[发明专利]基于限流装置的可复位MEMS微开关阵列

说明书

技术领域

一般来说，本发明的实施例涉及用于切断电流通路中的电流的切 换装置，更具体地说，涉及基于微机电系统的切换装置。

背景技术

为了防止发生火灾和设备损坏，必须对电气设备和线路进行保护 以免发生导致电流电平高于它们的额定值的情形。过电流情形根据损 坏发生前所需的时间进行分类，并且可分成两种类别：定时过电流和 瞬间过电流。

定时过电流故障属于严重性较小的类型，并且需要保护设备在给 定时间段之后关闭电路，时间段取决于故障的程度。定时过电流故障 通常是刚好高于额定值、至多为额定值的8-10倍的电流电平。系统布 线和设备可在一段时间内处理这些故障，但如果电流电平不减弱，则 保护设备应当关闭电路。通常，定时故障是由机械过载设备或极性相 反的线路(即，线路-线路、线路-接地、或线路-零线)之间的高阻抗 通路引起的。

瞬间过电流又称为短路故障，属于严重故障，它们涉及为额定电 流的8-10倍及更高倍数的电流电平。这些故障是由极性相反的线路 (线路-线路、线路-接地、或线路-零线)之间的低阻抗通路引起的， 并且需要从系统立即排除。短路故障涉及极端电流，并且对设备极具 危害性且对人存在危险性。这些故障在系统上存留的时间越长，就会 释放越多的能量，并且会引起越大的损坏。将短路故障期间的响应时 间以及因此的准许通过的能量减至最少至关重要。

断路器是设计用于保护电气设备免于因电路中的故障而造成损 坏的电气装置。传统上，大多数常规断路器包括庞大的机电开关。不 幸的是，这些常规断路器尺寸较大，从而迫使需要使用较大的力才能 激活切换机构。另外，这些断路器的开关一般以相对慢的速度操作。 再者，这些断路器不利的是构建起来复杂，并且因此制造费用昂贵。 此外，当常规断路器内的切换机构的触点在物理上分离时，通常会在 触点之间形成电弧，电弧在电路中电流终止之前会持续承载电流。而 且，与电弧相关联的能量一般对于设备和人员来说都是不想要的。

接触器是设计用于按命令接通和切断电气负载的电气装置。传统 上，在控制齿轮中采用机电接触器，其中机电接触器能够处理高达它 们的断路容量的切换电流。机电接触器还可应用于电力系统以切换电 流。但是，电力系统中的故障电流通常大于机电接触器的断路容量。 因此，为了在电力系统应用中采用机电接触器，需要通过用串联装置 来支持接触器而保护接触器免于损坏，其中在接触器因所有电流值高 于接触器的断路容量而断开之前，串联装置足够快速地起作用以中断 故障电流。

目前，电气系统利用保险丝或断路器来执行过电流保护。保险丝 依靠发热效应(即，I2t)起作用。它们被设计成电路中的弱点，并且 每个连续保险丝离负载越近，其额定电流就必须越来越小。在短路情 形中，所有上游保险丝经历相同的热能，并且根据设计最靠近故障的 那个最弱保险丝将首先起作用。但是，保险丝是一次性装置，它们必 须在故障发生之后进行更换。

之前构思的利于在电力系统中使用接触器的解决方案包括真空 接触器、真空断流器和空气断开接触器。不幸的是，诸如真空接触器 的接触器不能使它们本身容易地进行肉眼检查，因为接触器尖端封装 在密封的抽空壳体中。此外，尽管真空接触器非常适合处理大型电机、 变压器和电容器的切换，但是已知尤其在切断负载时它们会造成破坏 性的瞬态过电压。

此外，机电接触器一般利用机械开关。但是，由于这些机械开关 往往以相对较慢的速度切换，所以需要预测技术来估计零交叉的发 生，零交叉通常在切换事件将要发生之前的数十毫秒时间内发生。这 样的零交叉预测易于出错，因为此时会出现许多瞬态。

作为慢速机械和机电开关的备选方案，已经在高速切换应用中采 用快速固态开关。将明白，这些固态开关通过可控地施加电压或偏压 而在导电状态和不导电状态之间切换。例如，通过对固态开关加反向 偏压，可使开关转变为不导电状态。但是，由于当固态开关切换到不 导电状态时它们不会在触点之间形成物理间隙，所以它们会遭受漏电 流。此外，由于存在内电阻，所以当固态开关在导电状态操作时，它 们会遭受电压降。电压降和漏电流都会在正常操作环境下导致生成过 热，这对开关性能和人身安全都是有害的。此外，至少部分地由于与 固态开关相关联的固有漏电流，所以它们不可能用在断路器应用中。

发明内容