基于微机电开关（MEMS）的过电流电机保护系统

摘要

本发明的主题为：“基于微机电开关（MEMS）的过电流电机保护系统”。提供一种过电流保护系统（10），包括：配置和设置成输出电变化率信号的电流感测构件（20），该电变化率信号指示超过预定值的电流的变化率；可操作地连接到电流感测构件（20）的至少一个微机电开关（MEMS）装置（30），以及电耦合到电流感测构件（20）和至少一个MEMS装置（30）中的每一个的控制器（40）。控制器（40）配置和设置成响应电变化率信号断开至少一个MEMS装置（30）。

权利要求

1.一种用于电机控制的过电流电机保护系统(10)，包括：

电流感测构件(20)，配置和设置成输出电变化率信号，所述电变化率信号指示超过预定值的电流的变化率；

至少一个微机电开关(MEMS)装置(30)，可操作地连接到所述电流感测构件(20)；以及控制器(40)，电耦合到所述电流感测构件(20)和所述至少一个微机电开关(MEMS)装置(30)中的每一个，所述控制器(40)配置和设置成响应来自所述电流感测构件(20)的所述电变化率信号断开所述至少一个微机电开关(MEMS)装置(30)。

2.根据权利要求1所述的过电流电机保护系统(10)，进一步包括：与所述至少一个微机电开关(MEMS)装置(30)紧密耦合的二极管电桥(50)。

3.根据权利要求2所述的过电流电机保护系统(10)，其中所述二极管电桥(50)通过其中杂散电感被限制为不大于约1伏的回路面积耦合到所述至少一个微机电开关(MEMS)装置(30)。

4.根据权利要求2所述的过电流电机保护系统(10)，其中所述二极管电桥(50)通过其中杂散电感被限制为小于约1伏的回路面积耦合到所述至少一个微机电开关(MEMS)装置(30)。

5.根据权利要求2所述的过电流电机保护系统(10)，进一步包括：电耦合到所述二极管电桥(50)的脉冲辅助导通(PATO)电路(90)。

6.根据权利要求2所述的过电流电机保护系统(10)，进一步包括：电耦合到所述二极管电桥(50)的混合式无弧限流技术(HALT)电路(90)。

7.根据权利要求1所述的过电流电机保护系统(10)，其中所述控制器(40)包括：至少一个微控制器(151)，以及运算放大器(145)、整流器(147)和比较器(149)中的至少一个，所述微控制器(151)可操作地耦合到所述运算放大器(145)、整流器(147)和比较器(149)中的至少一个。

说明书

基于微机电开关（MEMS）的过电流电机保护系统

技术领域

[0001] 本文公开的主题涉及电机控制领域，并且更特别地，涉及基于微机电开关（MEMS）的过电流电机保护系统。

背景技术

[0002] 许多传统的电动机被连接到电机起动器。电机起动器不仅提供了起动和停止电机操作的机制，还常常包括保护电机免受过电流或短路状况影响的装置。短路电流能够引起对电机绕组的损坏。为了防止或至少限制过电流损坏，许多电机起动器采用了检测电流并在特定的电流幅度反应的电流感测装置。如果电流上升超过特定的电流幅度，电流感测装置就将切断去往电机的电流。然而，许多电机在启动时遭受比电机的标称额定电流更大的初始浪涌（in-rush）电流或起动电流。电流感测装置被设计为忽略与起动电流关联的幅度峰值以允许电机起动，而同时提供短路保护。因此，许多现有电机起动器监测超过特定幅度预定时间段（典型地以毫秒测量）的电流。

发明内容

[0003] 根据示例实施例的一个方面，过电流保护系统包括：配置和设置成输出电变化率信号的电流感测构件，该电变化率信号指示超过预定值的电流变化率；可操作地连接到电流感测构件的至少一个微机电开关（MEMS）装置；以及电耦合到电流感测构件和至少一个MEMS装置中的每一个的控制器。控制器配置和设置成响应电变化率信号断开至少一个MEMS装置。

[0004] 根据示例实施例的另一个方面，电机控制器系统包括：耦合到电路的电动机；配置和设置成输出电变化率信号的电流感测构件，该电变化率信号指示超过预定值的、电路中的电流的变化率；布置在电路中并且可操作地连接到电流感测构件和电动机的至少一个微机电开关（MEMS）装置；以及电耦合到电流感测构件和至少一个MEMS装置中的每一个的电机控制器。电机控制器配置和设置成响应电变化率信号断开至少一个MEMS装置。

[0005] 根据示例实施例的又一个方面，一种保护电负载免受过电流状况影响的方法，包括：通过脉冲辅助导通(Pulse Assist Turn on: PATO)电路发出PATO脉冲以闭合通过电路与负载电耦合的微机电开关（MEMS）装置；感测通过电路流向电负载的电流；监测在电路中的电流的变化率；确定电流的变化率超过预定值；并且一旦检测到电流的变化率超过预定值就发出信号来断开与电路电连接的MEMS装置，以防止电流通到电负载。

[0006] 从结合附图所做的以下描述，这些和其它的优势和特征将变得更加明显。

附图说明

[0007] 具体指出作为发明的主题，并在说明书的结论处的权利要求中明确要求保护。从结合附图所做的以下详细说明中，本发明的上述以及其它的特征、优点是显而易见的：

[0008] 图1是示出按照示例实施例的过电流保护系统的框图；

[0009] 图2是示出图1的过电流保护系统的示意图；

[0010] 图3是示出按照示例实施例的、保护电负载免受过电流状况影响的方法的流程图。

[0011] 详细的描述通过举例的方式参照附图解释发明的实施例以及其优势和特征。

具体实施方式

[0012] 参照图1，在2处一般性地指出按照示例实施例的电机控制器系统。电机控制器系统2包括通过电路13电耦合到电源6和过电流保护系统10的电动机4。在所示的示例实施例中，过电流保护系统10包括检测通过电路13的电流的变化率（di/dt）的电流感测构件20。按照示例实施例的一个方面，电流感测构件20采用霍尔效应传感器22的形式。但是，应理解，也可以采用能够检测电流的变化率的其它装置。如将在下面更全面地详细说明的那样，过电流保护系统10也被示出包括采用MEMS芯片（die）33的形式的微机电开关（MEMS）装置30，具有至少一个开关34和控制器40。

[0013] 如图2中最好示出的那样，MEMS装置30跨过由多个角落二极管55-58形成的平衡二极管电桥50的中心点（未单独标记）而连接。按照示例实施例，MEMS装置30紧密耦合到角落二极管55-58。术语“紧密耦合”应理解为指MEMS装置30以尽可能小的回路面积耦合到角落二极管55-58，以将由与回路面积关联的杂散电感所造成的电压限制为不大于约1 V。根据示例实施例的一个方面，术语“紧密耦合”应解释为指MEMS装置30以其中由杂散电感所造成的电压被限制为小于约1 V的回路面积耦合到角落二极管55-58。回路面积被定义为在MEMS装置30和平衡二极管电桥50之间的面积。按照示例实施例的一个方面，在开关事件期间跨过MEMS装置30的感应电压降是通过在MEMS芯片33和角落二极管55-58之间维持小的回路电感来控制的。在开关期间跨过MEMS装置30的感应电压由三个因素决定：回路面积的长度，它建立了杂散电感的级别；对每一平行管脚为约1A和约10A之间的MEMS开关电流；以及为约1微秒的MEMS开关时间。

[0014] 更进一步按照示例实施例，希望的回路面积能够通过例如在电路板（未单独标记）的一侧安装MEMS装置30和在电路板的另一侧与MEMS装置30直接相对地安装角落二极管55-58来实现。按照另一个例子，角落二极管55-58可以在MEMS芯片33内一体地形成。在任何情况下，应理解，只要回路面积以及扩展而言电感被保持得尽可能小，则MEMS装置30和角落二极管55-58的具体布置能够改变。还应理解，特定的MEMS芯片带有的开关数目以及MEMS装置的数目可以改变。尽管采用了角落二极管55-58描述了本发明的实施例，将意识到的是，术语“角落”并不仅限于二极管的物理位置，而是指二极管相对于MEMS芯片33的放置。

[0015] 如上所讨论的，角落二极管55-58被布置在平衡二极管电桥50内，以便提供负载电流通过MEMS装置30的低阻抗路径。因此，角落二极管55-58布置成限制电感，这反过来限制电压在时间上的变化，即跨过MEMS装置30的电压尖峰。在所示的示例实施例中，平衡二极管电桥50包括第一分支61和第二分支62。如本文中使用的，术语“平衡二极管电桥”描述这样的二极管电桥，其配置为当在每一个分支61、62中的电流大致相等时跨过第一分支和第二分支61和62两者的电压降大致相等。在第一分支61中，二极管55和二极管56耦合在一起以形成第一串联电路（未单独标记）。

[0016] 以类似的方式，第二分支61包括可操作地耦合在一起以形成第二串联电路（也未单独标记）的二极管57和二极管58。过电流保护系统10也被示为连接到相对于MEMS装置30以及电源6和电动机4并联连接的电压缓冲器70。电压缓冲器70限制在每一个MEMS开关34的快速接触分离期间的电压过冲。电压缓冲器70被示为是金属氧化物变阻器（MOV）74的形式。MOV 74被示为耦合到与缓冲电阻器78串联连接的缓冲电容器78。缓冲电容器76和缓冲电阻器78被并联电连接到MOV 74。

[0017] 进一步根据示例实施例，过电流保护系统被示为包括单个混合式无弧限流技术(HALT)/脉冲辅助导通(PATO)电路90。HALT/PATO电路90包括电连接到平衡二极管电桥50的第一分支61的第一分支93，以及电连接到平衡二极管电桥50的第二分支62的第二分支95。HALT/PATO电路90包括通过共同的电感器108在第一分支61和第二分支62之间电连接的HALT电路部分104和PATO电路部分106。

[0018] HALT电路部分104与PATO电路部分106并联连接。HALT电路部分104包括以开关装置114的形式示出的HALT开关112。开关装置114与HALT电容器115串联连接。PATO电路部分106包括以与脉冲电容器123和脉冲二极管124串联连接的开关装置122的形式示出的脉冲开关120。电感器108在第一分支93中与HALT电路部分104和PATO电路部分106串联连接。如在下面将更完全明显的那样，HALT开关112选择性地闭合以断开MEMS芯片33，且脉冲开关
120选择性地闭合以闭合MEMS芯片33。也就是说，闭合HALT开关112以对HALT部分电路104供电来断开MEMS装置30，并且闭合脉冲开关120以对PATO电路部分106供电来闭合MEMS装置
30。MEMS装置30的闭合完成电路13，允许电流从电源6流到电动机4。相反，断开MEMS装置30中断电流在电源6和电动机4之间的流动。

[0019] 更进一步按照示例实施例，控制器40包括电耦合到电机驱动部分142的短路检测部分140。电机驱动部分142响应于电机起动信号和电机停止信号，选择性地向PATO电路部分106和HALT电路部分104发信号以闭合和断开MEMS装置30。此外，电机驱动部分142将向HALT电路部分104发信号，以在由短路检测部分140发信号通知的过电流状况的情况下断开MEMS装置30。短路检测部分140包括电耦合到整流器147的运算放大器（Op Amp）145、比较器149和微控制器151。运算放大器145基于来自电流感测构件20的输入产生变化率（di/dt）信号。变化率信号传递到整流器147。整流器147将变化率信号转换成传递到比较器149的单极变化率信号。比较器149将单极变化率信号与预定的阈值进行比较。如果单极变化率信号超过预定的阈值，则通过微控制器151将输出信号传递到电机驱动部分142以激活HALT电路部分104并断开MEMS装置30，切断在电路13中电流的流动以保护电动机4免承受过电流或短路电流的影响。

[0020] 现在参照图3，图3描述了保护电动机4免受过电流或短路电流状况影响的方法200。最初，如块220中指示的那样，控制器40接收电机起动信号/请求。如块222所示，一旦接收到起动信号后，电机驱动部分142就向脉冲开关120发送信号通知其闭合，并通过PATO电路部分106发送PATO脉冲以闭合MEMS装置30。此时，在块223中短路检测部分140开始监测电流的变化率，并在块224中确定短路状况是否存在。如果检测出的变化率超过预定的阈值，则电机起动中止，到脉冲开关120的信号被切断，并向HALT开关112发送信号来断开MEMS装置30，如块226中所示的那样。当然，应理解，用于电机起动的预定的阈值可能不同于操作状况的预定阈值，以考虑与电机起动电流关联的任何差异。

[0021] 如果在启动后没有检测到短路，则如块230中所示那样，发出第二PATO脉冲并且如块232中所示那样，MEMS装置30被导通或闭合以使电动机与电源6连接。此时，如块234中所示，短路检测系统140监测电流的变化率，并如块236中所示确定后起动短路状况是否存在。如果在块236检测到短路，则如块246中所示那样，通过HALT电路104发送HALT脉冲，以发信号通知MEMS装置30断开MEMS开关来停止电机操作；否则，如块250中所示，电动机4继续正常操作。

[0022] 此时，应理解，示例实施例提供了系统来监测过电流状况以保护诸如电动机之类的电负载。与监测电流幅度中的变化的现有技术布置相比，示例实施例监测电流的变化率。按这种方式，示例实施例提供了减少了电动机暴露于短路电流的风险的更快响应时间。此外，使用MEMS装置来切断电流提供了比现有系统快近一个量级的响应时间。更具体地说，MEMS装置的使用将电路的反应时间减少到不大于约16微秒。

[0023] 按照一示例实施例，提供一种电机控制器系统，包括：耦合到电路的电动机；配置和设置成输出电变化率信号的电流感测构件，所述电变化率信号指示超过预定值的、电路中的电流变化率；至少一个微机电开关（MEMS）装置，布置在所述电路中并且可操作地连接到所述电流感测构件和所述电动机；以及电机控制器，电耦合到所述电流感测构件和所述至少一个MEMS装置中的每一个，所述控制器配置和设置成响应所述电变化率信号断开所述至少一个MEMS装置。

[0024] 按照上述一示例实施例的电机控制器系统，进一步包括与所述至少一个MEMS装置紧密耦合的二极管电桥。

[0025] 一方面，按照以上示例实施例的电机控制器系统，其中所述二极管电桥通过其中杂散电感被限制为约1伏的回路面积耦合到所述至少一个MEMS装置。

[0026] 另一方面，按照以上示例实施例的电机控制器系统，其中所述二极管电桥通过其中杂散电感被限制为小于约1伏的回路面积耦合到所述至少一个MEMS装置。

[0027] 按照上述一示例实施例的电机控制器系统，进一步包括电耦合到所述二极管电桥的脉冲辅助导通（PATO）电路。

[0028] 按照上述一示例实施例的电机控制器系统，进一步包括电耦合到所述二极管电桥的混合式无弧限流技术（HALT）电路。

[0029] 按照上述一示例实施例的电机控制器系统，其中所述控制器包括可操作地耦合到运算放大器、整流器以及比较器的至少一个微控制器。

[0030] 按照另一示例实施例，提供一种保护电负载免受过电流状况影响的方法，所述方法包括：通过脉冲辅助导通(PATO)电路发出PATO脉冲以闭合通过电路与所述负载电耦合的微机电开关（MEMS）装置；感测通过所述电路流向所述电负载的电流；监测在所述电路中所述电流的变化率；确定所述电流的所述变化率超过预定值；以及一旦检测到所述电流的所述变化率超过所预定值就发出信号来断开MEMS装置。

[0031] 按照上述另一示例实施例的方法，进一步包括：如果所述电流的所述变化率低于所预定值，就使所述电流通到所述电负载；以及监测所述电流。

[0032] 按照上述另一示例实施例的方法，进一步包括：如果所述电流的所述变化率超过所预定值，就发出混合式无弧限流技术（HALT）信号以断开所述MEMS装置。

[0033] 按照上述另一示例实施例的方法，其中所述MEMS装置配置为在检测到所述电流的所述变化率超过所预定值不大于16微秒后断开。

[0034] 虽然本发明已经仅结合有限数目的实施例进行了详细描述，但应容易理解，本发明不仅限于这样的公开的实施例。相反，本发明可以修改以并入迄今未描述的但与本发明的精神和范围相符的任何数目的改变、替换、替代或等同布置。此外，虽然本发明的各个实施例已被描述，但可以理解，本发明的方面可只包括描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为由上述描述来限制，而只被所附的权利要求的范围限制。

[0035] 部件列表

[0036]2 电机控制系统
4 电动机
6 电源
10 过电流保护系统
13 电流
20 电流感测构件
22 霍尔效应传感器
30 微机电开关（MEMS）装置
33 MEMS芯片
40 控制器
50 平衡二极管电桥
55 角落二极管
56 角落二极管
57 角落二极管
58 角落二极管
61 第一分支
62 第二分支
70 电压缓冲器
74 金属氧化物变阻器（MOV）
76 缓冲电容
78 缓冲电阻
90 HALT/PATO电路
93 第一分支
95 第二分支
104 HALT电路部分
106 PATO电路部分
108 感应器
112 HALT开关
114 开关装置
115 HALT电容器
120 脉冲开关
122 开关装置
123 脉冲电容
124 脉冲二极管
140 短路检测部分
142 电机驱动部分
145 运算放大器(Op Amp)
147 整流器
149 比较器
151 微控制器