專利名稱:基于微機(jī)電開(kāi)關(guān)(mems)的過(guò)電流電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本文公開(kāi)的主題涉及電機(jī)控制領(lǐng)域,并且更特別地,涉及基于微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)的過(guò)電流電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。
背景技術(shù):
許多傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)被連接到電機(jī)起動(dòng)器。電機(jī)起動(dòng)器不僅提供了起動(dòng)和停止電機(jī)操作的機(jī)制,還常常包括保護(hù)電機(jī)免受過(guò)電流或短路狀況影響的裝置。短路電流能夠引起對(duì)電機(jī)繞組的損壞。為了防止或至少限制過(guò)電流損壞,許多電機(jī)起動(dòng)器采用了檢測(cè)電流并在特定的電流幅度反應(yīng)的電流感測(cè)裝置。如果電流上升超過(guò)特定的電流幅度,電流感測(cè)裝置就將切斷去往電機(jī)的電流。然而,許多電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)遭受比電機(jī)的標(biāo)稱額定電流更大的初始浪涌(in-rush)電流或起動(dòng)電流。電流感測(cè)裝置被設(shè)計(jì)為忽略與起動(dòng)電流關(guān)聯(lián)的幅度峰值以允許電機(jī)起動(dòng),而同時(shí)提供短路保護(hù)。因此,許多現(xiàn)有電機(jī)起動(dòng)器監(jiān)測(cè)超過(guò)特定幅度預(yù)定時(shí)間段(典型地以毫秒測(cè)量)的電流?!?br>
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)示例實(shí)施例的一個(gè)方面,過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)包括配置和設(shè)置成輸出電變化率信號(hào)的電流感測(cè)構(gòu)件,該電變化率信號(hào)指示超過(guò)預(yù)定值的電流變化率;可操作地連接到電流感測(cè)構(gòu)件的至少一個(gè)微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置;以及電耦合到電流感測(cè)構(gòu)件和至少一個(gè)MEMS裝置中的每一個(gè)的控制器??刂破髋渲煤驮O(shè)置成響應(yīng)電變化率信號(hào)斷開(kāi)至少一個(gè)MEMS裝置。根據(jù)示例實(shí)施例的另一個(gè)方面,電機(jī)控制器系統(tǒng)包括耦合到電路的電動(dòng)機(jī);配置和設(shè)置成輸出電變化率信號(hào)的電流感測(cè)構(gòu)件,該電變化率信號(hào)指示超過(guò)預(yù)定值的、電路中的電流的變化率;布置在電路中并且可操作地連接到電流感測(cè)構(gòu)件和電動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置;以及電耦合到電流感測(cè)構(gòu)件和至少一個(gè)MEMS裝置中的每一個(gè)的電機(jī)控制器。電機(jī)控制器配置和設(shè)置成響應(yīng)電變化率信號(hào)斷開(kāi)至少一個(gè)MEMS裝置。根據(jù)示例實(shí)施例的又一個(gè)方面,一種保護(hù)電負(fù)載免受過(guò)電流狀況影響的方法,包括通過(guò)脈沖輔助導(dǎo)通(Pulse Assist Turn on: PATO)電路發(fā)出PATO脈沖以閉合通過(guò)電路與負(fù)載電耦合的微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置;感測(cè)通過(guò)電路流向電負(fù)載的電流;監(jiān)測(cè)在電路中的電流的變化率;確定電流的變化率超過(guò)預(yù)定值;并且一旦檢測(cè)到電流的變化率超過(guò)預(yù)定值就發(fā)出信號(hào)來(lái)斷開(kāi)與電路電連接的MEMS裝置,以防止電流通到電負(fù)載。從結(jié)合附圖所做的以下描述,這些和其它的優(yōu)勢(shì)和特征將變得更加明顯。
具體指出作為發(fā)明的主題,并在說(shuō)明書(shū)的結(jié)論處的權(quán)利要求中明確要求保護(hù)。從結(jié)合附圖所做的以下詳細(xì)說(shuō)明中,本發(fā)明的上述以及其它的特征、優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的
圖I是示出按照示例實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)的框圖;圖2是示出圖I的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)的示意 圖3是示出按照示例實(shí)施例的、保護(hù)電負(fù)載免受過(guò)電流狀況影響的方法的流程圖。詳細(xì)的描述通過(guò)舉例的方式參照附圖解釋發(fā)明的實(shí)施例以及其優(yōu)勢(shì)和特征。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1,在2處一般性地指出按照示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng)。電機(jī)控制器系統(tǒng)2包括通過(guò)電路13電耦合到電源6和過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)10的電動(dòng)機(jī)4。在所示的示例實(shí)施例中,過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)10包括檢測(cè)通過(guò)電路13的電流的變化率(di/dt)的電流感測(cè)構(gòu)件20。按照示例實(shí)施例的一個(gè)方面,電流感測(cè)構(gòu)件20采用霍爾效應(yīng)傳感器22的形式。但是,應(yīng)理解,也可以采用能夠檢測(cè)電流的變化率的其它裝置。如將在下面更全面地詳細(xì)說(shuō)明的那樣,過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)10也被示出包括采用MEMS芯片(die) 33的形式的微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置30,具有至少一個(gè)開(kāi)關(guān)34和控制器40。如圖2中最好示出的那樣,MEMS裝置30跨過(guò)由多個(gè)角落二極管55_58形成的平衡二極管電橋50的中心點(diǎn)(未單獨(dú)標(biāo)記)而連接。按照示例實(shí)施例,MEMS裝置30緊密耦合到角落二極管55-58。術(shù)語(yǔ)“緊密耦合”應(yīng)理解為指MEMS裝置30以盡可能小的回路面積耦合到角落二極管55-58,以將由與回路面積關(guān)聯(lián)的雜散電感所造成的電壓限制為不大于約IV。根據(jù)示例實(shí)施例的一個(gè)方面,術(shù)語(yǔ)“緊密耦合”應(yīng)解釋為指MEMS裝置30以其中由雜散電感所造成的電壓被限制為小于約I V的回路面積耦合到角落二極管55-58?;芈访娣e被定義為在MEMS裝置30和平衡二極管電橋50之間的面積。按照示例實(shí)施例的一個(gè)方面,在開(kāi)關(guān)事件期間跨過(guò)MEMS裝置30的感應(yīng)電壓降是通過(guò)在MEMS芯片33和角落二極管55-58之間維持小的回路電感來(lái)控制的。在開(kāi)關(guān)期間跨過(guò)MEMS裝置30的感應(yīng)電壓由三個(gè)因素決定回路面積的長(zhǎng)度,它建立了雜散電感的級(jí)別;對(duì)每一平行管腳為約IA和約IOA之間的MEMS開(kāi)關(guān)電流;以及為約I微秒的MEMS開(kāi)關(guān)時(shí)間。更進(jìn)一步按照示例實(shí)施例,希望的回路面積能夠通過(guò)例如在電路板(未單獨(dú)標(biāo)記)的一側(cè)安裝MEMS裝置30和在電路板的另一側(cè)與MEMS裝置30直接相對(duì)地安裝角落二極管55-58來(lái)實(shí)現(xiàn)。按照另一個(gè)例子,角落二極管55-58可以在MEMS芯片33內(nèi)一體地形成。在任何情況下,應(yīng)理解,只要回路面積以及擴(kuò)展而言電感被保持得盡可能小,則MEMS裝置30和角落二極管55-58的具體布置能夠改變。還應(yīng)理解,特定的MEMS芯片帶有的開(kāi)關(guān)數(shù)目以及MEMS裝置的數(shù)目可以改變。盡管采用了角落二極管55-58描述了本發(fā)明的實(shí)施例,將意識(shí)到的是,術(shù)語(yǔ)“角落”并不僅限于二極管的物理位置,而是指二極管相對(duì)于MEMS芯片33的放置。如上所討論的,角落二極管55-58被布置在平衡二極管電橋50內(nèi),以便提供負(fù)載電流通過(guò)MEMS裝置30的低阻抗路徑。因此,角落二極管55-58布置成限制電感,這反過(guò)來(lái)限制電壓在時(shí)間上的變化,即跨過(guò)MEMS裝置30的電壓尖峰。在所示的示例實(shí)施例中,平衡二極管電橋50包括第一分支61和第二分支62。如本文中使用的,術(shù)語(yǔ)“平衡二極管電橋”描述這樣的二極管電橋,其配置為當(dāng)在每一個(gè)分支61、62中的電流大致相等時(shí)跨過(guò)第一分支和第二分支61和62兩者的電壓降大致相等。在第一分支61中,二極管55和二極管56耦合在一起以形成第一串聯(lián)電路(未單獨(dú)標(biāo)記)。以類似的方式,第二分支61包括可操作地耦合在一起以形成第二串聯(lián)電路(也未單獨(dú)標(biāo)記)的二極管57和二極管58。過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)10也被示為連接到相對(duì)于MEMS裝置30以及電源6和電動(dòng)機(jī)4并聯(lián)連接的電壓緩沖器70。電壓緩沖器70限制在每一個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)34的快速接觸分離期間的電壓過(guò)沖。電壓緩沖器70被示為是金屬氧化物變阻器(MOV)74的形式。MOV 74被示為耦合到與緩沖電阻器78串聯(lián)連接的緩沖電容器78。緩沖電容器76和緩沖電阻器78被并聯(lián)電連接到MOV 74。進(jìn)一步根據(jù)示例實(shí)施例,過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)被示為包括單個(gè)混合式無(wú)弧限流技術(shù)(HALT)/脈沖輔助導(dǎo)通(PATO)電路90。HALT/PAT0電路90包括電連接到平衡二極管電橋50的第一分支61的第一分支93,以及電連接到平衡二極管電橋50的第二分支62的第二分支95。HALT/PAT0電路90包括通過(guò)共同的電感器108在第一分支61和第二分支62之間電連接的HALT電路部分104和PATO電路部分106。HALT電路部分104與PATO電路部分106并聯(lián)連接。HALT電路部分104包括以開(kāi)關(guān)裝置114的形式示出的HALT開(kāi)關(guān)112。開(kāi)關(guān)裝置114與HALT電容器115串聯(lián)連接。PATO電路部分106包括以與脈沖電容器123和脈沖二極管124串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)裝置122的形式示出的脈沖開(kāi)關(guān)120。電感器108在第一分支93中與HALT電路部分104和PATO電路部分106串聯(lián)連接。如在下面將更完全明顯的那樣,HALT開(kāi)關(guān)112選擇性地閉合以斷開(kāi)·MEMS芯片33,且脈沖開(kāi)關(guān)120選擇性地閉合以閉合MEMS芯片33。也就是說(shuō),閉合HALT開(kāi)關(guān)112以對(duì)HALT部分電路104供電來(lái)斷開(kāi)MEMS裝置30,并且閉合脈沖開(kāi)關(guān)120以對(duì)PATO電路部分106供電來(lái)閉合MEMS裝置30。MEMS裝置30的閉合完成電路13,允許電流從電源6流到電動(dòng)機(jī)4。相反,斷開(kāi)MEMS裝置30中斷電流在電源6和電動(dòng)機(jī)4之間的流動(dòng)。更進(jìn)一步按照示例實(shí)施例,控制器40包括電耦合到電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分142的短路檢測(cè)部分140。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分142響應(yīng)于電機(jī)起動(dòng)信號(hào)和電機(jī)停止信號(hào),選擇性地向PATO電路部分106和HALT電路部分104發(fā)信號(hào)以閉合和斷開(kāi)MEMS裝置30。此外,電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分142將向HALT電路部分104發(fā)信號(hào),以在由短路檢測(cè)部分140發(fā)信號(hào)通知的過(guò)電流狀況的情況下斷開(kāi)MEMS裝置30。短路檢測(cè)部分140包括電耦合到整流器147的運(yùn)算放大器(Op Amp)145、比較器149和微控制器151。運(yùn)算放大器145基于來(lái)自電流感測(cè)構(gòu)件20的輸入產(chǎn)生變化率(di/dt)信號(hào)。變化率信號(hào)傳遞到整流器147。整流器147將變化率信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳遞到比較器149的單極變化率信號(hào)。比較器149將單極變化率信號(hào)與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較。如果單極變化率信號(hào)超過(guò)預(yù)定的閾值,則通過(guò)微控制器151將輸出信號(hào)傳遞到電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分142以激活HALT電路部分104并斷開(kāi)MEMS裝置30,切斷在電路13中電流的流動(dòng)以保護(hù)電動(dòng)機(jī)4免承受過(guò)電流或短路電流的影響。現(xiàn)在參照?qǐng)D3,圖3描述了保護(hù)電動(dòng)機(jī)4免受過(guò)電流或短路電流狀況影響的方法200。最初,如塊220中指示的那樣,控制器40接收電機(jī)起動(dòng)信號(hào)/請(qǐng)求。如塊222所示,一旦接收到起動(dòng)信號(hào)后,電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分142就向脈沖開(kāi)關(guān)120發(fā)送信號(hào)通知其閉合,并通過(guò)PATO電路部分106發(fā)送PATO脈沖以閉合MEMS裝置30。此時(shí),在塊223中短路檢測(cè)部分140開(kāi)始監(jiān)測(cè)電流的變化率,并在塊224中確定短路狀況是否存在。如果檢測(cè)出的變化率超過(guò)預(yù)定的閾值,則電機(jī)起動(dòng)中止,到脈沖開(kāi)關(guān)120的信號(hào)被切斷,并向HALT開(kāi)關(guān)112發(fā)送信號(hào)來(lái)斷開(kāi)MEMS裝置30,如塊226中所示的那樣。當(dāng)然,應(yīng)理解,用于電機(jī)起動(dòng)的預(yù)定的閾值可能不同于操作狀況的預(yù)定閾值,以考慮與電機(jī)起動(dòng)電流關(guān)聯(lián)的任何差異。如果在啟動(dòng)后沒(méi)有檢測(cè)到短路,則如塊230中所示那樣,發(fā)出第二 PATO脈沖并且如塊232中所示那樣,MEMS裝置30被導(dǎo)通或閉合以使電動(dòng)機(jī)與電源6連接。此時(shí),如塊234中所示,短路檢測(cè)系統(tǒng)140監(jiān)測(cè)電流的變化率,并如塊236中所示確定后起動(dòng)短路狀況是否存在。如果在塊236檢測(cè)到短路,則如塊246中所示那樣,通過(guò)HALT電路104發(fā)送HALT脈沖,以發(fā)信號(hào)通知MEMS裝置30斷開(kāi)MEMS開(kāi)關(guān)來(lái)停止電機(jī)操作;否則,如塊250中所示,電動(dòng)機(jī)4繼續(xù)正常操作。此時(shí),應(yīng)理解,示例實(shí)施例提供了系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)過(guò)電流狀況以保護(hù)諸如電動(dòng)機(jī)之類的電負(fù)載。與監(jiān)測(cè)電流幅度中的變化的現(xiàn)有技術(shù)布置相比,示例實(shí)施例監(jiān)測(cè)電流的變化率。按這種方式,示例實(shí)施例提供了減少了電動(dòng)機(jī)暴露于短路電流的風(fēng)險(xiǎn)的更快響應(yīng)時(shí)間。此夕卜,使用MEMS裝置來(lái)切斷電流提供了比現(xiàn)有系統(tǒng)快近一個(gè)量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。更具體地說(shuō),MEMS裝置的使用將電路的反應(yīng)時(shí)間減少到不大于約16微秒。按照一不例實(shí)施例,提供一種電機(jī)控制器系統(tǒng),包括稱合到電路的電動(dòng)機(jī);配置和設(shè)置成輸出電變化率信號(hào)的電流感測(cè)構(gòu)件,所述電變化率信號(hào)指示超過(guò)預(yù)定值的、電路 中的電流變化率;至少一個(gè)微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置,布置在所述電路中并且可操作地連接到所述電流感測(cè)構(gòu)件和所述電動(dòng)機(jī);以及電機(jī)控制器,電耦合到所述電流感測(cè)構(gòu)件和所述至少一個(gè)MEMS裝置中的每一個(gè),所述控制器配置和設(shè)置成響應(yīng)所述電變化率信號(hào)斷開(kāi)所述至少一個(gè)MEMS裝置。按照上述一示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng),進(jìn)一步包括與所述至少一個(gè)MEMS裝置緊密耦合的二極管電橋。一方面,按照以上示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng),其中所述二極管電橋通過(guò)其中雜散電感被限制為約I伏的回路面積耦合到所述至少一個(gè)MEMS裝置。另一方面,按照以上示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng),其中所述二極管電橋通過(guò)其中雜散電感被限制為小于約I伏的回路面積耦合到所述至少一個(gè)MEMS裝置。按照上述一示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng),進(jìn)一步包括電耦合到所述二極管電橋的脈沖輔助導(dǎo)通(PATO)電路。按照上述一示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng),進(jìn)一步包括電耦合到所述二極管電橋的混合式無(wú)弧限流技術(shù)(HALT)電路。按照上述一示例實(shí)施例的電機(jī)控制器系統(tǒng),其中所述控制器包括可操作地耦合到運(yùn)算放大器、整流器以及比較器的至少一個(gè)微控制器。按照另一示例實(shí)施例,提供一種保護(hù)電負(fù)載免受過(guò)電流狀況影響的方法,所述方法包括通過(guò)脈沖輔助導(dǎo)通(PATO)電路發(fā)出PATO脈沖以閉合通過(guò)電路與所述負(fù)載電耦合的微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置;感測(cè)通過(guò)所述電路流向所述電負(fù)載的電流;監(jiān)測(cè)在所述電路中所述電流的變化率;確定所述電流的所述變化率超過(guò)預(yù)定值;以及一旦檢測(cè)到所述電流的所述變化率超過(guò)所預(yù)定值就發(fā)出信號(hào)來(lái)斷開(kāi)MEMS裝置。按照上述另一示例實(shí)施例的方法,進(jìn)一步包括如果所述電流的所述變化率低于所預(yù)定值,就使所述電流通到所述電負(fù)載;以及監(jiān)測(cè)所述電流。按照上述另一示例實(shí)施例的方法,進(jìn)一步包括如果所述電流的所述變化率超過(guò)所預(yù)定值,就發(fā)出混合式無(wú)弧限流技術(shù)(HALT)信號(hào)以斷開(kāi)所述MEMS裝置。按照上述另一示例實(shí)施例的方法,其中所述MEMS裝置配置為在檢測(cè)到所述電流的所述變化率超過(guò)所預(yù)定值不大于16微秒后斷開(kāi)。
雖然本發(fā)明已經(jīng)僅結(jié)合有限數(shù)目的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述,但應(yīng)容易理解,本發(fā)明不僅限于這樣的公開(kāi)的實(shí)施例。相反,本發(fā)明可以修改以并入迄今未描述的但與本發(fā)明的精神和范圍相符的任何數(shù)目的改變、替換、替代或等同布置。此外,雖然本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例已被描述,但可以理解,本發(fā)明的方面可只包括描述的實(shí)施例中的一些。因此,本發(fā)明不被視為由上述描述來(lái)限制,而只被所附的權(quán)利要求的范圍限制。部件列表
權(quán)利要求
1.一種過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),包括 電流感測(cè)構(gòu)件(20),配置和設(shè)置成輸出電變化率信號(hào),所述電變化率信號(hào)指示超過(guò)預(yù)定值的電流的變化率; 至少一個(gè)微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置(30),可操作地連接到所述電流感測(cè)構(gòu)件(20);以及 控制器(40 ),電耦合到所述電流感測(cè)構(gòu)件(20 )和所述至少一個(gè)MEMS裝置(30 )中的每一個(gè),所述控制器(40)配置和設(shè)置成響應(yīng)來(lái)自所述電流感測(cè)構(gòu)件(20)的所述電變化率信號(hào)斷開(kāi)所述至少一個(gè)MEMS裝置(30)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),進(jìn)一步包括與所述至少一個(gè)MEMS裝置(30)緊密耦合的二極管電橋(50)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),其中所述二極管電橋(50)通過(guò)其中雜散電感被限制為不大于約I伏的回路面積耦合到所述至少一個(gè)MEMS裝置(30)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),其中所述二極管電橋(50)通過(guò)其中雜散電感被限制為小于約I伏的回路面積耦合到所述至少一個(gè)MEMS裝置(30)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),進(jìn)一步包括電耦合到所述二極管電橋(50)的脈沖輔助導(dǎo)通(PATO)電路(90)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),進(jìn)一步包括電耦合到所述二極管電橋(50)的混合式無(wú)弧限流技術(shù)(HALT)電路(90)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),其中所述控制器(40)包括至少一個(gè)微控制器(151),以及運(yùn)算放大器(145)、整流器(147)和比較器(149)中的至少一個(gè),所述微控制器(151)可操作地耦合到所述運(yùn)算放大器(145 )、整流器(147 )和比較器(149 )中的至少一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明的主題為“基于微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)的過(guò)電流電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)”。提供一種過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)(10),包括配置和設(shè)置成輸出電變化率信號(hào)的電流感測(cè)構(gòu)件(20),該電變化率信號(hào)指示超過(guò)預(yù)定值的電流的變化率;可操作地連接到電流感測(cè)構(gòu)件(20)的至少一個(gè)微機(jī)電開(kāi)關(guān)(MEMS)裝置(30),以及電耦合到電流感測(cè)構(gòu)件(20)和至少一個(gè)MEMS裝置(30)中的每一個(gè)的控制器(40)??刂破?40)配置和設(shè)置成響應(yīng)電變化率信號(hào)斷開(kāi)至少一個(gè)MEMS裝置(30)。
文檔編號(hào)H02H7/085GK102904214SQ20121025899
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者R.K.基拉姆索德, P.K.阿南德, J.K.胡克, B.C.孔菲爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司