CN101394169A - 开关电路装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本方法涉及开关电路装置和方法。公开了用于使用可与电源(210)连接的负载(205)的电路(200)。电路(200)包括多个三端开关(215)和一控制源(252)。三端开关(215)限定了可在电源(210)和负载(205)之间连接的串联导通通路(250)。多个三端开关(215)中的每一个都包括源极端子(235)、漏极端子(240)和栅极端子(245)。控制源(252)可能产生控制电压并在多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)和源极端子(235)之间电源连接。多个三端开关(215)中的每一个在其各自的栅极端子(245)响应控制电压以闭合在多个三端开关(215)中的每一个的各自源极端子(235)和各自漏极端子(240)之间的连接(255)。

Description

开关电路装置和方法
技术领域
本发明的实施例一般涉及用于在传导通路中控制电流的三端开关装置，并且更具体而言涉及在传导通路中串联连接的多个开关装置。
背景技术
普通的三端开关(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和微型机电系统(MEMS)开关)通常包括源极、漏极和栅极端子。源极端子通常包括连接，该连接响应于相对源极端子的电势的在栅极端子的控制电压的施加，闭合在源极端子和漏极端子之间的传导通路。三端开关通常包括加在可以跨断开的源极端子和漏极端子的最大推荐电压的额定值。施加比最大推荐电压的额定值大的电压可导致开关介电强度的击穿或者从断开开关的一端到断开开关的另一端的电弧，从而使非预期的电流通过传导通路并可能损坏开关。
为了使用三端开关去控制跨比任意一开关的最大推荐电压的额定值大的电势的传导通路，开关电路可包括这样串联放置的多个开关，即一开关的漏极串联连接至另一个的源极。这种串联电路结构通常包括电阻分级网络，该电阻分级网络包括与每个开关并联的电阻器，挑选具有高电阻值的电阻器以减小电流并当所有开关断开时跨多个中的每一个开关分配总的开路电势。
然而，这种串联配置产生未连接至例如地的基准的每个开关的浮动源极电压(floating source voltage)。从而在每个开关栅极在源极和漏极之间闭合连接所需要的电压依据由分级网络提供的电压分配量而不同。这通常通过使用与三端开关的每一个对应的多个隔离控制电压电源来解决，并且把合适的电压提供给每个三端开关的栅极和源极以闭合在各自源极和端之间的连接。这种多个隔离电源和其相关联的控制装置的使用增加了开关电路总的复杂度和费用。因此，现有技术中存在对克服这些缺陷的开关电路结构的需要。
发明内容
本发明的实施例包括用于使用(service)可与电源连接的负载的电路。电路包括多个三端开关和一控制电源。三端开关限定了可在电源和负载之间连接的串联导通通路。多个三端开关的每一个都包括源极端子、漏极端子和栅极端子。控制电源产生控制电压并且在多个三端开关中的每一个的栅极端子和源极端子之间电源连接。多个三端开关中的每一个在其各自的栅极端子响应控制电压，以闭合在多个三端开关中的每一个的各自源极端子和各自漏极端子之间的连接。
本发明的另一实施例包括开关可与电源连接的负载的方法。该方法包括限定可在电源和负载之间连接的串联导通通路，并且包括多个三端开关中的每一个的源极端子和漏极端子。该方法还包括在多个三端开关中的每一个的栅极端子从一个控制源中得到控制电压，该控制源在多个三端开关中的每一个的栅极端子和源极端子与多个三端开关中的一个的源极端子之间电源连接。响应于在多个三端开关中的每一个在其各自的栅极端子接收的控制电压，该方法包括闭合在多个三端开关中每一个的各自源极端子和各自漏极端子之间的连接。
从连同附图一起提供的本发明优选实施例的所附详细描述中，这些和其它优点和特点将更易理解。
附图说明
参见例示性图，其中在下图中用同样的方式标号相似的特征：
图1描述了依据本发明实施例的开关电路的示意图。
图2描述了依据本发明实施例的控制源电路的示意图。
图3描述了依据本发明实施例的隔离电路的示意图。
图4描述了依据本发明实施例的无弧开关系统的框图。
图5描述了依据本发明实施例的包括消弧电路的开关电路的示意图。
图6描述了依据本发明实施例的软开关系统的框图。
图7描述了依据本发明实施例的包括软开关系统的开关电路的示意图。
图8描述了依据本发明实施例的用于开关可与电源连接的负载的工序的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例提供了利用一控制电压源在串联开关电路中控制多个三端开关的串联三端开关电路结构。隔离电路的提供允许一控制电压源的使用。在实施例中，消弧电路在开关状态改变时把电流从开关转走。在另一实施例中，软开关电路使开关状态改变与交流电流和交流电压的至少之一的过零(zero-crossing)同步。
现在参见图1，描述了用于可与电源210连接的负载205的电路200的示意图。电路200包括多个215三端开关220、225、230。如在此使用，标号215通常将表示任意三端开关和多个三端开关，而标号220、225和230将表示这样标识的具体的三端开关。
每个三端开关215包括源极端子235、漏极端子240和栅极端子245。三端开关220、225的源极端子235分别连接至相邻开关225、230的漏极端子240。因此，应当理解如所描述的，开关230的漏极端子240与开关225的源极端子235具有相同的电势，等等。多个三端开关215这样限定了可在电源210和负载205之间连接的串联导通通路250，即串联导通通路250包括多个三端开关215中的每一个的源极端子235和漏极端子240。
控制源252与控制器253信号通信并且在多个三端开关215中的每一个的栅极端子245和开关230的源极端子235之间电源连接。控制源252响应于控制器253并产生控制电压。在每个开关215的源极端子235和漏极端子240之间的连接255响应于相对于各自的源极端子235的在栅极端子245的控制电压的施加，来闭合并因此改变状态以引导电流I通过每个开关215的各自源极端子235和漏极端子240。
应当理解，示范性的三端开关215，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和微型机电系统(MEMS)开关，可以包括最大推荐开路电压。可以采用这种开关215连同电源以通过包含电阻分级网络260来超过最大推荐开路电压，该电阻分级网络260包括相互串联连接和分别与开关220、225、230的每一个并联的电阻器R1、R2和R3。在开关处于OPEN状态时，电阻分级网络260跨多个开关215这样分配电势或电源210的电压，即跨任意一个开关215的电势不超过其最大推荐开路电压。
仅为了澄清实例，如果每个开关215具有105伏特的最大推荐开路电压，并且电源210提供300伏特的电势，具有R1、R2和R3的电阻分级网络260的采用将提供100伏特的跨每个开关220、225、230的开路电势，该R1、R2和R3每个都具有相等电阻值。因此，应当理解源极端子235是浮接源极(floating source)，即在电路节点265、270、275的源极235每个都相对于例如地的基准277分别具有0伏特、100伏特和200伏特的开路电势。电阻值的选择将确定当开关215断开时通过电阻分级网络260的总电流I。应当理解，对于一些应用场合，可以足够高的选择R1、R2和R3的电阻值以便电流I可是可接受的低以在负载205和电源210之间接近开路。
如上所述，每个连接255响应施加在各自栅极245的相对于各自源极235电压的控制电压。因此，如上所述，需要施加在每个浮接源极235的栅极245的不同控制电压(相对于基准277)以闭合开关215中的每一个的连接255。例如，如果需要50伏特的相对电压以闭合连接255，应当理解闭合开关230、225和220的连接的控制电压分别为50伏特、150伏特和250伏特。因此，包括电阻分级网络以跨多个开关215分配电势的本电路使用多个隔离控制源，其中多个隔离控制源中的每一个都提供不同的电压(相对于基准277)。
电路200的实施例包括将在如下进一步详细介绍的电势控制电路280，其与控制器253信号通信并响应控制器253以在开关215状态改变期间明显减少节点265、270、275的每一个的相对电势差。因此，在开关215状态改变期间，电势控制电路280减少不同开关220、225、230的每一个的栅极245和源极235之间的相对电势差。因此，电势控制电路280允许一控制源253的使用，产生与开关230的一源极235和每个开关215的栅极245有关的一控制电压。
此外，电势控制电路280解决由开关215的击穿特性引起的两个可能问题，源极235到漏极240和栅极245到漏极240都响应于电源210和控制源252的至少一个的使用，该电源210和控制源252提供超过最大推荐开路电压的电压。如上所述，当开关215处于断开状态时，串联的开关215连同电阻分级网络260的电路结构在每个开关215的源极235和漏极240之间防止电源210、252有全电势的施加。在开关215状态改变期间，电势控制电路280防止把电源210、252的全电势施加到开关215，将如下详细描述。例如，电势控制电路280防止把电源210、252的全电势施加到要最后闭合的开关215并使电路200容纳具有比每个开关215的最大推荐开路电压大的工作电压的电源210、252。
此外，应当指出，大的电势也可以存在于要最后闭合的开关215的栅极245和漏极240之间。作为例示性实例，可以假定开关215具有105伏特的最大推荐开路电压，控制源252在栅极245施加的相对于源极235的控制电压为直流电的100伏特，并且电源210提供了交流电的300伏特峰值的施加电压。在-300伏特的峰值负交流电电压，施加在要最后闭合的开关215的栅极245和漏极240之间的电压将为500V(300V来自AC线而200伏特来自栅极控制)。将如下进一步描述，电势控制电路280还防止在栅极245和源极235之间超过最大推荐开路电压的这种破坏性电压的施加。
尽管本发明的实施例采用与控制器分开并与控制器信号通信的电势控制电路来描述，应当理解并不这样限制本发明的范围，并且本发明还可以适用于开关电路的实施例，在该开关电路中控制器253和电势控制电路280的功能和元件被集成在一起。
如上述实例所述，源极端子235是这样浮接的(floating)，即在电路节点265、270、275的源极235每个都相对于例如地的基准277分别具有0伏特、100伏特和200伏特的开路电势。
在一个实施例中，电路还包括置于控制源252和每个开关215的栅极245之间的隔离电路285。隔离电路285连同控制源252和控制器253一起操作以在每个开关215的栅极端子245提供隔离电压，即在任意开关215的源极235和栅极245之间的开路电势不超过闭合连接255所需要的控制电压，将如下进一步描述。
图2描述了控制源252的一实施例的示意性电路图。在图2描述的控制源252的实施例中，控制源252是方波发生器252。方波发生器252包括振荡器电路289和触发器电路293。
在一实施例中，振荡器电路包括两个与非门297和301，两个电阻器305和309，以及电容器313。电阻器305与与非门301串联。电阻器309与电阻器305和与非门301并联连接，还与电容器313和与非门297并联连接。对电阻器305和309的电阻值和电容器313的电容值的挑选决定振荡器电路289的工作频率。振荡器电路289的输出通过连接375与触发器的输入信号通信。控制器253提供启动输入380以启动触发器293的工作。触发器293的S输入接地，并且D输入384连接至输出390。因此，当振荡器电路289改变时，触发器293改变，在触发器293的输出通过连接385、390来生成提供给隔离电路285的方波。
图3描述了隔离电路285的一实施例的示意性电路图。隔离电路285通过连接385、390来接收控制源的输出和控制器253的启动输入395，并通过连接400和405来把输出分别提供给每个开关215的每个栅极245和源极235。源自控制源252的连接385、390提供电源，而输入395在连接400、405提供输出控制。例如，当隔离电路285从输入395接收高(1)信号时，在连接400、405的输出提供在各自的源极235和栅极245之间的控制电压以闭合开关215的连接255。可选地，当隔离电路285从输入395接收低(0)信号时，在连接400、405(并且因此各自的开关215的源极235和栅极245)的输出被保持在相同的电势，以便防止开关215的非故意的闭合。
在图3中描述的隔离电路285的实施例包括逻辑电路410、变压器415、整流器420和调谐电路425。逻辑电路410响应启动输入395，即响应于输入395的高信号，把控制源252在连接385、390提供的方波信号传送至变压器415。可选地，如果启动输入395是低的，不传送任何至变压器415。在一实施例中，逻辑电路410包括通过连接385、390和所描述的启动输入395来连接至控制源252的4个与非门430。
源自连接385、390的方波信号通过提供隔离和对输出385、390提供的电压的适当电压上升(取决于适当的匝比)的变压器415达到控制电压，该控制电压适于在开关215的栅极245和源极235之间施加以闭合连接255。
在一个实施例中，整流器420是包括在所描述的电桥电路中连接的4个二极管的全波桥式整流器420。桥式整流器420被调谐至在输出连接400、405之间的所期望的电势并且把被变压器415加大的方波电压整流为DC电压信号。可选地可提供跨桥式整流器420的输出并联连接的电容器435以减少噪声传播。
调谐电路425控制与在输出连接400、405之间的电压上升(接通)和电压下降(断开)关联的时间依赖特性(time-dependent behavior)。在一实施例中，调谐电路425包括与整流器420的输出并联连接的电阻器450，在电阻器450和栅极输出连接400之间连接的另一电阻器440。另一电阻器445通过晶体管455与电阻器450(和整流器420的输出)并联连接。二极管460在晶体管455的基极462和发射极464之间串联连接。晶体管455的发射极464连接至源极输出连接405。
在实施例中，电阻器440的电阻值控制与在连接400、405之间施加的控制电压的导通时间相关联的延迟。类似地，电阻器445的电阻值控制与在连接400、405之间施加的控制电压的断开时间相关联的延迟。
电阻器450提供电容器435的放电路径。当源自二极管桥420的输出被去除，二极管460停止导通并且电容器435通过电阻器450放电。因此，在连接400的栅极245电压通过电阻器440和450提供晶体管455的基极电流。这影响断开时间，因为晶体管455可吸收的电流值是基极电流乘晶体管增益(例如，当晶体管455接近饱和时，使用增益10)。晶体管455导通(集电极至发射极)的电流还受限于电阻器445，该电阻器445用于设置断开时间。当导通时，二极管460导通和完成从电容器435的上部通过电阻器440，通过连接400、405并返回电容器435的下部的路径。当二极管460像这样导通时，其设置确保晶体管455断开的反向基极-发射极电压。可任选地提供齐纳二极管465，其跨连接400、405并联连接以限制连接400、405之间的电势。
因此，隔离电路285连同控制源252的使用有助于相对于每个开关215的源极端子235在栅极端子245这样得到控制电压，即在每个栅极端子245和源极端子235之间的控制电压与任意其它三端开关215的源极235的电势隔离。
在一实施例中，电路200有助于闭合多个开关215的连接255以提供闭合的导通通路。在由控制器253提供的命令信号之后(以闭合连接255)，控制源252生成控制电压。在每个隔离电路285内电阻器440的合适电阻值的选择影响在连接400、405之间的启动电压的延迟，这样相对于源极235，控制电压首先被加在开关230的栅极245，从而闭合开关230的连接255并且接通开关230的漏极240和源极235。因此，由于开关230的漏极240在节点270与开关225的源极235连接，开关225的源极235与控制源252连接到的开关230的源极235具有相同的电势。因此，在开关230的连接255闭合之后，控制源252在节点270通过开关230与开关225的源极235电源连接。因此，控制源252能通过把控制电压相对于开关230的源极235施加在开关225的栅极245上来闭合开关225的连接255。应当理解，用类似的方法，在开关225的闭合后，控制源252在节点275与开关220的源极235电源连接并且同样地能闭合开关220的连接255。因此，电阻器440的合适电阻值的选择提供多个开关215的触点255的交错、连续的闭合，其与电势控制电路280一起允许单个控制源252的使用，产生相对于基准277的单个控制电压。因此，考虑到已知或已确定的开关215的闭合或反应时间，合适电阻值的选择可允许用交错、连续的方式从其源极235与控制源252电源连接的开关230开始把控制电压加到多个开关215中的每一个的栅极245。类似地，通过电阻器445的电阻值的选择来安排断开的时间。
应当理解，尽管图1和上述讨论描述了具有三个三端开关220、225和230的电路200，但本发明的范围不应被这样限制，并且本发明还可以应用于电路200的实施例，该电路200可以使用适合于分配由电源210提供的总电势的任意数目的开关215。
还应当理解，可选的电路200电路结构可以提供在此描述的功能。例如，在一实施例中，当开关230的源极235与控制源252直接电源连接时，与开关230相关联的隔离电路286可以不需要隔离变压器415。对于这种实施例，例如，可以配置隔离电路286以包括整流器电路420而弃用诸如逻辑电路410和调谐电路425。
与作为基于MEMS的开关的三端开关215一起使用，开关电路200被预期具有特别效用，如以下描述。
图4例示了使用了无弧开关系统10的示范性电路200的框图，依据本发明的方面，该无弧开关系统10可使用基于MEMS的开关215。当前，MEMS一般涉及例如在共同衬底上通过微细加工技术可集成例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子装置的多种功能不同元件的微米量级结构。然而，预期在MEMS装置中当前可用的许多技术和结构将在短短几年中通过基于纳米技术的装置可用，例如，尺寸上比100纳米更小的结构。因此，即使所附实例实施例可涉及基于MEMS的开关装置，可认为本发明的创新方面应当被广泛解释并且不应仅局限于微米级装置。
如图4例示，示出了采用无弧开关系统10的电路200的实施例，包括开关电路12和包括消弧电路14的电势控制电路280的实施例，其中消弧电路14，还可称作混合无弧限制技术(HALT)，工作时耦合至开关电路12。在某些实施例中，例如，可以完全地把开关电路12和消弧电路14集成在单个组件16中。在其它实施例中，可把开关电路12的仅某些部分或元件与消弧电路14集成。
图5描述了目前预期的包括多个开关215的开关电路315的配置，尤其注意开关215和消弧电路14的交互作用。应当理解，如以上关于图1所描述，电阻分级网络260和控制源252是图5的电路315的部分，但未被描述以便清楚例示。此外，消弧电路14可包括平衡二极管桥和脉冲电路。此外，可以配置消弧电路14以促进在开关215的触点之间的电弧形成的消除。应当指出，可以配置消弧电路14以促进响应于交流电(AC)或直流电(DC)的电弧形成的消除。
依据一实施例，在图5中描述了在图4中描述的示范性开关系统的示意图18。在一个实施例中，开关215包括被描述为每个都具有第一触点22、第二触点24和第三触点26的第一MEMS开关20和第二MEMS开关21。在一个实施例中，第一触点22可被配置为漏极，第二触点24可被配置为源极，第三触点26可被配置为栅极。此外，如图5所示，电压缓冲器电路33可以与MEMS开关20、21并联地耦合并且被配置以在快速触点分离期间限制电压过冲，将在下文中详细介绍。在某些实施例中，缓冲器电路33可以包括串联地与缓冲器电阻器(参见78，图7)耦合的缓冲器电容器(参见76，图7)。缓冲器电容器可有助于在MEMS开关20、21顺序断开时瞬态均压(transient voltage sharing)的改进。此外，缓冲器电阻器可抑制在MEMS开关20、21闭合操作时由缓冲器电容器生成的任何电流脉冲。在某些其它实施例中，电压缓冲器电路33可包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示出)。
依据本技术的进一步方面，负载电路40可与MEMS开关20、21串联地耦合。负载电路40可包括电压源VBUS 44。此外，负载电路40还可包括负载电感46LLOAD，其中负载电感LLOAD 46表示组合负载电感和由负载电路40看出的总线电感(bus inductance)。负载电路40还可包括表示由负载电路40看出的组合负载电感的负载电阻RLOAD 48。标号50表示流经负载电路40和MEMS开关20、21的负载电路电流ILOAD。
此外，参见图4所示，消弧电路14可包括平衡二极管桥。在所例示的实施例中，平衡二极管桥28被描述为具有第一支路29和第二支路31。如在此使用，术语“平衡二极管桥”用来表示这样配置的二极管桥，即跨第一和第二支路29、31的电压降基本上都是相等的，并且因此明显减少了在开关20的栅极26和开关21的源极24之间的相对电势差，如上所述。平衡二极管桥28的第一支路29可包括耦合在一起以形成第一串联电路的第一二极管D1 30和第二二极管D2 32。用类似的方法，平衡二极管桥28的第二支路31可包括操作性地耦合在一起以形成第二串联电路的第三二极管D3 34和第四二极管D4 36。
在一实施例中，MEMS开关20、21可以跨平衡二极管桥28的中点(midpoint)并联地耦合。平衡二极管桥的中点可包括位于第一和第二二极管30、32之间的第一中点和位于第三和第四二极管34、36之间的第二中点。此外，可以紧密地封装MEMS开关20、21和平衡二极管桥28以促进由平衡二极管桥28并且尤其是MEMS开关20、21的连接引起的寄生电感的最小化。应当指出，依据本技术的例示性方面，MEMS开关20、21和平衡二极管桥28相对于彼此这样放置，即在将在下文中详细介绍的MEMS开关20、21的断开期间当把负载电流传输给二极管桥28时，在MEMS开关20、21和平衡二极管桥28之间的固有电感产生比跨MEMS开关20漏极22和MEMS开关21源极24的电压的几个百分点小的di/dt电压。在一实施例中，可以把MEMS开关20、21与平衡二极管桥28集成在单个组件38中或任选地相同的管芯中，该管芯意在最小化使MEMS开关20、21和平衡二极管桥28相互连接的电感。
此外，消弧电路14可包括操作性关联地与平衡二极管桥28耦合的脉冲电路52。脉冲电路52可响应于控制器253(参见图1所示)以检测开关状态并启动MEMS开关20、21的交错、连续的断开，如上述对开关状态(switch condition)的响应。如在此使用，术语“开关状态”涉及触发改变MEMS开关20、21的当前工作状态的状态。例如，开关状态可导致把MEMS开关20、21的第一闭合状态变为第二断开状态或MEMS开关20、21的第一断开状态变为第二闭合状态。开关状态可响应于多个动作发生，该动作包括但不限于电路故障或开关接通/断开请求。
脉冲电路52可包括脉冲开关54和串联耦合至脉冲开关54的脉冲电容器CPULSE 56。此外，脉冲电路还可包括脉冲电感LPULSE 58和与脉冲开关54串联耦合的第一二极管DP 60。脉冲电感LPULSE 58、二极管DP 60、脉冲开关54和脉冲电容器CPULSE 56可以串联耦合以形成脉冲电路52的第一支路，其中可以配置第一支路的元件以促进脉冲电流的形成和计时(timing)。同样，标号62表示流经脉冲电路52的脉冲电路电流IPULSE。
依据本发明的方面，当即使以近零电压传送电流时，MEMS开关20、21可以从第一闭合状态迅速切换到第二断开状态，如同由电势控制电路280的消弧电路14提供的一样。这可以通过负载电路40的组合操作，和包括跨MEMS开关20、21的触点并联连接的平衡二极管桥28的脉冲电路52来实现。
现在参见图6，其例示了依据本发明方面的示范性软开关系统11的框图。如图6所示，软开关系统11包括与电势控制电路280的可选实施例操作性地耦合的开关电路12，包括检测电路70和控制电路72。检测电路70可以耦合至开关电路12并且被配置以检测在负载电路中交流源电压(在下文中称为“源电压”)或在负载电路中交流电流(在下文中称为“负载电路电流”)的过零的发生。控制电路72可以耦合至开关电路12和检测电路70并且可以被配置以响应于对交流源电压或交流负载电路电流检测过零的出现，促进在开关电路12中一个或多个开关的无弧切换，这样在开关20的栅极26和开关21的源极24之间的相对电势差就被减少(最佳参见图5，如上所述)。在一实施例中，可以配置控制电路72以促进包括至少部分开关电路12的多个开关215的无弧切换。
依据本发明的一方面，可配置软开关系统11以执行软或波上点(point-on-wave)(PoW)切换，由此在开关电路12中的多个开关215可以在跨开关电路12(例如，如图1所示包括节点265、270、275)的电压处于或非常接近于零时闭合，并且在通过开关电路12的电流处于或接近于零时断开。通过在跨开关电路12的电压处于或非常接近于零时闭合开关，由单个控制源252提供的单个控制电压可用在每个开关215以接通其各自的连接255，如上所述。此外，预击穿电弧可以通过在多个开关215的触点之间当它们闭合时保持电场是低的来避免，甚至开关在同一时刻并不全部闭合。类似地，通过在通过开关电路12的电流处于或接近于零时断开开关，可以设计软开关系统11以便在开关电路12的要最后断开的开关中的电流适合开关的设计能力。配置控制电路72以使开关电路12的多个开关215的断开和闭合与交流源电压或交流负载电路电流的过零的发生同步。
转至图7，例示了包括图6软开关系统11的开关电路320的一实施例示意图19。依据所例示的实施例，示意图19包括开关电路12、检测电路70和控制电路72的一实例。应当理解，如参见图1所述，电阻分级网络260和包括隔离电路285的控制源252是图7的电路320的一部分，但被去除以便清楚例示。
尽管用于描述，图7例示了仅单个三端开关20，例如在开关电路12中的MEMS开关20，应当理解，依据本发明的实施例，例如开关电路12将包括取决于软开关系统11的电流和电压处理要求的多个开关20。在一实施例中，开关电路12可包括用串联配置耦合的一组MEMS开关以便在MEMS开关中分配电压，如参见图1所述。
在进一步实施例中，开关电路12可包括包括多个MEMS开关的开关模块，该多个MEMS开关用并联配置耦合在一起以便在MEMS开关中分配电压。然而在进一步实施例中，开关电路12可包括一组用串联配置耦合在一起的MEMS开关模块以便在MEMS开关模块中同时分配电压并且在每个模块的MEMS开关中分配电流。在一实施例中，可以把开关电路12的一个或多个MEMS开关集成在单个组件74中。
如上所述，示范性的MEMS开关20可包括三个触点。在一实施例中，第一触点可被配置为漏极22，第二触点可被配置为源极24，第三触点可被配置为栅极26。在一实施例中，控制电路72可耦合至栅极触点26以有助于切换MEMS开关20的电流状态。同样，在某些实施例中，阻尼电路(缓冲器电路)33与MEMS开关20并联耦合以便延迟跨MEMS开关20的电压出现。如例示，例如，阻尼电路33可包括与缓冲器电阻器78串联耦合的缓冲器电容器76。
此外，MEMS开关20可以与负载电路40串联耦合，如图7进一步例示。在目前预期的配置中，负载电路40可包括电压源VSOURCE 44，并且可包括典型的负载电感LLOAD 46和负载电阻RLOAD 48。在一实施例中，可以配置电压源VSOURCE 44以生成交流源电压和交流负载电流ILOAD 50。
如先前所述，可以配置检测电路70以检测在负载电路40中交流源电压或交流负载电流ILOAD 50的过零的发生。交流源电压可通过电压传感电路80来检测并且交流负载电流ILOAD 50可以通过电流传感电路82来检测。例如，可以连续地或以离散周期检测交流源电压和交流负载电流。
例如，可以通过诸如所例示的零电压比较器84的比较器的使用来检测源电压的过零。由电压传感电路80检测到的电压和零基准电压86可以被用作零电压比较器84的输入。随后，可能生成表示负载电路40源电压的过零的输出信号88。类似地，也可通过例如所例示的零电流比较器92的比较器的使用来检测负载电流ILOAD 50的过零。由电流传感电路82检测到的电流和零基准电流90可以被用作零电流比较器92的输入。随后，可能生成表示负载电流ILOAD 50的过零的输出信号94。
控制电路72可随后使用输出信号88、94以确定何时改变(例如断开或闭合)MEMS开关20(或MEMS开关组)的电流工作状态。更具体而言，响应于交流负载电流ILOAD 50的经检测的过零，可以配置控制电路72以促进MEMS开关20组(例如在图1中描述的多个开关215和在图5中描述的开关20和21)的用交错、连续的无弧方式断开以便中断或断开负载电路40。此外，响应于交流源电压的经检测的过零，可以配置控制电路72以促进MEMS开关20组的用交错、连续的无弧方式闭合以便闭合负载电路40。
在一实施例中，控制电路72可确定是否把MEMS开关20的当前工作状态切换到至少部分地依据使能信号(enable signal)96的第二工作状态。例如作为在接触器应用中断电命令的结果，可以生成使能信号96。在一实施例中，使能信号96和输出信号88、94可以被用作所示双D触发器98的输入信号。在使能信号96被激活(例如，上升沿触发)之后，可使用这些信号来以零第一源电压闭合MEMS开关20，并且在使能信号96被去激活(例如，下降沿触发)之后以零第一负载电流断开MEMS开关20。参见图4的所例示的示意图19，每当使能信号96是有效的(依据具体实现或高或低)并且输出信号88或94表示经检测的零电压或电流，可生成触发信号172。在一实施例中，例如可通过或非门100来生成触发信号172。随后，触发信号172可通过MEMS栅极驱动器104以生成栅极激活信号106，该栅极激活信号106可被使用以便把控制电压加至MEMS开关20的栅极26上(或者多个栅极，在MEMS组时)。
尽管描述了本发明的实施例，该实施例具有包括至少一消弧电路14的电势控制电路280和连同MEMS开关一起的软开关系统11，应当理解，并不这样限制本发明的范围，并且本发明还可以适用于开关电路的实施例，例如，该开关电路包括连同例如MOSFET和IGBT开关的多个可选三端开关的电势控制280。
图8描述了流程步骤的流程图350，该流程步骤用于切换负载，例如可与例如电源210的电源连接的负载205。
连同图1参见图8，流程的实施例通过在步骤355确定串联导通通路250来开始，该串联导通通路250可在电源210和负载205之间连接，包括多个三端开关215中的每一个的源极端子235和漏极端子240。流程在步骤360继续，其中通过控制源252在多个三端开关215中的每一个的栅极端子245得到控制电压，该控制源252在多个三端开关215中的每一个的栅极端子245和源极端子235之间电源连接。流程在步骤365结束，其中响应于在每个三端开关215在其各自栅极端子245接收的控制电压，闭合在多个三端开关215中每一个的各自源极端子235和各自漏极端子240之间的连接255。
一实施例包括相对于多个三端开关215中每一个的源极端子235在栅极端子245得到控制电压，在多个三端开关215中每一个的栅极端子245和源极端子235之间的控制电压与多个三端开关215的任意其它三端开关215的源极235电势隔离。
在实施例中，在步骤360使用仅一个控制源252得到控制电压，该控制源252与多个三端开关215中每一个的栅极端子245并联连接。在步骤360得到还包括在多个三端开关215中每一个的连续的栅极端子245及时延迟控制电压。
本发明的实施例还包括把多个三端开关215从第一状态变为第二状态，例如从OPEN状态到CLOSED状态或从CLOSED状态到OPEN状态并且响应于开关状态的改变，把电能从串联导通通路250转向电势控制电路280或从电势控制电路280上接收电能的消弧电路14，该电势控制电路280与多个三端开关215并联连接放置。另一实施例还包括使经过串联导通通路250的交流电流和相对于基准270的串联导通通路250交流电压中至少一个的过零的发生与多个三端开关215的状态改变同步。本发明的另一实施例包括控制在控制源300和多个三端开关215中每一个的栅极端子245之间串联连接的多个开关305、310。
如所公开的，本发明的一些实施例可包括如下一些优点：使用单个电源以把单个控制源提供给在串联网络中的多个三端开关；以减少的费用提高电路电压容量；并且用减小的复杂度提高电路电压容量。
尽管针对示范性实施例来描述本发明，应当理解在不离开本发明范围的情况下，可以进行各种修改和用等价物替换其元件。此外，依据本发明的原理在不离开其基本范围的情况下，可以进行许多修改以适应具体情况和材料。因此，本发明不受限于作为用于执行本发明的最佳或唯一预期模式中公开的具体实施例，而本发明将包括落在所附权利要求书的保护范围的所有实施例。同样，在附图和描述中，公开了本发明的示范性实施例并且尽管可能使用了具体的术语，除非另作说明，仅在通用的和描述性的意义上使用它们，而不用于限制，本发明的范围因而不被这样限制。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，而仅是用来从另一元件中区别一元件的术语第一、第二等。此外，术语一、一个等的使用不表示数量的限制，而仅表示所引用项的至少一个的存在。
元件表
10：MEMS/开关系统
11：软开关系统
12：开关电路
14：消弧电路
16：组件
18：图
19：图
20：开关
22：漏极(也称为第一触点)
24：源极(也称为第二触点)
26：栅极(也称为第三触点)
28：桥
29：支路
30：二极管D1
31：第二支路
32：二极管，第二
33：缓冲器电路/阻尼电路
34：二极管D3
36：二极管D4
38：组件
40：负载电路
44：电压源
46：负载电感
48：负载电阻
50：负载电流
52：脉冲电路
54：脉冲开关
56：脉冲电容器
58：脉冲电感
60：第一二极管DP
62：标号
70：检测电路
72：控制电路
74：单个组件
76：缓冲器电容器
78：缓冲器电阻器
80：电压传感电路
82：电流传感电路
84：电压比较器
86：基准电压
88：输出信号
90：基准电流
92：零电流比较器
94：输出信号
96：使能信号
98：双D触发器
100：或非门
102：触发信号
104：MEMS栅极驱动器
106：栅极激活系统
200：电路
205：负载
210：电源
215：多个三端开关
220：三端开关
225：三端开关
230：三端开关
235：源极端子
240：漏极端子
245：栅极端子
250：传导通路
252：控制源
253：控制器
255：连接
260：电阻分级网络
265：电路节点
270：电路节点
275：电路节点
277：基准
280：电势控制电路
285：隔离电路
289：振荡器电路
293：触发器电路
297：与非门
301：与非门
305：电阻器
309：电阻器
313：电容器
315：开关电路
320：开关电路
350：流程图
355：确定步骤
360：得到步骤
365：闭合步骤
375：连接
380：启动输入
385：连接
390：连接
395：启动输入
400：栅极输出连接
405：源极输出连接
410：逻辑电路
415：变压器
420：整流器
425：调谐电路
430：与非门
435：电容器
440：电阻器
445：电阻器
450：电阻器
455：晶体管
460：二极管
382：S输入
384：D输入
462：基极
464：发射极

Claims (10)

1.一种电路(200)，用于使用可与电源(210)连接的负载205，所述电路(200)包括：
多个三端开关(215)，限定了可在电源(210)和负载(205)之间连接的串联导通通路(250)，串联导通通路(250)包括多个三端开关(215)中的每一个的源极端子(235)和漏极端子(240)；并且
一控制源(252)，在多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)和多个三端开关(215)中的每一个的源极端子(235)之间电源连接，控制源(252)产生控制电压；
其中，多个三端开关(215)中的每一个在其各自的栅极端子(245)响应控制电压，从而闭合在多个三端开关(215)中的每一个的各自源极端子(235)和各自漏极端子(240)之间的连接(255)。
2.如权利要求1所述的电路(200)，其中所述一控制源(252)包括与多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)并联连接的仅一个控制源(252)。
3.如权利要求1所述的电路(200)，其中所述一控制源(252)包括方波发生器(252)。
4.如权利要求1所述的电路(200)，还包括：
隔离器电路(285)，通过三端开关(215)的源极端子(235)和栅极端子(245)置于在一控制源(252)和多个三端开关(215)的三端开关(215)之间的电源连接中。
5.如权利要求4所述的电路(200)，还包括：
控制器(253)，与控制源(252)信号通信；
其中隔离器电路(285)包括：
逻辑电路(410)，与控制源(252)电源连接并且与控制器(253)信号通信；
变压器(415)，与逻辑电路(410)电源连接；
整流器(420)，与变压器(415)电源连接；以及
调谐电路(425)，与整流器(420)和三端开关(215)的源极端子(235)和栅极端子(245)电源连接。
6.如权利要求1所述的电路(200)，其中多个三端开关(215)包括多个微型机电系统(MEMS)开关。
7.一种用于开关可与电源(210)连接的负载(205)的方法，所述方法包括：
确定(355)串联导通通路(250)，该串联导通通路(250)包括多个三端开关(215)中的每一个的源极端子(235)和漏极端子(240)，串联导通通路(250)可在电源(210)和负载(205)之间连接；
从一控制源(252)使在多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)上得到控制电压(360)，该一控制源(252)在多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)和源极端子(235)之间电源连接；以及
响应于在多个三端开关(215)中的每一个在其各自的栅极端子(245)接收的控制电压，闭合(365)在多个三端开关(215)中的每一个的各自源极端子(235)和各自漏极端子(240)之间的连接(255)。
8.如权利要求7所述的方法，其中得到(360)包括在多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)通过仅一控制源(252)得到控制电压(360)，该控制源(252)与多个三端开关(215)中的每一个的栅极端子(245)并联连接。
9.如权利要求7所述的方法，其中得到(360)包括在多个三端开关(215)的连续栅极端子(245)中及时延迟控制电压。
10.如权利要求7所述的方法，其中得到(360)包括：
相对于多个三端开关(215)中每一个的源极端子(235)在栅极端子(245)得到(360)控制电压，在多个三端开关(215)的每一个的每个栅极端子(245)和源极端子(235)之间的控制电压与多个三端开关(215)的任意其它三端开关(215)的源极端子(235)的电势隔离。
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