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专利名称：具有用于故障预测和/或检测的变化速率监控的功率转换器的制作方法
技术领域：
本公开涉及检测和/或预测功率转换器中的故障，该功率转换器包
括AC/DC和DC/DC功率转换器。
背景技术：
本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息且可能不构成现有技术。
本领域中已知用于将电力从一种形式转换成另一种形式的各式各样的功率转换器，包括AC/DC和DC/DC功率转换器。这些功率转换器通常包括除了其他因素之外，监控诸如输入电流、输出电流和/或温度的关键参数的一个或多个控制器。当检测到过流或过热条件时，控制器可以产生故障信号和/或关闭功率转换器以防止或最小化对于功率转换器和托管该功率转换器的任何系统(例如，计算机或自动化系统)的损害。尽管故障检测的这些已知方法是有用的，本发明人仍认识到检测故障条件中的改进需要。

发明内容
根据本公开的一个方面，功率转换器包括控制器，该控制器具有用于监控功率转换器的工作参数的变化速率的至少一个输入。该控制器被配置为将监控的工作参数的变化速率与工作参数的允许变化速率进行比较，且被配置成在监控的工作参数的变化速率从工作参数的允许变化速率偏离时产生故障信号。
根据本公开的另一方面，功率转换器包括控制器，该控制器具有用于监控功率转换器中的温度变化速率的至少一个输入。该控制器被配置成将监控的温度变化速率与允许的温度变化速率进行比较，且当监控的温度变化速率从允许的温度变化速率偏离时产生故障信号。
根据本公开的又一方面，功率转换器包括控制器，该控制器具有
6用于监控功率转换器中的电流变化速率的至少一个输入。该控制器被配置成确定监控的电流变化速率是否异常，且在确定监控的电流变化速率异常之后产生故障信号。
根据本公开的再一方面，提供一种用于预测功率转换器中的故障的方法。该方法包括监控功率转换器的工作参数的变化速率，确定监控的工作参数的变化速率是否异常，且在确定监控的工作参数的变化速率异常之后提供故障信号。
适用性的其他方面将从此处提供的描述中变得显见。应当理解描述和具体示例仅用于说明目的且并不旨在限制本公开的范围。


此处描述的附图仅用于说明目的，且并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的一个示例的监控工作参数的变化速率的方法的流程图2是被配置成监控温度变化速率的功率转换器的框图；图3是被配置成监控电流变化速率的功率转换器的框图；图4是说明具有不同上升率(斜率)的两个输出电流的过流条件；图5是被配置成监控其总效率的功率转换器的框图；图6是基于组件上的监控历史应力估算组件的剩余寿命的流程图；图7是被配置成估算电解电容器的剩余寿命的功率转换器的框图；图8是被配置成监控其总效率，监控若干工作参数的变化速率，且估算多个组件的剩余寿命的功率转换器的 图。
具体实施例方式
下面的描述本质上仅是示例性的，且并不旨在限制本公开、应用或用途。
根据本公开的一个方面预测功率转换器中的故障的方法一般通过图1中的参考标号100表示。如图1所示，方法100包括在步骤102，监控功率转换器的工作参数的变化速率。在步骤104，确定监控的工作参数的变化速率是否异常。如果监控的工作参数的变化速率没有异常，方法100返回步骤102，如图1所示。不过，如果在步骤104中判断监 控的工作参数的变化速率异常，方法100继续到步骤106且产生故障 信号。
在步骤106产生的故障信号可用于激励可视或可听的警告和/或可 以被提供到托管数字功率转换器的系统。另外或备选地，数字功率转 换器可被配置为响应于步骤106产生的故障信号而关闭。以这种方式， 数字功率转换器中的故障可通过监控关键参数的变化速率而被检测或 预测，以替换或者附加于通过监控工作参数的瞬时值来确定是否达到 阈值(例如，最小或最大允许值)来检测或预测数字功率转换器中的 故障。因此，当检测到关键参数的异常变化速率时，即使在达到这种 参数的瞬时值的阈值之前，也可以向用户和/或托管数字功率转换器的 系统提供警报信号，和/或数字功率转换器可以关闭。换句话说，和简 单地检测关键参数的瞬时值何时到达阈值相比，监控数字功率转换器 中的这种参数的变化速率将得到故障的更早检测或预测。
进一步参考图1中的步骤104，存在确定监控的工作参数的变化速 率是否异常的多种可能方法。例如，监控的变化速率可以与允许的变 化速率(可定义为允许变化速率的一个范围)进行比较以确定监控的 变化速率是否偏离允许速率。可选地，如果期望被监控的工作参数仅 以线性方式变化，则当监控的工作参数以非线性方式变化时，可以认 为监控的变化速率异常(或反之亦然)。在不偏离本公开的范围的条件 下，也可以使用用于确定监控的工作参数的变化速率是否异常的其他 方法。
图2示出了具有(数字或模拟)控制器202的功率转换器200。控 制器202包括用于监控温度的变化速率的至少一个输入204。如图2 所示，通过对监控的温度应用导函数206确定温度变化速率。在该具 体示例中，控制器202将监控的温度变化速率与这种温度的允许变化 速率进行比较。允许温度变化速率可以是预定值，或可选地，可以依 赖于功率转换器200的其他工作条件，诸如环境温度、功率转换器的 其他位置的温度、负载条件、输入条件等。如果控制器202确定监控 的温度变化速率异常，控制器202可以发送故障信号到托管该功率转 换器200的系统和/或立即或在预定时间量之后关闭功率转换器200。图2中示出的监控温度可以是功率转换器200中的任何关键温度，例 如集成电路、电容等特定组件的温度。
当功率转换器200异常工作时，功率转换器200中的特定^^置的 温度变化速率可能依赖于诸如负载、输入条件、工作温度、气流等若 干因素。因为这些因素已知，所以温度变化速率可预测。例如，如果 功率转换器200以额定输出功率的10%工作且负载增加到50%，则关 键功率组件的温度将可预测地开始上升。然而，如果功率转换器200 不正常工作(例如，因为风扇故障或阻塞，或者冗余部件的故障、或 控制电路的故障等)，即使负载不增加，温度将以不同的速率上升。控 制器202被配置成识别该温度变化异常速率且通知托管功率转换器 200的系统迫近的故障。作为响应，系统可以减小负载或采取其他适当 的行为。
图3示出了具有控制器302的功率转换器300的另一示例。控制 器302包括用于监控功率转换器300中的电流变化速率的至少一个输 入304。如图3所示，通过向监控的电流施加导函数306来确定监控的 电流变化速率。
控制器302可以通过将监控的变化速率与允许的变化速率进行比 较确定监控的电流变化速率是否异常。允许的变化速率(可以定义为 允许变化速率的一个范围)是预定的。可选地，允许的变化速率可以 依赖于功率转换器300的工作条件，诸如工作占空比、输出电压、启 动条件、稳定状态工作等。然而，应当理解，可以采用用于确定监控 的电流变化速率是否异常的其他方法。例如，如图3所示，如果监控 的电流是流经线圈308 (诸如电感器或变压器绕组)的电流，则监控的 电流中的变化应是线性的。换句话说，电感器或变压器绕组中的电流 变化速率将恒定。因此，控制器302可以确定监控的变化速率是否恒 定。如果线圈308中监控的电流变化速率不恒定，则控制器302可以 产生故障信号。可选地，控制器302产生的故障信号可以被提供到功 率转换器300供给的负载310，如图3所示。
作为另一示例，假设在转换器300的正常工作中输出电流的最大 上升速率是每微秒5安培。如果控制器302检测出诸如每微秒50安培 的更高的上升速率，则即使在到达最大瞬时电流阈值之前，控制器302
9也可以将这个说明为短路或极端负载的提前警告。在这种情况下，控
制器302可以关闭功率转换器300以尽力最小化对转换器300和/或转 换器300供给的负载的损害。
而且，功率转换器300中的电压的上升速率可以依赖于有源和/或 无源部件以及动力架构，但是仍是可预测的。因此，作为监控电流上 升速率的备选(或者附加)，控制器302可被配置成监控电压的上升速 率。作为示例，如果控制器302确定输出电压的变化速率大于可以表 示开环条件的瞬时负载条件期间的变化速率，则控制器302可以关闭 功率转换器300以尽力最小化对于转换器300和/或转换器300 ^^给的 负载的损害。
图4示出了通过自身监控关键参数的瞬时值可能怎样提供功率转 换器中的不充足保护。在图4的示例中，示出了两个输出电流。输出 电流402 (图4的右边)示为以比输出电流404 (图4的左边)更快的 速率上升。常规功率转换器将一般监控输出电流的瞬时值且如果输出 电流超过阈值限制I,t则关闭。然而，检测循环一般包括传播延时。 换句话说，功率转换器可能需要有限的时间量来检测和响应过度输出
电流。如图4所示，在功率转换器检测和响应超过阈值限制I,imit的输 出电流404时，输出电流404已经到达Imaxi的水平。对照地，在功率
转换器检测和响应超过阈值限制Ilimit的输出电流402时，输出电流402
己经到达Imax2的水平。这是因为输出电流402的上升速率大于输出电
流404的上升速率。然而，通过监控输出电流的上升速率，即使在到
达阈值限制I,imit之前，功率转换器也可以检测和响应故障条件，使得
功率转换器和功率转换器供给的任意负载的更少地被滥用。尽管图4
在输出电流的背景中示出了这点，对于包括其他电流、温度、电压等 的功率转换器的任意关键参数来说都是一样的。
图5示出了根据本公开的另一示例的功率转换器500。如此处所 示，功率转换器500包括控制器502，该控制器502被配置成监控功率 转换器500的总效率。以这种方式，控制器502可以在检测效率劣化 时产生故障信号。响应于产生的故障信号，功率转换器500可选地可 以通过牺牲一些功能性减小工作负载，直到采取适当的服务行为。产 生的故障信号还可以提示部件或系统替换。
10更具体而言，功率转换器500包括输入扼流器504、输出电感器 506和输出电容器508。控制器502包括用于监控流经输入扼流器504 的输入电流和提供到扼流器504的输入电压的输入。另外，控制器被 配置成监控流经输出电感器506的输出电流以及输出电容器508上的 输出电压。以这种方式，控制器502可以计算输入功率、输出功率且 由此计算功率转换器500的总效率。当确定功率转换器500的效率的 下降大于预定量时，控制器502可以产生故障信号。
在一个实施例中，控制器502包括正常工作条件和各种负载、输 入线(input line)条件和工作温度下用于功率转换器500的效率的查找 表。功率转换器500例如可以包括用于减少损耗的并联功率装置或组 件(诸如并联整流器装置)。当这种装置或组件失效时，功率转换器500 可以继续工作，但是效率降低。通过监控功率转换器500的工作效率 且将监控的效率与查找表中的一个或多个值进行比较，控制器502可 以检测组件故障，且例如向托管功率转换器500 (即，从其接收功率) 的系统提供故障信号。
图6是根据本公开的另一方面用于预测功率转换器(或其他装置 或系统)中的组件故障的方法的框图。如图6所示，方法600包括监 控组件上的历史工作应力(operating stress)的步骤602。应力可以包 括随时间变化的电压、电流和/或温度波动。在步骤604，估算组件的 期望剩余寿命。如果估算的组件剩余寿命小于预定值，则如图6所示， 在步骤606中产生故障信号。以这种方式，在组件失效之前，组件可 以在接近其期望寿命的尽头时被替换。而且，因为很多制造商在估算 组件期望寿命时是保守的，这进而导致很多用户过早地替换组件。通 过使用图6所示的方法600，可以避免这种部件和/或系统的过早替换， 从而实现节约。类似地，可以最小化或消除冗余部件的使用，由此实 现进一步节约。
图7示出功率转换器700，该功率转换器700具有控制器702和电 解电容器704。如图7所示，控制器702被配置成监控电容器704的环 境或机壳温度以及电容器704上的电压和电流应力。具体而言，控制 器702被配置成通过向监控电压应用积分函数706来监控电容器704 上的电压应力。控制器702被配置成通过向监控电压应用导函数708来监控电容器704上的电流应力(因为电容器704的值是已知的，所 以其使得控制器计算电流应力)。同样，控制器702被配置成通过向监 控的温度应用积分函数710来监控电容器704上的温度应力。使用电 容器704上监控的电压、电流和温度应力以及针对电容器704存储的 数据，控制器702可以相当准确地估算电容器704的期望剩余寿命。
另外，在图7的具体示例中，控制器702还被配置成监控电容器 上的瞬时电压和温度以及这种温度和电压的变化速率，用于检测和/或 预测电容器704的故障。
可选地(或另外地)，控制器702可以被配置为监控风扇上的工作 应力以预测其剩余使用寿命。例如，风扇的寿命可能依赖于应用的电 压和环境工作温度。典型地，对于给定季节和负载配置，期望具体的 工作温度配置。组件被选择以满足风扇的期望工作寿命上的这些需求。 这些条件可以在本领域中改变，不过这种改变将减小风扇的使用寿命。 在各个实施例中，控制器702——与此处公开的其他控制器一样，可以 是微处理器一一可以周期地采样工作温度、风扇电压和风扇速度。使 用该数据，控制器702可以使用存储的公式计算风扇的剩余期望寿命。 当确定剩余风扇寿命低于存储器中存储的期望寿命时，控制器702可 以提供故障信号到托管功率转换器700的系统。
图8示出了一种功率转换器800，该功率转换器800具有控制器 802，该控制器802被配置成实施本公开的若干方面。具体而言，控制 器802被配置为监控转换器800的输入功率和输出功率，以用于监控 和检测功率转换器800的总效率中的变化。而且，控制器802被配置 为监控输入电感器806、初级绕组808和输出电感器810中的电流变化 速率。而且，控制器802被配置为监控电解电容器812、 814中的温度 变化速率，并且还被配置成监控这种电容器812、 814上的历史电流、 电压和/或温度应力，以用于估算这些组件的期望剩余寿命。当检测到 转换器中的总效率的劣化或者监控的温度、电流或电压之一中的异常 变化速率或确定组件的期望剩余寿命低于阈值时，控制器产生相应的 故障信号。该故障信号通过控制器802提供到功率转换器供给的负载 (即，托管功率转换器的系统，诸如计算机系统)，用于激励警报和/ 或在必要或希望时导致控制器820关闭或变更功率转换器800的功能性。
尽管上面已经参考功率转换器描述了本发明的若干方面，应当理 解本公开的各个方面不限于功率转换器，并且可以应用于各种其他系 统和应用，包括但不限于电动机、汽车系统和在汽车、电机控制或通 用工业中使用的其他类型的电力或机电系统。
通过执行上述任意或全部教示，可以获得很多益处和优点，这些 益处和优点包括改善的系统可靠性、减小的系统关闭时间、消除或 减少冗余组件或系统、避免组件或系统中的不必要或过早的替换，以 及整体系统和工作成本的减少。
权利要求
1.一种功率转换器，其包括控制器，所述控制器具有用于监控功率转换器的工作参数的变化速率的至少一个输入，所述控制器被配置成将监控的工作参数的变化速率与工作参数的允许变化速率进行比较，并且当监控的工作参数的变化速率从工作参数的允许变化速率偏离时产生故障信号。
2. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述工作参数的允许 变化速率被定义为允许变化速率的范围。
3. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述控制器被配置成 将所述工作参数的允许变化速率确定为所述功率转换器的一个或多个 工作条件的函数。
4. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述控制器被配置成 向托管所述功率转换器的系统提供故障信号。
5. 根据权利要求4所述的功率转换器，其中所述控制器被配置成 响应于来自托管所述功率转换器的系统的命令关闭所述功率转换器。
6. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述控制器被配置成 在产生故障信号之后关闭所述功率转换器。
7. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述工作参数是温度、 电流和电压其中之一。
8. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述控制器被配置成 监控所述工作参数的瞬时值和变化速率。
9. 根据权利要求1所述的功率转换器，其中所述控制器被配置成监控多个工作参数中每一个的变化速率，将监控的每个工作参数的变 化速率与这种工作参数的允许变化速率进行比较，并且当监控的变化 速率中的一个或多个从其允许变化速率偏离时产生故障信号。
10. 根据权利要求9所述的功率转换器，其中多个工作参数选自 温度、电流和电压组成的组。
11. 一种功率转换器，其包括控制器，所述控制器具有用于监控 所述功率转换器中的温度的变化速率的至少一个输入，所述控制器被 配置成将监控的温度的变化速率与温度的允许变化速率进行比较，并 且当监控的温度的变化速率从温度的允许变化速率偏离时产生故障信 号。
12. 根据权利要求ll所述的功率转换器，还包括电解电容器，其 中所述温度是所述电解电容器的工作温度。
13. 根据权利要求ll所述的功率转换器，还包括风扇，其中所述 温度是所述风扇的工作温度。
14. 根据权利要求11所述的功率转换器，其中所述控制器被配置 成监控所述温度的瞬时值和变化速率。
15. 根据权利要求ll所述的功率转换器，其中所述控制器被配置 成监控所述功率转换器中的多个温度中每一个的变化速率，将监控的 每个温度的变化速率与这种温度的允许变化速率进行比较，且当监控 的变化速率其中一个或多个从其允许的变化速率偏离时产生故障信 号。
16. —种功率转换器，其包括控制器，所述控制器具有用于监控 所述功率转换器中的电流变化速率的至少一个输入，所述控制器被配 置成确定监控的电流变化速率是否异常，并且在确定电流变化速率异常之后产生故障信号。
17. 根据权利要求16所述的功率转换器，其中所述控制器被配置 成通过将监控的电流变化速率与允许的电流变化速率进行比较来确定 监控的电流变化速率是否异常。
18. 根据权利要求17所述的功率转换器，还包括输出级，其中所 述电流是该输出级中的电流。
19. 根据权利要求18所述的功率转换器，其中所述输出级包括感 测电阻器，并且所述电流是所述感测电阻器中的电流。
20. 根据权利要求16所述的功率转换器，还包括线圈，其中所述 输入用于监控所述线圈中的电流变化速率，并且所述控制器被配置成 通过确定所述线圈中的监控的电流变化速率是否基本是线性的来确定 所述线圈中的监控的电流变化速率是否异常。
21. 根据权利要求20所述的功率转换器，其中所述线圈是电感器。
22. 根据权利要求20所述的功率转换器，其中所述线圈是变压器 绕组。
23. —种预测功率转换器中的故障的方法，该方法包括 监控所述功率转换器的工作参数的变化速率； 确定监控的工作参数的变化速率是否异常；以及 在确定监控的工作参数的变化速率异常之后提供故障信号。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述确定步骤包括将监控 的工作参数的变化速率与用于该工作参数的允许变化速率进行比较， 并且所述提供步骤包括在确定监控的工作参数的变化速率从用于该工 作参数的允许变化速率偏离之后提供故障信号。
25. 根据权利要求24所述的方法，还包括将工作参数的允许变化 速率确定为所述功率转换器的一个或多个工作条件的函数。
26. 根据权利要求23所述的方法，其中所述确定步骤包括确定监 控的工作参数的变化速率是否是基本线性的。
全文摘要
一种功率转换器(200)包括控制器(202)，该控制器(202)具有用于监控该功率转换器(200)的工作参数的变化速率的至少一个输入。控制器(202)被配置成将监控的工作参数的变化速率与工作参数的允许变化速率进行比较，且用于在监控的工作参数的变化速率从允许的工作参数的变化速率偏离时成产生故障信号。变化速率被监控的工作参数例如可以是功率转换器(200)中的温度、电流和/或电压。
文档编号G01R31/00GK101680927SQ200880016339
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年5月15日
发明者戈登·柯里, 维杰伊·费德克, 阿莱恩多·阿桑西恩 申请人:雅达电子国际有限公司