 디바이스로부터 부하 전류를 전환하는 것을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반의 스위칭 시스템의 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 MEMS 기반의 스위칭 시스템을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반의 스위칭 시스템이자 도 1에 도시된 시스템의 대안을 도시한 블록도,
도 4는 도 3에 도시된 예시적인 MEMS 기반의 스위칭 시스템을 도시한 개략도,
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS 기반의 과전류 보호 구성요소의 블록도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 회로 차단기를 포함하는 예시적인 MEMS 인에이블된 회로 인터럽트 장치의 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 구성요소를 포함하는 예시적인 MEMS 인에이블된 회로 인터럽트 장치의 블록도.
본 발명의 이러한 특성, 측면 및 장점과 다른 특성, 측면 및 장점이 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조로 하여 더욱 잘 이해될 것이며, 첨부된 도면에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
아래의 상세한 설명에서, 다수의 특정한 세부사항들이 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 철저한 이해를 제공하도록 설정되었다. 그러나, 당업자는 본 발명의 실시예들이 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있고, 본 발명이 도시된 실시예들로 제한되는 것은 아니며, 본 발명이 다수의 다른 실시예들로 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 잘 알려진 방법, 절차 및 구성요소는 자세하게 기술되지 않았다.
또한, 다양한 동작들이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 돕기 위해 수행된 복수의 개별적인 단계들로서 기술될 수 있다. 그러나, 설명의 순서가 이러한 동작들이 기술된 순서대로 수행되어야 한다거나 또는 이러한 동작들이 순서 의존적임을 의미하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, "일 실시예에서"라는 구절의 반복적인 사용이 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 마지막으로, 본 명세서에서 사용된 "포함하는", "갖는", "구비하는" 등의 용어는 특별한 언급이 없는 한 동일한 의미를 가진다.
도 1은 본 발명의 측면에 따른, 예시적인 아크리스(arc-less) 마이크로-전자 기계적 시스템 스위치(MEMS) 기반의 스위칭 시스템(10)의 블록도를 도시한다. 현재, MEMS는 일반적으로 기능적으로 구별되는 다수의 소자들을 집적시킬 수 있는 마이크로-규모의 구조물을 지칭한다. 이러한 소자들은 마이크로-제조 기술을 통해 공동의 기판 상에 집적될 수 있는, 예를 들어 기계적 요소, 전자기계적 요소, 센서, 액츄에이터 및 전자기기를 포함하지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 그러나, MEMS 디바이스에서 현재 이용가능한 다수의 기술 및 구조는 불과 수년 안에 예를 들어 100㎚보다도 작을 수 있는 나노기술 기반의 디바이스 구조를 통해 이용가능해질 것이다. 따라서, 본 문서를 통해 기술된 예시적인 실시예가 MEMS 기반의 스위칭 디바이스를 지칭할 수 있지만, 본 발명의 발명적인 측면은 폭넓게 해석되어야만 하며, 마이크로 규모의 디바이스로 제한해서는 안된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 아크리스 MEMS 기반의 스위칭 시스템(10)은 MEMS 기반의 스위칭 회로(12) 및 아크 억제 회로(14)를 포함하는 것으로 도시되어 있으며, 이때 아크 억제 회로(14)(다르게는 HALT(Hybrid Arc-less Limiting Technology)로도 지칭됨)는 MEMS 기반의 스위칭 회로(12)에 동작가능하게 연결된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 예컨대 MEMS 기반의 스위칭 회로(12)는 그 전체가 단일 패키지(16) 내에서 아크 억제 회로(14)에 집적될 수도 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기반의 스위칭 회로(12)의 특정한 일부분 또는 일부 구성요소만이 아크 억제 회로(14)에 집적될 수도 있다.
현재 고려되는 구성은 도 2를 참조로 하여 더욱 자세하게 기술되며, 여기에서 MEMS 기반의 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지(balanced diode bridge) 및 펄스 회로를 포함할 수 있다. 또한, 아크 억제 회로(14)는 하나 이상의 MEMS 스위치의 콘택트들 사이의 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 아크 억제 회로(14)는 교류 전류(AC) 또는 직류 전류(DC)에 응답하여 아크 형성의 억제를 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 예시적인 아크리스 MEMS 기반의 스위칭 시스템의 개략도(18)가 일 실시예에 따라 도시되었다. 도 1을 참조로 하면, MEMS 기반의 스위칭 회로(12)는 하나 이상의 MEMS 스위치를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)가 제 1 콘택트(22), 제 2 콘택트(24) 및 제 3 콘택트(26)를 구비하는 것으로 도시되었다. 일 실시예에서, 제 1 콘택트(22)는 드레인으로서 구성될 수 있고, 제 2 콘택트(24)는 소스로서 구성될 수 있으며, 제 3 콘택트(26)는 게이트로서 구성될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 전압 스누버(snubber) 회로(33)는 MEMS 스위치(20)와 병렬 연결될 수 있고, 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 빠른 속도의 콘택트 분리 동안에 전압 오버슈트(overshoot)를 제한하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 스누버 회로(33)는 스누버 저항(도 4의 (78) 참조)과 직렬 연결되는 스누버 커패시터(도 4의 (76) 참조)를 포함할 수 있다. 스누버 커패시터는 MEMS 스위치(20)의 개방의 시퀀싱 동안에 과도 전압(transient voltage) 분배의 향상을 용이하게 할 수 있다. 또한, 스누버 저항은 MEMS 스위치(20)의 폐쇄 동작 동안 스누버 커패시터에 의해 발생된 전류의 임의의 펄스를 억제할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전압 스누버 회로(33)는 금 속 산화물 배리스터(MOV)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 측면에 따르면, 부하 회로(40)는 제 1 MEMS 스위치(20)와 직렬 연결될 수 있다. 부하 회로(40)는 전압 소스 VBUS(44)를 포함할 수 있다. 또한, 부하 회로(40)는 부하 인덕턴스 LLOAD(46)도 포함할 수 있으며, 이때 부하 인덕턴스 LLOAD(46)는 부하 회로(40)에 의해 보여지는 결합된 부하 인덕턴스 및 버스 인덕턴스를 나타낸다. 부하 회로(40)는 또한 부하 회로(40)에 의해 보여지는 결합된 부하 저항을 나타내는 부하 저항 RLOAD(48)도 포함할 수 있다. 참조 번호(50)는 부하 회로(40) 및 제 1 MEMS 스위치(20)를 통해 흐를 수 있는 부하 회로 전류 ILOAD를 나타낸다.
또한, 도 1을 참조로 기술된 바와 같이, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 평형 다이오드 브릿지(28)는 제 1 브랜치(29) 및 제 2 브랜치(31)를 구비하는 것으로 도시되었다. 본 명세서에서 사용되는 "평형 다이오드 브릿지(balanced diode bridge)"라는 표현은 제 1 브랜치(29) 및 제 2 브랜치(31) 각각에 걸친 전압 강하가 실질적으로 동일하도록 구성된 다이오드 브릿지를 나타내는 것으로 사용된다. 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 1 브랜치(29)는 함께 연결되어 제 1 직렬 회로를 형성하는 제 1 다이오드 D1(30)과 제 2 다이오드 D2(32)를 포함할 수 있다. 유사하게, 평형 다이오드 브릿지(28)의 제 2 브랜치(31)는 동작가능하게 함께 연결되어 제 2 직렬 회로를 형성하는 제 3 다이오드 D3(34) 및 제 4 다이오드 D4(36)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 평형 다이오드 브릿지(28)의 중간점들에 걸쳐 병렬 연결될 수 있다. 평형 다이오드 브릿지의 중간점들은 제 1 다이오드(30)와 제 2 다이오드(32) 사이에 위치된 제 1 중간점 및 제 3 다이오드(34)와 제 4 다이오드(36) 사이에 위치된 제 2 중간점을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 MEMS 스위치(20) 및 평형 다이오드 브릿지(28)는 평형 다이오드 브릿지(28)에 의해, 보다 구체적으로는 MEMS 스위치(20)로의 접속으로 인해 발생되는 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 조밀하게 패키징될 수 있다. 본 기술의 예시적인 측면에 따르면, 제 1 MEMS 스위치(20) 및 평형 다이오드 브릿지(28)는, MEMS 스위치(20)가 턴오프 되어있는 동안 부하 전류를 다이오드 브릿지(28)로 전달할 때, 제 1 MEMS 스위치(20)와 평형 다이오드 브릿지(28) 사이의 고유의 인덕턴스(inherent inductance)가 MEMS 스위치(20)의 드레인(22)과 소스(24) 양단 전압의 수 퍼센트보다 작은 di/dt 전압을 생성하도록 서로에 대해 위치되었으며, 이는 아래에서 더 자세하게 기술될 것이다. 다른 실시예에서, 제 1 MEMS 스위치(20)는 단일 패키지(38) 내의 평형 다이오드 브릿지(28)와 집적될 수 있거나, 또는 선택적으로 MEMS 스위치(20)와 다이오드 브릿지(28)를 상호접속시키는 인덕턴스를 최소화하기 위해 동일한 다이 내에 집적될 수 있다.
또한, 아크 억제 회로(14)는 평형 다이오드 브릿지(28)와 관련하여 동작가능하게 연결된 펄스 회로(52)를 포함할 수 있다. 펄스 회로(52)는 스위치 상태를 검출하고, 스위치 상태에 응답하여 MEMS 스위치(20)의 개방을 개시하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "스위치 상태"라는 표현은 MEMS 스위치(20)의 현재 동작 상태 변화를 트리거링하는 상태를 지칭한다. 예를 들어, 스위치 상태는 MEMS 스위치(20)의 제 1 폐쇄 상태로부터 제 2 개방 상태로, 또는 MEMS 스위치(20)의 제 1 개방 상태로부터 제 2 폐쇄 상태로의 변화를 발생시킬 수 있다. 스위치 상태는 회로 장애 또는 스위치 ON/OFF 요청을 포함하는, 그러나 이것으로 제한되는 것은 아닌 다수의 동작들에 응답하여 발생할 수 있다.
펄스 회로(52)는 펄스 스위치(54) 및 펄스 스위치(54)에 직렬 연결된 펄스 커패시터 CPULSE(56)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 회로는 펄스 인덕턴스 LPULSE(58) 및 펄스 스위치(54)에 직렬 연결된 제 1 다이오드 DP(60)도 포함할 수 있다. 펄스 인덕턴스 LPULSE(58), 제 1 다이오드 DP(60), 펄스 스위치(54) 및 펄스 커패시터 CPULSE(56)는 펄스 회로(52)의 제 1 브랜치를 형성하도록 직렬 연결될 수 있으며, 이때 제 1 브랜치의 구성요소들은 펄스 전류 셰이핑(shaping) 및 타이밍을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 참조 번호(62)는 펄스 회로(52)를 통해 흐를 수 있는 펄스 회로 전류 IPULSE를 나타낸다.
본 발명의 측면에 따르면, MEMS 스위치(20)는 0V 전압 부근에서도 전류를 전달하는 동안 제 1 폐쇄 상태로부터 제 2 개방 상태로 신속하게 (예를 들어, 약 수 ㎰ 또는 ㎱ 정도로) 스위칭될 수 있다. 이것은 MEMS 스위치(20)의 콘택트 양단에 병렬 연결된 평형 다이오드 브릿지(28)를 포함하는 펄스 회로(52)와 부하 회로(40) 의 결합된 동작을 통해 달성될 수 있다.
이제 본 발명의 측면에 따른 예시적인 소프트 스위칭 시스템(11)의 블록도를 도시한 도 3을 참조한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소프트 스위칭 시스템(11)은 동작가능하게 함께 연결된 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)를 포함한다. 검출 회로(70)는 스위칭 회로(12)에 연결될 수 있고, 부하 회로 내의 교류 소스 전압(이하 "소스 전압"으로 지칭됨) 또는 부하 회로 내의 교류 전류(이하 "부하 회로 전류"로 지칭됨)의 제로 크로싱(zero crossing)의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12) 및 검출 회로(70)에 연결될 수 있고, 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 스위치의 아크리스 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12)의 적어도 일부를 포함하는 하나 이상의 MEMS 스위치의 아크리스 스위칭을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 소프트 스위칭 시스템(11)은 소프트 또는 포인트-온-웨이브(PoW; point-on-wave) 스위칭을 수행하도록 구성될 수 있으며 그에 따라 스위칭 회로(12) 내의 하나 이상의 MEMS 스위치는 스위칭 회로(12) 양단의 전압이 0이거나 또는 0에 매우 근접할 때 차단될 수 있고, 스위칭 회로(12)를 통과하는 전류가 0이거나 0에 근접할 때 개방될 수 있다. 스위칭 회로(12) 양단의 전압이 0이거나 0에 매우 근접할 때 스위치를 차단함으로써, 복수의 스위치가 모두 동시에 차단되지 않는다 할지라도 프리-스트라이크 아크(pre-strike arcing)는 스위치들이 차단될 때 하나 이상의 MEMS 스위치들의 콘택트들 사이의 전기장을 낮게 유지함으로써 방지될 수 있다. 유사하게, 스위칭 회로(12)를 통과하는 전류가 0이거나 또는 0에 근접할 때 스위치를 개방함으로써, 스위칭 회로(12) 내에서 개방되는 마지막 스위치 내의 전류가 스위치의 설계 성능에 포함되도록 소프트 스위칭 시스템(11)이 설계될 수 있다. 전술된 바와 같이, 제어 회로(72)는 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치들의 개방 및 폐쇄를 교류 소스 전압 또는 교류 부하 회로 전류의 제로 크로싱의 발생과 동기화하도록 구성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 3의 소프트 스위칭 시스템(11)의 일 실시예의 개략도(19)가 도시되었다. 도시된 실시예에 따르면, 개략도(19)는 스위칭 회로(12), 검출 회로(70) 및 제어 회로(72)의 일 예시를 포함한다.
설명을 위해서 도 4는 스위칭 회로(12) 내에 단일의 MEMS 스위치(20)만을 도시하였지만, 스위칭 회로(12)는 예를 들어 소프트 스위칭 시스템(11)의 전류 및 전압 핸들링 필요사항에 따라서 복수의 MEMS 스위치를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치들 사이의 전류를 분할하기 위해 병렬 구조로 함께 연결된 복수의 MEMS 스위치를 포함하는 스위치 모듈을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위칭들 사이의 전압을 분할하기 위해 직렬 구조로 함께 연결된 MEMS 스위치들의 어레이를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 회로(12)는 MEMS 스위치 모듈 사이의 전압과 각 모듈 간의 MEMS 스위치들 사이의 전류를 동시에 분할하기 위해 직렬 구조로 함께 연결된 MEMS 스위치 모듈들의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 스위칭 회로(12)의 하나 이상의 MEMS 스위치는 단일 패키지(74) 내에 집적될 수 있다.
예시적인 MEMS 스위치(20)는 세 개의 콘택트를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제 1 콘택트는 드레인(22)으로서 구성될 수 있고, 제 2 콘택트는 소스(24)로서 구성될 수 있으며, 제 3 콘택트는 게이트(26)로서 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(72)는 MEMS 스위치(20)의 현재 상태를 용이하게 스위칭하도록 하는 게이트 콘택트(26)에 연결될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 댐핑 회로(33)(스누버 회로)는 MEMS 스위치(20) 양단의 전압의 출현을 지연시키기 위해 MEMS 스위치(20)와 병렬 연결될 수 있다. 도시된 바와 같이, 댐핑 회로(33)는 스누버 저항(78)과 직렬 연결된 스누버 커패시터(76)를 포함할 수 있다.
MEMS 스위치(20)는 도 4에 더 도시된 바와 같이 부하 회로(40)와 직렬 연결될 수 있다. 현재 고려되는 구성에서, 부하 회로(40)는 전압 소스 VSOURCE(44)를 포함할 수 있고, 대표적인 부하 인덕턴스 LLOAD(46) 및 부하 저항 RLOAD(48)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 전압 소스 전압 소스 VSOURCE(44)(AC 전압 소스로도 지칭됨)는 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류 ILOAD(50)를 발생시키도록 구성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 검출 회로(70)는 부하 회로(40) 내의 교류 소스 전압 또는 교류 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱의 발생을 검출하도록 구성될 수 있다. 교류 소스 전압은 전압 감지 회로(80)를 통해 감지될 수 있고, 교류 부하 전류 ILOAD(50)는 전류 감지 회로(82)를 통해 감지될 수 있다. 교류 소스 전압 및 교류 부하 전류는 예를 들어 연속적으로 또는 분리된 기간에 감지될 수 있다.
소스 전압의 제로 크로싱은 예를 들어 도시된 제로 전압 비교기(84)와 같은 비교기의 사용을 통해 검출될 수 있다. 전압 감지 회로(80) 및 제어 전압 기준(86)에 의해 감지된 전압은 제로 전압 비교기(84)로의 입력으로서 사용될 수 있다. 부하 회로(40)의 소스 전압의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(88)가 발생될 수 있다. 유사하게, 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱은 도시된 제로 전류 비교기(92)와 같은 비교기의 사용을 통해 검출될 수 있다. 전류 감지 회로(82) 및 제로 전류 기준(90)에 의해 감지된 전류는 제로 전류 비교기(92)로의 입력으로서 사용될 수 있다. 부하 전류 ILOAD(50)의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(94)가 발생될 수 있다.
제어 회로(72)는 MEMS 스위치(20)(또는 MEMS 스위치들의 어레이)의 현재 동작 상태를 변화(예컨대, 개방 또는 폐쇄)시켜야 하는 때를 결정하는 데에 출력 신호(88, 94)를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 회로(72)는 교류 부하 전류 ILOAD(50)의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 인터럽트 또는 개방하기 위해 아크리스 방식으로 MEMS 스위치(20)의 개방을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어 회로(72)는 교류 소스 전압의 검출된 제로 크로싱에 응답하여 부하 회로(40)를 완성시키기 위해 아크리스 방식으로 MEMS 스위치(20)의 차단을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
제어 회로(72)는 인에이블(Enable) 신호(96)의 상태에 적어도 부분적으로 기 초하여 MEMS 스위치(20)의 현재 동작 상태를 제 2 동작 상태로 스위칭할지 여부를 결정할 수 있다. 인에이블 신호(96)는 예를 들어 콘택터 애플리케이션 내의 파워오프 커맨드 또는 모터 스타터 애플리케이션 내의 파워 오프/온 커맨드의 결과로서 발생될 수 있다. 또한, 인에이블 신호(96) 및 출력 신호(88, 94)는 도시된 바와 같이 듀얼 D 플립-플롭(98)으로의 입력 신호로서 사용될 수 있다. 이러한 신호는 인에이블 신호(96)가 활성화된 후 (예컨대, 상승 에지 트리거링) 제 1 소스 전압 0에서 MEMS 스위치(20)를 폐쇄하고, 인에이블 신호(96)가 비활성화된 후 (예컨대, 하강 에지 트리거링) 제 1 부하 전류 0에서 MEMS 스위치(20)를 개방하는 데에 사용될 수 있다. 도 4의 도시된 개략도(19)와 관련하여, 인에이블 신호(96)가 활성화되고(특정 구현에 따라 하이 또는 로우) 출력 신호(88) 또는 출력 신호(94)가 감지된 전압 또는 전류 0을 나타낼 때마다, 트리거 신호(172)가 발생될 수 있다. 또한, 트리거 신호(172)는 예를 들어 NOR 게이트(100)를 통해 발생될 수 있다. 트리거 신호(102)는 제어 전압을 MEMS 스위치(20)의 게이트(26)(또는 MEMS 어레이의 경우에는 게이트들)에게 인가하는 데에 사용될 수 있는 게이트 활성화 신호(106)를 발생시키도록 MEMS 게이트 드라이버(104)를 통해 전달될 수 있다.
전술된 바와 같이, 특정 애플리케이션을 위한 원하는 전류 정격을 획득하기 위해, (예를 들어, 스위치 모듈을 형성하기 위해) 복수의 MEMS 스위치가 단일의 MEMS 스위치 대신에 동작가능하게 병렬 연결될 수 있다. MEMS 스위치들의 결합된 성능은 부하 회로가 겪을 수 있는 연속적인 과도 과부하 전류 레벨을 적절하게 전달하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 6X 과도 과부하를 갖는 10-amp RMS 모터 콘 택터에서, 60-amp RMS를 10초 동안 전달하기에 충분한 병렬 연결된 스위치들이 있어야 한다. 5㎲의 도달 시간 이내에 MEMS 스위치를 전류 0에 도달시키도록 스위칭하는 데에 PoW 스위칭을 사용하면, 160milliamp가 콘택트 개방에서 순간적으로 흐를 것이다. 따라서, 이러한 애플리케이션에 있어서, 각 MEMS 스위치는 160milliamp를 "웜-스위칭(warm-switching)" 할 수 있어야만 하고, 이들은 충분히 60amp를 전달하기 위해 병렬 배치되어야만 한다. 다시 말하면, 단일 MEMS 스위치는 스위칭 순간에 흐를 전류의 양 또는 레벨을 인터럽트할 수 있어야 한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에서 구현될 수 있는 MEMS 기반의 과전류 보호 디바이스(110)의 블록도를 도시한 것이다. 디바이스(110)는 사용자 인터페이스(115)에서 사용자 제어 입력을 수신하며, 사용자 인터페이스(115)는 사용자가 디바이스(110)와 상호작용하도록 제어 및 입력 인터페이스를 제공한다. 사용자 인터페이스(115) 내에서, 3-상 라인 파워 입력(114)이 단말 블록(116)에서 수신되며, 이때 라인 파워 입력(114)은 단말 블록(116)으로 공급된 다음 각각 파워 회로(135) 및 스위치 모듈(122)로 공급된다.
사용자 입력은 트립 조정 전위차계(potentiometer)로부터의 입력, 인간 인터페이스(예컨대, 푸시-버튼 인터페이스) 또는 사용자 인터페이스(115)로 라우팅되는 제어 장비로부터의 전기 신호의 형태일 수 있다. 사용자 입력은 트립-시간 커브(trip-time curve)와 관련된 사용자 조정가능성(adjustability)을 제공할 뿐 아니라 MEMS 스위칭을 제어하도록 사용된다. 파워 회로(135)는 과도 현상 억제, 전압 스케일링과 차단 및 EMI 필터링과 같은 추가의 회로에 대한 파워를 제공하기 위 한 기본적인 기능을 수행한다.
과전류 보호 디바이스(110)는 로직 회로(125)를 더 포함하는데, 이 로직 회로(125)는 장애 상태 인식(정기적 과전류에 대한 트립-시간 커브 설정(126), 프로그램가능성 또는 조정가능성의 허용, 특정 로직(126, 128)의 폐쇄/재폐쇄 제어, 등)뿐 아니라 정상 동작의 제어를 책임진다. 전류/전압 감지 구성요소(127)는 과전류 보호 동작 및 에너지 전환 회로가 콜드(cold) 스위칭 동작을 사용할 의무를 유지하도록 요구되는 로직을 구현하는 데에 필요한 전압 및 전류 측정값을 제공하며, 상기 동작은 다이오드 브릿지(134)에 추가로 전술된 충전 회로(132) 및 펄스 회로(133)를 사용하여 달성된다. MEMS 보호 회로(130)는 전술된 바와 같은 펄스 회로(52)와 구성 및 동작 면에서 유사하다.
마지막으로, MEMS 디바이스 어레이를 포함하는 스위칭 모듈(122)을 포함하는 스위칭 회로(120)가 구현되었다. 스위칭 모듈(122)은 전술된 MEMS 스위치(20)와 구성 및 동작 면에서 유사하다. 스위칭 회로(120)는 임의의 다운스트림 장비로의 3-상 부하 전류(141)의 출력 전달을 담당한다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 로직 회로(125)를 위한 파워는 상 대 상(phase to phase) 격차로부터 획득되어 서지(surge) 억제 구성요소(136)를 통해 공급된다. 주 파워 스테이지 구성요소(137)는 제어 로직(138), 과전류 보호 디바이스 충전 회로(139) 및 MEMS 스위치 게이트 전압(140)을 공급하기 위해 다양한 전압의 파워에 기여한다. 전류 및 전압 센서(127)는 순간 과전류 로직(128)에 파워를 공급하고 이것은 MEMS 스위치 게이트 전압(140) 및 MEMS 보호 회로(130)의 트리 거링 회로(131)에 파워를 공급한다.
과전류 보호 구성요소(110)의 전류/전압 센서(127)는 시스템 내의 전류 레벨 또는 전압 레벨을 연속적으로 모니터링한다. 구현된 바와 같이, 전류/전압 검출기는 전류/전압의 레벨이 사전결정된 값으로부터 변화되었는지를 판단한다. 모니터링된 전류/전압 레벨이 사전결정된 값으로부터 변화하는 경우, 시스템이 전류전압 레벨에서의 변화가 검출되었다고 판단했음을 나타내도록 순간 과전류 로직(128)에서 이상 신호가 발생된다. 그 후에, 이상 신호가 트리거 회로(131)로 전달되고, 트리거 신호는 MEMS 보호 회로(130)에서의 MEMS 보호 펄스 동작을 개시한다. 펄스 동작은 펄스 회로(133)의 활성화를 포함하며, 펄스 회로(133)의 활성화는 LC 펄스 회로의 폐쇄를 발생시킨다. LC 펄스 회로(133)가 폐쇄되면, 충전 회로(132)는 평형 다이오드 브릿지(134)를 통해 방전된다. 다이오드 브릿지(134)를 통한 펄스 전류는 스위칭 모듈(122)의 MEMS 어레이 스위치 양단의 단락을 발생시키고, 부하 전류를 다이오드 브릿지 및 MEMS 어레이 주변으로 전환시킨다(도 2 및 5 참조). 보호 펄스 동작 하에서, 스위치 모듈(122)의 MEMS 스위치는 0 또는 0에 근접한 전류를 가지고 개방될 수 있다.
본 발명의 추가의 예시적인 실시예에서, MEMS 보호 아크 억제 회로의 과전류 보호 기능은 현존하는 회로 인터럽트 디바이스(예컨대, 회로 차단기 또는 스위치)와 직렬 배치하는 방식으로, MEMS 스위치 및 보충 로직 회로와 관련하여 사용된다. 도 6 및 7에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에서, MEMS 과전류 보호 디바이스(110)는 예로서 동작 핸들, 전류 센서 세트, 전자 트립 유닛, 동작 메커니즘과 동작가능하게 통신하는 개별적인 콘택트 암 세트 및 인터럽션 챔버를 구비하는 산업적 회로 차단기와 같은 회로 차단기(155) 또는 예로서 콘택트를 개방 및 폐쇄하기 위한 조작 핸들을 구비하는 인-라인(in-line) 콘택트 세트와 같은 스위칭 디바이스(165)와 직렬 구성될 수 있다. 전형적인 회로 차단기(155) 및 스위치(165)는 당업계에서 잘 알려져 있으며, 본 명세서에서 추가적인 설명을 할 필요가 없다. 이런 식으로, MEMS 스위치의 전류 제한 능력은 전류 인터럽터가 개방되어 아크를 발생시키는 시간을 갖기 전에 트립핑하는(tripping), 장애 상태 동안 회로 인터럽터를 보호하는 능력을 갖는다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 스위칭 디바이스는 복수의 스위칭 디바이스를 포함할 수 있다(예를 들어, 간단한 반도체 스위치, 간단한 전기 스위치 등, 또는 본 명세서에 개시된 용도에 적합한 다른 스위칭 디바이스).
이러한 직렬 접속 구성은 회로 차단기의 인터럽트 정격을 증가시키는 능력을 갖는 장치 또는 디바이스를 추가로 제공한다. 이러한 장치 또는 디바이스는 현존하는 회로 인터럽터에 대한 보충적인 장비로서 구성될 수 있거나 또는 회로 인터럽터와 함께 독립형 하우징 내에 집적될 수 있다. 특히, 이러한 이중 컨셉 구성은 절연 콘택터의 구현 및 과전류 보호 디바이스 내의 스위치 차단에 대한 필요성을 제거한다. 또한, 이러한 구성은 사용자가 적은 유지 비용으로도 파워 시스템 보호 성능을 업그레이드하도록 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 특성들만이 본 명세서에 도시 및 기술되었지만, 다수의 변경 및 변화가 당업자에 의해 고안될 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발 명의 참 사상에 포함되는 모든 변경 및 변화를 포함한다.

Claims (2)

  1. MEMS 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치(a MEMS micro-switch array based current limiting enabled circuit interrupting apparatus)로서,
    과전류 보호 구성요소(an over-current protective component)를 포함하되,
    상기 과전류 보호 구성요소는,
    복수의 마이크로-전자기계적 시스템 스위칭 디바이스를 포함하는 스위칭 회로와,
    상기 과전류 보호 구성요소와 동작가능하게 연결된 회로 차단기 구성요소(a circuit breaker component)를 포함하는
    MEMS 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치.
  2. MEMS 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치로서,
    과전류 보호 구성요소를 포함하되,
    상기 과전류 보호 구성요소는,
    복수의 마이크로-전자기계적 시스템 스위칭 디바이스를 포함하는 스위 칭 회로와,
    상기 과전류 보호 구성요소와 동작가능하게 연결되고, 수동으로 또는 자동으로 개방되도록 구성된 스위칭 구성요소를 포함하는
    MEMS 마이크로-스위치 어레이 기반의 전류 제한 인에이블된 회로 인터럽트 장치.
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