ES2898900T3 - Celda de conmutación con elemento de conmutación de semiconductor y elemento de conmutación microelectromecánico - Google Patents
Celda de conmutación con elemento de conmutación de semiconductor y elemento de conmutación microelectromecánico Download PDFInfo
- Publication number
- ES2898900T3 ES2898900T3 ES17743302T ES17743302T ES2898900T3 ES 2898900 T3 ES2898900 T3 ES 2898900T3 ES 17743302 T ES17743302 T ES 17743302T ES 17743302 T ES17743302 T ES 17743302T ES 2898900 T3 ES2898900 T3 ES 2898900T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- switching
- switching element
- mems
- semiconductor
- microelectromechanical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 37
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 31
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
- H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H89/00—Combinations of two or more different basic types of electric switches, relays, selectors and emergency protective devices, not covered by any single one of the other main groups of this subclass
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
- H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
- H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
- H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
- H01H2071/008—Protective switches or relays using micromechanics
Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Unidad de conmutación con una pluralidad de celdas de conmutación conectadas de forma paralela, la cual comprende un elemento de conmutación de semiconductor (6), una pluralidad de elementos de conmutación microelectromecánicos (MEMS) (8) que están conectados paralelamente formando una disposición y en serie, y la disposición (16) está conectada paralelamente con respecto al elemento de conmutación de semiconductor (6), y un circuito de activación electrónico (10), donde los elementos de conmutación microelectromecánicos (MEMS) (8) y el elemento de conmutación de semiconductor (6) están integrados juntos sobre un sustrato, donde el circuito de activación (10) está diseñado de manera que para un proceso de desconexión (12) de la celda de conmutación (2), la desconexión del elemento de conmutación de semiconductor (6) tiene lugar después de la desconexión (9) del elemento de conmutación microelectromecánico (8).
Description
DESCRIPCIÓN
Celda de conmutación con elemento de conmutación de semiconductor y elemento de conmutación microelectromecánico
La presente invención hace referencia a una celda de conmutación con un elemento de conmutación de semiconductor y un elemento de conmutación microelectromecánico según la reivindicación 1, así como a una unidad de conmutación según la reivindicación 7, a un inversor según la reivindicación 9, a un aparato de conmutación según la reivindicación 10 y a un procedimiento para operar una unidad de conmutación según la reivindicación 1. En el documento US2007/009202 se describe una celda de conmutación que comprende un elemento de conmutación de semiconductor, un elemento de conmutación microelectromecánico (MEMS), un circuito de activación electrónico, donde el elemento de conmutación de semiconductor y el elemento de conmutación microelectromecánico están conectados de forma paralela, y donde el circuito de activación está configurado de manera que, para un proceso de desconexión de la celda de conmutación, la desconexión del elemento de conmutación de semiconductor tiene lugar después de la desconexión del elemento de conmutación microelectromecánico.
Los sistemas microelectromecánicos, así como aquí de forma más concreta los elementos de conmutación microelectromecánicos, que se denominan además como MEMS, representan una posible sustitución para los disyuntores convencionales en la distribución eléctrica de la energía, en especial en el rango de baja tensión. Puesto que un elemento de conmutación individual, según el modo de construcción MEMS, presenta dimensiones microscópicas, habitualmente en el rango de algunos 10 mm, la rigidez dieléctrica está limitada a un rango típico de entre 50 - 100 V. Para la capacidad de carga de corriente de esos MEMS aplica igualmente un rango de utilización limitado, habitualmente de menos de 100mA. En la práctica, para la conexión de corrientes más elevadas durante el uso como disyuntor, esto implica que una pluralidad de esos MEMS deba estar dispuesta, de forma eléctrica y paralela, en un circuito. Puesto que en la tecnología de conmutación, además, deben predominar tensiones más elevadas en el rango de 700 V a 1000 V, también un número correspondiente de MEMS debe estar dispuesto en serie de forma eléctrica. Debido a las tolerancias de fabricación y a variaciones en el proceso de conmutación, por ejemplo resistencias de paso de contacto diferentes o tiempos de conmutación diferentes debido al pegado de contactos, entre los interruptores predomina una distribución diferente de la tensión y de la corriente. A su vez, esto conduce a que algunos elementos puedan sobrecargarse, lo cual se manifiesta por ejemplo en el pegado de contactos de conmutación o en una fusión al producirse un arco eléctrico. Esto conduciría a una marcada reducción de la vida útil prevista de los MEMS, así como de la pluralidad de MEMS.
El objeto de la presente invención consiste en proporcionar una celda de conmutación que fundamentalmente sea adecuada para la utilización en un disyuntor y que, en comparación con el estado del arte, se caracterice porque los componentes MEMS individuales, contenidos en la misma, presenten una vida útil más prolongada.
La solución de dicho objeto consiste en una unidad de conmutación con las características de la reivindicación 1, en un inversor y en un aparato de conmutación con las características de la reivindicación 6, así como 7.
Por el término MEMS se entiende aquí un elemento de conmutación que se fabrica con los medios de la tecnología de microsistemas. De este modo, por el término tecnología de microsistemas de forma general se entiende la tecnología que puede fabricar microscópicamente componentes reducidos que actúan de forma mecánica, por ejemplo conmutadores o ruedas dentadas que pueden realizar un movimiento. De este modo, en general se recurre a tecnologías que son conocidas por la electrónica de semiconductores, donde también pueden fabricarse interruptores microelectromecánicos sobre sustratos, en general silicio o arseniuro de galio. La longitud de un MEMS en este caso es de menos de 1mm, preferentemente menor que 100 mm. En este caso, como el elemento constructivo más grande de un MEMS se entiende la lengüeta de conmutación, según el modo de construcción MEMS.
La ventaja de la disposición descrita de la celda de conmutación consiste en que el elemento de conmutación de semiconductor sólo debe portar la corriente muy poco tiempo, es decir, por pocos microsegundos, en particular menos de 50 |js, para así reducir la carga de los contactos electromecánicos del MEMS, en particular durante el proceso de desconexión. De este modo, el proceso de desconexión del MEMS es particularmente crítico, ya que durante el proceso de desconexión pueden producirse plasmas por proceso de conmutación, como chispas o arcos eléctricos. En principio, el hecho de evitar la conexión de los MEMS mediante un componente de semiconductor, pero también en el proceso de conexión, es muy conveniente, ya que durante el proceso de conexión, al aplicarse corrientes elevadas, pueden producirse sellados.
Los elementos de conmutación de semiconductor habitualmente están diseñados como transistores, por ejemplo como transistores de efecto de campo, en particular como MOSFETS de baja impedancia, de pocas pérdidas (CoolFETs). Otras formas de realización son transistores IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) y estructuras de
tiristor, respectivamente en una realización antiparalela, para permitir el flujo de corriente bipolar, en particular en aplicaciones de tensión alterna.
Los elementos de conmutación de semiconductor pueden cargarse de forma marcadamente más elevada por un periodo de esa clase, que lo posible en el funcionamiento continuo. Puesto que éstos, mediante un dimensionamiento menor, posible debido a ello, presentan una necesidad de espacio menor, cuando esto es conveniente posteriormente, los mismos también pueden estar integrados directamente en el chip de silicio, sobre el cual está representada también la estructura MEMs . Gracias a esto se evitan una diversificación de componentes y elementos parasitarios, en particular se reducen las inductancias de la línea, además de que se optimiza el proceso de conmutación en sí mismo. Un componente híbrido de esa clase presenta una ventaja considerable en comparación con el circuito que funciona exclusivamente mediante MEMS. Mediante el circuito descrito se suprimen fluctuaciones estadísticas de los periodos de conmutación durante la conexión y la desconexión, ya que durante esa fase crítica, pero muy breve, los interruptores de semiconductor se encargan del flujo de corriente y, con ello, conmutan los contactos de conmutación MEMS sin corriente y sin tensión. Gracias a esto en particular se suprimen distribuciones desiguales transitorias de corriente y tensiones, que de lo contrario se presentan debido a resistencias de contacto y caídas de tensión diferentes. En particular, de este modo se suprime la formación de plasmas por proceso de conmutación durante la conexión y la desconexión, debido a lo cual puede alcanzarse una vida útil mucho más prolongada para los contactos de los MEMS. Principalmente, puede partirse del hecho de que la disposición descrita abre una vía que permite la utilización a gran escala de MEMS en disyuntores, en una aplicación práctica.
En una forma de realización de la invención, el circuito de activación está diseñado de manera que el mismo comprende un elemento de retardo y/o un elemento de prolongación del pulso. Dependiendo de cómo tiene lugar la conexión del circuito de activación y su conexión con electrodos de compuerta del elemento de conmutación de semiconductor y del MEMS, para alcanzar los efectos deseados de la conexión sin corriente del MEMS, puede ser conveniente un retardo del proceso de conmutación del MEMS durante la conexión, o una prolongación del pulso en el circuito del elemento de conmutación de semiconductor, durante la desconexión.
Principalmente, del modo ya mencionado, en una forma de realización conveniente, el elemento de conmutación de semiconductor puede estar dispuesto sobre el mismo sustrato, en particular en un chip de silicio, sobre el cual está representado también el MEMS. Gracias a esto puede alcanzarse una densidad de integración elevada, donde sin embargo en principio es posible representar el elemento de conmutación de semiconductor sobre un chip separado, que está montado sobre el mismo sustrato que el MEMS. En principio, sin embargo, el interruptor de semiconductor también puede conectarse de forma paralela, como componente separado. En este caso se considera especialmente ventajosa la integración de los elementos de conmutación de semiconductor y eventualmente de los controladores de puerta, tanto para los elementos MEMS, como también para los elementos de conmutación de semiconductor en el chip de silicio del MEMS, ya que de manera conocida el embalaje de componentes microelectrónicos es un factor de costes y de espacio esencial, y puede reducirse considerablemente del modo descrito. Esto también es posible en un grado comparable, cuando chips MEMS y chips de controladores, así como chips de semiconductor, están colocados sobre un sustrato en común.
De este modo, también puede ser conveniente que una pluralidad de MEMS estén conectados paralelamente y en serie, en una disposición, y que la disposición por su parte esté conectada de forma paralela al elemento de conmutación de semiconductor. En este caso, un elemento de conmutación de semiconductor dimensionado más grande podría estar equipado de manera que el mismo esté conectado paralelamente con respecto a una pluralidad de MEMs que están dispuestos en una disposición y, de ese modo, nuevamente están conectados de forma paralela y en serie. En el caso de una disposición de esa clase se habla además de una celda de conmutación. Conforme a ello, una celda de conmutación también puede estar diseñada de manera que mediante un interruptor de semiconductor sea respaldada una pluralidad de MEMS, tanto en una conexión en serie, como también en una conexión de forma paralela, o en combinaciones de las mismas, con respecto al proceso de conexión y de desconexión descrito.
Una unidad de conmutación forma parte también de la invención, la cual comprende una pluralidad de celdas de conmutación, donde a su vez las celdas de conmutación pueden estar conectadas en serie y en cascada. La disposición en serie y en cascada conduce a que en conjunto puedan presentarse en total una corriente más elevada o una tensión más elevada en el respectivo proceso de conmutación. Para las tensiones y corrientes que se presentan en redes de baja tensión, por tanto, es conveniente que un gran número de celdas de conmutación correspondientes se conecte de forma paralela, para poder dominar las corrientes necesarias, que pueden ser de hasta 500 A. Adicionalmente con respecto a la dominación técnica de la tensión de la red, es necesaria una conexión en serie de varias disposiciones de celdas de conmutación paralelas descritas. De este modo, para una unidad de conmutación, que a su vez puede estar instalada en un aparato de conmutación, pero también en un inversor, son necesarios hasta 500.000, eventualmente hasta un millón de elementos individuales. El respectivo número depende del tipo de la aplicación, de las exigencias, en particular de la intensidad de corriente que debe dominarse o conmutarse, y de la tensión aplicada.
Además, es objeto de la invención tanto un convertidor (inversor), como también un aparato de conmutación para redes de baja tensión o de media tensión, que respectivamente comprenden al menos una unidad de conmutación según una de las reivindicaciones 7 u 8.
Otro objeto de la invención consiste en un procedimiento para operar una celda de conmutación, donde un elemento de conmutación de semiconductor y un MEMS se conectan de forma paralela y está proporcionado un circuito de activación electrónico, donde mediante el circuito de activación, durante un proceso de desconexión, el elemento de conmutación de semiconductor se desconecta temporalmente después del MEMS.
Otra forma de realización ventajosa de este procedimiento consiste en que durante el proceso de conexión de la celda de conmutación el elemento de conmutación de semiconductor ya se ha conectado antes que el MEMS. En ambos casos resulta nuevamente la ventaja, ya descrita con relación al dispositivo correspondiente, a saber, de que el elemento de conmutación de semiconductor puede conectarse adicionalmente durante la desconexión, pero preferentemente también durante la conexión. De este modo, durante el proceso de conmutación propiamente dicho, pueden absorberse picos de corriente y de tensión mediante el elemento de conmutación de semiconductor más robusto por un periodo breve, y el MEMs prácticamente se conmuta sin corriente durante ese proceso, por tanto, durante la conexión y durante la desconexión. De este modo, pueden combinarse las ventajas del MEMS, que puede conducir corrientes y tensiones más grandes durante un periodo más prolongado, sin calentarse de forma extrema, y las ventajas del elemento de conmutación de semiconductor, que por un periodo reducido puede absorber tensiones y corrientes más elevadas sin destruirse, de modo que gracias a esto puede aumentarse la vida útil de la celda de conmutación mencionada, por tanto, de la combinación del MEMS y del elemento de conmutación de semiconductor. Esto permite también aplicaciones de las celdas de conmutación en inversores y en aparatos de conmutación para redes de baja tensión.
Mediante los siguientes dibujos se explican con mayor detalles otras formas de realización y otras características. Éstos se tratan de representaciones estrictamente ilustrativas, que no representan ninguna limitación del ámbito de protección. Las mismas características, con las mismas identificaciones y las diferentes formas de realización, están provistas del mismo símbolo de referencia.
Muestran:
Figura 1: una representación de la sección transversal muy ampliada, a través de un interruptor microelectromecánico,
Figura 2: un esquema de circuito equivalente de un celda de conmutación con elemento de conmutación de semiconductor y MEMS,
Figura 3: una celda de conmutación con una pluralidad de MEMS conectados en cascada y en serie y un elemento de conmutación de semiconductor,
Figura 4: una unidad de conmutación con una pluralidad de celdas de conmutación conectadas de forma paralela y en serie, y
Figura 5: una representación del curso de la corriente, referido al tiempo, durante la conexión y la desconexión de una celda de conmutación.
En la figura 1 se representa un elemento de conmutación microelectromecánico, MEMS, 8, que está dispuesto sobre un sustrato 17, donde el sustrato 17 en general está configurado en forma de un chip de silicio. El MEMS 8 comprende además una lengüeta de conmutación 18, realizada desde el sustrato 17 mediante procedimientos de la electrónica de semiconductores y de la tecnología de microsistemas. Sobre el sustrato 17 está proporcionado un electrodo de compuerta 19 que puede activarse electrónicamente de modo correspondiente, que está dispuesto frente a un electrodo opuesto 19' en la lengüeta de conmutación 18, donde mediante la aplicación de una tensión en el electrodo de compuerta 19 es provocado un movimiento de la lengüeta de conmutación 18 hacia el sustrato 17, y los dos contactos de conmutación 20 son guiados de forma conjunta, debido a lo cual se produce un contacto eléctrico en los contactos 20. Mediante los contactos 20, el flujo de corriente propiamente dicho es conducido entonces en el MEMS.
En base a esta descripción general de un MEMS, así como de la figura 1, se describe ahora una celda de conmutación 2 que comprende un MEMS 8, tal como está representado a modo de ejemplo en la figura 1, y que comprende un elemento de conmutación de semiconductor 6, donde el elemento de conmutación de semiconductor 6 y el MEMS 8 están conectados de forma paralela. Además, la celda de conmutación 2 comprende un circuito de activación electrónico 10, que en este ejemplo se encuentra en contacto con un electrodo de compuerta 11 del elemento de conmutación de semiconductor 6. Además, el circuito de activación 10 está conectado al electrodo de compuerta 19 del MEMS 8.
En este caso, el circuito de activación 10 está configurado de manera que en un proceso de desconexión de la celda de conmutación 2 (véase el símbolo de referencia 12 en la figura 5), la desconexión del elemento de conmutación de semiconductor 6 siempre tiene lugar sólo después de la desconexión del MEMS 8. El proceso de desconexión 12, así como también el proceso de conexión 13 de la celda de conmutación 2 están ilustrados en la figura 5 en un diagrama de corriente-tiempo. El eje- y izquierdo presenta en este caso el curso de la corriente que tiene lugar en el MEMS, y está denominado allí en el eje como Imems. En el eje y derecho está representado el curso de la corriente que circula por el componente de semiconductor 6, y está identificado con Itrans. El eje- x muestra el curso en el tiempo. De este modo, la curva 21 en el gráfico según la figura 5 se refiere al eje -y izquierdo Imems, el grupo 22 se refiere al eje - y derecho Itrans. En la figura 5, del modo ya descrito, está descrito tanto el proceso de conexión 13, como también el proceso de desconexión 12 del elemento de conmutación 2. El proceso de conexión 13 presenta en este caso un proceso de conexión 14 del componente de semiconductor 6 y un proceso de conexión 15 del MEMS 8, donde el proceso de conexión 15 está representado aquí con rayas. De forma análoga a esto, está representado el proceso de desconexión 7 del elemento de conmutación de semiconductor 6, así como el proceso de desconexión 9 del MEMS 8.
Se ha comprobado que es particularmente ventajoso que el proceso de desconexión 12 para el MEMS 8 tenga lugar sin corriente, ya que el riesgo de la presencia de arcos eléctricos es particularmente alto y, con ello, el riesgo de un daño del Me Ms es particularmente alto. Por lo tanto, el circuito de activación 10 está diseñado de manera que durante el proceso de desconexión 12, antes de la desconexión del MEMS, el elemento de conmutación de semiconductor 6 se conecte y el flujo de corriente tenga lugar mediante ese elemento de conmutación de semiconductor 6. Durante el flujo de corriente mediante el elemento de conmutación de semiconductor 6 el MEMS se desconecta, donde esa desconexión para el MEMS esencialmente tiene lugar sin corriente, de modo que se evita un chisporroteo o una formación de chispas, así como en conjunto una formación de plasma entre los contactos 20. Los contactos 20 pueden estar separados uno de otro sin suciedad y sin eliminación de material. Sólo cuando ha ocurrido ese proceso de separación de los interruptores 20, el circuito de activación desconecta también el elemento de conmutación de semiconductor 6, lo cual está representado mediante el proceso de desconexión 7 en la curva 22 según la figura 5. De este modo, el circuito de activación puede contener un elemento de retardo que está conectado al electrodo de compuerta 11 del elemento de conmutación de semiconductor 6 y que retarda su desconexión. El retardo sucede en el rango de microsegundos; preferentemente el retardo se sitúa en un intervalo de tiempo de menos de 50 |js, preferentemente de menos de 10 |js. El mismo procedimiento ventajoso puede aplicarse igualmente en el proceso de conexión 13, aquí mediante el circuito de activación el elemento de conmutación de semiconductor se activa de manera que el mismo ya conduce corriente antes de la conmutación del MEMS 8, y el proceso de conexión 15 para el MEMS 8 tiene lugar en gran medida sin corriente, al igual que el proceso de desconexión 9. La curva de conmutación 22 que ilustra el flujo de corriente Itrans del elemento de conmutación de semiconductor 2 en la figura 5 puede adoptar dos cursos diferentes entre el proceso de conexión 13 y el proceso de desconexión 12; principalmente el elemento de conmutación de semiconductor puede desconectarse durante la fase 23, con conducción de corriente, del MEMS 8, de modo que ese componente es protegido, pero en principio también puede permanecer conectado, como ilustra la línea discontinua en la figura 22, ya que la mayor carga que conduce corriente circula mediante el MEMS 8, debido a la resistencia más reducida durante el periodo de tiempo 23, de modo que apenas se carga el elemento de conmutación de semiconductor 6.
La conexión descrita en la figura 5, así como la conducción de corriente de los dos componentes 6 y 8 conectados de forma paralela, por tanto, es conveniente, ya que por una parte, el MEMS 8 y el elemento de conmutación de semiconductor 6 presentan ventajas y desventajas en función del tipo de construcción, que se compensan mediante la conexión descrita. Por otra parte, el elemento de conmutación de semiconductor es adecuado para absorber o bien conmutar corrientes más elevadas en el rango de microsegundos, que la estructura MEMS que actúa de forma mecánica. De este modo, el proceso de desconexión, pero preferentemente también el proceso de conexión, tienen lugar mediante el elemento de conmutación de semiconductor 6 descrito. No obstante, el elemento de conmutación de semiconductor 6 presenta la desventaja de que el mismo produce un desarrollo de la temperatura más intenso durante el funcionamiento continuo, lo cual implica la necesidad de una refrigeración costosa. En este punto es importante la ventaja del MEMS 8, que puede conducir corrientes comparativamente elevadas sin un desarrollo térmico más elevado, ya que el mismo presenta una resistencia interna más reducida que el elemento de conmutación de semiconductor 6. A su vez, esto conduce a que durante el funcionamiento continuo, por tanto, durante la fase con conducción de corriente del MEMS 23, el mismo pueda funcionar con un desarrollo de calor más reducido y, con ello, con una eficiencia energética elevada. Cabe señalar que el área 23, en la práctica, es varias veces más larga en comparación con las áreas 13 y 12 que lo representado en la figura 5, para una representación más clara.
En la figura 3 está representada una celda de conmutación 2 que, en comparación con la celda de conmutación 2 según la figura 2, presenta una cierta modificación. En este caso está proporcionado igualmente un elemento de conmutación de semiconductor 6 que, sin embargo, está dispuesto de forma paralela con respecto a una pluralidad de MEMS 8. En este caso, una pluralidad de MEMS 8 forman una disposición 16 que se compone de una conexión en cascada y de una conexión en serie de MEMS 8. En la práctica, el número de los MEMS 8 utilizados en la disposición 16 es muy elevado, dependiendo del tipo de construcción; sobre el sustrato 17 pueden estar dispuestos varios cientos de miles de MEMS 8. De forma análoga a esto, también en la celda de conmutación 2 según la figura
3 está proporcionado un circuito de activación 10 que activa tanto el elemento de conmutación de semiconductor 6, como también los MEMS 8 individuales de la disposición 16.
Cabe señalar que el elemento de conmutación de semiconductor, por una parte, como también el sistema electrónico de activación 10, por otra parte, pueden estar integrados o dispuestos los dos sobre el mismo sustrato 17. Sin embargo, también es posible, y en algunas formas de realización es conveniente, que el elemento de conmutación de semiconductor y/o el circuito 10, estén dispuestos sobre el mismo sustrato como un chip separado. Éste nuevamente se trata de un chip correspondiente, por ejemplo de un chip de silicio o un chip de arseniuro de galio. Dependiendo del tipo de potencia o de la aplicación puede seleccionarse también una variante en la cual el elemento de conmutación de semiconductor en principio está dispuesto alejado del MEMS 8, en un chip separado. En otra forma de realización según la figura 4 se muestra una unidad de conmutación que a su vez está configurada en forma de una disposición 24 de diferentes celdas de conmutación 2 conectadas de forma paralela y en serie. También esas celdas de conmutación 2 individuales en la disposición 24 de la unidad de conmutación 4 pueden activarse mediante uno o varios circuitos de activación 10 que, del modo descrito, está montado sobre el mismo sustrato o de forma externa. La diferencia entre las figuras 3 y 4 consiste en que la disposición 24 en la figura 4 precisamente contiene celdas de conmutación 2 individuales, que a su vez pueden estar configuradas en forma de celdas de conmutación 2 según la figura 3 o la figura 2. Una disposición de esa clase se denomina como unidad de conmutación.
Una unidad de conmutación 4 de esa clase, a su vez, puede utilizarse como interruptor en un inversor o en un aparato de conmutación para redes de baja tensión y de media tensión.
Claims (7)
1. Unidad de conmutación con una pluralidad de celdas de conmutación conectadas de forma paralela, la cual comprende un elemento de conmutación de semiconductor (6), una pluralidad de elementos de conmutación microelectromecánicos (MEMS) (8) que están conectados paralelamente formando una disposición y en serie, y la disposición (16) está conectada paralelamente con respecto al elemento de conmutación de semiconductor (6), y un circuito de activación electrónico (10), donde los elementos de conmutación microelectromecánicos (MEMS) (8) y el elemento de conmutación de semiconductor (6) están integrados juntos sobre un sustrato, donde el circuito de activación (10) está diseñado de manera que para un proceso de desconexión (12) de la celda de conmutación (2), la desconexión del elemento de conmutación de semiconductor (6) tiene lugar después de la desconexión (9) del elemento de conmutación microelectromecánico (8).
2. Unidad de conmutación según la reivindicación 1, caracterizada porque para un proceso de conexión (13) de la celda de conmutación (2), una conexión (14) del elemento de conmutación de semiconductor tiene lugar antes de la conexión (13) del elemento de conmutación microelectromecánico (8).
3. Unidad de conmutación según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el circuito de activación (10) comprende un elemento de retardo y/o un elemento de prolongación del pulso.
4. Unidad de conmutación según la reivindicación 3, caracterizada porque el elemento de conmutación microelectromecánico (8) y el elemento de conmutación de semiconductor (6) están integrados juntos en un chip de silicio.
5. Unidad de conmutación según la reivindicación 1, caracterizada porque una pluralidad de celdas de conmutación (2) está conectada en serie y de forma paralela.
6. Inversor que comprende al menos una unidad de conmutación (4) según la reivindicación 1.
7. Aparato de conmutación para redes de baja tensión o de media tensión, que comprende al menos una unidad de conmutación (4) según la reivindicación 1.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102016215001.4A DE102016215001A1 (de) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Schaltzelle mit Halbleiterschaltelement und mikroelektromechanischem Schaltelement |
| PCT/EP2017/068075 WO2018028947A1 (de) | 2016-08-11 | 2017-07-18 | Schaltzelle mit halbleiterschaltelement und mikroelektromechanischem schaltelement |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2898900T3 true ES2898900T3 (es) | 2022-03-09 |
Family
ID=59399409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES17743302T Active ES2898900T3 (es) | 2016-08-11 | 2017-07-18 | Celda de conmutación con elemento de conmutación de semiconductor y elemento de conmutación microelectromecánico |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10763066B2 (es) |
| EP (1) | EP3469619B1 (es) |
| CN (1) | CN109564839B (es) |
| DE (1) | DE102016215001A1 (es) |
| ES (1) | ES2898900T3 (es) |
| WO (1) | WO2018028947A1 (es) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102016215001A1 (de) | 2016-08-11 | 2018-02-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Schaltzelle mit Halbleiterschaltelement und mikroelektromechanischem Schaltelement |
| US11482998B2 (en) * | 2019-06-12 | 2022-10-25 | Qorvo Us, Inc. | Radio frequency switching circuit |
| DE102019211460A1 (de) | 2019-07-31 | 2021-02-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Anordnung von MEMS-Schaltern |
| GB2587810B (en) | 2019-10-02 | 2022-04-06 | Siemens Ag | Subsea Connector |
| DE102020208054A1 (de) | 2020-06-29 | 2021-12-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Elektronikmodul |
| EP3979291A1 (de) | 2020-09-30 | 2022-04-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Elektronikmodul und anlage |
| EP4002407A1 (de) | 2020-11-24 | 2022-05-25 | Siemens Aktiengesellschaft | Mikroelektromechanisches schaltelement, vorrichtung und herstellungsverfahren |
| EP4057317A1 (de) | 2021-03-11 | 2022-09-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Gekapseltes mems-schaltelement, vorrichtung und herstellungsverfahren |
| EP4075469A1 (de) | 2021-04-15 | 2022-10-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Mikroelektromechanisches schaltelement, vorrichtung und betriebsverfahren |
| FR3163203A1 (fr) | 2024-06-05 | 2025-12-12 | Airmems | Dispositif de commutation intégrant un mécanisme de protection aux dégradations de contacts |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19850397A1 (de) | 1998-11-02 | 2000-05-11 | Abb Research Ltd | Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung |
| US6831542B2 (en) * | 2003-02-26 | 2004-12-14 | International Business Machines Corporation | Micro-electromechanical inductive switch |
| JP4626142B2 (ja) * | 2003-11-18 | 2011-02-02 | 株式会社日立製作所 | 装置およびそれを用いたデータ処理方法 |
| US7504841B2 (en) * | 2005-05-17 | 2009-03-17 | Analog Devices, Inc. | High-impedance attenuator |
| US7737810B2 (en) * | 2005-07-08 | 2010-06-15 | Analog Devices, Inc. | MEMS switching device protection |
| JP2007149370A (ja) * | 2005-11-24 | 2007-06-14 | Fujitsu Media Device Kk | スイッチ |
| US7663456B2 (en) * | 2005-12-15 | 2010-02-16 | General Electric Company | Micro-electromechanical system (MEMS) switch arrays |
| US7643256B2 (en) | 2006-12-06 | 2010-01-05 | General Electric Company | Electromechanical switching circuitry in parallel with solid state switching circuitry selectively switchable to carry a load appropriate to such circuitry |
| EP1995744B1 (de) * | 2007-05-25 | 2014-03-19 | Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG | Miniaturrelais-Schalter |
| US7554222B2 (en) * | 2007-11-01 | 2009-06-30 | General Electric Company | Micro-electromechanical system based switching |
| US20090161277A1 (en) * | 2007-12-21 | 2009-06-25 | Robert Roesner | Method and device for preventing damage to a semiconductor switch circuit during a failure |
| US8405936B2 (en) * | 2008-05-02 | 2013-03-26 | Agilent Technologies, Inc. | Power diverter having a MEMS switch and a MEMS protection switch |
| US7679872B2 (en) * | 2008-07-21 | 2010-03-16 | Synopsys, Inc. | Electrostatic-discharge protection using a micro-electromechanical-system switch |
| US8054589B2 (en) * | 2009-12-16 | 2011-11-08 | General Electric Company | Switch structure and associated circuit |
| US8803631B2 (en) * | 2010-03-22 | 2014-08-12 | Blackberry Limited | Method and apparatus for adapting a variable impedance network |
| CN102906846B (zh) | 2010-06-29 | 2015-08-12 | 国际商业机器公司 | 机电开关装置及其操作方法 |
| US8570713B2 (en) * | 2011-06-29 | 2013-10-29 | General Electric Company | Electrical distribution system including micro electro-mechanical switch (MEMS) devices |
| US10033179B2 (en) * | 2014-07-02 | 2018-07-24 | Analog Devices Global Unlimited Company | Method of and apparatus for protecting a switch, such as a MEMS switch, and to a MEMS switch including such a protection apparatus |
| DE102016215001A1 (de) | 2016-08-11 | 2018-02-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Schaltzelle mit Halbleiterschaltelement und mikroelektromechanischem Schaltelement |
-
2016
- 2016-08-11 DE DE102016215001.4A patent/DE102016215001A1/de not_active Withdrawn
-
2017
- 2017-07-18 US US16/324,445 patent/US10763066B2/en active Active
- 2017-07-18 WO PCT/EP2017/068075 patent/WO2018028947A1/de not_active Ceased
- 2017-07-18 EP EP17743302.6A patent/EP3469619B1/de active Active
- 2017-07-18 CN CN201780049184.2A patent/CN109564839B/zh active Active
- 2017-07-18 ES ES17743302T patent/ES2898900T3/es active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10763066B2 (en) | 2020-09-01 |
| CN109564839B (zh) | 2021-10-15 |
| DE102016215001A1 (de) | 2018-02-15 |
| WO2018028947A1 (de) | 2018-02-15 |
| CN109564839A (zh) | 2019-04-02 |
| EP3469619A1 (de) | 2019-04-17 |
| US20190172672A1 (en) | 2019-06-06 |
| EP3469619B1 (de) | 2021-08-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10763066B2 (en) | Switch cell having a semiconductor switch element and micro-electromechanical switch element | |
| CN102349124B (zh) | 用于电切断直流电的断路开关 | |
| EP3082208B1 (en) | Dc breaker device | |
| CN106663557B (zh) | 用于中断直流电流的分离开关 | |
| EP3200213B1 (en) | Direct current circuit breaker | |
| US10176947B2 (en) | High-voltage DC circuit breaker for blocking DC current | |
| ES2812876T3 (es) | Procedimiento para la descarga de un acumulador de energía eléctrica | |
| US11108228B2 (en) | Electrical protective circuit arrangement | |
| CN103650090B (zh) | 能够断开具有电感特性的dc线路的dc电流中断系统 | |
| CN111937110B (zh) | 开关设备 | |
| CN107395171B (zh) | 单片集成的半导体开关、尤其是功率断路开关 | |
| ES2714426T3 (es) | Dispositivo para conmutar corrientes continuas | |
| US20210082643A1 (en) | Switching apparatus | |
| KR20220131078A (ko) | 반도체를 이용한 회로 차단기 | |
| JP2014038775A (ja) | 直流回路用の回路遮断スイッチ | |
| TWI528714B (zh) | 閘流體直流開關之快速截止裝置及其操作方法 | |
| EP3012977A1 (en) | Method for switching a semiconductor module, semiconductor module and half-bridge | |
| ES2606680T3 (es) | Disposición de desconexión para una red de corriente continua de alta tensión | |
| WO2013004297A1 (en) | Short-circuit failure mode with multiple device breakdown | |
| US20190043852A1 (en) | Monolithically integrated semiconductor switch, in particular a power circuit breaker | |
| JP2004032893A (ja) | アクティブクランプ回路 | |
| JP2020099039A (ja) | 双方向スイッチ | |
| ES2909078T3 (es) | Dispositivo y método de bloqueo de corriente continua de tipo de inyección de corriente inversa que usa un conmutador de hueco de vacío | |
| US20140091738A1 (en) | Inverter Circuit having Switching Means Operating with Linear Operation | |
| JP2020528636A (ja) | 電気短絡装置 |