基於微機電開關(mems)的過電流電機保護系統的製作方法

2023-05-15 13:54:36

專利名稱：基於微機電開關(mems)的過電流電機保護系統的製作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及電機控制領域，並且更特別地，涉及基於微機電開關(MEMS)的過電流電機保護系統。
背景技術：
許多傳統的電動機被連接到電機起動器。電機起動器不僅提供了起動和停止電機操作的機制，還常常包括保護電機免受過電流或短路狀況影響的裝置。短路電流能夠引起對電機繞組的損壞。為了防止或至少限制過電流損壞，許多電機起動器採用了檢測電流並在特定的電流幅度反應的電流感測裝置。如果電流上升超過特定的電流幅度，電流感測裝置就將切斷去往電機的電流。然而，許多電機在啟動時遭受比電機的標稱額定電流更大的初始浪湧(in-rush)電流或起動電流。電流感測裝置被設計為忽略與起動電流關聯的幅度峰值以允許電機起動，而同時提供短路保護。因此，許多現有電機起動器監測超過特定幅度預定時間段(典型地以毫秒測量)的電流。·

發明內容
根據示例實施例的一個方面，過電流保護系統包括配置和設置成輸出電變化率信號的電流感測構件，該電變化率信號指示超過預定值的電流變化率；可操作地連接到電流感測構件的至少一個微機電開關(MEMS)裝置；以及電耦合到電流感測構件和至少一個MEMS裝置中的每一個的控制器。控制器配置和設置成響應電變化率信號斷開至少一個MEMS裝置。根據示例實施例的另一個方面，電機控制器系統包括耦合到電路的電動機；配置和設置成輸出電變化率信號的電流感測構件，該電變化率信號指示超過預定值的、電路中的電流的變化率；布置在電路中並且可操作地連接到電流感測構件和電動機的至少一個微機電開關(MEMS)裝置；以及電耦合到電流感測構件和至少一個MEMS裝置中的每一個的電機控制器。電機控制器配置和設置成響應電變化率信號斷開至少一個MEMS裝置。根據示例實施例的又一個方面，一種保護電負載免受過電流狀況影響的方法，包括通過脈衝輔助導通(Pulse Assist Turn on: PATO)電路發出PATO脈衝以閉合通過電路與負載電耦合的微機電開關(MEMS)裝置；感測通過電路流向電負載的電流；監測在電路中的電流的變化率；確定電流的變化率超過預定值；並且一旦檢測到電流的變化率超過預定值就發出信號來斷開與電路電連接的MEMS裝置，以防止電流通到電負載。從結合附圖所做的以下描述，這些和其它的優勢和特徵將變得更加明顯。


具體指出作為發明的主題，並在說明書的結論處的權利要求中明確要求保護。從結合附圖所做的以下詳細說明中，本發明的上述以及其它的特徵、優點是顯而易見的
圖I是示出按照示例實施例的過電流保護系統的框圖；圖2是示出圖I的過電流保護系統的示意 圖3是示出按照示例實施例的、保護電負載免受過電流狀況影響的方法的流程圖。詳細的描述通過舉例的方式參照附圖解釋發明的實施例以及其優勢和特徵。
具體實施方式
參照圖1，在2處一般性地指出按照示例實施例的電機控制器系統。電機控制器系統2包括通過電路13電耦合到電源6和過電流保護系統10的電動機4。在所示的示例實施例中，過電流保護系統10包括檢測通過電路13的電流的變化率(di/dt)的電流感測構件20。按照示例實施例的一個方面，電流感測構件20採用霍爾效應傳感器22的形式。但是，應理解，也可以採用能夠檢測電流的變化率的其它裝置。如將在下面更全面地詳細說明的那樣，過電流保護系統10也被示出包括採用MEMS晶片(die) 33的形式的微機電開關(MEMS)裝置30，具有至少一個開關34和控制器40。如圖2中最好示出的那樣，MEMS裝置30跨過由多個角落二極體55_58形成的平衡二極體電橋50的中心點(未單獨標記)而連接。按照示例實施例，MEMS裝置30緊密耦合到角落二極體55-58。術語「緊密耦合」應理解為指MEMS裝置30以儘可能小的迴路面積耦合到角落二極體55-58，以將由與迴路面積關聯的雜散電感所造成的電壓限制為不大於約IV。根據示例實施例的一個方面，術語「緊密耦合」應解釋為指MEMS裝置30以其中由雜散電感所造成的電壓被限制為小於約I V的迴路面積耦合到角落二極體55-58。迴路面積被定義為在MEMS裝置30和平衡二極體電橋50之間的面積。按照示例實施例的一個方面，在開關事件期間跨過MEMS裝置30的感應電壓降是通過在MEMS晶片33和角落二極體55-58之間維持小的迴路電感來控制的。在開關期間跨過MEMS裝置30的感應電壓由三個因素決定迴路面積的長度，它建立了雜散電感的級別；對每一平行管腳為約IA和約IOA之間的MEMS開關電流；以及為約I微秒的MEMS開關時間。更進一步按照示例實施例，希望的迴路面積能夠通過例如在電路板(未單獨標記)的一側安裝MEMS裝置30和在電路板的另一側與MEMS裝置30直接相對地安裝角落二極體55-58來實現。按照另一個例子，角落二極體55-58可以在MEMS晶片33內一體地形成。在任何情況下，應理解，只要迴路面積以及擴展而言電感被保持得儘可能小，則MEMS裝置30和角落二極體55-58的具體布置能夠改變。還應理解，特定的MEMS晶片帶有的開關數目以及MEMS裝置的數目可以改變。儘管採用了角落二極體55-58描述了本發明的實施例，將意識到的是，術語「角落」並不僅限於二極體的物理位置，而是指二極體相對於MEMS晶片33的放置。如上所討論的，角落二極體55-58被布置在平衡二極體電橋50內，以便提供負載電流通過MEMS裝置30的低阻抗路徑。因此，角落二極體55-58布置成限制電感，這反過來限制電壓在時間上的變化，即跨過MEMS裝置30的電壓尖峰。在所示的示例實施例中，平衡二極體電橋50包括第一分支61和第二分支62。如本文中使用的，術語「平衡二極體電橋」描述這樣的二極體電橋，其配置為當在每一個分支61、62中的電流大致相等時跨過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，二極體55和二極體56耦合在一起以形成第一串聯電路(未單獨標記)。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電路(也未單獨標記)的二極體57和二極體58。過電流保護系統10也被示為連接到相對於MEMS裝置30以及電源6和電動機4並聯連接的電壓緩衝器70。電壓緩衝器70限制在每一個MEMS開關34的快速接觸分離期間的電壓過衝。電壓緩衝器70被示為是金屬氧化物變阻器(MOV)74的形式。MOV 74被示為耦合到與緩衝電阻器78串聯連接的緩衝電容器78。緩衝電容器76和緩衝電阻器78被並聯電連接到MOV 74。進一步根據示例實施例，過電流保護系統被示為包括單個混合式無弧限流技術(HALT)/脈衝輔助導通(PATO)電路90。HALT/PAT0電路90包括電連接到平衡二極體電橋50的第一分支61的第一分支93，以及電連接到平衡二極體電橋50的第二分支62的第二分支95。HALT/PAT0電路90包括通過共同的電感器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並聯連接。HALT電路部分104包括以開關裝置114的形式示出的HALT開關112。開關裝置114與HALT電容器115串聯連接。PATO電路部分106包括以與脈衝電容器123和脈衝二極體124串聯連接的開關裝置122的形式示出的脈衝開關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串聯連接。如在下面將更完全明顯的那樣，HALT開關112選擇性地閉合以斷開·MEMS晶片33，且脈衝開關120選擇性地閉合以閉合MEMS晶片33。也就是說，閉合HALT開關112以對HALT部分電路104供電來斷開MEMS裝置30，並且閉合脈衝開關120以對PATO電路部分106供電來閉合MEMS裝置30。MEMS裝置30的閉合完成電路13，允許電流從電源6流到電動機4。相反，斷開MEMS裝置30中斷電流在電源6和電動機4之間的流動。更進一步按照示例實施例，控制器40包括電耦合到電機驅動部分142的短路檢測部分140。電機驅動部分142響應於電機起動信號和電機停止信號，選擇性地向PATO電路部分106和HALT電路部分104發信號以閉合和斷開MEMS裝置30。此外，電機驅動部分142將向HALT電路部分104發信號，以在由短路檢測部分140發信號通知的過電流狀況的情況下斷開MEMS裝置30。短路檢測部分140包括電耦合到整流器147的運算放大器(Op Amp)145、比較器149和微控制器151。運算放大器145基於來自電流感測構件20的輸入產生變化率(di/dt)信號。變化率信號傳遞到整流器147。整流器147將變化率信號轉換成傳遞到比較器149的單極變化率信號。比較器149將單極變化率信號與預定的閾值進行比較。如果單極變化率信號超過預定的閾值，則通過微控制器151將輸出信號傳遞到電機驅動部分142以激活HALT電路部分104並斷開MEMS裝置30，切斷在電路13中電流的流動以保護電動機4免承受過電流或短路電流的影響。現在參照圖3，圖3描述了保護電動機4免受過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接收電機起動信號/請求。如塊222所示，一旦接收到起動信號後，電機驅動部分142就向脈衝開關120發送信號通知其閉合，並通過PATO電路部分106發送PATO脈衝以閉合MEMS裝置30。此時，在塊223中短路檢測部分140開始監測電流的變化率，並在塊224中確定短路狀況是否存在。如果檢測出的變化率超過預定的閾值，則電機起動中止，到脈衝開關120的信號被切斷，並向HALT開關112發送信號來斷開MEMS裝置30，如塊226中所示的那樣。當然，應理解，用於電機起動的預定的閾值可能不同於操作狀況的預定閾值，以考慮與電機起動電流關聯的任何差異。如果在啟動後沒有檢測到短路，則如塊230中所示那樣，發出第二 PATO脈衝並且如塊232中所示那樣，MEMS裝置30被導通或閉合以使電動機與電源6連接。此時，如塊234中所示，短路檢測系統140監測電流的變化率，並如塊236中所示確定後起動短路狀況是否存在。如果在塊236檢測到短路，則如塊246中所示那樣，通過HALT電路104發送HALT脈衝，以發信號通知MEMS裝置30斷開MEMS開關來停止電機操作；否則，如塊250中所示，電動機4繼續正常操作。此時，應理解，示例實施例提供了系統來監測過電流狀況以保護諸如電動機之類的電負載。與監測電流幅度中的變化的現有技術布置相比，示例實施例監測電流的變化率。按這種方式，示例實施例提供了減少了電動機暴露於短路電流的風險的更快響應時間。此夕卜，使用MEMS裝置來切斷電流提供了比現有系統快近一個量級的響應時間。更具體地說，MEMS裝置的使用將電路的反應時間減少到不大於約16微秒。按照一不例實施例，提供一種電機控制器系統，包括稱合到電路的電動機；配置和設置成輸出電變化率信號的電流感測構件，所述電變化率信號指示超過預定值的、電路 中的電流變化率；至少一個微機電開關(MEMS)裝置，布置在所述電路中並且可操作地連接到所述電流感測構件和所述電動機；以及電機控制器，電耦合到所述電流感測構件和所述至少一個MEMS裝置中的每一個，所述控制器配置和設置成響應所述電變化率信號斷開所述至少一個MEMS裝置。按照上述一示例實施例的電機控制器系統，進一步包括與所述至少一個MEMS裝置緊密耦合的二極體電橋。一方面，按照以上示例實施例的電機控制器系統，其中所述二極體電橋通過其中雜散電感被限制為約I伏的迴路面積耦合到所述至少一個MEMS裝置。另一方面，按照以上示例實施例的電機控制器系統，其中所述二極體電橋通過其中雜散電感被限制為小於約I伏的迴路面積耦合到所述至少一個MEMS裝置。按照上述一示例實施例的電機控制器系統，進一步包括電耦合到所述二極體電橋的脈衝輔助導通(PATO)電路。按照上述一示例實施例的電機控制器系統，進一步包括電耦合到所述二極體電橋的混合式無弧限流技術(HALT)電路。按照上述一示例實施例的電機控制器系統，其中所述控制器包括可操作地耦合到運算放大器、整流器以及比較器的至少一個微控制器。按照另一示例實施例，提供一種保護電負載免受過電流狀況影響的方法，所述方法包括通過脈衝輔助導通(PATO)電路發出PATO脈衝以閉合通過電路與所述負載電耦合的微機電開關(MEMS)裝置；感測通過所述電路流向所述電負載的電流；監測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預定值；以及一旦檢測到所述電流的所述變化率超過所預定值就發出信號來斷開MEMS裝置。按照上述另一示例實施例的方法，進一步包括如果所述電流的所述變化率低於所預定值，就使所述電流通到所述電負載；以及監測所述電流。按照上述另一示例實施例的方法，進一步包括如果所述電流的所述變化率超過所預定值，就發出混合式無弧限流技術(HALT)信號以斷開所述MEMS裝置。按照上述另一示例實施例的方法，其中所述MEMS裝置配置為在檢測到所述電流的所述變化率超過所預定值不大於16微秒後斷開。
雖然本發明已經僅結合有限數目的實施例進行了詳細描述，但應容易理解，本發明不僅限於這樣的公開的實施例。相反，本發明可以修改以併入迄今未描述的但與本發明的精神和範圍相符的任何數目的改變、替換、替代或等同布置。此外，雖然本發明的各個實施例已被描述，但可以理解，本發明的方面可只包括描述的實施例中的一些。因此，本發明不被視為由上述描述來限制，而只被所附的權利要求的範圍限制。部件列表
權利要求
1.一種過電流保護系統(10)，包括 電流感測構件(20)，配置和設置成輸出電變化率信號，所述電變化率信號指示超過預定值的電流的變化率； 至少一個微機電開關(MEMS)裝置(30)，可操作地連接到所述電流感測構件(20);以及 控制器(40 )，電耦合到所述電流感測構件(20 )和所述至少一個MEMS裝置(30 )中的每一個，所述控制器(40)配置和設置成響應來自所述電流感測構件(20)的所述電變化率信號斷開所述至少一個MEMS裝置(30)。
2.根據權利要求I所述的過電流保護系統(10)，進一步包括與所述至少一個MEMS裝置(30)緊密耦合的二極體電橋(50)。
3.根據權利要求2所述的過電流保護系統(10)，其中所述二極體電橋(50)通過其中雜散電感被限制為不大於約I伏的迴路面積耦合到所述至少一個MEMS裝置(30)。
4.根據權利要求2所述的過電流保護系統(10)，其中所述二極體電橋(50)通過其中雜散電感被限制為小於約I伏的迴路面積耦合到所述至少一個MEMS裝置(30)。
5.根據權利要求2所述的過電流保護系統(10)，進一步包括電耦合到所述二極體電橋(50)的脈衝輔助導通(PATO)電路(90)。
6.根據權利要求2所述的過電流保護系統(10)，進一步包括電耦合到所述二極體電橋(50)的混合式無弧限流技術(HALT)電路(90)。
7.根據權利要求I所述的過電流保護系統(10)，其中所述控制器(40)包括至少一個微控制器(151)，以及運算放大器(145)、整流器(147)和比較器(149)中的至少一個，所述微控制器(151)可操作地耦合到所述運算放大器(145 )、整流器(147 )和比較器(149 )中的至少一個。
全文摘要
本發明的主題為「基於微機電開關(MEMS)的過電流電機保護系統」。提供一種過電流保護系統(10)，包括配置和設置成輸出電變化率信號的電流感測構件(20)，該電變化率信號指示超過預定值的電流的變化率；可操作地連接到電流感測構件(20)的至少一個微機電開關(MEMS)裝置(30)，以及電耦合到電流感測構件(20)和至少一個MEMS裝置(30)中的每一個的控制器(40)。控制器(40)配置和設置成響應電變化率信號斷開至少一個MEMS裝置(30)。
文檔編號H02H7/085GK102904214SQ20121025899
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月25日 優先權日2011年7月25日
發明者R.K.基拉姆索德, P.K.阿南德, J.K.胡克, B.C.孔菲爾 申請人:通用電氣公司