[發明專利]用于微機電系統繼電器電路的輔助電路

有效

• 申請號: 201680075610.5
• 申請日: 2016-09-09
• 公開（公告）號: CN108369880B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: Y.劉;G.S.克萊頓;C.F.凱梅爾;C.M.小焦文尼洛
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H01H59/00
• 分類號: H01H59/00;H01H9/54;H01H71/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李嘯;張金金

一種切換系統包括具有MEMS開關和驅動器電路的MEMS切換電路。輔助電路與MEMS切換電路并聯耦合，輔助電路包括：在MEMS開關的相對側上將輔助電路連接到MEMS切換電路的第一和第二連接、并聯連接的第一和第二固態開關、以及在第一和第二固態開關之間連接的諧振電路。通過選擇性地激活第一和第二固態開關以及諧振電路，控制電路控制負載電流朝向MEMS切換電路和輔助電路的選擇性切換，以便通過在MEMS開關改變狀態之前將負載電流的至少一部分遠離MEMS開關轉向以流動到輔助電路來限制MEMS開關兩端之間的電壓。

背景技術

一般來說，本發明的實施例涉及用于接通-切斷電流路徑中的電流的切換系統，以及更具體來說，涉及基于微機電系統（MEMS）的切換裝置。

繼電器是用于選擇性地控制電流在電路之間的流動以便在控制電路與一個或多個受控電路之間提供電隔離的電操作開關。已知有各種類型的繼電器，并且可基于其中實現繼電器的系統和環境來利用各種類型的繼電器，其中機電繼電器和固態繼電器是兩種常見類型的繼電器。

機電繼電器是通常用于控制高功率裝置的切換裝置。此類繼電器一般包括兩個主要組件：可移動的導電懸臂梁和電磁線圈。當激活時，電磁線圈在梁上施加磁力以使得將梁拉向線圈并一直向下到電接觸件上，從而閉合繼電器。在一種類型的結構中，梁本身充當第二接觸件和導線，從而使電流經過裝置。在第二類型的結構中，梁橫跨兩個接觸件，從而使電流只經過它本身的一小部分。機電繼電器有益地提供耐受瞬時過載的能力，并且具有低的“接通（on）”狀態電阻。但是，常規機電繼電器可以是大尺寸，并且可以因此必需使用大的力來激活切換機構。另外，機電繼電器一般以相對緩慢的速度操作，并且當繼電器的梁和接觸件在物理上分離時，有時可能會在它們之間形成弧，該弧允許電流繼續流過繼電器直到電路中的電流停止，同時損壞接觸件。

固態繼電器（SSR）是在跨其控制端子施加小的外部電壓時接通或切斷的電子切換裝置。SSR包括對合適輸入（控制信號）做出響應的傳感器、將功率切換到負載電路的固態電子切換裝置（例如，晶閘管、晶體管等）以及使得控制信號能夠在沒有機械部分的情況下激活開關的耦合機構。SSR有益地提供與機電繼電器相比快速的切換速度，并且不會有物理接觸件磨損（即，沒有活動部件），但是意識到，SSR具有與機電接觸件相比更低的耐受瞬時過載的能力，并且具有更高的“接通”狀態電阻。另外，由于固態開關在它們切換到非導電狀態中時不會在接觸件之間產生物理間隙，所以它們在名義上非導電時經歷泄漏電流。此外，在導電狀態中操作的固態開關由于內部電阻而經歷電壓降。電壓降和泄漏電流均在正常操作情況下導致功率耗散和過度熱量的生成，這可能對開關性能和壽命不利，和/或必需在傳遞高電流負載時使用大型、昂貴的散熱器。

已提出微機電系統繼電器（MEMS繼電器）作為SSR的備選，它具有常規機電繼電器的大多數益處，但是尺寸設計成適配現代電子系統的需要。然而，現有的MEMS繼電器極度復雜，并且可能不能充分地限制其在可移動開關兩端之間的電壓，從而使得MEMS繼電器的操作可能會不可靠。

因此，期望的是提供這樣一種MEMS繼電器電路，它提供/給予比機電繼電器小得多的尺寸、低得多的功率耗散、更長的壽命和更小的接觸件電阻，并且提供/給予比SSR更低的傳導損耗和更低的成本。進一步期望的是，此類MEMS繼電器電路在沒有過度復雜結構的情況下提供可靠的性能。

發明內容

根據本發明的一個方面，一種切換系統包括具有MEMS開關和驅動器電路的MEMS切換電路，所述MEMS切換電路可連接到功率電路以接收來自其的負載電流。該切換系統還包括與MEMS切換電路并聯耦合的輔助電路，輔助電路包括:在MEMS開關的相對側上將輔助電路連接到MEMS切換電路的第一和第二連接、第一固態開關、與第一固態開關并聯連接的第二固態開關、以及在第一固態開關和第二固態開關之間連接的諧振電路。該切換系統還包括可操作地連接到MEMS切換電路和輔助電路以便控制負載電流朝向MEMS切換電路和輔助電路的選擇性切換的控制電路，其中第一固態開關、第二固態開關和諧振電路由控制電路選擇性地激活以將負載電流的至少一部分遠離MEMS開關轉向以流動到輔助電路。