CN102445615B - 对功率转换器电容器的健康程度监控 - Google Patents

Abstract

对功率转换器电容器的健康程度监控。本发明公开了一种检测功率转换器中的电容器的性能退化的方法。该方法包括，监控电容器两端的电压，基于所监控的电压来检测电容器的性能退化，以及在检测到电容器的性能退化之后产生警报信号。本发明还公开了一种功率转换器，包括至少一个电容器，和与该至少一个电容器可操作地连接以监控该至少一个电容器两端的电压的处理器。处理器被配置为至少部分地基于所监控的电压来检测电容器的性能退化，并在检测到该至少一个电容器的性能退化之后产生警报信号。

Description

对功率转换器电容器的健康程度监控

本申请是申请日为2008年8月14日且申请号为200810129743.3的发明专利申请“对功率转换器电容器的健康程度监控”的分案申请。

技术领域

本公开涉及功率变换器，包括AC/DC和DC/DC功率变换器。

背景技术

该部分的说明仅提供关于本公开的背景信息，而并不构成现有技术。

本技术领域中已知各种各样的功率变换器，用来将电源从一种形式变换为另一种形式，它们包括AC/DC和DC/DC功率变换器。这些功率变换器一般包括一种或多种控制器，其中，这些控制器监控诸如输入电流、输出电流和/或温度等关键参数。当检测到过电流或过热情况时，控制器能够产生故障信号，和/或关闭功率变换器，从而防止损害功率变换器和安装了该功率变换器的任何系统(例如，计算机或汽车系统)，或者使得对它们的损害最小化。尽管这些已知的方法有助于检测故障，但本发明的发明人已经认识到需要进一步改进电源故障检测。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种用于检测功率转换器中的电容器的性能退化的方法。该方法包括，监控电容器两端的电压，基于所监控的电压来检测电容器的性能退化，以及，在检测到电容器的性能退化之后产生警报信号。

根据本公开的另一方面，一种功率转换器包括至少一个电容器和与该至少一个电容器可操作地连接的处理器，该处理器用于监控该至少一个电容器两端的电压。处理器被配置为至少部分地基于所监控的电压来检测电容器的性能退化，并在检测到至少一个电容器的性能退化之后产生警报信号。

根据本文提供的描述，将会明白其它应用领域。应理解，本文的描述和具体例子仅起到说明的作用，而并不是为了限制本公开的保护范围。

附图说明

本文描述的附图仅起到说明的作用，而完全不是为了限制本公开的范围。

图1是监控功率转换器的性能特性以确定功率转换器中的组件的健康程度的方法的流程图；

图2是功率转换器的框图，功率转换器被配置为监控该功率转换器中的一个或多个组件的健康程度；

图3是功率转换器的框图，功率转换器被配置为监控大型电容器(bulkcapacitor)、输出电容器以及dc风扇的健康程度；

图4是将波纹电压和PWM信号的占空比(duty cycle)相关联的曲线图；

图5是示出用于监控功率转换器中的大型电容器的健康程度的处理的流程图；

图6和7是示例性大型电容器波纹电压检测电路的示意图；

图8是示出用于监控功率转换器中的输出电容器的健康程度的处理的流程图；

图9是输出电容器波纹电压检测电路的示意图；

图10是示出用于监控功率转换器中的dc风扇的健康程度的处理的流程图；

图11是示出用于监控电动机的健康程度的处理的流程图；

图12是示出由图3所示的处理器执行的捕获中断服务处理的流程图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不用于限制本公开、应用或使用。

根据本公开的一个方面，在图1中示出了一种用于监控功率转换器中的至少一个组件的健康程度的方法，一般性地用附图标记100表示。如图1所示，方法100包括，在102，监控与组件的健康程度相关的功率转换器的至少一个性能特性。在104，将所监控的性能特性与所存储的数据进行比较，以确定该组件的健康程度是否已经达到了预定的水平。在106，在确定该组件的健康程度已经达到预定水平之后，产生警报信号。这样，可以检测并报告一个或多个电源组件的健康程度的退化，从而在该组件(一个或多个)和/或功率转换器完全故障之前，能够对该组件(一个或多个)提供及时的服务(包括从日常维护到更换)。这些教示可被应用于AC/DC和DC/DC功率转换器，包括开关式电源。

在一些实施例中，监控功率转换器的多个组件的健康程度。优选地，将各个受监控的组件与唯一的警报信号相关联，其中，当该组件的健康程度退化到某个预定水平时，产生该唯一的警报信号。这样，所产生的警报信号标识出需要服务或需要更换的特定组件。可替代地，当任何一个组件的健康程度退化到特定水平时，可以产生相同的警报信号。

进一步，在一些实施例中，由所产生的警报信号提供或激活一个或多个警报，从而当某个组件需要服务时，提供视觉和/或声音警报。额外地，或者可替代地，可以向由功率转换器供电的负载提供所产生的警报信号，包括向安装了功率转换器的系统(诸如计算机服务器)中的处理器提供警报信号。还可以将功率转换器配置为在产生特定的警报信号后关闭。

进一步参考图1的方法100，健康程度受到监控的特定组件可以是，例如，电容器、风扇或者功率转换器的任何其它关键性能组件。在电解电容器的情况下，电容器两端的波纹电压可以用来表示电容器的健康程度，因此，可以受到监控，以确定电容器的健康程度是否已经退化到特定水平。具体地，因为电容器的电解质随时间而逐渐减少，电容器的有效串联电阻增加，而其电容降低，这导致波纹电压越来越高。因而，可以使用波纹电压作为电容器的健康程度的指标。在风扇的情况下，可以使用对于给定负载、控制输入和/或温度条件下的风扇速度来代表风扇的健康程度。因此，可以通过监控，例如，风扇速度、风扇速度命令、温度和/或输出电流水平来监控功率转换器风扇的健康程度。

图2示出了根据本公开的一个实施例的功率转换器200。功率转换器200包括处理器202和各个组件204、206、208，这些组件在功率转换器中的性能将随时间退化(例如，由于磨损、衰减、热循环等)。功率转换器200进一步包括警报器210、212、214。处理器202被配置为用于监控组件204、206、208随时间的健康程度。当这些组件的受监控的性能达到阈值水平时，处理器202激活对应的警报器204、206或者208。在图2的具体实施例中，各个受监控的组件204、206、208分别与不同的警报器210、212、214相关联。这样，用户可以基于哪个警报器被激活来方便地确定哪个组件需要服务。

图2所示的警报器可以是视觉警报器和/或声音警报器。在视觉警报器的情况下，可以采用一个或多个灯(包括发光二极管(LED))，作为显示器件，用来显示文本或其它消息(例如，图标)等。如果警报器包括一个或多个灯，则激活警报器可包括打开、关闭、使其以特定速度闪光或者闪烁、改变其颜色等。在一些实施例中，每个警报器所包含的LED具有与其它警报器的LED不同的颜色。这样，当特定组件需要服务时，用户可以基于被激活的LED的颜色来方便地进行识别。

作为一种可替代方案，或者额外地，提供声音和/或视觉警报器，可以产生并存储组件状态日志。可以访问该组件状态日志，来获取关于电源的组件状态的历史数据。另外，警报可包括在功率转换器200和功率转换器200的主机系统之间进行传送的警报信号。

图2的处理器可以被配置为，利用图1的方法100或者任何其它合适的方法来监控组件204、206、208的健康程度。进一步，虽然图2所示的处理器202被配置为用于监控三个组件的健康程度，但是，应理解，在任何给定的实施方式中，可以监控多于或少于三个组件。类似地，所采用的警报器个数也可以多于或少于三个，最少可以是一个。图2(和图3)所示的处理器202可以是诸如微处理器、微控制器、微型计算机、数字信号处理器等的数字控制器，或者任何其它合适的处理装置。处理器202可以是专用处理器，或者可以是在电源内执行其它可能的独立功能的处理器。可以利用硬件、软件以及固件的组合来实施处理器202。可替代地，可以利用硬连线的模拟和/或数字电路来实施处理器202。

图3示出了根据此公开的另一个实施例的功率转换器300。如图3所示，功率转换器300包括电解大型电容器(bulk capacitor)302、电解输出电容器316，以及dc风扇304。这些组件的性能将随着时间退化。功率转换器还包括处理器306，用来利用图1的方法100来监控大型电容器302、输出电容器316以及风扇304的健康程度。可以将功率转换器300配置为AC/DC或DC/DC功率转换器。功率转换器300还可以包括功率因子校正输入级(未示出)。

更具体地，处理器306通过监控大型电容器302和输出电容器316两端的波纹电压以及输出电流水平来监控这些装置的健康程度。为此，功率转换器300包括两个波纹电压采样电路312和314，以及输出电流采样电路310。处理器通过监控风扇速度以及与该风扇相关联的散热装置(未示出)的温度，来监控dc风扇304的健康程度。为此，功率转换器包括温度感测电路308，并且，处理器包括用于监控风扇速度信号317的输入端。这些不同的电路向处理器306提供数据。如下面进一步描述的，处理器利用此数据来确定任何受监控的组件的健康程度是否已经退化到预定的阈值水平。

在图3的具体实施例中，处理器306被配置为基于哪个组件需要服务来产生不同的警报信号318、320、322。利用这些警报信号来激活对应的LED324、326、328，其中每个LED具有不同的颜色。一旦特定LED被激活，则用户能够在该组件被完全损坏之前安排功率转换器的适当的服务。

在图3的具体实施例中，检测大型电容器两端的波纹电压，并将其转换为具有一定的占空比(duty cycle)的脉冲宽度调制(PWM)信号。该PWM信号的占空比对应于被检测的波纹电压的峰-峰幅度。波纹电压越大，则PWM信号的占空比越大。图4中示出了波纹电压和PWM信号的占空比之间的关系。如图所示，最大的波纹电压402对应于具有最大占空比的PWM信号412。次大的，也就是较小的，波纹电压404对应于具有较小占空比的PWM信号414。图4中所示的最小的波纹电压406对应于具有最小占空比的PWM信号416。这样，处理器306从波纹采样电路314接收PWM信号(优选地，经由诸如光学耦合器等分离装置)，其中，PWM信号的占空比代表在大型电容器302两端所检测到的波纹电压。

通过比较在大型电容器302两端所检测到的波纹电压，并将此信息与所存储的数据进行比较，处理器306能够确定大型电容器的健康程度是否已经退化到指示需要服务的阈值水平。在一些实施例中，此阈值水平被选择为正常(初始)大型电容器波纹电压的某个百分比增加(例如，20％)。因而，处理器306可被配置为，在大型电容器302的两端所检测到的波纹电压超出初始的大型电容器波纹电压的百分之二十时，产生所述警报信号318(指示该大型电容器需要服务)。可替代地，与之前的电源故障相关联的波纹数据可以被存储并被用于检测标准中。

在一些实施例中，处理器根据在给定输出电流水平上的大型电容器两端的波纹电压的函数，来确定大型电容器302的健康程度。图5的流程图示出了这样的一个例子。在502，处理器确定由大型电容器波纹电压采样电路314产生的PWM信号的占空比。在504，处理器确定输出电流水平(由电流采样电路310指示)。在506，处理器确定输出电流是否小于或等于对应于半负载情况的电流水平。如果输出电流小于或等于半负载电流，在508，处理器确定PWM信号(由波纹采样电路314提供)的占空比是否大于对应于半负载情况的占空比。如果大于，则在512，处理器产生警报信号。否则，处理返回并重复进行。如果在506处理器确定输出电流大于对应于半负载情况的电流水平，处理前进到510，确定PWM信号的占空比是否大于对应于全负载情况的占空比。如果大于，则在512，处理器产生警报信号。否则，处理返回并重复进行。尽管仅参考两个负载水平来解释并说明了该方法，但应理解，该方法也能够用于多于两个负载水平。

图6和7示出了适用于图3的功率转换器的大型电容器波纹电压采样电路600、700的两个例子。如图6所示，向电路600提供大型电容器两端的波纹电压作为输入602。比较器604将输入波纹电压转换为具有一定占空比的PWM信号。在图7的电路700中，采用比较器702和光学耦合器704来实现与图6的电路600类似的结果。然而，应理解，也可以采用其它各种电路来检测大型电容器302两端的波纹电压，而不会脱离本公开的教示。

进一步参考图3，输出电容器波纹电压采样电路312向处理器306提供信号，此信号代表输出电容器316两端的波纹电压。在图3的特定实施例中，提供给处理器的该信号代表输出电容器波纹电压的峰值。可替代地，也可以使用其它信号，只要波纹幅度和信号格式之间存在已知的关系。

在一些实施例中，波纹电压信号在被输入到处理器306之前，先通过峰值检测电路。功率转换器次级侧波纹电压的频率通常近似等于该功率转换器的转换频率，或者是转换频率的整数倍。在很多情况下，转换频率大于100kHz，并且将来还会增加。因此，波纹电压的频率常超过100kHz。对几百kHz的AC信号进行的计算处理可能是复杂的且成本高。通过将波纹电压AC信号转换为DC电压，可以降低复杂度和开销。可以使用各种AC到DC转换技术来实现该转换，使得该转换具有各种程度的准确性和复杂度。可以用于此目的的电路的一个例子是峰值检测保持电路。

通过将输出电容器316两端检测到的波纹电压与所存储的数据进行比较，处理器306能够确定输出电容器316的健康程度是否已经退化到指示需要服务的阈值水平。在一些实施例中，选择最大额定输出波纹电压的某个百分比(例如，90％)作为此阈值水平。因而，处理器306可被配置为，例如，当在输出电容器316两端检测到的波纹电压大于或等于最大额定输出波纹电压的百分之九十时，产生警报信号320。

在一些实施例中，处理器306根据在给定输出电流水平上的输出电容器316两端的波纹电压的函数，来确定输出电容器316的健康程度。图8的流程图示出了这样的一个例子。在802，处理器确定由波纹采样电路312检测到的波纹电压的值。在804，处理器确定由电流采样电路310检测到的输出电流水平。然后，在806，处理器确定输出电流水平是否小于对应于半负载情况的电流水平。如果输出电流小于或等于半负载电流，处理继续进行到808。在808，处理器确定波纹电压是否大于半负载情况的期望波纹电压。如果大于，则处理继续进行到812，并产生警报信号。否则，处理返回并重复进行。如果处理器在806确定输出电流大于半负载电流，则处理器将前进到810，以确定波纹电压是否大于全负载情况的期望电压。如果大于，处理继续进行到812，并且产生警报信号。否则，处理返回并重复进行。

图9示出了适用于图3的功率转换器的输出电容器波纹电压采样电路900。如图9所示，提供输出电容器波纹电压作为输入Vin。放大波纹电压的幅度，然后利用带通滤波器对其滤波，以消除运算放大器X3的前端的低频波纹(例如，低于功率转换器的转换频率的一半)以及高频波纹(例如，500kHz以上)噪声。运算放大器优选为高速的，以便能够获得高增益和高线性。利用运算放大器X2补偿二极管D1的前向电压降，以用于由于温度变化而导致的性能改变。与电容器并联的电阻器确保电容器放电。因此，当输入波纹电压的幅度改变时，信号被放大。电路900将输出电容器波纹电压转换为DC信号，此DC信号代表波纹电压的峰值。如果波纹电压是正弦波信号，则从电路900输出的DC信号可以代表波纹电压的RMS值。

如上所述，图3的处理器306被配置为，通过监控风扇速度以及相关联的散热装置的温度来监控dc风扇304的健康程度。通常，对于给定温度，存在最小期望风扇速度。因此，如果风扇速度小于在给定温度处的预定阈值，则这可能指示即将发生风扇故障，并可用来产生合适的警报信号。

图10示出了检测dc风扇的性能退化的处理的一个例子。如图所示，处理开始于在1002确定风扇的速度并在1004确定相关联的散热装置的温度。在1006，处理确定温度是否小于较低的限度，在此特定例子中，此限度是38摄氏度。如果小于，处理返回并重复进行。否则，处理在1008确定温度是否小于较高的限度，在此特定例子中，此限度是59摄氏度。如果小于，处理继续进行到1010，确定风扇速度是否小于对应于温度低于59摄氏度的最小期望速度。如果不小于，则处理返回并重复进行。否则，风扇没有正常工作，处理继续进行到1016，并产生警报信号。如果处理在1008确定温度高于该高温度值，则处理继续进行到1012，确定温度是否超过了过热保护值，在此例中，过热保护值为61摄氏度。如果高于，处理继续进行到1018，在该步骤，启动过热保护。否则，处理继续进行到1014，确定风扇速度是否小于对应于温度接近61摄氏度的最小期望速度，在此特定例子中，该速度为14,000rpm。如果小于，处理继续进行到1016，并产生警报信号。否则，处理返回并重复进行。可替代地，处理器306被配置为，通过监控在给定外加电压和/或气流阻抗时的风扇速度，来检测风扇的性能退化。尽管此特定例子中示出了两个温度级别，但此处理的实施并不限于此，可以使用任意个可变幅度的温度级别。

图11示出了根据本公开的另一个方面的检测电动机中的性能退化的方法。如图11所示，该方法包括，在1102，监控电动机的速度。在1104，检测电动机的性能退化。在1106，产生警报信号。该方法还包括监控提供给电动机的控制信号，包括外加电压或者占空比。这样，至少部分地基于所监控的电动机的速度和提供给电动机的控制信号，可以确定电动机的性能退化。具体地，如果所监控的电动机的速度与提供给该电动机的控制信号不一致，这可能指示即将发生电动机故障或电动机需要其它服务。响应于警报信号，电动机能够在必要时得到服务或者被更换。电动机可以是，例如，包括功率转换器风扇的较大的系统或组合体的一部分。

图12示出了由图3的处理器进行的捕获中断服务处理，用于确定风扇的速度以及与大型电容器波纹电压相关联的PWM信号的占空比。如图12所示，利用两个捕获端口独立地捕获这两个工作特性。优选地，通过测量上升沿和下降沿之间的时间差，以及与大型电容器波纹电压相关联的PWM信号的下降沿和随后的上升沿之间的时间差，来捕获占空比。优选地，通过测量风扇转速计信号的连续上升沿或连续下降沿之间的时间间隔，来捕获风扇速度。

图12还示出了通过消除或降低信号抖动来提供改进的警报可靠性的单平均滤波器模块。该单平均滤波器模块利用移动平均方法来实现此目标。具体地，计算预定次数的测量的平均值。当得到新的测量值时，抛弃最旧的测量值，而新的数值成为平均数的一个分量。

应注意，图2和3所示的处理器202、306可以和其它功率转换器组件一样包含在同一个板或封装内，并且可以进行除本文描述的处理之外的其它处理(例如，包括对开关模式的电源的控制处理)。可替代地，处理器可以与其它组件分开安装，包括，例如，位于安装了功率转换器的系统中(例如，计算机服务器)。

尽管上文已经参考功率转换器描述了本公开的几个方面，但应理解，本公开的各方面并不限于功率转换器，而是可应用于多种系统和应用，包括但不限于，电动机、汽车系统，以及在汽车、电动机控制或者其它工业中使用的其它类型的电子或机电系统。

通过实施以上描述的任何或全部教示，可以获得很多好处和优势，包括，改进系统可靠性、减少系统停机时间、消除并减少系统的冗余组件，避免不必要或过早地更换组件或系统，以及减少整个系统和操作成本。

Claims (12)

1.一种检测功率转换器中的电容器的性能退化的方法，该方法包括：

监控所述电容器两端的波纹电压，所述波纹电压是正弦波信号；

将所述电容器两端的波纹电压转换为代表所述电容器两端的波纹电压的RMS值的DC信号；

通过比较所述代表所述电容器两端的波纹电压的RMS值的DC信号和被选择为所述电容器两端的初始波纹电压的百分比增加的阈值水平，通过数字控制电路来检测所述电容器的性能退化；以及

在检测到所述电容器的性能退化之后，通过所述数字控制电路产生警报信号。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括响应于所产生的警报信号激活警报。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括向安装了所述功率转换器的系统提供所产生的警报信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述电容器是输出电容器。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述波纹电压是输出波纹电压。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括响应所产生的警报信号来更换所述电容器。

7.一种功率转换器，包括至少一个电容器、波纹电压采样电路和处理器，所述处理器包括数字控制电路，所述波纹电压采样电路与所述至少一个电容器连接以用于检测所述至少一个电容器两端的波纹电压，和生成代表所述波纹电压的RMS值的DC信号，所述波纹电压是正弦波信号；所述处理器被配置为通过比较所述代表所述波纹电压的RMS值的DC信号和被选择为所述电容器两端的初始波纹电压的百分比增加的阈值水平，通过所述数字控制电路来检测所述至少一个电容器的性能退化，并在检测到所述至少一个电容器的性能退化之后通过所述数字控制电路产生警报信号。

8.如权利要求7所述的功率转换器，其中，所述至少一个电容器是输出电容器。

9.如权利要求8所述的功率转换器，进一步包括电流采样电路，其连接在所述处理器和所述功率转换器的输出级之间，所述电流采样电路用于向所述处理器提供代表所述功率转换器的输出电流的信号。

10.如权利要求9所述的功率转换器，其中，所述处理器被配置为将代表所述功率转换器的输出电流的信号与所存储的数据相比较，以检测所述输出电容器的性能退化。

11.如权利要求8所述的功率转换器，其中，所述波纹电压采样电路包括带通滤波器，用于在转换所述代表所述波纹电压的RMS值的DC信号之前，从放大后的波纹电压去除低频波纹和高频波纹。

12.如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述波纹电压采样电路包括放大器，用于放大检测出的波纹电压。