專利名稱：具有用于故障預測和/或檢測的變化速率監(jiān)控的功率轉換器的制作方法
技術領域：
本公開涉及檢測和/或預測功率轉換器中的故障，該功率轉換器包
括AC/DC和DC/DC功率轉換器。
背景技術：
本部分的陳述僅提供與本公開相關的背景信息且可能不構成現(xiàn)有技術。
本領域中已知用于將電力從一種形式轉換成另一種形式的各式各樣的功率轉換器，包括AC/DC和DC/DC功率轉換器。這些功率轉換器通常包括除了其他因素之外，監(jiān)控諸如輸入電流、輸出電流和/或溫度的關鍵參數(shù)的一個或多個控制器。當檢測到過流或過熱條件時，控制器可以產(chǎn)生故障信號和/或關閉功率轉換器以防止或最小化對于功率轉換器和托管該功率轉換器的任何系統(tǒng)(例如，計算機或自動化系統(tǒng))的損害。盡管故障檢測的這些已知方法是有用的，本發(fā)明人仍認識到檢測故障條件中的改進需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的一個方面，功率轉換器包括控制器，該控制器具有用于監(jiān)控功率轉換器的工作參數(shù)的變化速率的至少一個輸入。該控制器被配置為將監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率與工作參數(shù)的允許變化速率進行比較，且被配置成在監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率從工作參數(shù)的允許變化速率偏離時產(chǎn)生故障信號。
根據(jù)本公開的另一方面，功率轉換器包括控制器，該控制器具有用于監(jiān)控功率轉換器中的溫度變化速率的至少一個輸入。該控制器被配置成將監(jiān)控的溫度變化速率與允許的溫度變化速率進行比較，且當監(jiān)控的溫度變化速率從允許的溫度變化速率偏離時產(chǎn)生故障信號。
根據(jù)本公開的又一方面，功率轉換器包括控制器，該控制器具有
6用于監(jiān)控功率轉換器中的電流變化速率的至少一個輸入。該控制器被配置成確定監(jiān)控的電流變化速率是否異常，且在確定監(jiān)控的電流變化速率異常之后產(chǎn)生故障信號。
根據(jù)本公開的再一方面，提供一種用于預測功率轉換器中的故障的方法。該方法包括監(jiān)控功率轉換器的工作參數(shù)的變化速率，確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率是否異常，且在確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率異常之后提供故障信號。
適用性的其他方面將從此處提供的描述中變得顯見。應當理解描述和具體示例僅用于說明目的且并不旨在限制本公開的范圍。


此處描述的附圖僅用于說明目的，且并不旨在以任何方式限制本公開的范圍。
圖1是根據(jù)本公開的一個示例的監(jiān)控工作參數(shù)的變化速率的方法的流程圖2是被配置成監(jiān)控溫度變化速率的功率轉換器的框圖；圖3是被配置成監(jiān)控電流變化速率的功率轉換器的框圖；圖4是說明具有不同上升率(斜率)的兩個輸出電流的過流條件；圖5是被配置成監(jiān)控其總效率的功率轉換器的框圖；圖6是基于組件上的監(jiān)控歷史應力估算組件的剩余壽命的流程圖；圖7是被配置成估算電解電容器的剩余壽命的功率轉換器的框圖；圖8是被配置成監(jiān)控其總效率，監(jiān)控若干工作參數(shù)的變化速率，且估算多個組件的剩余壽命的功率轉換器的 圖。
具體實施例方式
下面的描述本質(zhì)上僅是示例性的，且并不旨在限制本公開、應用或用途。
根據(jù)本公開的一個方面預測功率轉換器中的故障的方法一般通過圖1中的參考標號100表示。如圖1所示，方法100包括在步驟102，監(jiān)控功率轉換器的工作參數(shù)的變化速率。在步驟104，確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率是否異常。如果監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率沒有異常，方法100返回步驟102，如圖1所示。不過，如果在步驟104中判斷監(jiān) 控的工作參數(shù)的變化速率異常，方法100繼續(xù)到步驟106且產(chǎn)生故障 信號。
在步驟106產(chǎn)生的故障信號可用于激勵可視或可聽的警告和/或可 以被提供到托管數(shù)字功率轉換器的系統(tǒng)。另外或備選地，數(shù)字功率轉 換器可被配置為響應于步驟106產(chǎn)生的故障信號而關閉。以這種方式， 數(shù)字功率轉換器中的故障可通過監(jiān)控關鍵參數(shù)的變化速率而被檢測或 預測，以替換或者附加于通過監(jiān)控工作參數(shù)的瞬時值來確定是否達到 閾值(例如，最小或最大允許值)來檢測或預測數(shù)字功率轉換器中的 故障。因此，當檢測到關鍵參數(shù)的異常變化速率時，即使在達到這種 參數(shù)的瞬時值的閾值之前，也可以向用戶和/或托管數(shù)字功率轉換器的 系統(tǒng)提供警報信號，和/或數(shù)字功率轉換器可以關閉。換句話說，和簡 單地檢測關鍵參數(shù)的瞬時值何時到達閾值相比，監(jiān)控數(shù)字功率轉換器 中的這種參數(shù)的變化速率將得到故障的更早檢測或預測。
進一步參考圖1中的步驟104，存在確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速 率是否異常的多種可能方法。例如，監(jiān)控的變化速率可以與允許的變 化速率(可定義為允許變化速率的一個范圍)進行比較以確定監(jiān)控的 變化速率是否偏離允許速率?？蛇x地，如果期望被監(jiān)控的工作參數(shù)僅 以線性方式變化，則當監(jiān)控的工作參數(shù)以非線性方式變化時，可以認 為監(jiān)控的變化速率異常(或反之亦然)。在不偏離本公開的范圍的條件 下，也可以使用用于確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率是否異常的其他 方法。
圖2示出了具有(數(shù)字或模擬)控制器202的功率轉換器200?？?制器202包括用于監(jiān)控溫度的變化速率的至少一個輸入204。如圖2 所示，通過對監(jiān)控的溫度應用導函數(shù)206確定溫度變化速率。在該具 體示例中，控制器202將監(jiān)控的溫度變化速率與這種溫度的允許變化 速率進行比較。允許溫度變化速率可以是預定值，或可選地，可以依 賴于功率轉換器200的其他工作條件，諸如環(huán)境溫度、功率轉換器的 其他位置的溫度、負載條件、輸入條件等。如果控制器202確定監(jiān)控 的溫度變化速率異常，控制器202可以發(fā)送故障信號到托管該功率轉 換器200的系統(tǒng)和/或立即或在預定時間量之后關閉功率轉換器200。圖2中示出的監(jiān)控溫度可以是功率轉換器200中的任何關鍵溫度，例 如集成電路、電容等特定組件的溫度。
當功率轉換器200異常工作時，功率轉換器200中的特定^^置的 溫度變化速率可能依賴于諸如負載、輸入條件、工作溫度、氣流等若 干因素。因為這些因素已知，所以溫度變化速率可預測。例如，如果 功率轉換器200以額定輸出功率的10%工作且負載增加到50%，則關 鍵功率組件的溫度將可預測地開始上升。然而，如果功率轉換器200 不正常工作(例如，因為風扇故障或阻塞，或者冗余部件的故障、或 控制電路的故障等)，即使負載不增加，溫度將以不同的速率上升。控 制器202被配置成識別該溫度變化異常速率且通知托管功率轉換器 200的系統(tǒng)迫近的故障。作為響應，系統(tǒng)可以減小負載或采取其他適當 的行為。
圖3示出了具有控制器302的功率轉換器300的另一示例?？刂?器302包括用于監(jiān)控功率轉換器300中的電流變化速率的至少一個輸 入304。如圖3所示，通過向監(jiān)控的電流施加導函數(shù)306來確定監(jiān)控的 電流變化速率。
控制器302可以通過將監(jiān)控的變化速率與允許的變化速率進行比 較確定監(jiān)控的電流變化速率是否異常。允許的變化速率(可以定義為 允許變化速率的一個范圍)是預定的?？蛇x地，允許的變化速率可以 依賴于功率轉換器300的工作條件，諸如工作占空比、輸出電壓、啟 動條件、穩(wěn)定狀態(tài)工作等。然而，應當理解，可以采用用于確定監(jiān)控 的電流變化速率是否異常的其他方法。例如，如圖3所示，如果監(jiān)控 的電流是流經(jīng)線圈308 (諸如電感器或變壓器繞組)的電流，則監(jiān)控的 電流中的變化應是線性的。換句話說，電感器或變壓器繞組中的電流 變化速率將恒定。因此，控制器302可以確定監(jiān)控的變化速率是否恒 定。如果線圈308中監(jiān)控的電流變化速率不恒定，則控制器302可以 產(chǎn)生故障信號?？蛇x地，控制器302產(chǎn)生的故障信號可以被提供到功 率轉換器300供給的負載310，如圖3所示。
作為另一示例，假設在轉換器300的正常工作中輸出電流的最大 上升速率是每微秒5安培。如果控制器302檢測出諸如每微秒50安培 的更高的上升速率，則即使在到達最大瞬時電流閾值之前，控制器302
9也可以將這個說明為短路或極端負載的提前警告。在這種情況下，控
制器302可以關閉功率轉換器300以盡力最小化對轉換器300和/或轉 換器300供給的負載的損害。
而且，功率轉換器300中的電壓的上升速率可以依賴于有源和/或 無源部件以及動力架構，但是仍是可預測的。因此，作為監(jiān)控電流上 升速率的備選(或者附加)，控制器302可被配置成監(jiān)控電壓的上升速 率。作為示例，如果控制器302確定輸出電壓的變化速率大于可以表 示開環(huán)條件的瞬時負載條件期間的變化速率，則控制器302可以關閉 功率轉換器300以盡力最小化對于轉換器300和/或轉換器300 ^^給的 負載的損害。
圖4示出了通過自身監(jiān)控關鍵參數(shù)的瞬時值可能怎樣提供功率轉 換器中的不充足保護。在圖4的示例中，示出了兩個輸出電流。輸出 電流402 (圖4的右邊)示為以比輸出電流404 (圖4的左邊)更快的 速率上升。常規(guī)功率轉換器將一般監(jiān)控輸出電流的瞬時值且如果輸出 電流超過閾值限制I,t則關閉。然而，檢測循環(huán)一般包括傳播延時。 換句話說，功率轉換器可能需要有限的時間量來檢測和響應過度輸出
電流。如圖4所示，在功率轉換器檢測和響應超過閾值限制I,imit的輸 出電流404時，輸出電流404已經(jīng)到達Imaxi的水平。對照地，在功率
轉換器檢測和響應超過閾值限制Ilimit的輸出電流402時，輸出電流402
己經(jīng)到達Imax2的水平。這是因為輸出電流402的上升速率大于輸出電
流404的上升速率。然而，通過監(jiān)控輸出電流的上升速率，即使在到
達閾值限制I,imit之前，功率轉換器也可以檢測和響應故障條件，使得
功率轉換器和功率轉換器供給的任意負載的更少地被濫用。盡管圖4
在輸出電流的背景中示出了這點，對于包括其他電流、溫度、電壓等 的功率轉換器的任意關鍵參數(shù)來說都是一樣的。
圖5示出了根據(jù)本公開的另一示例的功率轉換器500。如此處所 示，功率轉換器500包括控制器502，該控制器502被配置成監(jiān)控功率 轉換器500的總效率。以這種方式，控制器502可以在檢測效率劣化 時產(chǎn)生故障信號。響應于產(chǎn)生的故障信號，功率轉換器500可選地可 以通過犧牲一些功能性減小工作負載，直到采取適當?shù)姆招袨?。產(chǎn) 生的故障信號還可以提示部件或系統(tǒng)替換。
10更具體而言，功率轉換器500包括輸入扼流器504、輸出電感器 506和輸出電容器508?？刂破?02包括用于監(jiān)控流經(jīng)輸入扼流器504 的輸入電流和提供到扼流器504的輸入電壓的輸入。另外，控制器被 配置成監(jiān)控流經(jīng)輸出電感器506的輸出電流以及輸出電容器508上的 輸出電壓。以這種方式，控制器502可以計算輸入功率、輸出功率且 由此計算功率轉換器500的總效率。當確定功率轉換器500的效率的 下降大于預定量時，控制器502可以產(chǎn)生故障信號。
在一個實施例中，控制器502包括正常工作條件和各種負載、輸 入線(input line)條件和工作溫度下用于功率轉換器500的效率的查找 表。功率轉換器500例如可以包括用于減少損耗的并聯(lián)功率裝置或組 件(諸如并聯(lián)整流器裝置)。當這種裝置或組件失效時，功率轉換器500 可以繼續(xù)工作，但是效率降低。通過監(jiān)控功率轉換器500的工作效率 且將監(jiān)控的效率與查找表中的一個或多個值進行比較，控制器502可 以檢測組件故障，且例如向托管功率轉換器500 (即，從其接收功率) 的系統(tǒng)提供故障信號。
圖6是根據(jù)本公開的另一方面用于預測功率轉換器(或其他裝置 或系統(tǒng))中的組件故障的方法的框圖。如圖6所示，方法600包括監(jiān) 控組件上的歷史工作應力(operating stress)的步驟602。應力可以包 括隨時間變化的電壓、電流和/或溫度波動。在步驟604，估算組件的 期望剩余壽命。如果估算的組件剩余壽命小于預定值，則如圖6所示， 在步驟606中產(chǎn)生故障信號。以這種方式，在組件失效之前，組件可 以在接近其期望壽命的盡頭時被替換。而且，因為很多制造商在估算 組件期望壽命時是保守的，這進而導致很多用戶過早地替換組件。通 過使用圖6所示的方法600，可以避免這種部件和/或系統(tǒng)的過早替換， 從而實現(xiàn)節(jié)約。類似地，可以最小化或消除冗余部件的使用，由此實 現(xiàn)進一步節(jié)約。
圖7示出功率轉換器700，該功率轉換器700具有控制器702和電 解電容器704。如圖7所示，控制器702被配置成監(jiān)控電容器704的環(huán) 境或機殼溫度以及電容器704上的電壓和電流應力。具體而言，控制 器702被配置成通過向監(jiān)控電壓應用積分函數(shù)706來監(jiān)控電容器704 上的電壓應力?？刂破?02被配置成通過向監(jiān)控電壓應用導函數(shù)708來監(jiān)控電容器704上的電流應力(因為電容器704的值是已知的，所 以其使得控制器計算電流應力)。同樣，控制器702被配置成通過向監(jiān) 控的溫度應用積分函數(shù)710來監(jiān)控電容器704上的溫度應力。使用電 容器704上監(jiān)控的電壓、電流和溫度應力以及針對電容器704存儲的 數(shù)據(jù)，控制器702可以相當準確地估算電容器704的期望剩余壽命。
另外，在圖7的具體示例中，控制器702還被配置成監(jiān)控電容器 上的瞬時電壓和溫度以及這種溫度和電壓的變化速率，用于檢測和/或 預測電容器704的故障。
可選地(或另外地)，控制器702可以被配置為監(jiān)控風扇上的工作 應力以預測其剩余使用壽命。例如，風扇的壽命可能依賴于應用的電 壓和環(huán)境工作溫度。典型地，對于給定季節(jié)和負載配置，期望具體的 工作溫度配置。組件被選擇以滿足風扇的期望工作壽命上的這些需求。 這些條件可以在本領域中改變，不過這種改變將減小風扇的使用壽命。 在各個實施例中，控制器702——與此處公開的其他控制器一樣，可以 是微處理器一一可以周期地采樣工作溫度、風扇電壓和風扇速度。使 用該數(shù)據(jù)，控制器702可以使用存儲的公式計算風扇的剩余期望壽命。 當確定剩余風扇壽命低于存儲器中存儲的期望壽命時，控制器702可 以提供故障信號到托管功率轉換器700的系統(tǒng)。
圖8示出了一種功率轉換器800，該功率轉換器800具有控制器 802，該控制器802被配置成實施本公開的若干方面。具體而言，控制 器802被配置為監(jiān)控轉換器800的輸入功率和輸出功率，以用于監(jiān)控 和檢測功率轉換器800的總效率中的變化。而且，控制器802被配置 為監(jiān)控輸入電感器806、初級繞組808和輸出電感器810中的電流變化 速率。而且，控制器802被配置為監(jiān)控電解電容器812、 814中的溫度 變化速率，并且還被配置成監(jiān)控這種電容器812、 814上的歷史電流、 電壓和/或溫度應力，以用于估算這些組件的期望剩余壽命。當檢測到 轉換器中的總效率的劣化或者監(jiān)控的溫度、電流或電壓之一中的異常 變化速率或確定組件的期望剩余壽命低于閾值時，控制器產(chǎn)生相應的 故障信號。該故障信號通過控制器802提供到功率轉換器供給的負載 (即，托管功率轉換器的系統(tǒng)，諸如計算機系統(tǒng))，用于激勵警報和/ 或在必要或希望時導致控制器820關閉或變更功率轉換器800的功能性。
盡管上面已經(jīng)參考功率轉換器描述了本發(fā)明的若干方面，應當理 解本公開的各個方面不限于功率轉換器，并且可以應用于各種其他系 統(tǒng)和應用，包括但不限于電動機、汽車系統(tǒng)和在汽車、電機控制或通 用工業(yè)中使用的其他類型的電力或機電系統(tǒng)。
通過執(zhí)行上述任意或全部教示，可以獲得很多益處和優(yōu)點，這些 益處和優(yōu)點包括改善的系統(tǒng)可靠性、減小的系統(tǒng)關閉時間、消除或 減少冗余組件或系統(tǒng)、避免組件或系統(tǒng)中的不必要或過早的替換，以 及整體系統(tǒng)和工作成本的減少。
權利要求
1.一種功率轉換器，其包括控制器，所述控制器具有用于監(jiān)控功率轉換器的工作參數(shù)的變化速率的至少一個輸入，所述控制器被配置成將監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率與工作參數(shù)的允許變化速率進行比較，并且當監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率從工作參數(shù)的允許變化速率偏離時產(chǎn)生故障信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述工作參數(shù)的允許 變化速率被定義為允許變化速率的范圍。
3. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置成 將所述工作參數(shù)的允許變化速率確定為所述功率轉換器的一個或多個 工作條件的函數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置成 向托管所述功率轉換器的系統(tǒng)提供故障信號。
5. 根據(jù)權利要求4所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置成 響應于來自托管所述功率轉換器的系統(tǒng)的命令關閉所述功率轉換器。
6. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置成 在產(chǎn)生故障信號之后關閉所述功率轉換器。
7. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述工作參數(shù)是溫度、 電流和電壓其中之一。
8. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置成 監(jiān)控所述工作參數(shù)的瞬時值和變化速率。
9. 根據(jù)權利要求1所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置成監(jiān)控多個工作參數(shù)中每一個的變化速率，將監(jiān)控的每個工作參數(shù)的變 化速率與這種工作參數(shù)的允許變化速率進行比較，并且當監(jiān)控的變化 速率中的一個或多個從其允許變化速率偏離時產(chǎn)生故障信號。
10. 根據(jù)權利要求9所述的功率轉換器，其中多個工作參數(shù)選自 溫度、電流和電壓組成的組。
11. 一種功率轉換器，其包括控制器，所述控制器具有用于監(jiān)控 所述功率轉換器中的溫度的變化速率的至少一個輸入，所述控制器被 配置成將監(jiān)控的溫度的變化速率與溫度的允許變化速率進行比較，并 且當監(jiān)控的溫度的變化速率從溫度的允許變化速率偏離時產(chǎn)生故障信 號。
12. 根據(jù)權利要求ll所述的功率轉換器，還包括電解電容器，其 中所述溫度是所述電解電容器的工作溫度。
13. 根據(jù)權利要求ll所述的功率轉換器，還包括風扇，其中所述 溫度是所述風扇的工作溫度。
14. 根據(jù)權利要求11所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置 成監(jiān)控所述溫度的瞬時值和變化速率。
15. 根據(jù)權利要求ll所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置 成監(jiān)控所述功率轉換器中的多個溫度中每一個的變化速率，將監(jiān)控的 每個溫度的變化速率與這種溫度的允許變化速率進行比較，且當監(jiān)控 的變化速率其中一個或多個從其允許的變化速率偏離時產(chǎn)生故障信 號。
16. —種功率轉換器，其包括控制器，所述控制器具有用于監(jiān)控 所述功率轉換器中的電流變化速率的至少一個輸入，所述控制器被配 置成確定監(jiān)控的電流變化速率是否異常，并且在確定電流變化速率異常之后產(chǎn)生故障信號。
17. 根據(jù)權利要求16所述的功率轉換器，其中所述控制器被配置 成通過將監(jiān)控的電流變化速率與允許的電流變化速率進行比較來確定 監(jiān)控的電流變化速率是否異常。
18. 根據(jù)權利要求17所述的功率轉換器，還包括輸出級，其中所 述電流是該輸出級中的電流。
19. 根據(jù)權利要求18所述的功率轉換器，其中所述輸出級包括感 測電阻器，并且所述電流是所述感測電阻器中的電流。
20. 根據(jù)權利要求16所述的功率轉換器，還包括線圈，其中所述 輸入用于監(jiān)控所述線圈中的電流變化速率，并且所述控制器被配置成 通過確定所述線圈中的監(jiān)控的電流變化速率是否基本是線性的來確定 所述線圈中的監(jiān)控的電流變化速率是否異常。
21. 根據(jù)權利要求20所述的功率轉換器，其中所述線圈是電感器。
22. 根據(jù)權利要求20所述的功率轉換器，其中所述線圈是變壓器 繞組。
23. —種預測功率轉換器中的故障的方法，該方法包括 監(jiān)控所述功率轉換器的工作參數(shù)的變化速率； 確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率是否異常；以及 在確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率異常之后提供故障信號。
24. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述確定步驟包括將監(jiān)控 的工作參數(shù)的變化速率與用于該工作參數(shù)的允許變化速率進行比較， 并且所述提供步驟包括在確定監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率從用于該工 作參數(shù)的允許變化速率偏離之后提供故障信號。
25. 根據(jù)權利要求24所述的方法，還包括將工作參數(shù)的允許變化 速率確定為所述功率轉換器的一個或多個工作條件的函數(shù)。
26. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中所述確定步驟包括確定監(jiān) 控的工作參數(shù)的變化速率是否是基本線性的。
全文摘要
一種功率轉換器(200)包括控制器(202)，該控制器(202)具有用于監(jiān)控該功率轉換器(200)的工作參數(shù)的變化速率的至少一個輸入。控制器(202)被配置成將監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率與工作參數(shù)的允許變化速率進行比較，且用于在監(jiān)控的工作參數(shù)的變化速率從允許的工作參數(shù)的變化速率偏離時成產(chǎn)生故障信號。變化速率被監(jiān)控的工作參數(shù)例如可以是功率轉換器(200)中的溫度、電流和/或電壓。
文檔編號G01R31/00GK101680927SQ200880016339
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權日2007年5月15日
發(fā)明者戈登·柯里, 維杰伊·費德克, 阿萊恩多·阿桑西恩 申請人:雅達電子國際有限公司