微机电系统继电器电路技术方案

一种切换系统包括：具有MEMS开关和驱动器电路的MEMS切换电路；以及与MEMS切换电路并联耦合的辅助电路，辅助电路包括固态切换电路。与MEMS切换电路和辅助电路通信的控制电路执行负载电流朝向MEMS切换电路和辅助电路的选择性切换，其中控制电路编程为：向驱动器电路传送控制信号以使得MEMS开关在切换间隔上致动到打开或闭合位置；在当MEMS开关在打开和闭合位置之间切换时的切换间隔期间激活辅助电路；以及一旦在切换间隔完成之后到达打开或闭合位置，便去激活辅助电路，从而使得负载电流选择性地流过MEMS开关和固态切换电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微机电系统继电器电路
技术介绍
一般来说，本专利技术的实施例涉及用于接通-切断电流路径中的电流的切换系统，以及更具体来说，涉及基于微机电系统（MEMS）的切换装置。继电器是用于选择性地控制电流在电路之间的流动以便在控制电路与一个或多个受控电路之间提供电隔离的电操作开关。已知有各种类型的继电器，并且可基于其中实现继电器的系统和环境来利用各种类型的继电器，其中机电继电器和固态继电器是两种常见类型的继电器。机电继电器是通常用于控制高功率装置的切换装置。此类继电器一般包括两个主要组件：可移动的导电悬臂梁和电磁线圈。当激活时，电磁线圈在梁上施加磁力以使得将梁拉向线圈并一直向下到电接触件上，从而闭合继电器。在一种类型的结构中，梁本身充当第二接触件和导线，从而使电流经过装置。在第二类型的结构中，梁横跨两个接触件，从而使电流只经过它本身的一小部分。机电继电器有益地提供耐受瞬时过载的能力，并且具有低的“接通（on）”状态电阻。但是，常规机电继电器可以是大尺寸，并且可以因此必需使用大的力来激活切换机构。另外，机电继电器一般以相对缓慢的速度操作，并且当继电器的梁和接触件在物理上分离时，有时可能会在它们之间形成弧，该弧允许电流继续流过继电器直到电路中的电流停止，同时损坏接触件。固态继电器（SSR）是在跨其控制端子施加小的外部电压时接通或切断的电子切换装置。SSR包括对合适输入（控制信号）做出响应的传感器、将功率切换到负载电路的固态电子切换装置（例如，晶闸管、晶体管等）以及使得控制信号能够在没有机械部分的情况下激活开关的耦合机构。SSR有益地提供与机电继电器相比快速的切换速度，并且不会有物理接触件磨损（即，没有活动部件），但是意识到，SSR具有与机电接触件相比更低的耐受瞬时过载的能力，并且具有更高的“接通”状态电阻。另外，由于固态开关在它们切换到非导电状态中时不会在接触件之间产生物理间隙，所以它们在名义上非导电时经历泄漏电流。此外，在导电状态中操作的固态开关由于内部电阻而经历电压降。电压降和泄漏电流均在正常操作情况下导致功率耗散和过度热量的生成，这可能对开关性能和寿命不利，和/或必需在传递高电流负载时使用大型、昂贵的散热器。已提出微机电系统继电器（MEMS继电器）作为SSR的备选，它具有常规机电继电器的大多数益处，但是尺寸设计成适配现代电子系统的需要。然而，现有的MEMS继电器极度复杂，并且可能不能充分地限制其在可移动开关两端之间的电压，从而使得MEMS继电器的操作可能会不可靠。因此，期望的是提供这样一种MEMS继电器电路，它提供/给予比机电继电器小得多的尺寸、低得多的功率耗散、更长的寿命和更小的接触件电阻，并且提供/给予比SSR更低的传导损耗和更低的成本。进一步期望的是，此类MEMS继电器电路在没有过度复杂结构的情况下提供可靠的性能。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种切换系统包括包含MEMS开关和驱动器电路的MEMS切换电路。该切换系统还包括与MEMS切换电路并联耦合的辅助电路，辅助电路包括固态切换电路。该切换系统还包括与MEMS切换电路和辅助电路通信以便执行负载电流朝向MEMS切换电路和辅助电路的选择性切换的控制电路，控制电路编程为：向驱动器电路传送控制信号以便使得MEMS开关在切换间隔上致动到打开或闭合位置；在当MEMS开关在打开和闭合位置之间切换时的切换间隔期间激活辅助电路，以使得负载电流的至少一部分流向固态切换电路，并且MEMS开关在打开时耐受全部系统电压；以及一旦在切换间隔完成之后MEMS开关到达打开或闭合位置，便去激活辅助电路，以使得负载电流在闭合时流过MEMS开关。根据本专利技术的另一个方面，一种MEMS继电器电路包括MEMS切换电路，该MEMS切换电路具有可在切换间隔内在打开位置和闭合位置之间选择性地移动的MEMS开关以及配置成提供驱动信号以使得MEMS开关在打开和闭合位置之间移动的驱动器电路。MEMS继电器电路还包括与MEMS切换电路可操作地通信以便选择性地限制MEMS开关两端之间的电压的辅助电路以及与MEMS切换电路和辅助电路通信的控制电路，控制电路编程为：向驱动器电路发送控制信号以使得驱动器电路在切换间隔内将MEMS开关从打开位置移动到闭合位置或者从闭合位置移动到打开位置；以及在切换间隔的持续时间内选择性地激活辅助电路，以便在从打开位置移动到闭合位置或者从闭合位置移动到打开位置时将MEMS开关两端之间的电压钳制在预定阈值电压以下。根据本专利技术的又一个方面，提供一种控制微机电系统（MEMS）继电器电路的方法，MEMS继电器电路包括MEMS切换电路、辅助电路和控制电路。该方法包括在控制电路处接收包括MEMS继电器电路的期望操作状况的切断信号和接通信号之一。该方法还包括：响应于接收的切断或接通信号，将第一控制信号从控制电路发送给MEMS切换电路的驱动器电路，第一控制信号使得驱动器电路向MEMS切换电路的MEMS开关选择性地提供电压以使得安置MEMS开关处于接触位置或非接触位置。该方法还包括：响应于接收的切断或接通信号，将第二控制信号从控制电路发送给辅助电路，以使得辅助电路选择性地激活和去激活，其中当激活时，提供给MEMS切换电路的负载电流的至少一部分流向辅助电路。在MEMS开关在接触位置和非接触位置之间转变期间激活辅助电路，并且一旦MEMS开关到达接触位置和非接触位置之一，便去激活辅助电路。根据以下详细描述和附图，各种其它特征和优点将变得明显。附图说明附图示出目前预期用于实现本专利技术的实施例。图中：图1是根据本专利技术的示例性实施例的MEMS继电器电路的示意性框图。图2是根据示例性实施例可在图1的MEMS继电器电路中使用的MEMS开关的示意性透视图。图3是处于打开位置的图2的MEMS开关的示意性侧视图。图4是处于闭合位置的图2的MEMS开关的示意性侧视图。图5是根据示例性实施例可在图1的MEMS继电器电路中使用的辅助电路的示意图。图6是根据示例性实施例示出用于以低电流操作模式和高电流操作模式来操作图5的辅助电路的技术的流程图。图7是根据示例性实施例可在图1的MEMS继电器电路中使用的辅助电路的示意图。图8是根据示例性实施例可在图1的MEMS继电器电路中使用的辅助电路的示意图。图9是根据示例性实施例可在图1的MEMS继电器电路中使用的控制电路的示意图。具体实施方式本专利技术的实施例提供一种具有MEMS开关、辅助电路和控制电路的布置的MEMS继电器电路，其中对辅助电路和MEMS开关进行控制以使得MEMS继电器电路以高效率和高可靠性操作。下文将本专利技术的实施例描述为利用MEMS技术；但是，意识到，此类描述不意味要限制本专利技术的范围。即，MEMS一般是指能够例如通过微装配技术在共同衬底上集成诸如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子器件的多种功能不同的元件的微米级结构。然而，预期的是，目前在MEMS装置中可用的许多技术和结构将在仅仅若干年内经由诸如尺寸可能小于100纳米的结构的基于纳米技术的装置是可用的。因此，尽管本文档通篇描述的示例实施例可以指基于MEMS的切换装置，但是认为，应当广泛地理解本专利技术的专利技术方面，并且它们不应局限于微米尺寸的装置。另外，尽管下文将本专利技术的实施例描述为合并到继电器电路中，但是意识到，此类描述不意味要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切换系统，包括：微机电系统（MEMS）切换电路，其包括MEMS开关和驱动器电路；与所述MEMS切换电路并联耦合的辅助电路，所述辅助电路包括固态切换电路；以及与所述MEMS切换电路和所述辅助电路通信的控制电路，其用于执行负载电流朝向所述MEMS切换电路和所述辅助电路的选择性切换，所述控制电路编程以用于：向所述驱动器电路传送控制信号以使得所述MEMS开关在切换间隔上致动到打开或闭合位置；在当所述MEMS开关在所述打开和闭合位置之间切换时的所述切换间隔期间激活所述辅助电路，以使得所述负载电流的至少一部分流向所述固态切换电路，并且所述MEMS开关在打开时耐受全部系统电压；以及一旦在所述切换间隔完成之后所述MEMS开关到达所述打开或闭合位置，便去激活所述辅助电路，以使得所述负载电流在闭合时流过所述MEMS开关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.22 US 14/9197971.一种切换系统，包括：微机电系统（MEMS）切换电路，其包括MEMS开关和驱动器电路；与所述MEMS切换电路并联耦合的辅助电路，所述辅助电路包括固态切换电路；以及与所述MEMS切换电路和所述辅助电路通信的控制电路，其用于执行负载电流朝向所述MEMS切换电路和所述辅助电路的选择性切换，所述控制电路编程以用于：向所述驱动器电路传送控制信号以使得所述MEMS开关在切换间隔上致动到打开或闭合位置；在当所述MEMS开关在所述打开和闭合位置之间切换时的所述切换间隔期间激活所述辅助电路，以使得所述负载电流的至少一部分流向所述固态切换电路，并且所述MEMS开关在打开时耐受全部系统电压；以及一旦在所述切换间隔完成之后所述MEMS开关到达所述打开或闭合位置，便去激活所述辅助电路，以使得所述负载电流在闭合时流过所述MEMS开关。2.如权利要求1所述的切换系统，其中在所述切换间隔期间激活所述辅助电路将所述MEMS开关两端之间的电压限制为低于预定电压阈值的电压等级。3.如权利要求2所述的切换系统，其中所述预定电压阈值包括大约10V的热切换电压阈值。4.如权利要求2所述的切换系统，其中所述预定电压阈值包括大约1V的热切换电压阈值。5.如权利要求2所述的切换系统，其中当所述MEMS开关从所述打开位置致动到所述闭合位置时，所述控制电路编程以用于：激活所述辅助电路以使得所述负载电流的至少一部分流向所述固态切换电路；以及在所述辅助电路的所述激活之后，向所述驱动器电路传送控制信号以使得所述MEMS开关致动到所述闭合位置，其中由于激活所述辅助电路而将所述MEMS开关两端之间的所述电压钳制在低于所述预定电压阈值的等级。6.如权利要求2所述的切换系统，其中当所述MEMS开关从所述闭合位置致动到所述打开位置时，所述控制电路还编程以用于：激活所述辅助电路以使得所述负载电流的至少一部分流向所述固态切换电路；以及在所述辅助电路的所述激活之后，向所述驱动器电路传送控制信号以使得所述MEMS开关致动到所述打开位置，其中由于激活所述辅助电路而将所述MEMS开关两端之间的所述电压钳制在低于所述预定电压阈值的等级。7.如权利要求1所述的切换系统，在其中期间激活所述辅助电路的所述切换间隔的持续时间约为10微秒或更少。8.如权利要求1所述的切换系统，还包括耦合到所述控制电路的第一和第二控制端子，其用于对所述控制电路提供接通和切断信号；其中所述控制电路编程以用于：一旦从所述控制端子接收到接通信号，便向所述驱动器电路发送第一控制信号，所述第一控制信号使得所述驱动器电路对所述MEMS开关的栅极施加高电压以便将所述MEMS开关致动到所述闭合位置；以及一旦从所述控制端子接收到切断信号，便向所述驱动器电路发送第二控制信号，所述第二控制信号使得所述驱动器电路对所述MEMS开关的栅极施加低电压以便将所述MEMS开关致动到所述打开位置。9.如权利要求1所述的切换系统，其中所述固态切换电路包括多个MOSFET，其中所述多个MOSFET中的一个或多个MOSFET在所述辅助电路被激活时传导电流通过其中。10.如权利要求1所述的切换系统，其中所述MEMS切换电路、所述辅助电路和所述控制器共同形成MEMS继电器电路和保护MEMS电路之一。11.一种微机电系统（MEMS）继电器电路，包括：MEMS切换电路，其包括：MEMS开关，可在打开位置和闭合位置之间选择性地移动，所述MEMS开关在切换间隔内在所述打开和闭合位置之间移动；以及驱动器电路，配置成提供驱动信号以使得所述MEMS开关在所述打开和闭合位置之间移动；辅助电路，与所述MEMS切换电路进行可操...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y刘，GS克莱顿，CF凯梅尔，CM焦文尼洛，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US